加氫裝置的自動控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)

加氫裝置的自動控制

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:通過加氫反響后,原料中至少有10%以上分子變小了的工藝過程。通常用轉化率來描述。(Conversion)2、分類:①加氫精制(Hydrorefining)反響壓力P<10MPa,轉化率C<10%.②加氫裂化(Hydrocracking)P>10MPa,C>50%③加氫處理(Hydrotreating)P<10MPa,C=0(原料油中沒有分子變小的工藝過程)④加氫改質(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)1二、加氫裝置的工藝流程及裝置組成：1、流程圖(略)2、裝置組成：加氫裝置由反響局部、分餾局部、加熱爐及壓縮機組等幾局部組成。通常包括：原料油罐、自動反沖洗過濾器、高壓原料泵、加氫反響加熱爐、加氫精制反響器、加氫裂化反響器、冷(熱)高分、冷(熱)低分、高壓空冷器、高壓注水泵、分餾塔、分餾加熱爐、循環(huán)氫壓縮機、補充氫壓縮機等。3、加氫裝置的特點：①高溫，高壓，臨氫環(huán)境，要求儀表的壓力等級及材質嚴格滿足工藝條件。②加氫裝置是耗氫極強放熱反響，必須及時補充氫氣〔一般每噸原料油耗氫250-350NM3，120萬噸/年加氫裂化裝置需補充H240000NM3/h，否那么壓力下降。同時又是強放熱反響，熱量不及時排出，就會加快反響速度從而放出更多的熱量，如此下去，將會導致反響失控，造成“飛溫〞，使反響器內(nèi)件及催化劑損壞。所以溫度及壓力是兩個重要的控制參數(shù)。③由高壓及低壓局部組成，兩局部的分界面是在上下壓別離器，為防止高壓串入低壓，發(fā)生爆炸，所以高分器的液位及界位是極其重要的控制參數(shù)。2

大口徑工藝管線三、高壓工藝管線的等級劃分根據(jù)ANSIB36.10，B36.19標準，加氫裂化常用工藝管線及儀表測量引線的pipe管等級為SCH160或SCHXXS,大口徑用SCH140。根據(jù)ANSIB31.3標準,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。材質通常用316SS或321SS。34

四、常用工藝管線材質標準代號.(ASTM:美國材料協(xié)會)

通常DN40以下的閥門要求用鍛鋼，可用承插焊連接。

DN50以上的閥門可用鑄鋼，通常用對焊(BW)或法蘭連接。5

第二局部加氫裝置的自動控制一、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值應選的大一些,使正常流量時開度為全行程的1/3，以保證反響器嚴重超溫時，大量的冷H2也能通過此閥。6二、換熱系統(tǒng)的溫度控制反響流出物與反響進料原料的換熱溫控。A閥要用FO,B閥應為FCA,B兩閥的Cv值要選大,特別是B閥,要留有較大余地,因為停工時,約70%的原料油不經(jīng)換熱器，直接進入反響器，使反響器溫度盡快降下來。A閥應為氣關閥，當儀表風突然停風時，幾乎全部的循環(huán)氫進入熱交換器E-1，反響器留出物換熱冷卻后溫度低，即進入高分器的溫度低，不會出現(xiàn)平安問題。相反，進入高分溫度高，大量的烴氣體和H2一同進入循環(huán)氫壓縮機的管線，沿途降溫后產(chǎn)生大量的凝液，嚴重時會損壞壓縮機。因此A閥必須用氣關閥(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入口各設一套壓控回路,兩者作低選控制,去控制補充氫壓縮機出口管線上的調(diào)節(jié)閥。補充氫經(jīng)過此調(diào)節(jié)閥打到循氫機出口管上。2、在高分器頂部設壓控回路,控制補充氫壓縮機出口返回到其入口管線上的調(diào)節(jié)閥。四、往復式壓縮機的壓力控制1、三返一控制方案2、逐級返回控制方案3、氣量無級調(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,應底進側出，為FO，此閥的SHUTOFF應為P1的1.25倍。

