前言

聚合產(chǎn)品質(zhì)量控制很其復(fù)雜，產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)反應(yīng)條件非常敏感，投料、升溫、恒溫中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)都有可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，因此聚合產(chǎn)品生產(chǎn)采取閉環(huán)控制很困難，聚合釜運(yùn)行參數(shù)的高度非線性、產(chǎn)品質(zhì)量無法實(shí)時(shí)在線測(cè)量、聚合產(chǎn)物的目標(biāo)函數(shù)難以獲取等都是控制中的難點(diǎn)。本文首先分析了聚合反應(yīng)釜的工藝特點(diǎn)，根據(jù)間歇操作聚合釜造成的工藝條件不確定的問題提出了采用分段切換控制的方法，在聚合反應(yīng)的不同階段根據(jù)其反應(yīng)特點(diǎn)采用相應(yīng)的智能控制方法。該方案在原有DCS控制系統(tǒng)中通過SCX編程語言實(shí)現(xiàn)，實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果表明，智能控制方案對(duì)聚合溫度的控制明顯優(yōu)于原有PID方案，其穩(wěn)定情況和溫度很調(diào)都符合工藝要求。

工藝背景

F46聚合反應(yīng)釜工藝流程，控制反應(yīng)溫度的冷水閥和蒸汽閥位于反應(yīng)釜體側(cè)面。聚合反應(yīng)過程從工藝上劃分可分為升溫階段、恒溫過渡階段、恒溫反應(yīng)階段、反應(yīng)結(jié)束降溫階段。根據(jù)工藝要求，反應(yīng)溫度的控制精度應(yīng)為±1℃左右。由于本對(duì)象聚合反應(yīng)屬于放熱過程，且在高溫狀態(tài)下，反應(yīng)更加劇烈，為保證安全生產(chǎn)，原則上在恒溫反應(yīng)階段，蒸汽閥一直處于關(guān)閉狀態(tài)，溫度調(diào)節(jié)通過控制冷水閥來實(shí)現(xiàn)。

F46聚合反應(yīng)溫度控制中的主要問題及其解決方案

2．1 F46聚合反應(yīng)溫度控制中的主要問題

F46聚合過程的聚合釜采用間歇式操作，由于無法對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，故將反應(yīng)釜內(nèi)溫度作為控制產(chǎn)品質(zhì)量的主要指標(biāo)，一般聚合過程分為升溫、過渡、恒溫反應(yīng)、降溫4個(gè)階段，反應(yīng)釜溫度通過往夾套中注入的蒸汽和冷卻水來控制，反應(yīng)裝置控制采用DCS集散控制系統(tǒng)，雖然可以對(duì)反應(yīng)過程中的過程量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，但原有控制方案采用傳統(tǒng)的PID控制，無法克服聚合對(duì)象的非線性、大時(shí)滯造成的很調(diào)問題，其聚合釜溫度控制效果如圖2所示，溫度測(cè)量值波動(dòng)約為溫度設(shè)定值±5℃之間；同時(shí)原有控制方案的自動(dòng)化程度較低，人工操作比重很大，對(duì)操作人員的操作水平要求高，勞動(dòng)強(qiáng)度比較大。由于操作人員的水平差異，產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)好時(shí)壞，合格率低，經(jīng)常出現(xiàn)溫度嚴(yán)重很標(biāo)或停釜現(xiàn)象，產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益受到嚴(yán)重影響。

2.2 F46聚合反應(yīng)溫度控制的解決方案

聚合釜的溫度是整個(gè)生產(chǎn)過程中較主要的控制參數(shù)，如果聚合溫度很出一定的偏差，就會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，只有將釜溫控制在工藝要求的范圍內(nèi)，才可以保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。

在整個(gè)過程中，由于聚合反應(yīng)的復(fù)雜性和難以在線測(cè)量反應(yīng)物的組分，因此，對(duì)間歇聚合反應(yīng)器的控制從根本上來說就是對(duì)反應(yīng)溫度的控制。結(jié)合 F46聚合的工藝特點(diǎn)，可以把聚合釜的溫度控制分為：升溫、過渡、恒溫反應(yīng)和降溫4個(gè)階段。針對(duì)每個(gè)不同階段采取不同的控制方案，具體介紹如下。

