СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ЭТИЛЕНПРОПИЛЕНОВЫХ СИНТЕТИЧЕСКИХ КАУЧУКОВ
METHOD OF CONTROLLING PROCESS OF POLYMERISATION OF ETHYLENE PROPYLENE SYNTHETIC RUBBERS

Изобретение относится к области нефтехимической промышленности, в частности к способам управления производством этиленпропиленовых каучуков на основе моделей для расчета показателей качества продуктов.
К настоящему времени разработаны и используются на практике несколько методов управления технологическими процессами, основанными на расчете оптимальных технологических режимов. В основе вычислительной процедуры лежит модель расчета регулируемого показателя качества по измеряемым параметрам. При этом модели расчета показателей качества, как правило, представляют собой полиномиальные зависимости первого или второго порядка. Получение таких моделей связано с анализом корреляционных связей между показателями качества и определяющими параметрами технологического режима, а их использование - с необходимостью периодической адаптации из-за меняющихся характеристик процесса. Адаптация обычно проводится путем изменения коэффициентов моделей.
Известен способ управления качеством продуктов разделения нефтяных смесей методом ректификации на основе вычисления значений показателей качества по технологическим параметрам [Веревкин А.П., Арсланов Ф.А., Иванов В.И., Махов А.Ф., Муниров Ю.М. Изобретение RU 2065761 C1]. Однако способ управления не рассматривает получение и адаптацию моделей.
Известен способ управления процессом каталитического риформинга, в котором задается средневзвешенная температура на входе в реактор на основе расчета октанового числа по модели; при этом модель для расчета октанового числа корректируется по лабораторным данным [Нефть, газ и нефтехимия, Каталитический риформинг, фирма «Эплайд Отомейшн», 1989, №3, с.104]. При параметрической идентификации модели используется система оперативной адаптации на основе собственной запатентованной технологии фирмы-разработчика.
Для большинства процессов полимеризации синтетических каучуков управление процессом введется по главному показателя качества - вязкости по Муни. Для данных целей используются различные методы контроля вязкости и способы управления.
Известны методы контроля показателя качества по косвенным параметрам, для которых используются физико-химические характеристики среды и различные параметры технологического процесса, что позволяет строить системы автоматического управления с использованием математических моделей в реальном времени.
В работе [Поплавский В.Ф. Автоматизация технологического процесса полимеризации изопрена в производстве синтетического каучука. - Канд.дисс.- М.: - МХТИ, 1985] оценка вязкости осуществляется с помощью уравнения множественной регрессии:
0
1
2
2
3
Mh=g+gγ+gN+gT
0
1
2
2
где g, g, g - коэффициенты, γ - концентрация полимера, N - мощность, потребляемая электродвигателем мешалки реактора; T - температура реакции.
В работе [Солдатов Е.А. Моделирование и алгоритмизация адаптивного управления непрерывными процессами растворной сополимеризации. - Канд.дисс - Воронеж: ВГТУ, - 1996] управление процессом полимеризации предлагается осуществлять по характеристической вязкости, так же как и в предыдущем методе, с использованием математической модели.
В работе [Дорофеев В.И. Управление динамическими режимами процесса получения разветвленного полибутадиена оптимального качества. - Канд.дисс. - Воронеж: ВПИ, - 1988] контроль предлагается осуществлять с применением математической модели, где используются эквивалент момента молекулярно-массового распределения второго порядка, модуль, учитывающий кинетику реакции, среднее время пребывания реакционной массы в аппарате, значение параметрической вязкости, конверсия мономера, температура реакции, среднемассовая молекулярная масса, молекулярный вес мономера и моменты молекулярно-массового распределения первого и второго порядка соответственно.
В работе [Дорофеев Д.В., Подвальный С.Л. Применение принципа инвариантности для управления процессом полимеризации бутадиен-стирольного каучука // Системы управления и информационные технологии: Межвуз.сб.науч.тр. - Воронеж, 2001. - С.57-62] предложена математическая модель, состоящая из нескольких модулей, в том числе модуля контроля качества, по которому происходит коррекция общей модели, а в качестве способа управления предложена инвариантная подсистема регулирования процесса полимеризации за счет компенсации основных измеряемых возмущений.
