聚乙烯生產過程中先進過程控制技術最新研究進展

劉海龍，張黎君，岳瑞豐，趙 揚

（河南應用技術職業學院 化學工程學院，河南 鄭州 450042）

2001年，中國石化揚子石油化工有限公司引進美國AS-PENTECH公司的聚乙烯裝置先進控制技術（APC）投用后，該裝置產量提高了4.5%，熔體流動速率減小25%～35%，產品加工性能提高，氫氣及催化劑用量下降，裝置運行更加平穩［1］。隨著計算機技術的進步，APC水平不斷得到提高。本文就先進控制平臺及其在聚乙烯工藝裝置上的應用進展進行評述。

1 先進控制方法進展

1.1 云計算的應用

近年來，云計算開始用于先進控制系統。上海譜翱數據科技有限公司［2］提供了一種用于APC的云計算系統，該系統由通訊模塊、虛擬機、數據識別和存儲模塊、預測性算法模塊組成。其中，虛擬機、數據識別和存儲模塊、預測性算法模塊均設置于云端；通訊模塊用于從傳感器讀取現場數據，將虛擬機中APC運行后輸出的數據傳輸至現場的集散控制系統（DCS）；虛擬機用于設置APC算法內部參數，實現數據的輸入、計算與輸出；數據識別和存儲模塊用于識別通訊模塊所獲得的現場數據是否及時，以及存儲暫時不需要參與計算的數據，將APC運行所需即時數據輸入APC進行運算；預測性算法模塊用于現場數據預測，給出現場數據預測值。該系統的APC設置在云端，用戶從現場使用云端APC，幫助用戶節約了在本地安裝APC的成本且幫助客戶解除了DCS和APC綁定的限制。霍尼韋爾國際公司［3］發明了用于APC的云計算系統和方法。APC管理計算機從迭代步驟測試確定至少一個過程變量，并且基于該過程變量生成至少一個過程模型，并將該過程模型發送到APC控制計算機。

1.2 其他控制方法

鄭州大學［4］發明的APC是被控對象采用一階慣性加純延遲傳遞函數進行描述。基于閉環系統階躍響應的輸入和輸出數據、反饋控制器參數以及系統的延遲常數，辨識出被控對象中的待辨識參數，且辨識出的被控對象為連續系統；基于辨識得到的一階慣性加純延遲的連續系統，可以直接應用于系統動態特性分析及進行控制策略優化，以實現被控對象的更優控制，具有很實用的工業應用前景。曲阜師范大學［5］公開了一種APC在通用監控系統上的集成方法、系統及處理終端。該發明運用跨平臺混合編程的方法成功將先進控制算法集成到了組態軟件中，彌補了組態軟件控制算法開發方面的不足，對充分發揮工業組態軟件在工業信息化系統集成的優勢、擴展組態軟件應用領域、提高組態軟件使用率有實際意義。

蒙古伊泰煤炭股份有限公司［6］發明的一種化工過程控制系統主要包括：（1）分散控制器，用于獲取實時數據；（2）服務器，用于存儲從分散控制器獲取的實時數據；（3）先進過程控制器，用于獲取服務器存儲的實時數據，對實時數據進行分析處理后，確定處理結果，將處理結果直接發送至分散控制器，使分散控制器直接獲取處理結果，提高了通信效率及通信安全。上述APC均可用于聚乙烯裝置的先進控制。

2 APC在聚乙烯裝置上的應用

2.1 在低密度聚乙烯裝置上的應用

UNIPOLTM PE 先進控制（簡稱APC+）是美國Univation公司針對其專利技術（Unipol氣相流化床生產聚烯烴工藝）設計制作的計算機控制系統。APC+系統應用在聚乙烯裝置上，提高了單元操作的效率；通過對樹脂性質的控制減少不合格產品的出現，并提供大量的工藝參數作為操作指導；還可以對工藝過程進行優化，使產率最大化，進而實現利益最大化；裝置運行的連續性明顯提高，工藝參數及產品質量也更平穩［7］。中國石化中原石油化工有限責任公司的原設計產能為120 kt/a的線型低密度聚乙烯裝置采用Unipol氣相流化床工藝，歷經多次改造產能已達到260 kt/a。在DCS控制的基礎上，根據生產實際，增加濃度控制器、質量控制器和產量控制器等對聚合單元的關鍵回路實施了APC控制。APC實施結果顯示，產品的熔體流動速率與預測值趨勢一致，反應器壓力標準方差下降了30.91%，反應器溫度的標準方差下降了54.86%［8］。

