广东化工                                2012年第12期· 136 · www.gdchem 第39卷总第236期先进控制技术在聚乙烯装置中的应用
杨春慧1*，隋信幸2，王相伟2
(1．中国石化青岛液化天然气有限责任公司，山东青岛 266400；2．中国石化齐鲁石化公司塑料厂，山东淄博 255411)
[摘要]文章以14万t/a聚乙烯生产装置反应器为背景，介绍先进控制技术在实际化工生产过程中的应用。针对聚乙烯装置的实际工艺条件与控制目标，设计了产率控制器并建立动态矩阵控制(DMC plus)模型，通过软件组态实现控制器的功能，对在CENTRUM-CS系统平台上的实时运行效果进行了前后对比，表明文章设计实施的多变量预估先进控制是切实可行的。
[关键词]先进控制技术；DMC plus；多变量预估控制
[中图分类号]TH86 [文献标识码]A [本文编号]1007-1865(2012)12-0136-02
The Application of Advanced Control Technology for
Polyethylene Device
Yang Chunhui1*, Sui Xinxing2, Wang Xiangwei2
(1. SINOPEC Qingdao Liquefied Natural Gas Co., Ltd., Qingdao 266400；2. SINOPEC Qilu Petrochemical Plastic Plant, Zibo 255411, China)
Abstract: With the 140000 tons/year polyethylene production device for background reactor, the paper introduce the application of advanced control technology in the chemical production process. According to the actual process condition and control goal of the polyethylene device, we design the controller of production rate, establish DMC plus model, and realize the function of the controller design through the software configuration. Compareing to the real-time operation platform effects of the CENTRUM-CS system before and after, it show that the design and implementation of the multivariable estimated advanced control is practical and feasible.
Keywords: advanced process control；DMC plus；multivariate prediction control
近年来，随着计算机应用技术、自动化控制技术以及人工智能技术的不断发展，先进控制技术对生产装置的安全高效运行起着越来越重要的作用[1-2]。目前国内几乎所有聚乙烯装置都引进集散控制系统对生产过程进行监控，自动控制的硬件设备相当先进[3]。然而，就过程控制技术而言，基本上都是采用常规比例积分
微分(PID)控制技术，对一些与装置经济效益密切相关的先进控制技术使用甚少，主要是缺乏适合本装置生产特点的先进控制软件[4]。因此保持原有工艺和设备不变，在DCS控制的基础上实施先进过程控制(APC)，以保证生产装置安、稳、长、满、优运行，提高聚乙烯产品的产量、稳定操作、降低物耗能耗、提高经济效益、满足市场要求，已成为装置的迫切要求，具有极其重要的意义。文章着重介绍了APC技术在聚乙烯装置中的应用。
1 控制器功能设计
Aspen Tech公司先进过程控制软件DMCplus是建立在DCS 系统基础之上的先进技术，要求运行在上位机系统，通过不同的设备接口软件与DCS系统通讯。因此DCS系统必须有一个向上位机开放的接口。聚乙烯装置DCS系统为日本横河CENTUM-CS控制系统，ACG10S作为向上位机开放的接口。系统网络配置见图1。
图1  系统网络配置
Fig.1 The configuration diagram of system network
1.1 控制目标
针对聚乙烯装置气相流化床生产工艺的特点，在以下几个方面着手，实施先进过程控制，达到控制目标。
(1)控制装置操作的各约束条件，减少装置操作的波动，提高装置产量。
(2)通过产品质量指标的闭环控制，提高产品优质品率，减少牌号切换时间，减少过渡料。
(3)通过线性规划方案优化装置操作，减少消耗。1.2 控制策略
产率控制通过DMCPlus控制器实现。