Недостатком вышеперечисленных методов контроля на основе моделей является то, что на точность определения показателя качества влияют различные измеряемые и не измеряемые факторы. Предлагаемые методы управления процессом по характеристической вязкости возможны только при небольших отклонениях конверсии в реакторе. Большое количество учитываемых переменных накладывает ограничения на точность оценки показателя качества по модели.
Недостатком рассмотренных методов управления по показателям качества (ПК) является то, что адаптация моделей проводится изменением их коэффициентов, а иногда и структуры, что требует наличия большого объема экспериментов и применения процедур аппроксимации.
Целью изобретения является повышение эффективности управления по ПК получаемых продуктов, базирующееся на использовании расчетных моделей процесса полимеризации, которые оперативно корректируются с использованием процедур адаптации.
Предлагаемое изобретение решает задачу расчета показателей качества по моделям в широком диапазоне варьирования технологических параметров для целей оперативного управления на основе вычислительной процедуры, позволяющей проводить коррекцию моделей по измеряемым параметрам технологического режима.
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>M</mi><msub><mi>h</mi><mrow><mi>л</mi><mi>а</mi><mi>б</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mi>M</mi><mi>h</mi></mrow><mo>|</mo></mrow><mo><</mo><msub><mi>ε</mi><mrow><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>,</mo></mrow>
лаб
доп
0
Поставленная задача решается тем, что в способе управления процессом полимеризации этиленпропиленовых синтетических каучуков на основе моделей расчета показателей качества, включающем регулирование нагрузки реакторов, соотношения расходов катализатора к сокатализатору, давления в реакторе, уровня заполнения растворителя в реакторе, производится расчет вязкости по Муни Mh, при этом проводят адаптивную подстройку моделей расчета показателей качества продуктов при отклонении наблюдаемого ПК, определяемого по данным лабораторных анализов, от расчетного на величину допустимой погрешности (т.е. при нарушении условия
где Mh - значение вязкости, определенное лабораторно, ε - допустимое отклонение); при этом подстройка производится изменением константы модели Mh на величину этого отклонения. Модель вычисления вязкости имеет вид
<mrow><mi>M</mi><mi>h</mi><mo>=</mo><mi>Δ</mi><mi>M</mi><mi>h</mi><mo>+</mo><mi>M</mi><msub><mi>h</mi><mn>0</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где ΔMh - суммарное отклонение вязкости от некоторого базового значения, определяемое как
<mrow><mi>Δ</mi><mi>M</mi><mi>h</mi><mo>=</mo><mi>Δ</mi><mi>M</mi><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>M</mi><msub><mi>h</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>M</mi><msub><mi>h</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>M</mi><msub><mi>h</mi><mn>4</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
1
2
3
4
Н
В
Э
В
0
0
лаб
где ΔMh, ΔMh, ΔMh и ΔMh - отклонения вязкости в зависимости от частных параметров: температуры низа реактора Т, верха реактора Т, концентрации этилена С и водорода С, соответственно. При этом начальное значение константы модели Mh определяется как величина вязкости, соответствующая некоторому базовому режиму, адаптация модели проводится изменением константы Mh=Mh.-ΔMh.
При управлении по показателям качества продуктов проводится адаптивная подстройка моделей ПК при отклонении наблюдаемого ПК, определяемого по данным лабораторных анализов, от расчетного на величину допустимой погрешности. Подстройка производится изменением константы модели на величину этого отклонения.
0
Сущность изобретения заключается в том, что для управления по вязкости по Муни используется модель расчета вязкости в режиме реального времени, которая адаптируется путем изменения константы модели Mh.
0
0
<mrow><msub><mi>T</mi><mi>H</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>T</mi><mi>H</mi><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>T</mi><mi>B</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>T</mi><mi>B</mi><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>С</mi><mi>Э</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>С</mi><mi>Э</mi><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>С</mi><mi>В</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>С</mi><mi>В</mi><mn>0</mn></msubsup></mrow>
Начальное значение константы модели Mh определяется как величина вязкости, соответствующая некоторому базовому режиму. В базовом режиме: Mh=Mh при
,
,
,
(верхний индекс «0» соответствует базовому режиму).
