聚乙烯生产过程中先进过程控制技术最新研究进展

刘海龙，张黎君，岳瑞丰，赵 扬

（河南应用技术职业学院 化学工程学院，河南 郑州 450042）

2001年，中国石化扬子石油化工有限公司引进美国AS-PENTECH公司的聚乙烯装置先进控制技术（APC）投用后，该装置产量提高了4.5%，熔体流动速率减小25%～35%，产品加工性能提高，氢气及催化剂用量下降，装置运行更加平稳［1］。随着计算机技术的进步，APC水平不断得到提高。本文就先进控制平台及其在聚乙烯工艺装置上的应用进展进行评述。

1 先进控制方法进展

1.1 云计算的应用

近年来，云计算开始用于先进控制系统。上海谱翱数据科技有限公司［2］提供了一种用于APC的云计算系统，该系统由通讯模块、虚拟机、数据识别和存储模块、预测性算法模块组成。其中，虚拟机、数据识别和存储模块、预测性算法模块均设置于云端；通讯模块用于从传感器读取现场数据，将虚拟机中APC运行后输出的数据传输至现场的集散控制系统（DCS）；虚拟机用于设置APC算法内部参数，实现数据的输入、计算与输出；数据识别和存储模块用于识别通讯模块所获得的现场数据是否及时，以及存储暂时不需要参与计算的数据，将APC运行所需即时数据输入APC进行运算；预测性算法模块用于现场数据预测，给出现场数据预测值。该系统的APC设置在云端，用户从现场使用云端APC，帮助用户节约了在本地安装APC的成本且帮助客户解除了DCS和APC绑定的限制。霍尼韦尔国际公司［3］发明了用于APC的云计算系统和方法。APC管理计算机从迭代步骤测试确定至少一个过程变量，并且基于该过程变量生成至少一个过程模型，并将该过程模型发送到APC控制计算机。

1.2 其他控制方法

郑州大学［4］发明的APC是被控对象采用一阶惯性加纯延迟传递函数进行描述。基于闭环系统阶跃响应的输入和输出数据、反馈控制器参数以及系统的延迟常数，辨识出被控对象中的待辨识参数，且辨识出的被控对象为连续系统；基于辨识得到的一阶惯性加纯延迟的连续系统，可以直接应用于系统动态特性分析及进行控制策略优化，以实现被控对象的更优控制，具有很实用的工业应用前景。曲阜师范大学［5］公开了一种APC在通用监控系统上的集成方法、系统及处理终端。该发明运用跨平台混合编程的方法成功将先进控制算法集成到了组态软件中，弥补了组态软件控制算法开发方面的不足，对充分发挥工业组态软件在工业信息化系统集成的优势、扩展组态软件应用领域、提高组态软件使用率有实际意义。

蒙古伊泰煤炭股份有限公司［6］发明的一种化工过程控制系统主要包括：（1）分散控制器，用于获取实时数据；（2）服务器，用于存储从分散控制器获取的实时数据；（3）先进过程控制器，用于获取服务器存储的实时数据，对实时数据进行分析处理后，确定处理结果，将处理结果直接发送至分散控制器，使分散控制器直接获取处理结果，提高了通信效率及通信安全。上述APC均可用于聚乙烯装置的先进控制。

2 APC在聚乙烯装置上的应用

2.1 在低密度聚乙烯装置上的应用

UNIPOLTM PE 先进控制（简称APC+）是美国Univation公司针对其专利技术（Unipol气相流化床生产聚烯烃工艺）设计制作的计算机控制系统。APC+系统应用在聚乙烯装置上，提高了单元操作的效率；通过对树脂性质的控制减少不合格产品的出现，并提供大量的工艺参数作为操作指导；还可以对工艺过程进行优化，使产率最大化，进而实现利益最大化；装置运行的连续性明显提高，工艺参数及产品质量也更平稳［7］。中国石化中原石油化工有限责任公司的原设计产能为120 kt/a的线型低密度聚乙烯装置采用Unipol气相流化床工艺，历经多次改造产能已达到260 kt/a。在DCS控制的基础上，根据生产实际，增加浓度控制器、质量控制器和产量控制器等对聚合单元的关键回路实施了APC控制。APC实施结果显示，产品的熔体流动速率与预测值趋势一致，反应器压力标准方差下降了30.91%，反应器温度的标准方差下降了54.86%［8］。

