ПОЛИЭТИЛЕН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Функции второй очереди

Вторая очередь функций системы контроля и управления (вторичная обработка информации) включает ряд алгоритмов более сложной обра­ботки данных, обеспечивающих повышение эффективности процесса. К числу таких функций относятся: расчет обобщенных показателей про­цесса, расчет текущей производительности реактора и качественных по­казателей получаемого полимера, задачи исследования процесса, опреде­ление запаса устойчивости и прогнозирование аварийных ситуаций в про­изводстве и др. Ниже приведена краткая характеристика этих функций.

Расчет обобщенных показателей процесса основан на результатах непосредственного измерения параметров процесса и позволяет пред­ставлять оператору в сжатой форме информацию о состоянии процесса. К числу таких показателей относятся расходные коэффициенты сырья и энергии на единицу выпускаемой продукции, определение площади под температурным профилем по длине реактора, выбор максимальных по зонам температур в реакторе, расчет безопасного времени работы от­делителей (время их наполнения) при нарушениях в работе экструдеров и др. Расчетные показатели по вызову оператора выводятся на экраны дисплеев, а также входят в ряд протоколов, регистрирующих работу установки.

Расчет текущей производительности реактора осуществляется на ос­нове математической модели реактора, работающей в реальном масшта­бе времени. Необходимость этого алгоритма в системе связана с тем, что обычно измерение производительности реактора осуществляется с боль­шим запаздыванием по результатам взвешивания готового продукта в конце технологического процесса. Естественно, что результаты таких измерений не могут быть использованы для оперативного управления. Применение математической модели позволило устранить этот принци­пиальный недостаток [81]. В системе используется математическая мо­дель статики трубчатого реактора, представляющая собой систему обы­кновенных нелинейных дифференциальных уравнений материальных и теплового балансов (см. гл. 5). Производительность реактора определя­ется как сумма произведений расхода этилена на изменение концентра­ции этилена по длине реактора для каждой зоны реактора. Это требует интегрирования в темпе с процессом системы дифференциальных урав­нений модели реактора, включающей уравнения материальных балансов для мономера и инициатора и тепловой баланс реактора. Однако при этом не известен коэффициент теплопередачи в реакторе, который входит в уравнение теплового баланса и существенно изменяется по длине ап­парата. Поэтому использовалась „усеченная" модель реактора, состо­ящая из двух дифференциальных уравнений материальных балансов, а значения температуры непосредственно измерялись по длине реактора. Для повышения точности расчетов температурный профиль реактора предварительно аппроксимировался полиномом заданной степени. При численном интегрировании уравнений материальных балансов значения температур в них определялись по полученному при аппроксимации полиному. Значения концентрации этилена по длине реактора выводятся по вызову оператора на экран дисплея и используются для расчета про­изводительности реактора. Такой подход позволяет не только опреде­лить суммарную текущую производительность всего реактора, но и дает распределение этой производительности по длине аппарата.

Расчет показателей качества полимера должен также осуществляться в темпе с процессом. Качество получаемого полимера — один из основ­ных показателей эффективности процесса, характеризуется комплексом физико-химических свойств полимера (см. гл. 7). Определение этих свойств требует достаточно длительных лабораторных анализов и поэто­му в промышленной практике в полном объеме выполняться обычно не может. Для оценки качества полимера в производстве пользуются пока­зателем текучести расплава (ПТР), характеризующим реологические свойства полимера и в некоторой степени его молекулярную массу, и плотностью полимера. Однако и эти показатели определяют в промыш­ленных условиях со значительным запаздыванием (более 30 мин), поэто­му получаемая информация мало помогает управлению процессом (вре­мя пребывания в реакторе не более 1,5—2 мин).

В АСУ „Полимир" качественные показатели полимера (ПТР и плот­ность) определяются по математическим моделям, работающим в реаль­ном масштабе времени. Модель для расчета плотности полимера пред­ставляет собой нелинейное алгебраическое уравнение, отражающее зави­симость плотности получаемого полимера от давления, характерных показателей температурного профиля в реакторе (площадей под эпюрой температуры и значений максимальных температур по зонам), концент­рации пропана в реакторе. Коэффициенты уравнения были найдены экс­периментально с помощью методов нелинейной регрессии и периодичес­ки уточняются, по результатам лабораторных анализов получаемого продукта. С помощью такой сравнительно простой модели удается с до­статочной для практики точностью рассчитывать по результатам измере­ний указанных выше параметров плотность во всем диапазоне ее измене­ния при получении различных марок полиэтилена.

Также с помощью статических методов строится модель ПТР. Одна­ко для получения большей точности весь интервал изменения режимных переменных с помощью методов экстремальной группировки данных [82] был разбит на ряд областей, для каждой из которых была построе­на с использованием обычных регрессионных методов простая линейная модель расчета ПТР. Окончательная модель определения ПТР представля­ет собой совокупность простых линейных моделей, каждая из которых существует в своей области пространства входных параметров. Коэффи­циенты этих моделей так же, как и в модели плотности, периодически адаптируются по результатам лабораторных анализов.

Функции исследования процесса реализованы с помощью комплекса алгоритмов и программ, позволяющих выявить особенности работы установки. К ним относятся программы, обеспечивающие расчет и прото­колирование различных статистических показателей процесса (коэффи­циенты корреляции между переменными, математическое ожидание и дисперсии параметров, корреляционные функции и др.), программы за­поминания и распечатки динамических режимов процесса (пуск, переход с выпуска одной марки продукта на другую), алгоритмы и программы адаптации коэффициентов моделей и др.

Определение запаса устойчивости. Опасность возникновения неустой­чивых режимов в работе установки приводит к необходимости иметь в составе АСУТІІ развитые программы аварийной защиты и прогнозиро­вания запаса устойчивости процесса. Причем работа систем защиты на­правлена в основном на предотвращение или минимизацию последствий уже произошедшего нарушения — обеспечение безопасности обслужива­ющего персонала, защита технологического оборудования от разрушений. Применение АСУТП, в состав которой входит вычислительный комплекс, позволяет прогнозировать возможность возникновения аварийной ситуа­ции и принять, благодаря такому прогнозу, своевременные меры по ее предотвращению. Алгоритм прогноза основан на результатах Исследова­ния устойчивости реактора по его математической модели [83]. Модель динамики реактора представляет собой систему нелинейных диффе­ренциальных уравнений в частных производных и включает уравнение материального баланса для инициатора и уравнения тепловых балансов

Рис. 6.2. Анализ устойчивости реактора:

Т — температура реакционной смеси; © — температура в рубашке реактора; 1 — граница устойчивости реактора; 2 — ход реакции

Реакционной смеси и стенки реактора. В результате исследования устой­чивости стационарных режимов такой модели был получен критерий, ко­торый связывает запас устойчивости процесса с площадью S под темпера­турной кривой по длине реактора, рассчитываемой в темпе с процессом по результатам измерений температуры в реакторе. Критерий позволяет определить критическое значение этой площади 5кр в зависимости от управления У, при которой возникают неустойчивые режимы функцио­нирования реактора. Проверка условия S>SKp дает значение запаса устойчивости процесса. Структура алгоритма оценки запаса устойчивости показана ниже:

Зависимость границы устойчивости от управления приведена на рис. 6.2. Область, лежащая над границей устойчивости (кривая 1), соот­ветствует неустойчивым режимам работы реактора, а ниже кривой 1 — устойчивым режимам.