聚丙烯生产装置先进控制技术的研究与应用前景

聚丙烯生产装置先进控制技术的研究与

应用前景

摘要：本文介绍了我国聚丙烯生产中先进工艺控制技术的研究与应用情况。APC系统能够最大限度地发挥化工装置的产能潜力，达到“卡边生产”的目的，

从而达到节能降耗、降低废物、增加企业综合效益的目的。在积极吸收进口 APC

技术的同时，要加大自主研发的 APC技术的创新，特别是要给国产 APC技术以

实用的机会，打破国外 APC技术对我国的垄断。

关键词：先进过程控制聚丙烯装置聚合

相对于传统的控制方法，APC控制方法能够同时适用于线性与非线性、定常

与时变、单变量与多变量系统。20世纪90年代， APC原理在国内石化工业中得

到了广泛的应用，并在聚丙烯生产过程中获得了较好的控制效果。在聚丙烯技术

方面，具有代表性的气相法工艺是从中国引进的 Lyondellbasell公司的Spheripol工艺、 INEOS公司的 Innovene工艺和 DOW& GRACE公司的 Unipol工艺。这些专利商都有一个与他们自己的工艺包相匹配的 APC系统，通常是在引进

工艺的同时，也会将其引入。这类 APC系统通常具有较好的技术先进性、稳定性

和有效性。文章重点介绍了近几年我国聚丙烯装置 APC工艺的发展及其在生产中

的应用。

1APC技术研究进展

本系统构建了一套丙烯阴离子配位聚合反应的反应机理模型，并对其进行了

数值计算，得到了反应速率和反应热，同时还可以动态地得到 PP的数均聚合度、重均聚合度和聚合度的分布宽度等特性。利用全混式反应器模型，计算了反应过

程中的物质平衡、热平衡和相平衡，并计算了反应过程中的传质过程；本文提出

了一种适用于动态仿真的定容方法，该方法具有精确、稳定、快速等优点。

以反应过程中的物质平衡和能量平衡为基础，构建了以物质流速和能量平衡

为基础的暂态特性机制模型，并基于暂态特性和积累特性的递归关系，构建了基

于暂态特性的累积特性机制模型，并结合实验数据，采用 PSO算法对预测模型进

行了求解，获得了模型的参数，从而获得了暂态特性机制模型。在某石化公司聚

丙烯装置气相聚合反应器系统中，这个质量机理模型已经得到了成功的应用。通

过对收集到的数据进行比较和分析，模型的预测值可以很好地反映出实验室的数

据和变化趋势，可以将其作为 APC系统被控变量，从而实现对产品质量的闭环控制。

2 APC工艺的发展

2.1在间歇液相本体聚合工艺中的应用

间歇式液相本体 PP设备 APC系统，它包括基础控制层和高级控制层两部分，利用多屏幕显示技术，网络通信技术，可编程逻辑控制技术， ActiveX控制技术，以及面向对象的程序设计方法，数据库技术，并采用了闭环辩识，预测控制，反

应优化，下层比例积分微分控制与上层 APC无干扰自动转换等技术和控制方法，

使其能够在不受干扰的情况下，灵活、高效地完成整个反应过程的自动化生产，

并能保证反应的安全性。

2.2在环管聚丙烯装置中的应用

根据聚丙烯生产过程中复杂的实时控制问题，提出一套以产品品质指数为基

础的预测控制方法。此方法在一家炼油厂 PP生产装置上得到了成功的应用，经

长期生产实践证明，此方法能有效地改善生产过程中的控制精度，降低生产过程

中的质量波动；能增加产量，减轻工人的劳动强度；从而大大减少了更换牌号的

时间，取得了明显的经济效益。

针对 PP装置中存在的不自衡、滞后大、强耦合、牌号间过渡时间长以及非

线性等问题，利用多变量前馈与解耦技术，实现了过渡状态的平稳，并抵抗了操

作变量之间的互相干扰；提出了一种用于修正聚合过程非线性的增益补偿方法；

通过过程计算，对反应过程中的状态变量进行估计，并对产品的性能进行预测，

从而达到 APC的目的。经实际应用证明，有源控制后，设备的抗干扰性得到了改

善，设备的平稳运行得到改善；减少了催化剂的使用，改善了产品的品质；减少

了设备的能量消耗，提高了效益。

2.3双环管聚丙烯装置中的应用

环形管道法 PP生产过程的特点，利用 AspenTech Apollo及 Aspen IQ软件，设计并实现了环形管道法 PP生产装置的 APC系统，主要内容包括：环形管道法PP生产过程中主要催化剂的加入量的准确计量、环形管道聚合过程的控制、氢的

调控及熔体流速的质量调控。APC控制系统投入运行后，收率偏差降低了55%左右，生产能力增加了0.5吨/小时，聚丙烯单位单位能源消耗降低了5.5公斤。

在此基础上，建立了一套基于 APC的循环式反应器，实现了对循环式反应器各主

要参数的实时计算，为生产操作和指导生产提供了依据；实现了对反应过程中催

化剂流速的精确测量和控制；改善了设备的平顺性，提高了设备的安全性；对

PP的流速、等值指数等指标进行了有效的控制，使 PP的品质得到了进一步的提高；各品种的等级转换时间大大缩短，等级转换过程中的过渡材料减少。

在 PP设备 DCS系统的基础上，利用 DCS层、软测量系统层、 APC系统层

和标号开关层，构建了 PP标号开关控制系统，并对其进行了实验研究。通过使

用熔体流速、乙烯含量、等规指数等软测量模型，实现了 PP品质指标的实时预测，并实现了对各个指标的闭环控制和对不同牌号之间的平稳转换，转换时间至

少减少了30%。

2.4在其它工艺中的应用

中国一家塑胶企业的气相 PP聚合装置上应用到聚丙烯生产过程中，通过Pavilion8软件，实现了对温度的实时预报，并利用该方法对温度进行了实时、

有效的控制，大大减小了温度的波动。在气相流化床聚丙烯装置上应用了 APC，

可将反应过程中的气相成分波动降低40%-70%，且稳定产率波动控制在10%。利

用 APC技术对废热蒸气的加入进行了优化，使废热蒸气的加入达到了最佳的效果，使废热蒸气的加入达到了最大限度地去除了产品中残留的三乙基铝，并防止了树

脂变黄、产生臭味等质量问题。