乙烯反应速度由加入反应器中催化剂的数量来控制。当催化剂加入量增多时，反应器内的反应速度加大，乙烯消耗增多，乙烯分压会有下降趋势。反应器压力调节器会自动增加乙烯进料来维持系统压力。
但是乙烯进料的增加会导致反应热量的增加。反应热量的去除是通过循环气与循环气冷却器进行热交换
实现的。反应温度的
[收稿日期]  2012-06-05
[作者简介]  杨春慧(1972-)，女，山东淄博人，高级工程师，主要从事自动控制与仪表维护。*为通讯作者。
精确控制是通过控制冷却水温度进而控制的，为自动控制回路。
在维持一定温度的前提下，热量的增加将导致水控阀位TC08.MV
的减小，现场阀门为气关阀，因此该阀位的低限值代表了撤热能
力的上限。
因此在控制上采用以下策略：通过提高催化剂加料器的转速
增加催化剂进料，利用反应器压力调节器的作用提高乙烯进料。
为防止发生超温现象，必须对水控阀位进行监视。当水控阀位到
达低限时，控制器不再增加催化剂加料量。
由于现场催化剂的进料是通过三台加料器中的两台共同进
料，为防止加料能力分配不均匀对设备造成损坏，有必要对各台
加料器开度的差值进行监视，防止两台加料器转速相差过大，能
力分配不均匀。
由于工艺本身的特点，反应器会定期的向外排料，使压力产
生波动，导致乙烯进料和水控阀位的波动，给控制上带来很大噪
音。因此有必要对于乙烯流量FI09.PV和水控阀位TC08.MV的信
号进行过滤处理。
1.3 控制器结构
表1和表2是产率控制器的变量列表：包括3个操作变量，7
个控制变量。在正常状态下，只有2个操作变量、5个控制变量
投用。这是因为正常开工时只有两个催化剂加料器工作，所以在
控制器内部设定了逻辑判断，对于没有使用的加料器自动关闭有
关的操作变量，其它依此类推。
表1  产率控制器操作变量MVs
Tab.1 Manipulated variable MVs of the production controller 序号位号描述
1 SC22-1MV 1#加料器转速
2 SC22-2MV 2#加料器转速
3 SC22-3MV 3#加料器转速
表2  产率控制器控制变量CVs
Tab.2 Controller variables CVs of the production controller
序号位号描述
1 FI09 乙烯流量
2 AFI09 乙烯流量(20 min过滤)
3 TC08MV10 水阀阀位(10 min滤波)
4 TC08MV30 水阀阀位(30 min滤波)
5 SC22-1,2 加料器B1和B2的开度差
6 SC22-1,3 加料器B1和B3的开度差
7 SC22-2,3 加料器B2和B3的开度差
1.4 控制器模型组态说明
DMCplus控制器的模型即各控制变量对于操作变量的响应曲
线，除计算数值变量外，所有响应都是对工厂阶跃测试数据直接
辨识而得，因此是实际情况的真实反映。模型稳态时间为120 min，
模型系数为120，控制器执行周期为1 min。
表3和表4显示的是利用模版建立的
控制器组态。
表3  控制器各独立变量的设置对应
Tab.3 The correspondence table of the controller
independent variables
序号位号 VIND前缀DMC前缀 VIND后缀
1 SC22-1MV SC22-1 SC22-1MV RMV
2 SC22-2MV SC22-2 SC22-2MV RMV
3 SC22-3MV SC22-3 SC22-3MV RMV
表4  控制器各被控变量的设置对应
Tab.4 The correspondence table of the controller
manipulated variables
序号位号 DEP前缀DMC前缀 DEP后缀
1 FI09 FI09 FI09 PV
2 AFI09 AFI09
AFI09 PV
3 TC08MV10 TC08 TC08MV10 MV
4 TC08MV30 TC08 TC08MV30 MV
5 1,2
CAT-1,2
1,2 CPV
6 1,3
CAT-1,3
1,3 CPV
7 2,3
CAT-2,3
2,3 CPV
DMCPlus控制器在线运行时为保证装置安全，要求控制器在
启动、运行和关闭期间，需随时监控控制器运行状态，并保证做
到控制回路的无扰动切换，DCS每隔60 s向控制器写一次数据，
并复位一次，若超过150 s无响应，则停止DCS与先进控制之间
的数据连接。经多方论证，确立了一套控制器投运及无扰动切换
逻辑顺控表。经过反复测试，该顺控表能够满足监控程序的功能，
可以实现控制器在启动、运行和关闭期间控制回路的无扰动切换。
1.5 控制器投运效果
图2为未投运控制器时冷却水阀位TC08.MV和乙烯进料量
FI09的控制曲线，从图中可以看出，控制器投运前，进料量为8.9
t/h，冷却水阀位波动较大。图3为投运控制器后冷却水阀位
TC08.MV和乙烯进料量FI09的控制曲线，从图中可以看出，控
制器投运后，进料量提高到10.2 t/h，冷却水阀位波动较小。实际
效果说明了DMCPlus控制器的投运大大提高了反应器的操作和
控制平稳度，提高了产量，实现了卡边操作的能力。
图2  冷却水阀位TC08.MV和乙烯进料量FI09的
