加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)

加氫裝置的自動(dòng)控制

與平安聯(lián)鎖系統(tǒng)iiiiiiiv第一局部加氫裝置概況一、加氫裝置的定義與分類1、定義:通過(guò)加氫反響后,原料中至少有10%以上分子變小了的工藝過(guò)程。通常用轉(zhuǎn)化率來(lái)描述。(Conversion)2、分類:①加氫精制(Hydrorefining)反響壓力P<10MPa,轉(zhuǎn)化率C<10%.②加氫裂化(Hydrocracking)P>10MPa,C>50%③加氫處理(Hydrotreating)P<10MPa,C=0(原料油中沒(méi)有分子變小的工藝過(guò)程)④加氫改質(zhì)(Upgrading)P<10MPa,C>15%(主要生產(chǎn)低密度,低芳烴及高十六烷值的柴油餾分)⑤緩和加氫裂化(MildtomoderateHydrocracking)P<10MPa,C>30%(以生產(chǎn)柴油為主要目的)12

大口徑工藝管線三、高壓工藝管線的等級(jí)劃分根據(jù)ANSIB36.10，B36.19標(biāo)準(zhǔn)，加氫裂化常用工藝管線及儀表測(cè)量引線的pipe管等級(jí)為SCH160或SCHXXS,大口徑用SCH140。根據(jù)ANSIB31.3標(biāo)準(zhǔn),常用Tube管尺寸如下：1/2“(O.D)×0.065〞(W.T)，耐壓4700psi；或者1/2“(外徑)×0.083〞(壁厚)，耐壓6200psi。材質(zhì)通常用316SS或321SS。34

四、常用工藝管線材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)代號(hào).(ASTM:美國(guó)材料協(xié)會(huì))

通常DN40以下的閥門(mén)要求用鍛鋼，可用承插焊連接。

DN50以上的閥門(mén)可用鑄鋼，通常用對(duì)焊(BW)或法蘭連接。5

第二局部加氫裝置的自動(dòng)控制一、加氫反響器的溫度控制1、反響器入口溫度與反響爐燃料氣壓力串級(jí)控制2、反響器床層溫度用急冷氫控制冷氫調(diào)節(jié)閥的Cv值應(yīng)選的大一些,使正常流量時(shí)開(kāi)度為全行程的1/3，以保證反響器嚴(yán)重超溫時(shí)，大量的冷H2也能通過(guò)此閥。6二、換熱系統(tǒng)的溫度控制反響流出物與反響進(jìn)料原料的換熱溫控。A閥要用FO,B閥應(yīng)為FCA,B兩閥的Cv值要選大,特別是B閥,要留有較大余地,因?yàn)橥９r(shí),約70%的原料油不經(jīng)換熱器，直接進(jìn)入反響器，使反響器溫度盡快降下來(lái)。A閥應(yīng)為氣關(guān)閥，當(dāng)儀表風(fēng)突然停風(fēng)時(shí)，幾乎全部的循環(huán)氫進(jìn)入熱交換器E-1，反響器留出物換熱冷卻后溫度低，即進(jìn)入高分器的溫度低，不會(huì)出現(xiàn)平安問(wèn)題。相反，進(jìn)入高分溫度高，大量的烴氣體和H2一同進(jìn)入循環(huán)氫壓縮機(jī)的管線，沿途降溫后產(chǎn)生大量的凝液，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞壓縮機(jī)。因此A閥必須用氣關(guān)閥(FO)且Cv值選的大一些。7三、反響系統(tǒng)壓力控制兩種方案1、反響器頂部與循氫機(jī)入口各設(shè)一套壓控回路,兩者作低選控制,去控制補(bǔ)充氫壓縮機(jī)出口管線上的調(diào)節(jié)閥。補(bǔ)充氫經(jīng)過(guò)此調(diào)節(jié)閥打到循氫機(jī)出口管上。2、在高分器頂部設(shè)壓控回路,控制補(bǔ)充氫壓縮機(jī)出口返回到其入口管線上的調(diào)節(jié)閥。四、往復(fù)式壓縮機(jī)的壓力控制1、三返一控制方案2、逐級(jí)返回控制方案3、氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)(賀爾碧格公司)

