间歇聚丙烯生产的智能控制方案齿轮

间歇聚丙烯生产的智能控制方案

间歇聚丙烯生产的智能控制方案 2011： 李永彪1，孙正贵2，赵清杰3(1北京华盛德佳科技公司，北京100084；2胜利石油管理局科技处，山东257000；3清华大学计算机系，北京100084)1引言 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。尤其是在不同的反应期内，过程的特性迥然不同，这就要求控制策略适应反应期并随之变化，因此常规的控制方法遇到了挑战。目前在不少间歇工业生产过程中，仍采用手动或半自动操作，整体自动化水平较低。本文将模糊控制与常规控制方法如位式控制、PID控制等结合起来，充分利用人工控制长期积累的经验知识，提出一种智能复合控制方案。这对提高产品的质量和产量，对降低工人的劳动强度具有实际意义。2工艺特点 以某化工厂的一万吨／年聚丙烯装置为例，装置的主体是A、B、C、D 4个聚合釜，采用间歇式液相本体法聚合工艺，以液相丙烯为原料，采用络合Ⅱ型三氯化钛为催化剂，以一氯二乙基铝为活化剂，以氢气为聚合物分子量调节剂。具体工艺过程描述如下(见图2—1)：液相丙烯经计量进入聚合釜，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釜。各物料加完后，开始向聚合釜夹套通热水给釜内物料升温升压，这时釜内温度及压力上升。当温度升至60℃、压力在2.4 MPa左右时釜内开始反应，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，打开循环冷却水使釜内温度或压力按一定速度上升，当釜内温度升至75±2℃、釜压升到3.5±0.1 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，釜内液相丙烯基本消失，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40 min，恒温恒压阶段为4～6 h。可以看出，过程具有明显分阶段的特点。 从控制的角度看，该聚合反应过程可分为3个阶段。 (1)升温升压阶段。投料完毕后，向聚合釜的夹套中通入热水进行升温升压。该阶段需在较短的时间内把釜内温度或压力升至开始反应的状态，并且必须保持连续升温升压。该阶段控制得当，有利于缩短单釜操作周期，提高现有装置的生产能力。 (2)过渡阶段。丙烯聚合反应最关键的阶段是升温升压过程中的60℃～75℃，对应釜压为24～3.5 MPa之间。60℃、2.4 MPa左右开始放热反应，如果不及时移去反应热，将使反应剧烈超出正常范围，造成反应阶段不易控制，易引起“爆聚”或产生安全阀跳；如果加入过量的冷水又将使反应激落，甚至造成“僵釜”现象。因此，这一阶段是控制的难点，直接影响能否获得高质量的产品。该阶段控制时，不仅要求釜内温度或压力连续上升，同时又要求不能产生超调。 (3)恒温恒压阶段。这是正常反应阶段，该阶段反应时间长，对控制精度要求较高。因此，这一阶段是整个聚合反应过程控制的重点。3控制方案 根据经验，选取釜内压力为被控变量，因为丙烯聚合釜在反应阶段釜内丙烯总是处于饱和状态，釜压十分接近丙烯的饱和蒸气压，压力的高低与温度基本上一一对应［１］，并且压力的测量也较温度的测量超前。选取水流量作为操纵变量，通过调节水流量来控制釜压。 设计如下智能复合控制方案：在加热阶段，偏差大，压力变化大，希望控制系统能快速调整，而对控制精度要求相对较低，采用时间最优控制方案，即位式控制，这样做有利于缩短单釜操作周期，提高设备的生产能力；在过渡阶段，偏差不太大，希望控制系统能无超调地兼顾快速性和精度，参考操作工的手操经验，采用模糊控制方案；在正常反应期，状况相对平稳，希望有较高的控制精度，因此仍采用PID控制方案。智能复合控制框图如图3—1所示。3.1位式控制 聚合釜在加热前压力为0.5 MPa左右，根据手操经验，当釜压达到2.8 MPa时，一定要关闭热水阀，然后再观察釜内压力的上升趋势，决定是否开启冷水调节阀或开度为多大。所以，在釜压为0.5～2.8 MPa这段范围内，采用位式控制，以降低单釜的操作周期。3.2模糊控制 仿照人工控制的经验，设计出二维模糊控制器［２］，输入变量为釜内压力和釜压的变化，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2.8～3.5 MPa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。 (1)选择描述输入输出变量的词集

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