位于巴西圣保罗州Santo André城的BRASKEM的聚乙烯装置由2条配备了高压釜反应器的相同生产线组成，根据生产条件（如压力、温度、过氧化物及改性剂等）的不同，可以生产不同牌号的低密度聚乙烯或/和乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（EVA）。Quachio等［9］介绍了APC在提高低密度聚乙烯工业装置能源效率方面的应用。首先，利用工业数据，建立基于现象的模型来判断高压反应器的温度和组分浓度分布；然后是先进的控制策略，提出基于反馈线性化的反应器变量自动控制方法。除了有利于操作安全及提高生产能力外，APC使用先进的控制策略，允许高压釜的操作变量更接近于边界值，因此，采用APC可以显著降低与工艺相关的能耗。计算结果表明，采用APC得到的聚合物转化率增加0.64%，第二压缩机能耗下降36.88%，有机过氧化物消耗下降9.48%。

北京化工大学［10］发明的针对气相流化床生产工艺的聚乙烯多牌号产品质量指标及操作约束在线估计系统，包括与气相聚乙烯生产过程连接的现场过程仪表、现场分析仪表、DCS、实验室分析数据服务器及先进控制服务器。其中，先进控制服务器包括：用于过程控制的对象连接与嵌入客户端及数据接口模块，多牌号聚乙烯生产过程质量指标及操作约束模型预测模块，聚乙烯质量指标预测模型参数自适应修正模块，聚乙烯质量指标鲁棒次优滤波估计、质量指标和操作约束显示模块，提供了一种气相聚乙烯质量指标及操作约束的在线估计方法。采用该方法可以对装置生产的多牌号气相聚乙烯产品的熔体流动速率、密度以及气相聚乙烯生产操作约束产率、循环气露点温度等进行实时在线估计。

上海赛科石油化工有限责任公司采用Ineos气相流化床聚合工艺的300 kt/a的线型低密度聚乙烯装置，其DCS控制采用Emerson公司的Delta V系统，先进控制采用罗克韦尔自动化Pavilion8模块化软件平台，与上层企业资源规划系统连接。采用APC控制［11］：（1）一定程度上，利用反应放热可以解决冷却水调节滞后的影响；（2）应用虚拟在线分析（VOA）得到的气相浓度模型及熔体流动速率与实际值几乎重合；（3）借助VOA和浓度控制器，反应器中各组分实际压力稳定性明显提高，其中，总压稳定性提高了14.5%，乙烯分压稳定性提高了37.75%。孙康等［12］建立了基于推断模型的工业气相聚乙烯装置多牌号质量指标在线控制方法。多牌号质量指标控制的输入为牌号质量指标及所推断的流化床质量指标平均值，输出为瞬时质量指标。然后根据瞬时质量指标及质量指标推断模型求解非线性方程组得到DCS操作变量的设定值，用于实现多牌号质量指标的在线控制。工业应用结果证实：（1）该在线估计方法可以实时预测多牌号质量指标的变化，预测精度满足实时质量指标的控制要求；（2）该方法不但实现了在正常牌号下的质量指标控制，而且实现了牌号切换下的质量指标控制；（3）长周期运行结果证实了采用该方法增加了装置的平稳性，提高了产率和优级品率，降低了操作人员的劳动强度，直接经济效益显著。

杭州电子科技大学［13］通过模型建立、控制器设计、算法设计等手段，设计了新型工业过程约束预测先进控制方法。利用该方法可以综合考虑多种因素并提高系统的控制性能。以高压聚乙烯生产过程控制为例，为保证反应具有较高转化率，需要不断控制原料输入量保持反应器压力稳定。因此，以反应器中的压力为控制对象，以原料输入量为控制量，通过对原料输入量调节与控制，实现了对反应器压力的控制，提高了乙烯的转化率。