3、離心式循氫機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:液位與界位均設兩套設有高液位三取二停機聯(lián)鎖,低低液位關閥聯(lián)鎖。界位設有低低限關閥聯(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、加氫裝置對整體平安級別的要求：一般為SIL3級，TUV6級認證。三、平安聯(lián)鎖的內(nèi)容緊急停車/平安聯(lián)鎖系統(tǒng)(ESD/SIS,EmergencyShutdown/SafetyInterlockingSystem)加氫裂化裝置主要緊急停車/平安聯(lián)鎖系統(tǒng)(ESD/SIS)加氫裂化是煉油廠中爆炸和火災最危險的甲類裝置。因此重要的工藝參數(shù),關鍵的單體設備(機組)以及它們之間的相互關系構成了加氫裂化裝置緊急停車/平安聯(lián)鎖系統(tǒng),其因果關系如表3-1所列。11表3-1.加氫裂化裝置平安聯(lián)鎖系統(tǒng)因果關系表12四、加氫裝置緊急泄壓系統(tǒng)1、緊急泄壓設計方案(1)、有限流孔板時，加電磁閥，當需泄壓時，ESD的輸出接點使泄壓閥立即完全翻開泄壓。(2)、不設限流孔板時，可用DCS遙控，手動輸出4～20mA信號,逐漸開啟泄壓閥,不允許立即輸出20mA使泄壓閥馬上完全開啟。2、設計原那么:(1)、通常設置0.7MPa/分或1.4MPa/分與2.1MPa/分兩個泄壓回路。0.7MPa/分或1.4MPa/分由循氫機故障停機信號觸發(fā),同時停原料泵、循氫機反響加熱爐,新氫機停機或0負荷運行。(2)、2.1MPa/分泄壓只能手動操作。當裝置發(fā)生火災,反響器飛溫時才手動啟動2.1MPa/分系統(tǒng),同時停原料泵、反響加熱爐、循氫機及新氫機等。(3)、泄壓準那么:第一分鐘必須降壓0.7MPa或1.4MPa或2.1MPa，然后必須在30分鐘之內(nèi)使反響壓力降到操作壓力的1/4左右。13第四局部加氫裝置平安度等級的概念一、石化裝置平安度等級的分級：分為4級。SIL1～SIL4(SIL:SafetyIntegrityLevel)“平安度等級〞包含兩方面的內(nèi)容。對石化裝置而言，需要確定不同裝置對平安度等級的不同要求。對所采用的平安儀表系統(tǒng)而言，需獲得石化裝置的對應的平安度等級的認證。

石化裝置平安度等級確實定：SIL-1級:裝置可能很少發(fā)生事故。如果發(fā)生事故，對裝置和產(chǎn)品有輕微的影響，不會造成環(huán)境污染和人員傷亡，經(jīng)濟損失不大。用于本級別裝置的平安儀表系統(tǒng)，需取得SIL-1級和TUV2-3級認證?？刹捎?outof1(1oo1)系統(tǒng),配置1個檢測元件,1個邏輯單元,1個執(zhí)行機構。平安儀表的實用性要求為90%～99%，平安儀表每年發(fā)生故障的平均概率PFDavg=1%～10%。要求SIS對裝置和產(chǎn)品起到一般保護作用。SIL-2級:裝置可能偶爾發(fā)生事故。如果發(fā)生事故，對裝置和產(chǎn)品將會造成較大影響，并有可能造成環(huán)境污染及人員傷亡，經(jīng)濟損失較大。用于本級別裝置的平安儀表，需取得SIL-2級和TUV4級認證，SIS系統(tǒng)的檢測元件和邏輯單元應冗余配置。要求平安儀表系統(tǒng)的實用性為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對裝置和產(chǎn)品提供可靠保護。14SIL-3級:裝置可能經(jīng)常發(fā)生事故。如果發(fā)生事故，將對裝置和產(chǎn)品將造成嚴重影響，并將對環(huán)境造成嚴重污染和重大人員傷亡,經(jīng)濟損失嚴重。用于本級別裝置的平安儀表系統(tǒng)，需取得SIL-3級和TUV5,6級認證，儀表系統(tǒng)的檢測元件,邏輯單元和執(zhí)行機構均應冗余配置,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)對全裝置設備產(chǎn)品和人員的平安提供嚴密保護。SIL-4級:核工業(yè)及航天工業(yè)應用。萬一發(fā)生事故，對裝置設備及人員將造成災難性的傷害，對設備的破壞、人員的傷亡及經(jīng)濟損失都極其嚴重。用于本級別的平安儀表需取得SIL-4級和TUV7級認證。要求平安儀表系統(tǒng)的實用性大于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%。裝置的平安度等級低,對平安儀表系統(tǒng)等級的要求及其實用性、可靠性等要求也低；裝置的整體平安度等級越高，對其平安儀表系統(tǒng)的等級及其實用性、可靠性要求越高。

