论文部分内容阅读
摘 要：中国石油大庆石化分公司高压聚乙烯一装置于2010年6-8月进行了控制系统改造。2010年9月29日、11月21、22、30日、12月3、5日装置先后发生了6次反应一峰超温分解，产重影响装置的平稳生产，车间通过多次分析及经验摸索找到原因，采取有效办法及措施，最终解决了这一生产难题，保证了装置平稳运行。
【分类号】：TQ325.12
大庆石化公司高压聚乙烯一装置采用德国伊姆豪逊专利，由德国伍德公司承包。设计生产能力6.0万吨/年，在一条生产线上完成，年操作时间7513小时，装置于1986年7月建成投产。是以乙烯为原料，氧气作引发剂，丙烯、丙烷、丁烯-1作分子量调整剂，采用一热三冷四点进料的管式法反应。反应温度为270～330℃，反应压力为210～270 MPA，最高单程转化率达32%，可生产13个不同牌号的聚乙稀产品。
1 工艺流程及说明
1.1工艺流程介绍
反应一峰分解原因分析
综合分析6次反应分解的部位都是反应一峰，而且都是在控制系统改造后出现的，所以，从控制系统改造前后反应压力变化曲线入手。如下图1、2
图1 改造前脉冲曲线图 图2 改造后脉冲曲线图
1、两图对比可以看出反应脉冲深度的差异
控制系统改造后反应脉冲深度14MPa-17MPa和控制系统改造前27MPa-30MPa比明显偏小，脉冲深度减小意味着脉冲前后反应器压力降比改造前减小了，这样造成了超高压反应器管内物料的流速降低，停留时间加长，高速流动物料对反应器内壁的冲刷效果减弱，聚合物在反应器内壁就会形成滞流层（粘壁），且厚度逐渐增大。
聚合反应热是通过反应器的夹套管内的热水不断取走的，而随着反应器内壁滞流层不断加厚（粘壁加重），反应管内和物料与夹套的热水换热效果也越来越差，这样反应器物料的温度会越来越高，当温度上升到350度造成反应超温分解。
2、两图对比可以看出反应压力脉冲后的差异
从反应压力脉冲后恢复情况看，其恢复状况和改造前也有很大区别，改造前脉冲后反应压力很快恢复到设定压力，然后在压力设定值附近进行一个偏差消除调整。控制系统改造后，脉冲后反应压力上升的很慢，和控制系统改造前比慢了大概5秒钟。
改造前脉冲时反应压力下降和上升是呈Ⅴ字形的，而现在反应压力上升和下降是呈 形状的。在脉冲后反应压力恢复的慢，比较长的时间处于不稳定期，由于反应热流、冷流的分配位置不同，在此期间也加大了冷流的注入量，同时也就减少了热流注入量，也减小了反应主流—I峰的流动速度。这样也反应一峰也容易粘壁。
3解决办法
根据上述原因，有针对性的采取了：1、调整反应脉冲深度；2、调整脉冲周期；3、增设脉冲阀开关斜率；4、调整脉冲后脉冲阀位修正系数；5、调整脉冲阀控制PID/PD控制参数；6、调整脉冲因子；7、调整反应物料冷热流注入比例七种措施，通过此七种措施的采取，改善反应状况，彻底解决制约高压一装置反应一峰粘壁分解问题。
具体调整情况如下：
1、调整脉冲时间，增加脉冲深度
脉冲时间是一个脉冲周期结束后脉冲时脉冲阀保持全开的时间，是脉冲深度的一种控制方式，脉冲深度是脉冲周期结束脉冲阀开前的压力与脉冲时阀开后压力最低值之差。
将脉冲时间由400ms，经450、500、650、750、800、850、900ms提至950ms，脉冲深度由14-17MPa最终达到26-28MPa，脉冲深度增加后，脉冲时反应物料流动速率加快，起到了物料冲刷，减小粘壁的作用。
2、缩短脉冲周期，增加反应物料扰动频次