位于巴西圣保羅州Santo André城的BRASKEM的聚乙烯裝置由2條配備了高壓釜反應器的相同生產線組成，根據生產條件（如壓力、溫度、過氧化物及改性劑等）的不同，可以生產不同牌號的低密度聚乙烯或/和乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（EVA）。Quachio等［9］介紹了APC在提高低密度聚乙烯工業裝置能源效率方面的應用。首先，利用工業數據，建立基于現象的模型來判斷高壓反應器的溫度和組分濃度分布；然后是先進的控制策略，提出基于反饋線性化的反應器變量自動控制方法。除了有利于操作安全及提高生產能力外，APC使用先進的控制策略，允許高壓釜的操作變量更接近于邊界值，因此，采用APC可以顯著降低與工藝相關的能耗。計算結果表明，采用APC得到的聚合物轉化率增加0.64%，第二壓縮機能耗下降36.88%，有機過氧化物消耗下降9.48%。

北京化工大學［10］發明的針對氣相流化床生產工藝的聚乙烯多牌號產品質量指標及操作約束在線估計系統，包括與氣相聚乙烯生產過程連接的現場過程儀表、現場分析儀表、DCS、實驗室分析數據服務器及先進控制服務器。其中，先進控制服務器包括：用于過程控制的對象連接與嵌入客戶端及數據接口模塊，多牌號聚乙烯生產過程質量指標及操作約束模型預測模塊，聚乙烯質量指標預測模型參數自適應修正模塊，聚乙烯質量指標魯棒次優濾波估計、質量指標和操作約束顯示模塊，提供了一種氣相聚乙烯質量指標及操作約束的在線估計方法。采用該方法可以對裝置生產的多牌號氣相聚乙烯產品的熔體流動速率、密度以及氣相聚乙烯生產操作約束產率、循環氣露點溫度等進行實時在線估計。

上海賽科石油化工有限責任公司采用Ineos氣相流化床聚合工藝的300 kt/a的線型低密度聚乙烯裝置，其DCS控制采用Emerson公司的Delta V系統，先進控制采用羅克韋爾自動化Pavilion8模塊化軟件平臺，與上層企業資源規劃系統連接。采用APC控制［11］：（1）一定程度上，利用反應放熱可以解決冷卻水調節滯后的影響；（2）應用虛擬在線分析（VOA）得到的氣相濃度模型及熔體流動速率與實際值幾乎重合；（3）借助VOA和濃度控制器，反應器中各組分實際壓力穩定性明顯提高，其中，總壓穩定性提高了14.5%，乙烯分壓穩定性提高了37.75%。孫康等［12］建立了基于推斷模型的工業氣相聚乙烯裝置多牌號質量指標在線控制方法。多牌號質量指標控制的輸入為牌號質量指標及所推斷的流化床質量指標平均值，輸出為瞬時質量指標。然后根據瞬時質量指標及質量指標推斷模型求解非線性方程組得到DCS操作變量的設定值，用于實現多牌號質量指標的在線控制。工業應用結果證實：（1）該在線估計方法可以實時預測多牌號質量指標的變化，預測精度滿足實時質量指標的控制要求；（2）該方法不但實現了在正常牌號下的質量指標控制，而且實現了牌號切換下的質量指標控制；（3）長周期運行結果證實了采用該方法增加了裝置的平穩性，提高了產率和優級品率，降低了操作人員的勞動強度，直接經濟效益顯著。

杭州電子科技大學［13］通過模型建立、控制器設計、算法設計等手段，設計了新型工業過程約束預測先進控制方法。利用該方法可以綜合考慮多種因素并提高系統的控制性能。以高壓聚乙烯生產過程控制為例，為保證反應具有較高轉化率，需要不斷控制原料輸入量保持反應器壓力穩定。因此，以反應器中的壓力為控制對象，以原料輸入量為控制量，通過對原料輸入量調節與控制，實現了對反應器壓力的控制，提高了乙烯的轉化率。