2.2 .1升溫階段

在加入水、單體以及各種助劑后，用蒸汽把聚合釜內(nèi)混合物料升到一定的溫度，以引發(fā)聚合反應(yīng)。這一階段的主要作用是通過夾套循環(huán)水加熱升溫通過釜壁傳熱將聚合釜內(nèi)的物料溫度升至工藝要求的反應(yīng)溫度控制點(diǎn)。實(shí)際上在升溫的過程中物料已開始反應(yīng)，這時(shí)生成的聚合物往往分子量偏低，這是應(yīng)該避免的，因此，這一階段的關(guān)鍵點(diǎn)是以較快的速度升至要求的反應(yīng)溫度，減小聚合度的散布。使聚合釜內(nèi)溫度迅速接近反應(yīng)設(shè)定溫度，這樣既縮短了反應(yīng)周期，又提高了聚合釜的利用率。為了實(shí)現(xiàn)快速達(dá)到反應(yīng)溫度，也可以將加入聚合釜內(nèi)的水先預(yù)熱到接近目標(biāo)溫度。

2.2 .2過渡階段

從關(guān)閉蒸汽到釜內(nèi)溫度升到反應(yīng)的設(shè)定溫度，這一階段稱為過渡階段。這個(gè)階段需要使釜內(nèi)物料溫度快速、平穩(wěn)地升到設(shè)定溫度。控制釜內(nèi)溫度的上升速度與設(shè)定的反應(yīng)溫度曲線保持一致。在這一階段，由于釜內(nèi)物料溫度接近反應(yīng)溫度控制點(diǎn)時(shí)，已經(jīng)是放熱反應(yīng)，為防止反應(yīng)熱的滯后效應(yīng)引起的溫度過度上升，關(guān)鍵點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)升溫吸熱和聚合放熱的平滑過渡。同時(shí)，過渡階段還有一個(gè)目的是用循環(huán)冷卻水將夾套內(nèi)的蒸汽置換出去，使夾套溫度降到某一適當(dāng)溫度，以滿足反應(yīng)釜從夾套加熱轉(zhuǎn)換為將釜內(nèi)熱量向夾套內(nèi)冷卻介質(zhì)傳遞。過渡階段中聚合釜溫度及夾套溫度的變化對(duì)整個(gè)聚合反應(yīng)期間的溫度控制精度及平衡度有相當(dāng)大的影響。

2. 2. 3恒溫反應(yīng)階段

當(dāng)釜內(nèi)溫度達(dá)到聚合設(shè)定溫度以后，一直到出料為止稱為恒溫反應(yīng)階段。在這一階段，要求平穩(wěn)地轉(zhuǎn)移聚合反應(yīng)過程中所釋放的反應(yīng)熱，保證聚合溫度的控制精度。這個(gè)階段的主要目標(biāo)是使釜內(nèi)溫度穩(wěn)定在聚合反應(yīng)的設(shè)定溫度附近，溫度波動(dòng)小于土l℃。此外，由于在聚合反應(yīng)過程恒溫階段釜內(nèi)壓力和釜內(nèi)溫度是非線性的，釜內(nèi)的壓力是隨釜內(nèi)壓力和釜內(nèi)溫度是非線性的，釜內(nèi)的壓力是隨釜內(nèi)溫度變化而變化的，它的變化規(guī)律與溫度滿足一定的關(guān)系。且壓力對(duì)釜內(nèi)反應(yīng)狀況的響應(yīng)要比溫度快，在方案設(shè)計(jì)上把釜壓作為一個(gè)前饋量補(bǔ)償?shù)酱?jí)回路的輸出端。分程控制閥門的開度與輸出關(guān)系如圖3所示。

由于聚合釜溫度是一個(gè)純滯后、大慣性的控制對(duì)象，在恒溫階段PID串級(jí)調(diào)節(jié)中，由于積分作用是消除余差的，也就是說，只要有偏差，就會(huì)不斷地積分。而聚合反應(yīng)過程中會(huì)長(zhǎng)期存在較小的偏差，這樣積分就容易飽和造成過調(diào)。實(shí)踐證明，所提方案在聚合控制中十分有效。

2 .2 .4降溫階段

反應(yīng)后期，當(dāng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到70%以上時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)釜壓開始下降，反應(yīng)速度迅速降低，這時(shí)需要加入終止劑終止反應(yīng)，同時(shí)關(guān)閉熱水閥，打開冷水閥進(jìn)行聚合釜降溫處理。

