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(wú)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(wèn)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(guò)SCX編程語(yǔ)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(guò)程從工藝上劃分可分為升溫階段、恒溫過(guò)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(guò)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(guò)控制冷水閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。
F46聚合反應(yīng)溫度控制中的主要問(wèn)題及其解決方案
2．1 F46聚合反應(yīng)溫度控制中的主要問(wèn)題
F46聚合過(guò)程的聚合釜采用間歇式操作，由于無(wú)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(guò)程分為升溫、過(guò)渡、恒溫反應(yīng)、降溫4個(gè)階段，反應(yīng)釜溫度通過(guò)往夾套中注入的蒸汽和冷卻水來(lái)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(guò)程中的過(guò)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(wú)法克服聚合對(duì)象的非線性、大時(shí)滯造成的很調(diào)問(wèn)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(guò)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(guò)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(lái)說(shuō)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(guò)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(guò)夾套循環(huán)水加熱升溫通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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?？刂聘獌?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(guò)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(guò)渡。同時(shí)，過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(shuō)，只要有偏差，就會(huì)不斷地積分。而聚合反應(yīng)過(guò)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(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)程中一直存在關(guān)閉蒸汽時(shí)間點(diǎn)問(wèn)題，人工控制的情況下，由于經(jīng)驗(yàn)問(wèn)題，可能會(huì)過(guò)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(guò)度，夾套和反應(yīng)釜溫度很高，從而可能很過(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)渡控制
對(duì)于恒溫過(guò)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(guò)渡階段經(jīng)常出現(xiàn) 的夾套溫度下降過(guò)快或者下降緩慢造成的內(nèi)溫很調(diào)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)程是一個(gè)不平衡的過(guò)程。對(duì)于恒溫反應(yīng)階段的問(wèn)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(guò)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(guò)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(wèn)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。
