

摘要:DCS称重配料系统采用PID控制方式,其目的就是要依据反应的强弱控制相应阀门,使之升温升压阶段、过渡阶段、恒温恒压阶段。
工程概述
本混料机(宝塔石化)设计能力为40000T/a聚丙烯,以石油液化气分馏分离出的丙烯为原料。采用的是间歇式液相本体聚合法。主要设备为8台12立方米聚合反应釜配料系统和8台闪蒸混合机等辅助设备形成的一套间歇式生产装置,每四小时每反应釜配料系统可投料出料一次,每反应釜配料系统可生产聚丙烯粉料3T左右。
1引言
由于间歇聚丙烯生产过程中化学反应间歇过程的特性相当复杂,具有严重的非线性和时变特性。目前在不少间歇工业生产,仍采用手动或半自动操作,尤其是在反应期内,过程控制难度更大,这就要求控制策略适应各个时间段不同的特点。
2工艺特点
本配料设备的主体是A、B、C、D、E、F、G、H8个聚合反应釜称重配料,采用间歇式液相本体法聚合工艺,以液相丙烯为原料,采用CS-1型高效催化剂(Ticl4),以三乙基铝为活化剂,以氢气为聚合物分子量调节剂。液相丙烯经计量进入聚合反应釜,并将活化剂、催化剂和分子量调节剂按一定比例和顺序加入聚合反应釜配料。各物料加完后,开始向聚合投料系统夹套通热水给反应罐内物料升温升压,这时反应釜内温度及压力上升。当温度升至55℃以上、压力在2.4MPa左右时反应釜内开始反应,放出热量。由于反应放出的热量会加剧反应的进行,所以应及时停止加热,打开循环冷却水使反应釜内温度或压力按一定速度上升,当反应釜内温度升至73℃左右、反应釜压升到3.55左右MPa时进行恒温恒压反应过程。随着反应时间的延长,液相丙烯逐渐减少,聚丙烯颗粒的浓度增加。最后,反应釜内液相丙烯基本消失,反应釜内主要是聚丙烯固体颗粒和未反应的气相丙烯,即达到所谓“干锅”状态,釜压下降,此时认为反应结束。其中,升温升压阶段约30min,恒温恒压阶段为4.5h左右。
控制思想
结合工艺特点,该称重上料系统过程可分为3个阶段。升温升压阶段、过渡阶段、恒温恒压阶段。
1.升温升压阶段。目的就是要在适当的时间内,控制热水阀的开度向夹套加水,使温度、压力按照较理想的速率上升,上升太慢影响产量,太快则可能使后期反应过于激烈,难以控制。所以一般都采用位式控制的方式。根据实际特点,在这个阶段中,本称重配料分两个阶段来控制,压力小于2.0Mpa时,热水阀开100%,让反应釜配料系统充分升温升压,压力在2-2.4.时热水阀从100%逐渐关至50%,2.4-2.85时保持全关。这样既缩短了升温时间又使后期反应得到一定的缓解。
2.过渡阶段
过渡阶段是整个控制的难点,DCS称重喂料系统采用PID控制方式,其目的就是要依据反应的强弱控制相应阀门,使之升温升压阶段、过渡阶段、恒温恒压阶段。使压力控制在3.55Mpa左右(因为压力和温度是线性关系)。在这个过程中如果控制不好,有可能超压,引起高压回收,甚至安全阀动作,反之则可能造成“僵反应釜”。同时还得考虑到由于原料引起反应过弱的情况,所以在设计模糊的同时,得考虑选用恰当的参数,使压力在3.5Mpa之前时压力能平稳的上升,也就是说,如何克服模糊控制的稳态误差,经过本人的探索,当压力在[3.3,3.5]时,在速率的[-0.1,0.1]区间中引入三角sinX函数,对模糊的EC项进行修正,而在3.5-3.6Mpa时快速的控制压力。按照上述要求仿照人工控制的经验,设计出智能的二维模糊控制器,输入变为反应釜内压力和混合釜压的变化率,输出变量为冷水阀的开度。模糊控制的任务为:在过渡过程的2.85~3.6MPa阶段,用双输入单输出的模糊控制,代替人的手动操作,实现快速平稳过渡。通过工艺规律,可以得到模糊IF-THEN规则IF压力太低,速率为零,THEN阀门不开IF压力偏低,速率小,THEN阀门小开。IF压力稍低,速率中,THEN阀门中开。IF压力正常,速率大,THEN阀门全开。
(1)选择描述输入输出变量的词集
通过分析历史数据,取输入变量反应釜配料系统压PT的基本论域:[2.8,3.2,3.4.3.6]MPa4个参量分别表示反应釜配料系统内压力太低,偏低、稍低和正常。取压力变化PEC的基本论域:[0,0.56,0.11,0.17]MPa/min4个参量分别表示压力上升速度为零,小,中,大。取冷水阀开度(控制量)Y的基本论域:[0,33,66,100]各参量对应的阀门状态分别为全关,小开,中开,全开。
(2)定义各模糊变量的模糊子集
根据手动策略,隶属函数采用等腰三角形的形式。由隶属函数曲线可以得出各模糊变量在论域上的赋值表。通过上述论域,采用DCS中的模糊控制功能块,便可以构建一个控制方案,事实证明这种方案是非常有效的,它不但解决了压力超调的问题,也解决了反应强弱的问题。并缩短了反应时间。
3.PID控制
自动配料机采用PID控制方式。在切入恒温恒压时,这时反应可能还比较强,所以单纯PID控制,在这个阶段并不理想。所以引入速率前馈。这也使得在较早切入恒温系统得到保障。从而使得能较快的向着设定的目标值靠近。同时又能作出快速的响应。达到更好的控制精度。
4.内冷系统的控制
内冷系统是为了保障超压的有力手段,一般压力在3.45Mpa之后,主要是在压力快速上升时,而分程控制阀已全开时开启内冷阀。针对其特点,在设计称重配料系统时,当压力大于3.45且分程冷水阀开度大于75度时切自动。及时投入调节。
运行结果
用以上控制的方法,从开始加热到反应釜内压力上升到3.5±0.1MPa,所用时间为25-30min左右,最大超调量为±0.03MPa。而手动控制时,从开始加热到反应釜压平稳上升到3.55±0.1MPa,一般需要40~60min,在快速性上显然不如智能复合控制方案。
另外手动控制时,在2.85~3.3MPa这段范围内,控制往往不及时,易引起超调,特别是对于经验不丰富的运行人员来说更难。影响后续反应的平稳性,对产品的质量影响也比较大,回收的机率也大。采用本投料机,运行人员在自动投料结束后,只要操作启动升温按钮,程序会全程控制热水阀、冷水阀、内冷阀,无需手动干预,直到出料。以前一个人操作一个反应釜配料系统都忙不过来,采用自动后,一个人可以很轻松操作4个反应釜系统。