2.2 在高密度聚乙烯裝置上的應用

中國石油天然氣股份有限公司大慶石化分公司高密度聚乙烯裝置采用日本三井石油化學工業公司的淤漿法工藝，采用DCS控制，其控制精度等很難滿足市場對產品質量的要求。為此，采用Aspen公司的APC，對裝置聚合工藝實施包括非線性多變量控制器、主要聚合物性質的預測和產品配方、牌號切換管理的控制，優化了反應器的乙烯、共聚單體、母液、正己烷及催化劑進料量等參數，APC實施后，A線和B線單位時間產量分別提高1.07%，1.16%，乙烯單耗分別降低1.36，0.93 kg/t，氫氣消耗分別降低14.48%，17.86%，催化劑消耗分別降低4.02%，4.92%；2200J與5000S兩個牌號之間的切換時間縮短10%～15%［14］。章倩［15］以某聚乙烯裝置的雙峰高密度聚乙烯為研究對象，以1-丁烯為共聚單體、正己烷為溶劑，采用Aspen Plus軟件建立基于共聚的4活性中心動力學模型，并以實際生產中的相對分子質量、密度及轉化率等數據驗證模型；而后將共聚單體改為1-己烯，將溶劑改為正戊烷，考察裝置能否適應共聚單體和溶劑的變化。在對聚合反應釜的熱量衡算和物料衡算的基礎上，對溶劑蒸發撤熱流程和淤漿外循環進行模擬計算，結果表明：（1）原有淤漿外循環系統可以滿足新要求，溶劑蒸發系統的第一和第二反應釜的能耗分別降低9.83%，16.20%；（2）共聚單體及溶劑的改變導致回收組分發生變化，表明原有的回收流程對新的溶劑體系不再適用，為此提出了溶劑直接以氣相形式進入回收系統的新流程，新流程能耗降低21.2%。

中韓（武漢）石油化工有限公司300 kt/a高密度聚乙烯裝置采用Innovene S雙環管淤漿聚合工藝，在實際生產中無法實時監控反應器中聚合物的相對分子質量分布等信息，牌號切換及新牌號生產時過渡料偏多，針對這一現象，吳希等［16］以相對分子質量分布為目標函數，并與熔體流動速率相關聯，基于高密度聚乙烯聚合機理、工業操作參數和實驗數據，以Aspen Plus Polymers流程模擬軟件為工具，得到了高密度聚乙烯的熔體流動速率模型。根據模型發現，當乙烯用量一定、氫氣流量為0.20～0.45 kg/h，生產的相對分子質量呈雙峰分布的管材專用高密度聚乙烯PN049-030-122為優等品，這一結果與實際相符，為產品質量控制及新產品開發提供了有益參考。

2.3 在全密度聚乙烯裝置中的應用

采用Unipol氣相流化床聚乙烯冷凝技術建設的國內某公司250 kt/a全密度聚乙烯裝置，使用Univation公司的APC并配以日本橫河公司的DCS，對裝置生產工藝進行控制和管理，其APC主要包括先進樹脂控制模塊、生產速率控制模塊、生產速率最大化模塊、氣體組分控制模塊、分析儀故障檢測模塊及異常處理程序模塊。APC的實施使樹脂熔體流動速率控制在6～12 g/10 min，密度控制在0.946～0.950 g/cm3，熔體流動速率波動范圍僅為±0.32 g/10 min，波動幅度下降60%，有效保障了裝置的平穩運行，提高了產品質量［17］。

朱光啟等［18］利用Aspen Plus流程模擬軟件，基于中國石化上海石油化工股份有限公司4#聚乙烯裝置（采用北歐雙峰全密度聚乙烯工藝的250 kt/a裝置）建立了全流程穩態模型。結果表明：（1）產品的熔體流動速率與氫氣用量呈正比，重均分子量與氫氣用量呈反比，相對分子質量分布與氫氣用量關系不大，實際生產中要嚴格控制氫氣用量以保證產品熔體流動速率合格；（2）流化床氣相反應器的1-丁烯用量對產品密度影響較大，氫氣用量對產品密度影響較小，實際生產中要嚴格控制1-丁烯用量以確保產品密度合格；（3）淤漿環管反應器的氫氣進料量對產物相對分子質量分布影響不大，當氫氣進料量波動不大時，可不考慮其影響；（4）裝置的產量與催化劑用量幾乎成正比，但經過一個弧度變化，斜率趨于變小；而催化劑的單耗隨其用量的增加而下降。