2.2 在高密度聚乙烯装置上的应用

中国石油天然气股份有限公司大庆石化分公司高密度聚乙烯装置采用日本三井石油化学工业公司的淤浆法工艺，采用DCS控制，其控制精度等很难满足市场对产品质量的要求。为此，采用Aspen公司的APC，对装置聚合工艺实施包括非线性多变量控制器、主要聚合物性质的预测和产品配方、牌号切换管理的控制，优化了反应器的乙烯、共聚单体、母液、正己烷及催化剂进料量等参数，APC实施后，A线和B线单位时间产量分别提高1.07%，1.16%，乙烯单耗分别降低1.36，0.93 kg/t，氢气消耗分别降低14.48%，17.86%，催化剂消耗分别降低4.02%，4.92%；2200J与5000S两个牌号之间的切换时间缩短10%～15%［14］。章倩［15］以某聚乙烯装置的双峰高密度聚乙烯为研究对象，以1-丁烯为共聚单体、正己烷为溶剂，采用Aspen Plus软件建立基于共聚的4活性中心动力学模型，并以实际生产中的相对分子质量、密度及转化率等数据验证模型；而后将共聚单体改为1-己烯，将溶剂改为正戊烷，考察装置能否适应共聚单体和溶剂的变化。在对聚合反应釜的热量衡算和物料衡算的基础上，对溶剂蒸发撤热流程和淤浆外循环进行模拟计算，结果表明：（1）原有淤浆外循环系统可以满足新要求，溶剂蒸发系统的第一和第二反应釜的能耗分别降低9.83%，16.20%；（2）共聚单体及溶剂的改变导致回收组分发生变化，表明原有的回收流程对新的溶剂体系不再适用，为此提出了溶剂直接以气相形式进入回收系统的新流程，新流程能耗降低21.2%。

中韩（武汉）石油化工有限公司300 kt/a高密度聚乙烯装置采用Innovene S双环管淤浆聚合工艺，在实际生产中无法实时监控反应器中聚合物的相对分子质量分布等信息，牌号切换及新牌号生产时过渡料偏多，针对这一现象，吴希等［16］以相对分子质量分布为目标函数，并与熔体流动速率相关联，基于高密度聚乙烯聚合机理、工业操作参数和实验数据，以Aspen Plus Polymers流程模拟软件为工具，得到了高密度聚乙烯的熔体流动速率模型。根据模型发现，当乙烯用量一定、氢气流量为0.20～0.45 kg/h，生产的相对分子质量呈双峰分布的管材专用高密度聚乙烯PN049-030-122为优等品，这一结果与实际相符，为产品质量控制及新产品开发提供了有益参考。

2.3 在全密度聚乙烯装置中的应用

采用Unipol气相流化床聚乙烯冷凝技术建设的国内某公司250 kt/a全密度聚乙烯装置，使用Univation公司的APC并配以日本横河公司的DCS，对装置生产工艺进行控制和管理，其APC主要包括先进树脂控制模块、生产速率控制模块、生产速率最大化模块、气体组分控制模块、分析仪故障检测模块及异常处理程序模块。APC的实施使树脂熔体流动速率控制在6～12 g/10 min，密度控制在0.946～0.950 g/cm3，熔体流动速率波动范围仅为±0.32 g/10 min，波动幅度下降60%，有效保障了装置的平稳运行，提高了产品质量［17］。

朱光启等［18］利用Aspen Plus流程模拟软件，基于中国石化上海石油化工股份有限公司4#聚乙烯装置（采用北欧双峰全密度聚乙烯工艺的250 kt/a装置）建立了全流程稳态模型。结果表明：（1）产品的熔体流动速率与氢气用量呈正比，重均分子量与氢气用量呈反比，相对分子质量分布与氢气用量关系不大，实际生产中要严格控制氢气用量以保证产品熔体流动速率合格；（2）流化床气相反应器的1-丁烯用量对产品密度影响较大，氢气用量对产品密度影响较小，实际生产中要严格控制1-丁烯用量以确保产品密度合格；（3）淤浆环管反应器的氢气进料量对产物相对分子质量分布影响不大，当氢气进料量波动不大时，可不考虑其影响；（4）装置的产量与催化剂用量几乎成正比，但经过一个弧度变化，斜率趋于变小；而催化剂的单耗随其用量的增加而下降。