脉冲周期即两次脉冲之间的间隔时间，将脉冲周期由50s缩短至35s，增加了脉冲的频率，也就是增加了反应物料扰动频次，缓解反应I峰物料滞留粘壁程度。
3、改变脉冲控制方式，增加阀开关斜率，增加反应I峰物料脉冲时流动速率
通过对比控制系统改造前后，脉冲时反应压力降低对反应四个温峰影响程度，可以看出，改造后脉冲时反应压力对反应I峰影响减弱，而对反应四峰影响增强，没有达到理想的状态（最理想的状态就是均衡影响）。脉冲深度加大对反应温峰影响的影响没有达到理想状态，且影响反应的平稳性，反应温峰不好控制。分析原因是：由于现有脉冲阀脉冲时阀开、关是矩形方波形式的，而原有系统脉冲阀脉冲时阀开、关是呈梯形的；此两种控制方式的不同点在于脉冲时，由于冷流阀离脉冲阀比较近，脉冲时压力降较大，在脉冲时冷流注入量突然增大，主流离脉冲阀较远，脉冲时压力降小，在脉冲时注入量减小；当脉冲结束时，脉冲阀回关较快，压力突变，同样对冷、热流的影响由于位置的不同影响不同，突然减小了冷流的注入量、增大了主流注入量，这样就存在冷、热流物料来回大量窜动的情况，由于冷热流含氧量不同，当冷流进入到热流时，相当于增加了热流引发剂注入量，所以引起反应I峰上涨。为了缓解脉冲时，由于沿着反应器压力降不同引起的冷、热流大量窜动的问题，增设脉冲阀在脉冲时的阀开、关斜率。
4、适当放大脉冲后阀位修正系数，快速稳定反应温峰
该参数的作用是在脉冲前记录阀位输出，脉冲过后恢复阀位输出时对输出阀位进行修正，将脉冲后阀位修正系数调整由0调至0.6%。在脉冲后，反应压力能够迅速恢复到正常控制压力，从而减小压力恢复期反应压力对反应各个温峰影响不一致的作用，从而快速稳定反应温峰。
5、修订反应压力控制器PID/PD参数，快速稳定反应压力
由于反应压力控制器PID/PD参数设置不合理，反应压力控制不够平稳，反应压力恢复期比较长，同时反应压力控制器PD控制时间过长，导致了反应压力长期处于不稳定期，反应温度不好控制。经过多次试验、调整、修正，脉冲阀控制PID（比例积分微分）/PD参数最终确定，经过调整后反应压力能快速回到压力设定值附近，从实际的反应压力控制曲线来看脉冲平稳后压力实际值紧紧围绕压力设定值小幅波动，反应控制平稳。
6、适当放大BUMP FACTOR（脉冲因子），快速稳定反应压力
该参数作用为当PV（实测值）值大于SP（设定值）-SP*BUMP FACTOR时，PD（比例微分）自动转为PID。当前该参数设定为3%，调整为4%。当前压力设定值为234MPa，当PV值大于226.98后，进行PD/PID转换，修改该参数后，当PV大于225.81MPa就可以自动PD/PID转换。反应压力控制器控制方式由PD控制器切换到PID控制器控制后，快速消除反应压力实际值和设定值间的偏差，快速的稳定了反应压力。
7、调整反应冷热流分配比例，提高一峰物料流速，减薄管壁滞流层，减轻粘壁
适当开大差压阀，增加主流的气量。差压阀阀位由45-50%开大至36-41%，反应一峰物料流量增大，流速增快，有利于防止粘壁的产生，对反应器壁的冲刷更好，也达到减轻粘壁的作用。
经过调整后的脉冲曲线基本接近改造前脉冲曲线，如图5，而且从反应控制来看反应控制平稳，反应一峰再未出现分解现象。
图5 调整后的脉冲曲线图
4 結论
4.1 通过延长脉冲时间加大了脉冲深度等措施提高了反应一峰流速，加大了对管壁的冲刷，减少粘壁，又通过调整脉冲阀控制的PID（比例积分微分）工作参数，改善了脉冲阀的控制方式，保证反应平稳控制，彻底解决了制约高压一装置长周期运行的反应一峰分解问题。