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五、加氫裝置的流量控制

1、進(jìn)料原料油的流量控制

2、原料泵的最小流量旁路控制用角閥時(shí),應(yīng)底進(jìn)側(cè)出，為FO，此閥的SHUTOFF應(yīng)為P1的1.25倍。

3、離心式循氫機(jī)的防喘振控制固定極限流量的防喘振控制可變極限流量的防喘振控制9

六、高壓別離器的液位控制1、重要性:上下壓的分界線2、控制方案:液位與界位均設(shè)兩套設(shè)有高液位三取二停機(jī)聯(lián)鎖,低低液位關(guān)閥聯(lián)鎖。界位設(shè)有低低限關(guān)閥聯(lián)鎖。

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第三局部加氫裝置的緊急停車及平安聯(lián)鎖系統(tǒng)一、加氫裝置平安的特殊重要性二、加氫裝置對(duì)整體平安級(jí)別的要求：一般為SIL3級(jí)，TUV6級(jí)認(rèn)證。三、平安聯(lián)鎖的內(nèi)容11表3-1.加氫裂化裝置平安聯(lián)鎖系統(tǒng)因果關(guān)系表12四、加氫裝置緊急泄壓系統(tǒng)13第四局部加氫裝置平安度等級(jí)的概念一、石化裝置平安度等級(jí)的分級(jí)：分為4級(jí)。SIL1～SIL4(SIL:SafetyIntegrityLevel)“平安度等級(jí)〞包含兩方面的內(nèi)容。對(duì)石化裝置而言，需要確定不同裝置對(duì)平安度等級(jí)的不同要求。對(duì)所采用的平安儀表系統(tǒng)而言，需獲得石化裝置的對(duì)應(yīng)的平安度等級(jí)的認(rèn)證。

石化裝置平安度等級(jí)確實(shí)定：SIL-1級(jí):裝置可能很少發(fā)生事故。如果發(fā)生事故，對(duì)裝置和產(chǎn)品有輕微的影響，不會(huì)造成環(huán)境污染和人員傷亡，經(jīng)濟(jì)損失不大。用于本級(jí)別裝置的平安儀表系統(tǒng)，需取得SIL-1級(jí)和TUV2-3級(jí)認(rèn)證?？刹捎?outof1(1oo1)系統(tǒng),配置1個(gè)檢測(cè)元件,1個(gè)邏輯單元,1個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。平安儀表的實(shí)用性要求為90%～99%，平安儀表每年發(fā)生故障的平均概率PFDavg=1%～10%。要求SIS對(duì)裝置和產(chǎn)品起到一般保護(hù)作用。SIL-2級(jí):裝置可能偶爾發(fā)生事故。如果發(fā)生事故，對(duì)裝置和產(chǎn)品將會(huì)造成較大影響，并有可能造成環(huán)境污染及人員傷亡，經(jīng)濟(jì)損失較大。用于本級(jí)別裝置的平安儀表，需取得SIL-2級(jí)和TUV4級(jí)認(rèn)證，SIS系統(tǒng)的檢測(cè)元件和邏輯單元應(yīng)冗余配置。要求平安儀表系統(tǒng)的實(shí)用性為99%～99.9%，平安儀表系統(tǒng)每年發(fā)生故障的平均概率PFDavg=0.1%～1%。要求SIS對(duì)裝置和產(chǎn)品提供可靠保護(hù)。14SIL-3級(jí):裝置可能經(jīng)常發(fā)生事故。如果發(fā)生事故，將對(duì)裝置和產(chǎn)品將造成嚴(yán)重影響，并將對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染和重大人員傷亡,經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。用于本級(jí)別裝置的平安儀表系統(tǒng)，需取得SIL-3級(jí)和TUV5,6級(jí)認(rèn)證，儀表系統(tǒng)的檢測(cè)元件,邏輯單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)均應(yīng)冗余配置,可采用二取一帶診斷(1oo2D),三取二(2oo3)等方案配置。要求平安儀表系統(tǒng)的實(shí)用性為99.9%～99.99%，平安儀表系統(tǒng)每年發(fā)生故障的平均概率PFDavg=0.01%～0.1%。要求平安儀表系統(tǒng)對(duì)全裝置設(shè)備產(chǎn)品和人員的平安提供嚴(yán)密保護(hù)。SIL-4級(jí):核工業(yè)及航天工業(yè)應(yīng)用。萬(wàn)一發(fā)生事故，對(duì)裝置設(shè)備及人員將造成災(zāi)難性的傷害，對(duì)設(shè)備的破壞、人員的傷亡及經(jīng)濟(jì)損失都極其嚴(yán)重。用于本級(jí)別的平安儀表需取得SIL-4級(jí)和TUV7級(jí)認(rèn)證。要求平安儀表系統(tǒng)的實(shí)用性大于99.99%，要求平安儀表系統(tǒng)每年發(fā)生故障的平均概率PFDavg小于0.01%。裝置的平安度等級(jí)低,對(duì)平安儀表系統(tǒng)等級(jí)的要求及其實(shí)用性、可靠性等要求也低；裝置的整體平安度等級(jí)越高，對(duì)其平安儀表系統(tǒng)的等級(jí)及其實(shí)用性、可靠性要求越高。