Характеристики отклонений вязкости от изменения каждого из параметров имеют следующий вид:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>M</mi><msub><mi>h</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Т</mi><mi>H</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Т</mi><mi>H</mi></msub><mo>−</mo><msubsup><mi>Т</mi><mi>H</mi><mn>0</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Т</mi><mi>H</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msubsup><mi>Т</mi><mi>H</mi><mn>0</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>M</mi><msub><mi>h</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Т</mi><mi>B</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>b</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Т</mi><mi>B</mi></msub><mo>−</mo><msubsup><mi>Т</mi><mrow><msup><mrow /><mi>B</mi></msup></mrow><mn>0</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Т</mi><mi>B</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>b</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>b</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msubsup><mi>Т</mi><mi>B</mi><mn>0</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>4</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>M</mi><msub><mi>h</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>С</mi><mi>Э</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>С</mi><mi>Э</mi></msub><mo>−</mo><msubsup><mi>С</mi><mi>Э</mi><mn>0</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>С</mi><mi>Э</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msubsup><mi>С</mi><mi>Э</mi><mn>0</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>5</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>M</mi><msub><mi>h</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>С</mi><mi>В</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>d</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>С</mi><mi>В</mi></msub><mo>−</mo><msubsup><mi>С</mi><mi>В</mi><mn>0</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>С</mi><mi>В</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>d</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>d</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msubsup><mi>С</mi><mi>В</mi><mn>0</mn></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>6</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
2,
1
2,
1
2,
1
2
0
где - a, a b, b c, c d, d - коэффициенты, определяемые экспериментально. Показано, что эти коэффициенты при изменении технологического режима изменяются незначительно, в то время как Mh может изменяться в значительных пределах.
На параметры моделей оказывают влияние как измеряемые, так и не измеряемые или не учитываемые моделью факторы: запаздывание, вносимое при измерении концентраций хромотографическим методом, метрологические ошибки измерения приборов и др. Одними из параметров, влияющих на коэффициенты модели, является нагрузка реактора, которая влияет на среднее время пребывания реакционной массы в аппарате, соотношение катализатора к сокатализатору, вводимое в зону реакции и др.
Все указанные выше факторы влияют на точность вычисления Mh по модели, что приводит к необходимости периодической коррекции параметров модели, т.е. ее адаптации к изменению внешних факторов.
лаб
0
Адаптация модели проводится при увеличении погрешности определения по модели Mh вязкости по Муни относительно данных лабораторных анализов (либо измеряемых на потоке) Mh более чем на заданную величину изменением константы Mh
<mrow><mi>M</mi><msub><mi>h</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mi>M</mi><msub><mi>h</mi><mrow><mi>л</mi><mi>а</mi><mi>б</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mi>M</mi><mi>h</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(7)</mtext></mrow>
На чертеже приведена принципиальная схема системы управления, реализующая способ управления процессом производства этиленпропиленовых каучуков, включающая в себя реактор полимеризации 1, сепараторы 2 и 3, холодильник-адсорбер 4, испаритель-холодильник 5, насос 6, смеситель 7, блок 8 задачи ограничений, задатчик 9, управляющее устройство 10, блок 11 адаптации моделей, блок 12 измерения, вычислительное устройство 13, а также потоки: растворитель I, этилен II (сырье), пропилен (сырье) III, водород IV, катализатор V, сокатализатор VI, циркулирующий газ от компрессора VII, раствор полимера (продукт) VIII, жидкий аммиак IX, газообразный аммиак X, непрореагировавшие мономеры на факел XI, непрореагировавшие мономеры на узел компримирования XII.
Способ управления процессом производства этиленпропиленовых каучуков осуществляют следующим образом.