4.2 通过讨论研究对脉冲阀控制参数的调整，打破了对脉冲阀控制参数调整这一核心技术只能依赖外国专家的局面，也是国内对这一核心技术的突破。
【分类号】：TQ325.12
大庆石化公司高压聚乙烯一装置采用德国伊姆豪逊专利，由德国伍德公司承包。设计生产能力6.0万吨/年，在一条生产线上完成，年操作时间7513小时，装置于1986年7月建成投产。是以乙烯为原料，氧气作引发剂，丙烯、丙烷、丁烯-1作分子量调整剂，采用一热三冷四点进料的管式法反应。反应温度为270～330℃，反应压力为210～270 MPA，最高单程转化率达32%，可生产13个不同牌号的聚乙稀产品。
1 工艺流程及说明
1.1工艺流程介绍
反应一峰分解原因分析
综合分析6次反应分解的部位都是反应一峰，而且都是在控制系统改造后出现的，所以，从控制系统改造前后反应压力变化曲线入手。如下图1、2
图1 改造前脉冲曲线图 图2 改造后脉冲曲线图
1、两图对比可以看出反应脉冲深度的差异
控制系统改造后反应脉冲深度14MPa-17MPa和控制系统改造前27MPa-30MPa比明显偏小，脉冲深度减小意味着脉冲前后反应器压力降比改造前减小了，这样造成了超高压反应器管内物料的流速降低，停留时间加长，高速流动物料对反应器内壁的冲刷效果减弱，聚合物在反应器内壁就会形成滞流层（粘壁），且厚度逐渐增大。
聚合反应热是通过反应器的夹套管内的热水不断取走的，而随着反应器内壁滞流层不断加厚（粘壁加重），反应管内和物料与夹套的热水换热效果也越来越差，这样反应器物料的温度会越来越高，当温度上升到350度造成反应超温分解。
2、两图对比可以看出反应压力脉冲后的差异
从反应压力脉冲后恢复情况看，其恢复状况和改造前也有很大区别，改造前脉冲后反应压力很快恢复到设定压力，然后在压力设定值附近进行一个偏差消除调整。控制系统改造后，脉冲后反应压力上升的很慢，和控制系统改造前比慢了大概5秒钟。
改造前脉冲时反应压力下降和上升是呈Ⅴ字形的，而现在反应压力上升和下降是呈 形状的。在脉冲后反应压力恢复的慢，比较长的时间处于不稳定期，由于反应热流、冷流的分配位置不同，在此期间也加大了冷流的注入量，同时也就减少了热流注入量，也减小了反应主流—I峰的流动速度。这样也反应一峰也容易粘壁。
3解决办法
根据上述原因，有针对性的采取了：1、调整反应脉冲深度；2、调整脉冲周期；3、增设脉冲阀开关斜率；4、调整脉冲后脉冲阀位修正系数；5、调整脉冲阀控制PID/PD控制参数；6、调整脉冲因子；7、调整反应物料冷热流注入比例七种措施，通过此七种措施的采取，改善反应状况，彻底解决制约高压一装置反应一峰粘壁分解问题。
具体调整情况如下：
1、调整脉冲时间，增加脉冲深度
脉冲时间是一个脉冲周期结束后脉冲时脉冲阀保持全开的时间，是脉冲深度的一种控制方式，脉冲深度是脉冲周期结束脉冲阀开前的压力与脉冲时阀开后压力最低值之差。
将脉冲时间由400ms，经450、500、650、750、800、850、900ms提至950ms，脉冲深度由14-17MPa最终达到26-28MPa，脉冲深度增加后，脉冲时反应物料流动速率加快，起到了物料冲刷，减小粘壁的作用。
2、缩短脉冲周期，增加反应物料扰动频次
脉冲周期即两次脉冲之间的间隔时间，将脉冲周期由50s缩短至35s，增加了脉冲的频率，也就是增加了反应物料扰动频次，缓解反应I峰物料滞留粘壁程度。
3、改变脉冲控制方式，增加阀开关斜率，增加反应I峰物料脉冲时流动速率