一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)石化裝置的平安度等級(jí)需要幾級(jí)，可通過(guò)諸多因素，如裝置的狀況及風(fēng)險(xiǎn)情況，平安儀表系統(tǒng)的冗余配置情況，平均維修時(shí)間等因素，通過(guò)計(jì)算求得。也可以通過(guò)工程經(jīng)驗(yàn)確定。加氫裂化裝置的平安度等級(jí)通常都是SIL-3級(jí),采用TUVAK6級(jí)認(rèn)證的SIS,檢測(cè)儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。補(bǔ)充:殼牌公司(Shell)又對(duì)SIL1級(jí)劃分了SILa1及SILa2級(jí),SILa1級(jí)為DCS報(bào)警,SILa2級(jí)為DCS聯(lián)鎖。SIL1.2.3.為SIS聯(lián)鎖。15二、MTTF、MTTR、MTBF的概念16三、平安系統(tǒng)中常用名詞的解釋1、實(shí)用性A(SafetyAvailability)，2、故障率λ(FailureRate)3、發(fā)生故障的概率PFD(ProbabilityofFailureonDemand)4、風(fēng)險(xiǎn)降低因子RRF(RiskReductionFactor)5、維修率μ(μ是維修成功的可能性)176、可靠性(Reliability)，是時(shí)間的函數(shù)，R(t)7、故障率λ(Failure)也是時(shí)間的函數(shù)F(t)，F(xiàn)(t)是元件故障的可能性。8、關(guān)于實(shí)用性與平安性實(shí)用性與平安性是一對(duì)矛盾指標(biāo)。如果一個(gè)平安系統(tǒng)的實(shí)用性很高，

那么其平安性就較低。反之亦然。例如，二取二邏輯，誤停車率很低，即其實(shí)用性很高，但平安性低。而二取一邏輯，誤停車率較高，即實(shí)用性較差，但平安性很高。

189、隨著時(shí)間的推移，平安系統(tǒng)的部件發(fā)生故障的可能性，即F(t)逐漸增大，即其可靠性R(t)逐漸降低，兩者之間的關(guān)系可用下式表示：表示平安系統(tǒng)成功運(yùn)行時(shí)間MTTF是其可靠性R(t)隨時(shí)間的積分。ProbabilityofComponentFailure19四、整體平安級(jí)別所對(duì)應(yīng)的實(shí)用性及風(fēng)險(xiǎn)降低因子根據(jù)IEC61508標(biāo)準(zhǔn)，平安儀表系統(tǒng)的實(shí)用性、風(fēng)險(xiǎn)降低因子與整體平安級(jí)別及相對(duì)應(yīng)的德國(guó)TUV認(rèn)證等級(jí)如下表所示：20第五局部加氫裂化裝置先進(jìn)控制簡(jiǎn)介一、多變量預(yù)估控制的概念〔MultivariablePredictiveControl－MPC〕1、概述加氫裝置的控制對(duì)象及過(guò)程變量之間往往是相互關(guān)聯(lián)相互耦合的。常規(guī)控制方法是將控制對(duì)象及過(guò)程變量分解成多個(gè)單輸入、單輸出的控制回路，進(jìn)行單變量PID定值控制，難以獲得理想的控制效果。如果將裝置的相關(guān)過(guò)程變量，根據(jù)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，將相關(guān)的過(guò)程變量，建立成多輸入、多輸出控制系統(tǒng)，就可能取得較好的控制效果。但是，煉油過(guò)程的模型通常是很復(fù)雜的，用各種方法建立的模型都不是很準(zhǔn)確。而我們所說(shuō)的MPC控制，是以對(duì)象模型為依據(jù)，進(jìn)行預(yù)測(cè)，再用實(shí)際的測(cè)量值對(duì)模型進(jìn)行反響修正，以便獲得較為真實(shí)的對(duì)象模型。212、魯棒性所謂魯棒性，是指過(guò)程變量對(duì)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的依賴性不是很強(qiáng)。即當(dāng)過(guò)程變量在一個(gè)較大范圍變化時(shí)，MPC控制器仍能維持所期望的控制能力。也就是說(shuō)，魯棒性是指MPC控制器的參數(shù)選擇能適應(yīng)模型的較大范圍的變化的性能。魯棒性是設(shè)計(jì)MPC控制器時(shí)，需要考慮的一個(gè)重要指標(biāo)。

