崔勇(中國石油大港石化公司，天津 300280)

0 引言

中國石油大港石化分公司聚丙烯裝置由中國寰球工程公司總承包，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為100 000 t/a 聚丙烯顆粒，采用巴塞爾Spheripol-II 雙環(huán)管工藝技術(shù)。該裝置于2010 年10 月14 日首次開車成功，但在2012 年5 月后停產(chǎn)，又在2020 年10 月，啟動(dòng)復(fù)工復(fù)產(chǎn)。經(jīng)過一系列技術(shù)改進(jìn)和準(zhǔn)備，2021 年10 月13 日，聚丙烯裝置再次開車成功。針對前期運(yùn)行過程中出現(xiàn)的高壓丙烯回收系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的問題，本文對系統(tǒng)波動(dòng)的原因進(jìn)行了全面的梳理和分析，并制定了相應(yīng)的優(yōu)化解決方案。

1 高壓丙烯回收系統(tǒng)工藝流程

如圖1 所示，從反應(yīng)器排出的由液相丙烯和固相聚合物組成的淤漿，經(jīng)閃蒸罐D(zhuǎn)301 脫氣后，D301 底部的固相粉料靠壓差排至低壓脫氣器袋濾器F301。經(jīng)動(dòng)力分離器分離細(xì)粉后的氣相丙烯進(jìn)入高壓丙烯洗滌塔T301 頂部。向上的氣相丙烯與向下的液相丙烯在塔盤逆流接觸，丙烯氣中所夾帶的聚丙烯細(xì)粉被洗滌下來。這部分細(xì)粉與塔底液相丙烯形成淤漿，通過T301 底部出料閥FV3204 排出。該淤漿經(jīng)T301 底部出料線(俗稱小閃線)閃蒸后送去低壓脫氣回收系統(tǒng)。T301 頂部氣相丙烯進(jìn)入冷卻器E301 冷卻為液相后，少部分用于T301 回流洗滌，大部分輸送至丙烯進(jìn)料罐D(zhuǎn)302 回收。T301 底部裝有再沸器E303，由來自汽蒸洗滌塔T501 的工藝熱水(95～98 ℃) 在此加熱丙烯淤漿、汽化底部丙烯，控制塔底液位[1]。

2 影響高壓丙烯回收系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素

2.1 聚合物的粒徑分布

聚丙烯裝置使用的催化劑類型和工藝條件對聚合物的粒徑分布有著決定性的影響。當(dāng)粒徑分布中<0.3 mm的聚合物所占百分比增加時(shí)，閃蒸后氣相丙烯夾帶入T301 的黏粉料也會(huì)相應(yīng)增多。這種趨勢隨著運(yùn)行時(shí)間的延長而變得更加明顯，最終導(dǎo)致聚合物細(xì)粉堵塞塔底再沸器E303、塔底出料閥FV3204 和小閃線。

2.2 T301 底部出料控制

從T301 塔底，液相丙烯與黏細(xì)粉組成的淤漿通過FV3204 小閃線出料閥排至低壓脫氣系統(tǒng)。原設(shè)計(jì)中的FV3204 與小閃線蒸汽流量FIC3204 共同組成控制回路。然而，這個(gè)設(shè)計(jì)存在一些問題。通過蒸汽流量的變化只能間接地影響FV3204 的開度變化，導(dǎo)致FV3204 的開度較小，并且其調(diào)整相對滯后和不夠靈活。這使得塔底的黏細(xì)粉不能及時(shí)被排出，進(jìn)而在E303 列管管壁掛壁結(jié)塊并在T301 底部堆積。這種情況導(dǎo)致了E303 的換熱效率下降以及FV3204 出料不暢的問題。更嚴(yán)重的是，該裝置曾在2011 年因FV3204 堵塞而發(fā)生一次非計(jì)劃停工。

2.3 小閃線流量

T301 底部出料線，俗稱小閃線。這條管線特別之處在于它帶有一個(gè)夾套，其中流動(dòng)的是液相丙烯和固相細(xì)粉混合的淤漿。夾套中通入蒸汽以加熱淤漿，促使液相丙烯氣化。氣化的丙烯攜帶黏細(xì)粉隨后排入袋式過濾器F301。原設(shè)計(jì)的小閃線氣相丙烯流量范圍為600～800 kg/h。然而，這個(gè)流量相對較低，流速也較慢。這導(dǎo)致黏細(xì)粉在小閃線內(nèi)壁形成結(jié)塊。結(jié)塊問題輕時(shí)，夾套蒸汽的加熱效率會(huì)受到影響；重時(shí)，小閃線的出料會(huì)變得不順暢。