通过对比控制系统改造前后，脉冲时反应压力降低对反应四个温峰影响程度，可以看出，改造后脉冲时反应压力对反应I峰影响减弱，而对反应四峰影响增强，没有达到理想的状态（最理想的状态就是均衡影响）。脉冲深度加大对反应温峰影响的影响没有达到理想状态，且影响反应的平稳性，反应温峰不好控制。分析原因是：由于现有脉冲阀脉冲时阀开、关是矩形方波形式的，而原有系统脉冲阀脉冲时阀开、关是呈梯形的；此两种控制方式的不同点在于脉冲时，由于冷流阀离脉冲阀比较近，脉冲时压力降较大，在脉冲时冷流注入量突然增大，主流离脉冲阀较远，脉冲时压力降小，在脉冲时注入量减小；当脉冲结束时，脉冲阀回关较快，压力突变，同样对冷、热流的影响由于位置的不同影响不同，突然减小了冷流的注入量、增大了主流注入量，这样就存在冷、热流物料来回大量窜动的情况，由于冷热流含氧量不同，当冷流进入到热流时，相当于增加了热流引发剂注入量，所以引起反应I峰上涨。为了缓解脉冲时，由于沿着反应器压力降不同引起的冷、热流大量窜动的问题，增设脉冲阀在脉冲时的阀开、关斜率。
4、适当放大脉冲后阀位修正系数，快速稳定反应温峰
该参数的作用是在脉冲前记录阀位输出，脉冲过后恢复阀位输出时对输出阀位进行修正，将脉冲后阀位修正系数调整由0调至0.6%。在脉冲后，反应压力能够迅速恢复到正常控制压力，从而减小压力恢复期反应压力对反应各个温峰影响不一致的作用，从而快速稳定反应温峰。
5、修订反应压力控制器PID/PD参数，快速稳定反应压力
由于反应压力控制器PID/PD参数设置不合理，反应压力控制不够平稳，反应压力恢复期比较长，同时反应压力控制器PD控制时间过长，导致了反应压力长期处于不稳定期，反应温度不好控制。经过多次试验、调整、修正，脉冲阀控制PID（比例积分微分）/PD参数最终确定，经过调整后反应压力能快速回到压力设定值附近，从实际的反应压力控制曲线来看脉冲平稳后压力实际值紧紧围绕压力设定值小幅波动，反应控制平稳。
6、适当放大BUMP FACTOR（脉冲因子），快速稳定反应压力
该参数作用为当PV（实测值）值大于SP（设定值）-SP*BUMP FACTOR时，PD（比例微分）自动转为PID。当前该参数设定为3%，调整为4%。当前压力设定值为234MPa，当PV值大于226.98后，进行PD/PID转换，修改该参数后，当PV大于225.81MPa就可以自动PD/PID转换。反应压力控制器控制方式由PD控制器切换到PID控制器控制后，快速消除反应压力实际值和设定值间的偏差，快速的稳定了反应压力。
7、调整反应冷热流分配比例，提高一峰物料流速，减薄管壁滞流层，减轻粘壁
适当开大差压阀，增加主流的气量。差压阀阀位由45-50%开大至36-41%，反应一峰物料流量增大，流速增快，有利于防止粘壁的产生，对反应器壁的冲刷更好，也达到减轻粘壁的作用。
经过调整后的脉冲曲线基本接近改造前脉冲曲线，如图5，而且从反应控制来看反应控制平稳，反应一峰再未出现分解现象。
图5 调整后的脉冲曲线图
4 結论
4.1 通过延长脉冲时间加大了脉冲深度等措施提高了反应一峰流速，加大了对管壁的冲刷，减少粘壁，又通过调整脉冲阀控制的PID（比例积分微分）工作参数，改善了脉冲阀的控制方式，保证反应平稳控制，彻底解决了制约高压一装置长周期运行的反应一峰分解问题。
4.2 通过讨论研究对脉冲阀控制参数的调整，打破了对脉冲阀控制参数调整这一核心技术只能依赖外国专家的局面，也是国内对这一核心技术的突破。