3、MPC控制器的工作機(jī)理MPC控制器是運(yùn)用區(qū)間控制的方法，建立多變量輸入，多變量輸出，而不象常規(guī)單參數(shù)PID定值控制。MPC控制器根據(jù)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)被控參數(shù)〔CV〕的動(dòng)向，綜合運(yùn)算，調(diào)整操縱參數(shù)〔MV〕，使被控參數(shù)CV穩(wěn)定，并對(duì)干擾變量〔DV〕的影響實(shí)現(xiàn)前饋控制。

22對(duì)于每一個(gè)被控變量CV，都要設(shè)置其上下限值，即為對(duì)被控變量CV的約束條件。在約束條件的區(qū)間內(nèi)，MPC控制器實(shí)現(xiàn)“卡邊〞操作，使產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)符合要求，這個(gè)區(qū)間也是控制器消除干擾，優(yōu)化操作和加強(qiáng)魯棒性的自由區(qū)間。當(dāng)CV的上下限相等時(shí)，區(qū)間寬度為零，即相當(dāng)于定值控制。區(qū)間寬度太小，那么調(diào)節(jié)的裕度不夠，達(dá)不到調(diào)節(jié)的效果，MPC控制器不能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。所以要求對(duì)CV的上下限的區(qū)間設(shè)置適宜，才能使MPC控制器得以平穩(wěn)運(yùn)行。使許多常規(guī)PID控制不易解決的難題，MPC控制器能夠很好地解決，并獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。234、關(guān)于質(zhì)量控制MPC控制器的功能之一是可以用質(zhì)量參數(shù)作為被控參數(shù)，直接控制產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量控制。質(zhì)量控制的條件之一是能夠得到質(zhì)量參數(shù)，或者通過(guò)計(jì)算間接得到質(zhì)量參數(shù)。當(dāng)然通過(guò)在線質(zhì)量分析儀表可以直接測(cè)得質(zhì)量參數(shù)，但質(zhì)量分析儀表系統(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，維護(hù)工作量大，而且時(shí)間滯后長(zhǎng)〔十幾分鐘〕。還有一些質(zhì)量參數(shù)，目前還沒(méi)有測(cè)量?jī)x表可用。所以，MPC控制器能夠進(jìn)行質(zhì)量參數(shù)的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)直接質(zhì)量控制的優(yōu)點(diǎn)顯得尤為突出。有些石化裝置，用MPC控制器計(jì)算出的質(zhì)量參數(shù)作為其被控參數(shù)，再用質(zhì)量分析儀表的測(cè)量值對(duì)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。這樣，既保證了精確可靠的質(zhì)量參數(shù)參與控制，又減少了對(duì)分析儀表的依賴，是目前常用的一種方式。245、關(guān)于控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型大多數(shù)石化裝置的數(shù)學(xué)模型很難用機(jī)理的方法建模。在MPC控制器的應(yīng)用中，往往是采用對(duì)過(guò)程變量進(jìn)行“階躍響應(yīng)測(cè)試〞的方法測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)辨識(shí)方式建模。對(duì)每一個(gè)MV，都要做階躍測(cè)試，利用數(shù)據(jù)采集器對(duì)所有可能受到階躍測(cè)試響應(yīng)的CV進(jìn)行一組數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)的階躍信號(hào)應(yīng)當(dāng)滿足辨識(shí)算法的要求，具有足夠的幅度和寬度，以到達(dá)充分的鼓勵(lì)條件，并要符合工程實(shí)際。實(shí)驗(yàn)信號(hào)的幅度不能過(guò)大，以免進(jìn)入非線性區(qū)或干擾正常生產(chǎn)。又不能太小，以免鼓勵(lì)不充分，產(chǎn)生的響應(yīng)太小，不能滿足辨識(shí)要求。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)的階躍信號(hào)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的靜擾動(dòng)要小，變化不應(yīng)過(guò)于頻繁等。這需要有一定的操作經(jīng)驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)。