针对新型多釜串联Borstar双峰聚乙烯工艺，陈可冉［19］采用先进聚合过程模型软件Polymer Plus对工艺全流程建立了稳态模型，包括严格的再参数化PC-SAFT状态方程热力学模型、Ziegler-Natta催化剂乙烯聚合多活性中心反应动力学模型及反应器模型。模型基于聚合工艺中各反应器过程变量、聚合物重均分子量、多分散性指数及相对分子质量分布曲线，采用一种特殊的分步参数迭代策略调节催化剂各活性中心乙烯聚合反应动力学参数，并以聚合工艺4个稳态工况下各反应装置操作数据及聚合产物性质为考核标准进行模型适应性验证。通过该全流程稳态模型，不仅准确模拟了多个稳态工况下聚合工艺各聚合反应器的过程变量、聚合物重均分子量、多分散性指数及相对分子质量分布，还定量建立了聚合工艺中各反应器主要原料进料量与产品性质及相对分子质量分布的关联。该聚合工艺全流程稳态模型的成功开发，不仅为进一步开发聚合工艺复杂动态全流程模型、优化聚合工艺开停车及牌号切换过程奠定了理论基础，也为我国消化吸收先进聚乙烯生产工艺及实现规模化聚乙烯生产装置聚合产品精细结构调控与优化提供了理论指导。

3 APC在聚乙烯工艺中的其他应用

3.1 多功能监控方法

浙江大学［20］公开了一种聚乙烯生产过程的多功能运行监控方法：（1）该方法解决了现存DCS无法直接实现各种先进监控技术的缺陷，为聚乙烯生产装置提供了一种新型的、集成多种技术的多功能运行监控方法。（2）所选用的硬件设备全部为市场上常见的通用标准设备，不仅现场实施方便，而且备品备件容易，避免了专用设备价位高、供货不及时或自组装设备可靠性差、通用性差的缺点，为设备更换、系统升级带来便利。（3）采用机理分析和数据分析相结合的混合建模方式，既区别于单纯的机理建模又不同于单纯的数据建模。机理建模部分包括聚合动力学模型、能量平衡模型、质量平衡模型、相平衡模型和专用物性数据集；数据建模部分采用多元统计理论与技术和大量的现场运行数据。（4）突破了传统的单一设备故障诊断概念，将关键变量评估、设备维护计划管理和应急预案管理等纳入到同一个功能框架下，完善了聚乙烯装置运行的安全监控能力，具有组网简单，升级、互连、更新及维护方便，设备选型通用且标准化的优点，可以直接实现对聚乙烯生产装置的全方位运行监控。

3.2 停工控制方法

中国神华煤制油化工有限公司［21］发明的聚乙烯装置的停工控制方法和系统，包括：修改反应器自动停工的触发程序，控制反应器在接收到引发剂泵的故障信号时旁路反应器自动停工的触发程序；当发生第二阶段聚合的反应区引发剂泵故障时，按顺序关闭故障引发剂泵和下游引发剂泵，使故障反应区及位于故障反应区下游的反应区的聚合终止。采用该方案，可避免因引发剂泵故障触发反应器的自动停工操作，停止故障反应区和下游反应区中的聚合，但不影响该故障反应区上游反应区聚合的正常发生，从而降低了反应器和聚乙烯装置的停工次数，提高了运行周期。

3.3 调温水控制方法

刘兴冰［22］以Aspen HYSYS软件为工具，模拟某聚乙烯装置调温水系统稳态和动态状况，确定了该系统参数运行方案。通过对比运行数据发现，调温水管路系统设计裕量偏大是造成调温水流量偏高及反应器进口温度波动大的原因。通过模型，优化了操作参数，解决了调温水系统流量偏大问题，反应器进口温度得以稳定。

4 结语

聚乙烯作为最重要的乙烯衍生物之一，在各行各业得到广泛应用。计算机技术的发展，为聚乙烯工艺优化提供了越来越多的手段。APC与DCS结合，对于全流程优化聚乙烯工艺及装置运行参数、提高产品质量、降低装置能耗、降低物料消耗、降低牌号切换时间及过渡料的量，发挥着几乎无可替代的作用。