聚丙烯聚合反應釜新型控制策略及控制算法

張麗萍

(新疆克拉瑪依職業技術學院,833600)

聚丙烯聚合反應釜新型控制策略及控制算法

張麗萍

(新疆克拉瑪依職業技術學院,833600)

聚合反應是聚丙烯生產的核心，整個聚合反應過程在聚合釜內完成。具有多變量強耦合、非線性嚴重、動態特性復雜等特性，數學模型很難建立，并且隨著反應的進行對象動態特性發生明顯變化。該系統采用常規控制策略很難奏效。本文在對聚合釜動態特性分析的基礎上,提出了一種新型控制策略和控制算法-復合型智能控制系統，代替原本的串級控制系統，并將模糊控制算法應用其中,以確保動態響應和穩態精度。模擬運行表明, 改進后系統具有很好的魯棒性及穩定性。

聚合釜;非線性;復合控制系統;模糊控制算法

1 聚合反應工藝概述

目前國內的聚丙烯樹脂裝置大多采用液相本體法工藝，間歇式生產。聚合反應是在間歇式反應釜內進行的，是生成聚丙烯樹脂的核心環節。聚合釜內有攪拌器，釜外有夾套層。工藝流程如圖1所示。

粗丙烯（原料）進入精制裝置完成脫除硫雜質、脫除水雜質、脫除氧氣，出來的純丙烯用泵打入純丙烯計量儲罐。純丙烯經計量器進入聚合反應釜，同時將活化劑、DDS、催化劑和氫氣按一定比例依次加入聚合反應釜，投料結束后，向夾套內通熱水（70~90℃），釜內物料開始加熱；當釜溫升到50~60℃，釜壓升到2.3~2.7MPa時，將熱水逐漸切換成冷卻水用于反應冷卻，吸收反應熱量，反應溫度控制在85℃以下，壓力為3.0~3.7MPa時，進行液相本體聚合反應。反應進行3~6小時后，聚合釜出現溫度不變、壓力下降；壓力不變、溫度下降；攪拌器電流不變的現象，表明聚合反應完成。然后打開聚合反應釜回收氣動閥，將未反應完的高壓高溫丙烯氣體經換熱器冷凝，回到純丙烯計量儲罐循環使用。再用回收完后剩余的壓力將釜內聚丙烯噴到閃蒸釜內。

可見，聚合反應在整個聚丙烯生產中至關重要，它能否正常、安全和有效運行，直接關系到整個工廠的安全以及產品的質量。所以，對聚合反應過程采取最佳的控制策略意義非凡。

2 原有問題分析

聚合反應是一個比較復雜的過程，干擾多，如原料純度、流量的變化，催化劑的活性、類型 ，冷水、熱水的溫度、流量等都會對整個聚合反應造成影響，其中溫度變化對系統的影響最大。并且系統本身又是一個集時滯、時變和非線性與一體的系統。可見系統動態特性復雜，數學模型建立困難。

從聚合反應工藝可以看出，聚合反應具有明顯的階段性：投料結束后的升溫升壓、聚合反應開始階段的放熱效應、聚合反應

過程中的恒溫恒壓。而目前國內絕大多數聚丙烯生產企業均采用以釜壓為主控制環，夾套水溫為副控制環，冷水流量為操縱變量的串級控制系統。不難看出，串級控制對恒溫恒壓階段的控制具有比較好的控制性能，可以充分保證控制的精度要求，但對于升溫升壓階段和放熱階段的控制根本達不到控制要求。因為升溫升壓階段一般要求在較短的時間內（大約40min）把釜溫或釜壓升到開始反應的狀態，并且必須保持連續的升溫或升壓，而在反應開始后又有大量的反應熱必須及時移走。

可見對于聚合釜這樣的控制對象，采用單純的串級控制方案不能有效解決階段性控制的要求。

3 聚合釜新型控制策略

聚合反應控制系統三個階段的分析：

1)溫度壓力升高階段。投料快完成時，將熱水槽中熱水升溫到70~90℃后用熱水泵打入聚合釜夾套進行升溫操作。該階段一般要求在較短的時間內（約40min）把釜溫或釜壓升到開始反應的狀態，而且要保證溫度或壓力的連續上升。該過程的有效控制能縮短操作周期，提高裝置利用率。