2.4 T301 液位控制

T301 液位控制原始設(shè)計(jì)采用一套串級控制方案，其中T301 底部液位LIC3201 通過PID 控制器進(jìn)行主調(diào)控制，而E303 熱水流量FIC3202 則通過某種方式進(jìn)行副調(diào)調(diào)節(jié)。在實(shí)際運(yùn)行中，由于T301 液位具有較大的二階滯后特性，PID 控制無法確保其穩(wěn)定，因此塔底液位呈現(xiàn)周期性振蕩波形。同時(shí)，T501 工藝熱水的加熱方式是采用蒸汽加熱，蒸汽流量保持不變。然而，由于這種加熱方式，熱水溫度的波動(dòng)很大。這導(dǎo)致了E303 的取熱量不穩(wěn)定，進(jìn)一步引發(fā)了T301液位的波動(dòng)。

2.5 T301 丙烯回流量

T301 丙烯回流量由差壓式流量計(jì)FT3201 進(jìn)行計(jì)量。由于回流丙烯的實(shí)際運(yùn)行溫度與差壓式流量計(jì)的設(shè)計(jì)溫度存在較大偏差，導(dǎo)致兩者的密度差異加大。在46.50 ℃的設(shè)計(jì)溫度下，丙烯的密度為465 kg/m3，而在29.02 ℃的實(shí)際運(yùn)行溫度下，丙烯的密度為499.42 kg/m3。溫度的偏差對實(shí)際的質(zhì)量流量產(chǎn)生了顯著的影響，尤其是冬季和環(huán)境溫度驟變時(shí)尤為顯著。這導(dǎo)致實(shí)際回流量比FIC3201 的表顯流量高出約10%，從而引發(fā)了T301 的液位和壓力波動(dòng)[2]。

2.6 小閃線溫度控制

原設(shè)計(jì)中小閃線的溫度TI3201 僅作為測量點(diǎn)，并未參與控制過程。當(dāng)小閃線的出料和夾套蒸汽發(fā)生波動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致液相丙烯在小閃線內(nèi)不能完全氣化，這會(huì)導(dǎo)致小閃線的溫度發(fā)生大幅波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致液相丙烯竄入F301。

3 針對高壓丙烯回收系統(tǒng)波動(dòng)的優(yōu)化控制方案

針對高壓丙烯回收系統(tǒng)波動(dòng)的優(yōu)化控制方案，其工藝流程如圖2 所示。

3.1 改善聚丙烯粉料粒徑分布

如果聚丙烯粉料粒徑分布中<0.3 mm 的聚合物所占百分比越大，那么進(jìn)入T301 的氣相丙烯所攜帶的黏細(xì)粉就會(huì)越多。這增加了黏細(xì)粉在E303 列管管壁、T301 底部和小閃線處掛壁結(jié)塊的風(fēng)險(xiǎn)。

通過使用立構(gòu)規(guī)整性更好的催化劑、下調(diào)預(yù)聚合反應(yīng)溫度(18.50～17.50 ℃)、適當(dāng)延長預(yù)聚合停留時(shí)間(控制在10～12 min) 等措施，可以降低<0.3 mm 聚合物占比，使聚合物粒徑分布更均勻，減少黏細(xì)粉。

3.2 優(yōu)化T301 底部出料控制

針對原設(shè)計(jì)T301 底部出料閥FV3204 調(diào)節(jié)相對滯后的問題，將T301 底部出料控制由小閃線夾套蒸汽流量FIC3204 改為由下游低壓丙烯回收系統(tǒng)氣相丙烯總量FIC3102 來控制。

FIC3102 由小閃線的出料量FI3205 和D301 底部的氣相丙烯量兩部分組成，這兩部分的流量具有正反作用。當(dāng)上游反應(yīng)器出現(xiàn)波動(dòng)導(dǎo)致D301 底部的氣相丙烯量減少時(shí)，小閃線的出料閥FV3204 會(huì)相應(yīng)地開大，這樣會(huì)增加小閃線的流量和流速，及時(shí)將反應(yīng)器出料波動(dòng)帶入T301 的黏細(xì)粉從塔底排出，從而降低T301 底部堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

此外，采取了強(qiáng)制干預(yù)小閃線出料的措施，將E303、T301 底部和小閃線堆積、掛壁的黏細(xì)粉及時(shí)排走，防止黏細(xì)粉結(jié)塊和堵塞。具體措施包括：一是規(guī)定每周四對FV3204 進(jìn)行固定沖洗，每次沖洗時(shí)間為1 小時(shí)；二是根據(jù)T301 出料閥FV3204 和小閃線蒸汽閥PV3203 的開度變化情況(當(dāng)小閃線流量FI3205 無明顯變化但開度持續(xù)變大，或PV3203 持續(xù)開大至90%以上時(shí))，對FV3204 進(jìn)行不定期的手動(dòng)晃閥操作。

3.3 提高小閃線流量

考慮到低壓丙烯回收壓縮機(jī)PK301 的流量裕度，將小閃線的流量FI3205 由600～800 kg/h 增加至1 200～1 300 kg/h，以提高小閃線的線速。這樣能夠及時(shí)將T301 洗滌下來的黏細(xì)粉從塔底和小閃線排出，從而降低T301 底部堵塞和小閃線內(nèi)壁掛壁結(jié)塊的風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 優(yōu)化T301 液位控制