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有了階躍測(cè)試的數(shù)據(jù)，下一步就進(jìn)行模型辨識(shí)，并通過(guò)辨識(shí)軟件獲得數(shù)學(xué)模型。將辨識(shí)得到的模型裝入MPC控制器，并進(jìn)行仿真運(yùn)行。如果通過(guò)仿真運(yùn)行能確認(rèn)模型能夠反映對(duì)象的真實(shí)狀況，就可以安裝和投用控制器。26二、加氫裂化裝置先進(jìn)控制的實(shí)施現(xiàn)以某大型石化企業(yè)的某加氫裂化裝置為例，簡(jiǎn)單介紹其概要。1、硬件與軟件配置一般來(lái)說(shuō)，MPC軟件可以在DCS的控制單元中運(yùn)行，也可以在單獨(dú)設(shè)置的上位機(jī)上運(yùn)行。DCS系統(tǒng)：ABB公司的MOD－３００系統(tǒng)上位機(jī)VAX－４３００：用于安裝運(yùn)行MPC軟件〔也可用工業(yè)PC機(jī)代替上位機(jī)〕。通訊接口GATEWAY：用于連接VAX－４３００與DCS系統(tǒng)MPC軟件包：為Honeywell公司的產(chǎn)品。272、實(shí)施條件實(shí)施MPC控制，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。予先需做好可行性研究及功能設(shè)計(jì)。在工程成立后，要做好APC的控制功能設(shè)計(jì)，在P&ID圖上進(jìn)行多個(gè)MPC控制器的設(shè)置。建立CV、MV、DV變量表，工藝計(jì)算方案，裝置的控制方案，購(gòu)置適宜的軟件包，配置相應(yīng)的硬件等。包括已備有先進(jìn)穩(wěn)定的DCS系統(tǒng)，良好的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表〔智能變送器及調(diào)節(jié)閥〕等。在裝置已經(jīng)開(kāi)工并進(jìn)入平穩(wěn)操作期之后，即可著手進(jìn)行“階躍測(cè)試〞，以對(duì)對(duì)象的模型進(jìn)行辨識(shí)。進(jìn)行階躍測(cè)試時(shí)，依次對(duì)各個(gè)MV給出一個(gè)階躍變化，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)采集程序記錄相關(guān)CV的一系列變化值，經(jīng)多次循環(huán)階躍，等待過(guò)程平穩(wěn)后拜再進(jìn)行下一個(gè)MV的測(cè)試。綜合記錄下來(lái)的這些數(shù)據(jù)，通過(guò)MPC辨識(shí)軟件包并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)反復(fù)進(jìn)行模型辨識(shí)，并進(jìn)行仿真運(yùn)行，得到經(jīng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證的CV對(duì)MV的模型，即可開(kāi)始將MPC控制器投入運(yùn)行。MPC控制器通過(guò)調(diào)用這些模型，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制策略的實(shí)施。28

3、操作操作人員在DCS操作站上，設(shè)置各個(gè)CV的上下限區(qū)間值及各種相關(guān)參數(shù)，由MPC控制器根據(jù)經(jīng)過(guò)辨識(shí)的模型計(jì)算出相應(yīng)的MV值，以確定當(dāng)前MV的調(diào)節(jié)方向和大小，通過(guò)數(shù)據(jù)接口傳送到DCS相應(yīng)的控制回路的PID模塊，進(jìn)行調(diào)節(jié)閥閥位的調(diào)整，以調(diào)節(jié)CV值與其目標(biāo)值的偏差最小，從而完成先進(jìn)控制的一個(gè)循環(huán)。

29三、加氫裂化裝置先進(jìn)控制的內(nèi)容1、反響深度MPC控制器反響深度控制器的主要目標(biāo)是控制進(jìn)入反響器的氫氣和進(jìn)料的比值，以控制裝置的轉(zhuǎn)化率。此控制器有3個(gè)MV，8個(gè)CV。2、反響溫度MPC控制器此控制器的主要目標(biāo)是控制反響器各個(gè)床層的出口溫度和溫差，從而控制各反響床層的熱點(diǎn)，使其不超標(biāo)。此控制器有5個(gè)MV，17個(gè)CV，2個(gè)干擾變量DV。