2)過渡階段。聚合反應是一個放熱反應，當釜溫升到50~60℃；釜壓升到2.3~2.7MPa時，將熱水逐漸切換成冷卻水用于反應冷卻，吸收反應熱量，防止反應劇烈，已引起“爆聚”或安全閥動作；同時如果加入的冷卻水過多又將使反應激死，甚至造成“清湯”現象。所以此階段控制的難度比較大，是決定能否獲得優質優良產品的關鍵環節。此過程應盡快完成升溫，恒定釜溫，使控制系統順利進入反應階段。同時要求，釜內溫度或壓力連續上升又不能產生超調。

3)溫度壓力保持階段。反應溫度控制在85℃以下，壓力為3.0~3.7MPa時，進入液相本體，是一個吸熱過程，為聚合反應的正常反應階段，反應時間較長一般3~6小時。該過程要求有較高的控制精度，為整個聚合反應過程控制的重點。隨后便進入成品回收階段。

通過上述三個階段的分析可以看出：控制對象（聚合釜）的特性，從2階段的放熱過程迅速過渡到3階段的吸熱過程是沒有任何提示的，在很短的時間內，聚合釜的溫度可能會大幅下降，控制系統必須快速反應，切斷冷水并送入適當的熱水使聚合釜溫度控制在正常值范圍內。并且一般間歇式反應釜都是容量較大的密封反應釜，聚合反應過程中，物料分布不均，溫度梯度大，容易造成溫度測量滯后、虛假溫度等；再者系統存在很多不確定的大擾動，關鍵變量之間的耦合性強，操作條件多變。所以，在聚合反應控制中很難采用溫度控制。

針對三個階段控制對象的特點，化學反應過程的不確定性，數學模型難以確立，常規的PID控制很難湊效，在此引進一種新型的控制策略-復合型智能復合控制系統，以反應釜的壓力作為被控變量。在升溫階段，信號偏差大、壓力變化快，希望控制系統要能快速跟隨，而對控制精度要求相對較低，因而采用雙位控制，從而能縮短單釜操作周期，提高裝置利用率；在過渡階段，信號偏差不太，希望控制系統無超調，并能兼顧快速性和精度，參照現場操作人員的經驗，采用模糊控制方案；在正常反應階段，系統相對平穩，希望有較高的控制精度，因此采用PID控制方案。復合型智能控制方框圖如圖2所示。

圖2 復合型智能控制系統控制方框圖

4 聚合釜模糊控制器的設計

本控制器采用二維模糊控制理論，以釜壓偏差e和偏差的變化量ec作為輸入變量，以冷水閥的閥門開度u為輸出量。模糊控制器的主要任務就是實現過渡過程快速、平穩、準確的過渡，以代替手動控制。

基于模糊控制的基本思想，聚合釜模糊控制器的結構如圖3所示，按以下幾個步驟進行。

4.1 輸入輸出量的模糊化

在模糊控制器中，根據模糊控制規律，一般對輸入、輸出量取7個語言值，即{PL（正大）PM（正中）PS（正小）ZE（零）NS（負小）NM（中）NL（負大）} ，劃分的越細，控制越靈活，但是規則多、復雜，編程困難，所以在聚合釜模糊控制器中兼顧簡單性和控制效果，對e、ec和u都取合適的語言值。模糊語言值是一個模糊子集，利用定義在其論域上的隸屬函數來描述。