首先，為了解決T301 底部液位滯后較大的問題，引入塔底液位控制回路LIC3201X。該回路將與T301頂部液相回流丙烯進(jìn)行串級控制，從而將塔頂回流丙烯的流量控制從靜態(tài)變?yōu)閯?dòng)態(tài)。這一改變將與原設(shè)計(jì)的串級控制(即原設(shè)計(jì)的LIC3201 與FIC3202 的串級控制)相互配合，共同調(diào)控T301 底部的液位。在LIC3201 與LIC3201X 的控制特性中，正、反作用共同發(fā)揮作用。當(dāng)T301 底部液位高于設(shè)定值時(shí)，LIC3201的串級控制將增加去E303 的熱水流量，以提高塔底丙烯的蒸發(fā)量；同時(shí)，LIC3201X 的串級控制將減少塔頂丙烯的回流量，以補(bǔ)償塔底液位的正偏差。相反，當(dāng)T301 底部液位低于設(shè)定值時(shí)，LIC3201 串級控制將減少去E303 的熱水流量，降低塔底丙烯蒸發(fā)量；與此同時(shí)，LIC3201X 的串級控制將增加塔頂丙烯的回流量，以補(bǔ)償塔底液位的負(fù)偏差。

其次，將去E303 換熱的T501 工藝熱水流程增加溫控回路TIC5008。根據(jù)設(shè)定的水溫，TIC5008 可以自動(dòng)調(diào)整通入T501 工藝熱水的蒸汽量，從而將T501 工藝熱水溫度穩(wěn)定在95～98 ℃的范圍內(nèi)，為E303 提供穩(wěn)定的熱源。

3.5 T301 回流丙烯密度補(bǔ)償

由液相丙烯物性參數(shù)表可知，高壓液相丙烯的溫度與密度之間存在近似線性關(guān)系。在DCS(分布式控制系統(tǒng))組態(tài)中，使用編程語言對T301 丙烯回流量FIC3201建立溫度與密度的折線函數(shù)。通過密度補(bǔ)償法，可以折算出當(dāng)前溫度下丙烯的實(shí)際質(zhì)量流量進(jìn)行控制。

在46.50 ℃的設(shè)計(jì)溫度下，液相丙烯的密度是465 kg/m3。當(dāng)溫度補(bǔ)償點(diǎn)TI3302 的溫度為29.02 ℃時(shí)，液相丙烯的密度變?yōu)?99.42 kg/m3。當(dāng)T301 在46.50 ℃設(shè)計(jì)溫度下的回流丙烯流量FIC3201 顯示為8 000 kg/h 時(shí)，經(jīng)過密度補(bǔ)償計(jì)算后的實(shí)際丙烯流量是8 554.356 kg/h。為了使實(shí)際流量回歸到8 000 kg/h，反推出FIC3201 在設(shè)計(jì)溫度下的表顯丙烯流量應(yīng)修正為7 448.644 kg/h。這導(dǎo)致了9.3%的流量偏差。通過采用密度補(bǔ)償?shù)姆椒▉硐@一偏差，以穩(wěn)定T301的液位和塔壓。

在T301 回流丙烯流程上增加溫度測點(diǎn)TI3200，實(shí)施溫度-密度-流量動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)姆桨?。此方案以遠(yuǎn)傳測溫回路故障時(shí)確保裝置正常運(yùn)行為基礎(chǔ)，嵌入了回路故障的邏輯判斷和投退功能。當(dāng)出現(xiàn)如斷路、短路、跳變等異常時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)切除溫度補(bǔ)償，并“退守”至原始設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在屏幕上提示相應(yīng)的報(bào)警信息。

3.6 增加小閃線溫度控制回路

增加了小閃線溫度TIC3201 與小閃線夾套蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥PV3203 的控制回路。當(dāng)小閃線的溫度TI3201 下降，液相丙烯的氣化效果不佳時(shí)，這個(gè)控制系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)夾套蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥PV3203 的開度，確保液相丙烯完全氣化。這樣，可以提高小閃線的流速，降低小閃線掛壁、結(jié)塊、堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，也能避免液相丙烯竄入F301。

4 結(jié)語

影響高壓丙烯回收系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素包括聚合物的粒徑分布、T301 塔底出料控制、小閃線流量、T301 塔底液位控制、T301 丙烯回流量以及小閃線溫度控制等。為提高高壓丙烯回收系統(tǒng)的穩(wěn)定性，制定了以下措施：優(yōu)化聚丙烯粉料的粒徑分布、改進(jìn)T301塔底出料控制、增加小閃線流量、完善T301 液位控制、通過密度補(bǔ)償調(diào)整T301 回流丙烯以及增加小閃線溫度控制回路等。自上述措施投入應(yīng)用以來，效果顯著，針對性解決了高壓丙烯回收系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的瓶頸問題，對裝置的長周期穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。