智能控制器設(shè)計(jì)及實(shí)施效果

該智能控制方案實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果表明所采用的智能控制方案對(duì)聚合溫度的控制明顯優(yōu)于原有PID 方案，其穩(wěn)定情況和溫度很調(diào)都符合工藝要求。分段切換控制解決了對(duì)反應(yīng)質(zhì)量影響較大的初期溫度振蕩問題，大大減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，并提高了整個(gè)系統(tǒng)的操作質(zhì)量，具體的實(shí)現(xiàn)過程及實(shí)際運(yùn)行效果如下。

3.1升溫自動(dòng)控制

自動(dòng)升溫過程中一直存在關(guān)閉蒸汽時(shí)間點(diǎn)問題，人工控制的情況下，由于經(jīng)驗(yàn)問題，可能會(huì)過早關(guān)閉蒸汽，導(dǎo)致反應(yīng)釜升溫不足而進(jìn)行二次升溫，反應(yīng)效率降低；由于觀測(cè)不及時(shí)也可能導(dǎo)致升溫過度，夾套和反應(yīng)釜溫度很高，從而可能很過安全界限，導(dǎo)致生產(chǎn)事故。對(duì)此，采用基于專家知識(shí)的控制方案來解決，根據(jù)反應(yīng)釜內(nèi)測(cè)量溫度與升溫設(shè)定溫度之差，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，來得到相應(yīng)的蒸汽閥開度。

在方案設(shè)計(jì)中，升溫設(shè)定值可以通過人工在線修改，同時(shí)還需要設(shè)置手／自動(dòng)切換開關(guān)，從而在工藝條件發(fā)生改變或者安全需要時(shí)，控制系統(tǒng)能夠及時(shí)調(diào)整而不影響生產(chǎn)。

升溫自動(dòng)控制效果如圖4所示。

3.2恒溫過渡控制

對(duì)于恒溫過渡階段而言，此時(shí)的聚合反應(yīng)還處 于初步階段，反應(yīng)并不劇烈，放熱很少，反應(yīng)釜溫度 對(duì)冷卻介質(zhì)非常敏感。對(duì)于恒溫過渡階段經(jīng)常出現(xiàn) 的夾套溫度下降過快或者下降緩慢造成的內(nèi)溫很調(diào)問題，經(jīng)過改進(jìn)后果取了變夾套溫度設(shè)定值的單回路串級(jí)切換控制方案，這種設(shè)計(jì)既避免夾套溫度下降太快造成釜溫下降，又可以將夾套溫度快速降到適當(dāng)溫度，保證釜溫快速平穩(wěn)地過渡到設(shè)定的反應(yīng)溫度。

3.3恒溫反應(yīng)控制

恒溫反應(yīng)階段，聚合反應(yīng)開始時(shí)隨著反應(yīng)的進(jìn)行放出大量的熱，溫度越高則反應(yīng)越劇烈，放熱越多，放熱越多則溫度越高，這個(gè)過程是一個(gè)不平衡的過程。對(duì)于恒溫反應(yīng)階段的問題，設(shè)計(jì)了專用智能控制器，控制器能夠根據(jù)溫度偏差和偏差變化率及時(shí)調(diào)整控制器的參數(shù)．有效地抑制了溫度的很調(diào)和振蕩。恒溫反應(yīng)階段的溫度基本控制在±l℃偏差內(nèi)，恒溫反應(yīng)控制效果如圖5所示。從而明顯提高力產(chǎn)品質(zhì)量。

結(jié)論

根據(jù)聚合反應(yīng)不同階段的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)r基于智能控制的控制方案，其中針對(duì)聚合反應(yīng)升溫階段的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了升溫結(jié)束節(jié)點(diǎn)自動(dòng)控制方案，在恒溫過渡階段設(shè)計(jì)了變?cè)O(shè)定值單回路一串級(jí)控制，對(duì)于恒溫反應(yīng)階段設(shè)計(jì)了專用智能控制器。通過新控制方案與原有方案在各個(gè)反應(yīng)階段的控制效果比較表明，新的控制方案解決了原有控制方案下存在溫度控制波動(dòng)犬的問題，獲得了滿意的工藝精度，并顯著提高了控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。