針對新型多釜串聯Borstar雙峰聚乙烯工藝，陳可冉［19］采用先進聚合過程模型軟件Polymer Plus對工藝全流程建立了穩態模型，包括嚴格的再參數化PC-SAFT狀態方程熱力學模型、Ziegler-Natta催化劑乙烯聚合多活性中心反應動力學模型及反應器模型。模型基于聚合工藝中各反應器過程變量、聚合物重均分子量、多分散性指數及相對分子質量分布曲線，采用一種特殊的分步參數迭代策略調節催化劑各活性中心乙烯聚合反應動力學參數，并以聚合工藝4個穩態工況下各反應裝置操作數據及聚合產物性質為考核標準進行模型適應性驗證。通過該全流程穩態模型，不僅準確模擬了多個穩態工況下聚合工藝各聚合反應器的過程變量、聚合物重均分子量、多分散性指數及相對分子質量分布，還定量建立了聚合工藝中各反應器主要原料進料量與產品性質及相對分子質量分布的關聯。該聚合工藝全流程穩態模型的成功開發，不僅為進一步開發聚合工藝復雜動態全流程模型、優化聚合工藝開停車及牌號切換過程奠定了理論基礎，也為我國消化吸收先進聚乙烯生產工藝及實現規模化聚乙烯生產裝置聚合產品精細結構調控與優化提供了理論指導。

3 APC在聚乙烯工藝中的其他應用

3.1 多功能監控方法

浙江大學［20］公開了一種聚乙烯生產過程的多功能運行監控方法：（1）該方法解決了現存DCS無法直接實現各種先進監控技術的缺陷，為聚乙烯生產裝置提供了一種新型的、集成多種技術的多功能運行監控方法。（2）所選用的硬件設備全部為市場上常見的通用標準設備，不僅現場實施方便，而且備品備件容易，避免了專用設備價位高、供貨不及時或自組裝設備可靠性差、通用性差的缺點，為設備更換、系統升級帶來便利。（3）采用機理分析和數據分析相結合的混合建模方式，既區別于單純的機理建模又不同于單純的數據建模。機理建模部分包括聚合動力學模型、能量平衡模型、質量平衡模型、相平衡模型和專用物性數據集；數據建模部分采用多元統計理論與技術和大量的現場運行數據。（4）突破了傳統的單一設備故障診斷概念，將關鍵變量評估、設備維護計劃管理和應急預案管理等納入到同一個功能框架下，完善了聚乙烯裝置運行的安全監控能力，具有組網簡單，升級、互連、更新及維護方便，設備選型通用且標準化的優點，可以直接實現對聚乙烯生產裝置的全方位運行監控。

3.2 停工控制方法

中國神華煤制油化工有限公司［21］發明的聚乙烯裝置的停工控制方法和系統，包括：修改反應器自動停工的觸發程序，控制反應器在接收到引發劑泵的故障信號時旁路反應器自動停工的觸發程序；當發生第二階段聚合的反應區引發劑泵故障時，按順序關閉故障引發劑泵和下游引發劑泵，使故障反應區及位于故障反應區下游的反應區的聚合終止。采用該方案，可避免因引發劑泵故障觸發反應器的自動停工操作，停止故障反應區和下游反應區中的聚合，但不影響該故障反應區上游反應區聚合的正常發生，從而降低了反應器和聚乙烯裝置的停工次數，提高了運行周期。

3.3 調溫水控制方法

劉興冰［22］以Aspen HYSYS軟件為工具，模擬某聚乙烯裝置調溫水系統穩態和動態狀況，確定了該系統參數運行方案。通過對比運行數據發現，調溫水管路系統設計裕量偏大是造成調溫水流量偏高及反應器進口溫度波動大的原因。通過模型，優化了操作參數，解決了調溫水系統流量偏大問題，反應器進口溫度得以穩定。

4 結語

聚乙烯作為最重要的乙烯衍生物之一，在各行各業得到廣泛應用。計算機技術的發展，為聚乙烯工藝優化提供了越來越多的手段。APC與DCS結合，對于全流程優化聚乙烯工藝及裝置運行參數、提高產品質量、降低裝置能耗、降低物料消耗、降低牌號切換時間及過渡料的量，發揮著幾乎無可替代的作用。