控制曲线(未投运控制器)
Fig.2 Control curve of cooling water vavle position TC08.MV and
ethylene input FI09 (Before controller running)
图3  冷却水阀位TC08.MV和乙烯进料量FI09的
控制曲线(投运控制器后)
Fig.3 Control curve of cooling water vavle position TC08.MV and
ethylene input FI09 (After controller running)
2 结论
文章综合应用化学工程技术、建模技术、计算机应用技术、
数据分析处理技术对14万t/a聚乙烯装置的反应器实现了在线分
析，指导操作人员对装置的操作工况进行调整，改变了以往的一
些控制观念，将传统的单回路操作上升为多变量的系统操作，改
善了过程动态控制的性能、减少了过程变量的波动幅度，使之能
更接近其优化目标值，从而使生产装置在更接近其约束边界条件
下运行，最终达到了增强装置运行的稳定性和安全性、保证产品
质量的均匀性、提高目标产品收率、增加装置处理量、降低运行
成本、减少环境污染等目的。
参考文献
[1]俞金寿．工业过程先进控制[J]．世界仪表与自动化，2002，6(3)：10-14．
(下转第125页)
TC08.MV
F
TC08.MV
FI09.PV
FI09.PV
在空气预热温度为800 ℃，汽煤比为0.6 kg·kg -1的情况下，考察空煤比对有效产气率的影响，结果如图5所示。从图中可以看出，在开始阶段，有效产气率随着空煤比的增加而变大，但随后开始下降。这是因为空煤比增加，煤燃烧反应增强，使煤层的热量蓄储增多，但是随着空煤比进一步增大，多余空气会带走大量的热量，是有效产气率降低。 3.3.4 汽煤比对有效产气率的影响
49.0
49.249.449.649.850.050.250.450.6V C O +H 2+C H 4/%
汽煤比/(kg ·kg -1
)
图6  汽煤比对有效产气率的影响
Fig.6  Effect of air to coal ratio on (CO+H 2+CH 4) productivity
在空煤比为1.5 kg·kg -1，空气预热温度为800 ℃的情况下，考察不同汽煤比对有效产期率的影响。结果如图6所示。在汽煤比较小的情况下，虽然有效产气率比较高，但是产气量小；汽煤比较大又会导致气化温度下降，煤气品质和产气率下降，气化性能降低。因此需要综合考虑工程因素和经济因数选择一个合适的汽煤比[6]。
4 结论
(1)文章利用Aspen Plus 建立逆流式固定床煤气化炉的数学模型，较好的模拟了煤气化过程，模拟数据与试验数据吻合较好。
(2)气化剂温度是影响煤气化过程的重要指标，在模拟温度范围内，随着气化剂预热温度的升高，煤气品质以及有效产气率均有明显提高。
(3)在高温煤气化过程中，所需要的空气量较少。模拟得出在气化剂温度固定的情况下，空煤比在1.5，汽煤比为0.5时候有效产气率最高。
参考文献
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(本文文献格式：原满，刘亮，田红，等．基于Aspen Plus 的固定床高温煤气化模拟[J]．广东化工，2012，39(12)：123-125)
(上接第127页)
随着Re 的增大，Δp 明显增大，且两台换热器的增幅大体相当。在相同Re 下，螺旋导流板三维A 型针翅片管换热器的壳程压降Δp 是螺旋隔板光滑管换热器的1.2～1.4倍。对比螺旋隔板光滑管换热器的Nu 和Δp ，可以看出，螺旋导流板三维A 型针翅片管换热器的传热性能的提高远高于压降的提高，证明在螺旋流条件下，三维A 型针翅片管具有很好的传热强化性能。三维A 型针翅片管的强化传热机理为：三维A 型针翅片管的外表面积是光滑管的3.2倍，翅片管外表面积的增加提高了三维A 型针翅片管的传热性能；另外，由于三维A 型针翅片管的翅片呈错齿状排列，翅片对管表面油流体进行了不规则的切割，极大地破坏了管表面油流体边界层的形成，激发了油流体的湍流程度，另外翅片形状呈A 字形，有利于翅片的放热，提高了二次传热面积的翅片效率，同时也有利于流体在翅片间的流动，当润滑油在三维A 型针翅片管外螺旋流动时，油流体可以完全到达齿根部，充分利用了一次传热面积。因此螺旋导流板三维A 型针翅片管换热器实现了流场与温度场的协同，从而强化了传热。
4 结论
对于螺导流板光滑管换热器和螺旋导流板三维A 型针翅片管换热器，随着壳程油流体Re 的增大，其Nu
和压降Δp 也增大，在相同Re 下，螺旋导流板三维A 型针翅片管换热器的Nu 和Δp 分别是螺旋隔板光滑管换热器的2.4~2.8倍和1.2~1.4倍。
reactor technology与螺旋隔板光滑管换热器相比，螺旋导流板三维A 型针翅片管换热器的传热性能的提高远高于压降的提高，证明在螺旋流条件下，三维A 型针翅片管具有很好的传热强化性能。
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