一般來說，一個石化裝置的平安度等級需要幾級，可通過諸多因素，如裝置的狀況及風險情況，平安儀表系統(tǒng)的冗余配置情況，平均維修時間等因素，通過計算求得。也可以通過工程經(jīng)驗確定。加氫裂化裝置的平安度等級通常都是SIL-3級,采用TUVAK6級認證的SIS,檢測儀表及執(zhí)行機構。補充:殼牌公司(Shell)又對SIL1級劃分了SILa1及SILa2級,SILa1級為DCS報警,SILa2級為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、實用性A(SafetyAvailability)，2、故障率λ(FailureRate)3、發(fā)生故障的概率PFD(ProbabilityofFailureonDemand)4、風險降低因子RRF(RiskReductionFactor)5、維修率μ(μ是維修成功的可能性)176、可靠性(Reliability)，是時間的函數(shù)，R(t)7、故障率λ(Failure)也是時間的函數(shù)F(t)，F(xiàn)(t)是元件故障的可能性。8、關于實用性與平安性實用性與平安性是一對矛盾指標。如果一個平安系統(tǒng)的實用性很高，

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，即其實用性很高，但平安性低。而二取一邏輯，誤停車率較高，即實用性較差，但平安性很高。

189、隨著時間的推移，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，兩者之間的關系可用下式表示：表示平安系統(tǒng)成功運行時間MTTF是其可靠性R(t)隨時間的積分。ProbabilityofComponentFailure19四、整體平安級別所對應的實用性及風險降低因子根據(jù)IEC61508標準，平安儀表系統(tǒng)的實用性、風險降低因子與整體平安級別及相對應的德國TUV認證等級如下表所示：20第五局部加氫裂化裝置先進控制簡介一、多變量預估控制的概念〔MultivariablePredictiveControl－MPC〕1、概述加氫裝置的控制對象及過程變量之間往往是相互關聯(lián)相互耦合的。常規(guī)控制方法是將控制對象及過程變量分解成多個單輸入、單輸出的控制回路，進行單變量PID定值控制，難以獲得理想的控制效果。如果將裝置的相關過程變量，根據(jù)控制對象的數(shù)學模型，將相關的過程變量，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，煉油過程的模型通常是很復雜的，用各種方法建立的模型都不是很準確。而我們所說的MPC控制，是以對象模型為依據(jù)，進行預測，再用實際的測量值對模型進行反響修正，以便獲得較為真實的對象模型。212、魯棒性所謂魯棒性，是指過程變量對控制對象的數(shù)學模型的依賴性不是很強。即當過程變量在一個較大范圍變化時，MPC控制器仍能維持所期望的控制能力。也就是說，魯棒性是指MPC控制器的參數(shù)選擇能適應模型的較大范圍的變化的性能。魯棒性是設計MPC控制器時，需要考慮的一個重要指標。

3、MPC控制器的工作機理MPC控制器是運用區(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)對象的數(shù)學模型，預測被控參數(shù)〔CV〕的動向，綜合運算，調(diào)整操縱參數(shù)〔MV〕，使被控參數(shù)CV穩(wěn)定，并對干擾變量〔DV〕的影響實現(xiàn)前饋控制。

22對于每一個被控變量CV，都要設置其上下限值，即為對被控變量CV的約束條件。在約束條件的區(qū)間內(nèi)，MPC控制器實現(xiàn)“卡邊〞操作，使產(chǎn)品質量指標符合要求，這個區(qū)間也是控制器消除干擾，優(yōu)化操作和加強魯棒性的自由區(qū)間。當CV的上下限相等時，區(qū)間寬度為零，即相當于定值控制。區(qū)間寬度太小，那么調(diào)節(jié)的裕度不夠，達不到調(diào)節(jié)的效果，MPC控制器不能實現(xiàn)預期的功能。所以要求對CV的上下限的區(qū)間設置適宜，才能使MPC控制器得以平穩(wěn)運行。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)濟效益。234、關于質量控制MPC控制器的功能之一是可以用質量參數(shù)作為被控參數(shù)，直接控制產(chǎn)品的質量指標，實現(xiàn)產(chǎn)品的質量控制。質量控制的條件之一是能夠得到質量參數(shù)，或者通過計算間接得到質量參數(shù)。當然通過在線質量分析儀表可以直接測得質量參數(shù)，但質量分析儀表系統(tǒng)復雜，價格昂貴，維護工作量大，而且時間滯后長〔十幾分鐘〕。還有一些質量參數(shù)，目前還沒有測量儀表可用。所以，MPC控制器能夠進行質量參數(shù)的計算，實現(xiàn)直接質量控制的優(yōu)點顯得尤為突出。有些石化裝置，用MPC控制器計算出的質量參數(shù)作為其被控參數(shù)，再用質量分析儀表的測量值對計算參數(shù)進行實時校正。這樣，既保證了精確可靠的質量參數(shù)參與控制，又減少了對分析儀表的依賴，是目前常用的一種方式。245、關于控制對象的數(shù)學模型大多數(shù)石化裝置的數(shù)學模型很難用機理的方法建模。在MPC控制器的應用中，往往是采用對過程變量進行“階躍響應測試〞的方法測試數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)辨識方式建模。對每一個MV，都要做階躍測試，利用數(shù)據(jù)采集器對所有可能受到階躍測試響應的CV進行一組數(shù)據(jù)采集。實驗的階躍信號應當滿足辨識算法的要求，具有足夠的幅度和寬度，以到達充分的鼓勵條件，并要符合工程實際。實驗信號的幅度不能過大，以免進入非線性區(qū)或干擾正常生產(chǎn)。又不能太小，以免鼓勵不充分，產(chǎn)生的響應太小，不能滿足辨識要求。同時，實驗的階躍信號對生產(chǎn)過程的靜擾動要小，變化不應過于頻繁等。這需要有一定的操作經(jīng)驗和工程經(jīng)驗。