кат
сокат
отд
р
Н
В
Э
В
зад
кат
сокат
отд
р
кат
сокат
отд
Сигналы о значениях расхода катализатора ΔG (FE01), сокатализатора ΔG (FE02), отдувки ΔF (FE04) и температуры растворителя ΔТ (TE03), температуры низа Т (ТЕ05), верха Т (ТЕ06), концентрации этилена С (QE07) и водорода С (QE08) поступают в вычислительное устройство 13. В вычислительном устройстве 13 рассчитываются по моделям (2)-(5) приращения показателя вязкости по Муни по отклонению измеренных значений относительно базового режима и итоговое значение вязкости по Муни по (1). Рассчитанное значение вязкости по Муни подается на вход управляющего устройства 10. В нем на основе действующих ограничений на параметры режима, задаваемых блоком 8, требуемого качества каучука (Mh), определяемого задатчиком 9, и рассчитанном в вычислительном устройстве 13 значении вязкости по Муни (Mh) по определенному алгоритму производится расчет требуемых расхода катализатора (G), сокатализатора (G), отдувки (F) и температуры растворителя (T) с учетом ограничений. Рассчитанные значения поступают в качестве задания на соответствующие регуляторы сепаратных подсистем, которые воздействуют на клапаны-регуляторы на линиях расхода катализатора G(FC01), сокатализатора G (FC02), отдувки F (FC04) и на линии откачки газообразного аммиака из холодильника 4 (TC03). Периодически рассчитанные по модели значения вязкости по Муни, сравниваются в блоке 11 адаптации моделей с результатами лабораторных анализов продукта (B) или результатами измерения блоком (B*) 12 и проводится подстройка коэффициентов моделей (C).
Пример реализации предлагаемого способа управления процессом производства этиленпропиленовых каучуков
Расчет значения вязкости по Муни и адаптацию модели ведут в следующей последовательности.
Шаг 1. На стадии формирования модели, конфигурирования системы:
i
Н
В
Э
В
0
<mrow><msub><mi>Т</mi><mi>Н</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>Т</mi><mi>Н</mi><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>Т</mi><mi>В</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>Т</mi><mi>В</mi><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>С</mi><mi>Э</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>С</mi><mi>Э</mi><mn>0</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>С</mi><mi>В</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>С</mi><mi>В</mi><mn>0</mn></msubsup></mrow>
1.1 По каждой измеряемой переменной (фактору) f (i=1,2,3,4): f={Т,Т,С,С} выбирается базовая модель с параметрами
;
;
;
, значение Mh и заданное абсолютное значение допустимых отклонений определения δMh.
ПТК
лаб
Т
1.2 Устанавливается период θ определения Mh, текущее значение таймера θ обнуляется.
Шаг 2. При оперативном управлении в цикле работы контроллера:
Т
2.1 Вводятся измеренные значения факторов f, текущее значение таймера θ.
2.2 По соотношениям (2)-(6) вычисляется суммарное отклонение ΔMh.
Если на объект управления воздействуют возмущения со стороны измеряемых факторов, при которых
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>Δ</mi><mi>M</mi><mi>h</mi></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>></mo><mi>δ</mi><mi>M</mi><mi>h</mi></mrow>
,
лаб
то в качестве текущего значения на управляющее устройство 10 отправляется последнее измеренное значение вязкости Mh и осуществляется переход на п.2.6, иначе выполняется п.2.3.
2.3 По модели (1) вычисляется значение Mh.
ПТК
Т
2.4 Сравнивается значение θ с текущим значением таймера θ.
ПТК
Т
Если выполняется условие θ>θ (это означает отсутствие свежего анализа ПК к текущему моменту времени), то в качестве текущего значения Mh на управляющее устройство 10 отправляется значение Mh и осуществляется переход на п.2.6, иначе выполняется п.2.5 (имеется свежий анализ ПК).
0
2.5 По соотношению (7) рассчитывается смещение Mh, осуществляется сброс таймера и осуществляется переход на п.2.3.
2.6 Конец цикла.
Использование предлагаемого изобретения позволяет решить задачу оперативной адаптации моделей расчета показателей качества получаемых продуктов для целей оперативного управления, что в целом позволит:
1) сократить время на получение моделей для расчета показателей качества получаемых продуктов;
2) повысить точность поддержания показателей качества на заданных уровнях;
3) обеспечить требования минимальной жесткости режима и минимального запаса на качество получаемых продуктов.