通過對歷史數據和人工經驗的分析，取釜壓偏差e的基本論域為[2.3,2.7]MPa，量化論域X={-3,-2，-1，-0}，分別表示釜內壓力低的四個檔次；偏差變化量ec的基本論域為[0,0.2] MPa，量化論域Y={0,1，2，3}，分別表示釜內壓力上升速度為零、正小、正中和正大；閥門開度u的基本論域為[0,100]，量化論域Z={0,1，2，3}，分別表示閥門開度為全關、小開、大開和全開。根據隸屬函數變化越快，控制靈敏度就越高的原則，可以確定：偏差的隸屬函數是一個非均勻分布的隸屬函數，在偏差為零的附近區域采用分辨率較大的隸屬函數，以提高控制系統的靈敏度，偏差變化和偏差變化量的變化均采用均勻分布的隸屬函數。從而可以完成變量的模糊化。

4.2 模糊控制規則的建立和模糊推理

模糊控制規則推理是模糊控制器的核心，設計控制規則時

必須考慮規則的完備性、交叉性和一致性。根據對手工操作的系統觀察和測量生成控制規則，常以語句“IF X is A and Y is B ,Then Z is C”或矩陣的形式表達。本控制器是通過總結現場經驗豐富的操作人員的經驗而生成控制規則，來描述冷水閥開度和聚合釜壓力之間的關系，從而歸納出模糊控制規則庫。進一步根據模糊輸入和規則庫中所蘊含的輸入輸出關系，通過Mamdani推理法，得到模糊控制的輸出模糊值。

4.3 輸出量的精確化

模糊控制規則推理的結果都是模糊值，不能直接用于控制聚合釜，必須轉換成控制閥可以執行的精確量，也就是根據模糊子集的隸屬度計算出確定的輸出數值。最簡單的去模糊化方法是最大隸屬度法，在控制工程中最常用的是面積重心法。面積重心法是取模糊輸出多邊形重心的橫坐標作為該模糊輸出的非模糊值,并且面積重心法具有使所有有效規則都體現在最后結果中且其輸出變量隨輸入變量的變化呈連續變化而被采用。本系統模糊控制器的輸出控制量變化的隸屬函數是三角形隸屬函數，所以重心好計算。

圖1 聚丙烯聚合反應工藝流程

圖3 聚合釜模糊控制器結構方框圖

5 智能復合控制的實現

根據被控變量壓力的高低變化，組成本系統的規則集來實現復合型智能控制。主要規則：

IF P<2.3 MPa ,Then U=雙式控制輸出

6 結論

本文通過對現行的聚丙烯聚合釜反應過程的分析，提出了一種新型的復合型智能復合控制策略，并將新興的控制理論-模糊控制應用其中，能有效的解決目前國內聚丙烯生產過程中存在的控制難題，提高控制效率和控制精度，得到現場專家的認可。通過模擬運行分析：從開始加熱到聚合釜壓力上升到2.5±0.1MPa，所用的時間約為30min，最大超調量為0.03MPa，表明該系統具有良好的魯棒性和穩定性。

[1] 聚丙烯裝置操作規程，2006.8

[2] 倪志蓮，聚丙烯生產過程計算機控制系統研究與開發[D]，南京理工大學，碩士，2005.12

[3] 諸靜等，《模糊控制原理與應用》，機械工業出版社，1995年

[4] 李平，侯志剛，間歇式液相本體聚丙烯裝置計算機控制與管理系統[J]，石油化工自動化，2003.3.22

Polypropylene polymerization reactor model control strategy and control algorithm

Zhang Liping
(Xinjiang Karamay Vocational and Technical College,833600)

The polymerization is the core of the production of polypropylene,throughout the polymerization process is completed in the polymerization reactor.Multivariable strong coupling nonlinear serious and complex characteristics of the dynamic characteristics of the mathematical model is not only difficult to establish, and with the dynamic characteristics of object-chemical reaction changed significantly.The system uses a conventional control strategy is difficult to work.Based on the dynamic characteristics of the polymerization reactor analysis,a novel control strategy and control algorithm.The use of a complex control system instead of the original cascade control system,a controller using fuzzy control algorithm to ensure that the dynamic response and steady state accuracy.Actual operating results show that the improved system has good robustness and stability.

Polymerization reactor;Nonlinear;Complex control system;Fuzzy Control Algorithm

張麗萍（1980—），女，漢，陜西渭南，學士，初級講師，從事生產過程自動化、通訊方面研究。