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有了階躍測試的數(shù)據(jù)，下一步就進行模型辨識，并通過辨識軟件獲得數(shù)學模型。將辨識得到的模型裝入MPC控制器，并進行仿真運行。如果通過仿真運行能確認模型能夠反映對象的真實狀況，就可以安裝和投用控制器。26二、加氫裂化裝置先進控制的實施現(xiàn)以某大型石化企業(yè)的某加氫裂化裝置為例，簡單介紹其概要。1、硬件與軟件配置一般來說，MPC軟件可以在DCS的控制單元中運行，也可以在單獨設置的上位機上運行。DCS系統(tǒng)：ABB公司的MOD－３００系統(tǒng)上位機VAX－４３００：用于安裝運行MPC軟件〔也可用工業(yè)PC機代替上位機〕。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、實施條件實施MPC控制，是一項復雜的系統(tǒng)工程。予先需做好可行性研究及功能設計。在工程成立后，要做好APC的控制功能設計，在P&ID圖上進行多個MPC控制器的設置。建立CV、MV、DV變量表，工藝計算方案，裝置的控制方案，購置適宜的軟件包，配置相應的硬件等。包括已備有先進穩(wěn)定的DCS系統(tǒng)，良好的現(xiàn)場測量儀表〔智能變送器及調(diào)節(jié)閥〕等。在裝置已經(jīng)開工并進入平穩(wěn)操作期之后，即可著手進行“階躍測試〞，以對對象的模型進行辨識。進行階躍測試時，依次對各個MV給出一個階躍變化，同時通過數(shù)據(jù)采集程序記錄相關CV的一系列變化值，經(jīng)多次循環(huán)階躍，等待過程平穩(wěn)后拜再進行下一個MV的測試。綜合記錄下來的這些數(shù)據(jù)，通過MPC辨識軟件包并結合實際經(jīng)驗反復進行模型辨識，并進行仿真運行，得到經(jīng)實測驗證的CV對MV的模型，即可開始將MPC控制器投入運行。MPC控制器通過調(diào)用這些模型，實現(xiàn)先進控制策略的實施。28

3、操作操作人員在DCS操作站上，設置各個CV的上下限區(qū)間值及各種相關參數(shù)，由MPC控制器根據(jù)經(jīng)過辨識的模型計算出相應的MV值，以確定當前MV的調(diào)節(jié)方向和大小，通過數(shù)據(jù)接口傳送到DCS相應的控制回路的PID模塊，進行調(diào)節(jié)閥閥位的調(diào)整，以調(diào)節(jié)CV值與其目標值的偏差最小，從而完成先進控制的一個循環(huán)。

29三、加氫裂化裝置先進控制的內(nèi)容1、反響深度MPC控制器反響深度控制器的主要目標是控制進入反響器的氫氣和進料的比值，以控制裝置的轉化率。此控制器有3個MV，8個CV。2、反響溫度MPC控制器此控制器的主要目標是控制反響器各個床層的出口溫度和溫差，從而控制各反響床層的熱點，使其不超標。此控制器有5個MV，17個CV，2個干擾變量DV。3、分餾塔MPC控制器此控制器的主要目標是在滿足側線產(chǎn)品質量指標的前提下，使產(chǎn)品的收率最高。此控制器有9個MV，11個CV，2個DV。304、硫化氫塔液控制器該控制器的一個CV為塔的液位，其對應的MV為進入分餾加熱爐的總流量〔為分餾加熱爐兩路分支流量之和〕。此控制器的主要目標是利用容器的容積緩沖對下游裝置操作的影響，盡量減少對流量的大幅度調(diào)節(jié)。硫化氫塔液位控制器與分餾加熱爐支路平衡控制器串級，通過調(diào)整分餾加熱爐兩路分支的流量來調(diào)節(jié)液位。該液位控制器