加氢装置的自动控制与安全联锁系统ppt课件

1、加氢安装的自动控制与平安联锁系统加氢装置的自动控制加氢装置的自动控制 与安全联锁系统与安全联锁系统目目 录录第一部分第一部分 加氢装置概况加氢装置概况.1一、 加氢装置的定义与分类.11、定义.12、分类.1二、 加氢装置的工艺流程及装置组成.21、流程图.22、装置组成.23、加氢装置的特点.2三、 高压工艺管线的等级划分.3四、 常用工艺管线材质标准代号.5第二部分第二部分 加氢装置的自动控制加氢装置的自动控制.6一、加氢反应器的温度控制.61、反应器入口温度与反应炉燃料气压力串级控制.62、反应器床层温度用急冷氢控制.6二、 换热系统的温度控制.7iiiiii三、加氢裂化装置先进控制的内

2、容.30 1、反应深度 MPC 控制器.30 2、反应温度 MPC 控制器.30 3、分馏塔 MPC 控制器.30 4、硫化氢塔液位控制器.31 5、分馏加热炉支路平衡控制器.32 6、其他先进控制功能.33 四、先进控制的应用效果.34 1、应用效果.34 2、经济效益.35 iv第一部分 加氢安装概略一、加氢安装的定义与分类 1、定义: 经过加氢反响后,原料中至少有10%以上分子变小了的工艺过程。 通常用转化率来描画。Conversion 2、分类: 加氢精制Hydrorefining 反响压力P10MPa,转化率C10MPa,C50% 加氢处置Hydrotreating P10MPa,C

3、=0 原料油中没有分子变小的工艺过程 加氢改质Upgrading P15% 主要消费低密度,低芳烃及高十六烷值的柴油馏分 缓和加氢裂化Mild to moderate Hydrocracking P30% 以消费柴油为主要目的 1二、加氢安装的工艺流程及安装组成： 1、流程图略 2、安装组成：加氢安装由反响部分、分馏部分、加热炉及紧缩机组等几部分组成。 通常包括： 原料油罐、自动反冲洗过滤器、高压原料泵、加氢反响加热炉、加 氢精制反响器、加氢裂化反响器、冷热高分、冷热低分、高压空 冷器、高压注水泵、分馏塔、分馏加热炉、循环氢紧缩机、补充氢 紧缩机等。 3、加氢安装的特点： 高温，高压，临氢环境

4、，要求仪表 的压力等级及材质严厉满足工艺条件。 加氢安装是耗氢极强放热反响，必需及时补充氢气普通每吨原料油 耗氢250-350NM3，120万吨/年加氢裂化安装需补充H2 40000NM3/h，否那么压力 下降。同时又是强放热反响，热量不及时排出，就会加快反响速度从而放出更 多的热量，如此下去，将会导致反响失控，呵斥“飞温，使反响器内件及催化 剂损坏。所以温度及压力是两个重要的控制参数。 由高压及低压部分组成，两部分的分界面是在上下压分别器，为防止高压串入 低压，发生爆炸，所以高分器的液位及界位是极其重要的控制参数。2 口径外径SCH 160SCH XXS1/20.840.1880.2943/

5、41.050.2190.30811.3150.250.35888.6250.812SCH 1401010.7501.00SCH 1401212.751.125SCH 140壁厚大口径工艺管线三、 高压工艺管线的等级划分 根据ANSI B36.10，B36.19规范，加氢裂化常用工艺管线及仪表丈量引线 的pipe管等级为SCH160或SCHXXS,大口径用SCH140。 根据ANSI B31.3规范,常用Tube管尺寸如下： 1/2“ O.D0.065W.T ，耐压4700 psi ；或者1/2“外径0.083壁厚 ， 耐压6200 psi 。 材质通常用316SS或321SS。3工艺管线代号压

6、力等级工艺阀芯材质(阀体均为CS)1/26SCH.160812SCH.1401/23SCH.XXS46SCH.160814SCH.1401/22SCH.XXS312SCH.160Q6(贫DEA用)CL1500CS1/210SCH.16012Cr11/4Cr-1/2Mo1/26SCH.XXS(CrMo不锈钢)812SCH.160阀体为CS阀芯为Stellite合金321SS阀体为321SS(阀体也是321SS)阀芯为Stellite合金1/23SCH.160阀体为321SS48SCH.XXS阀芯为Stellite合金T5CL2500321SS1/210SCH.160同上T6CL2500321SS

7、1/210SCH.160同上T11CL2500321SS1/210SCH.160同上管线材质304SS304SSY5CL1500CS304SSP5CL1500CSP1CL1500CSL7CL1500321SS304SSP3CL2500CS1/26SCH.XXSCL2500T4,T5,T6,T11T4CL25004 Casted GradeForgedCarbon Steel(CS)A216/WCBA105C-1/2Mo SteelA217/WC1A182/F111/4Cr-1/2MoA217/WC6A182/F1121/4Cr-1MoA217/WC9A182/F22304SSA351/CF8A

8、182/F304304LA351/CF3A182/F304L316SSA351/CF8MA182/F316316LA351/CF3MA182/F316L347SSA351/CF8CA182/F347321SS/A182/F321四、 常用工艺管线材质规范代号.ASTM:美国资料协会 通常DN40以下的阀门要求用锻钢，可用承插焊衔接。 DN50以上的阀门可用铸钢，通常用对焊BW或法兰衔接。5 第二部分 加氢安装的自动控制F-1F.C循环氢加热炉燃料气101PICF.O101TRCTIC102F.OFIC109TI去R-2循环氢原料(经换热后)TI急冷氢精制反应器R-1一、加氢反响器的温度控制 1

9、、反响器入口温度与反响炉燃料气压力串级控制 2、反响器床层温度用急冷氢控制 冷氢调理阀的Cv值应选的大一些,使正常流量时开度为全行程的1/3，以保证反响器 严重超温时，大量的冷H2也能经过此阀。6二、换热系统的温度控制 反响流出物与反响进料原料的换热温控。 A阀要用FO,B阀应为FCA,B两阀的Cv值要选大,特别是B阀,要留有较大余地,由于停工时,约70%的原料油不经换热器，直接进入反响器，使反响器温度尽快降下来。 A阀应为气关阀，当仪表风忽然停风时，几乎全部的循环氢进入热交换器E-1，反响 器留出物换热冷却后温度低，即进入高分器的温度低，不会出现平安问题。相反， 进入高分温度高，大量的烃气体

10、和H2一同进入循环氢紧缩机的管线，沿途降温后产 生大量的凝液，严重时会损坏紧缩机。因此A阀必需用气关阀FO且Cv值选的大一些。低 分 液 体BB正 作 用TRC106去 F-1,F-2循 环 氢 加 热 炉(循 环 氢 )混 合 氢 气正 作 用去 R-1反 应 器107TRC原 料流 出 物F.C反 应AF.OE-1F.OF.CAE-2108TRCF.CE-3去 脱 丁 烷 塔 (T-1)109TRC去 高 分 (V-2)A-1换 热 流 程7三、反响系统压力控制 两种方案 1、反响器顶部与循氢机入口各设一套压控回路,两者作低选控制, 去控制补充氢紧缩机出口管线上的调理阀。补充氢经过此调理

11、阀打到循氢机出口管上。 2、在高分器顶部设压控回路,控制补充氢紧缩机出口前往到其入 口管线上的调理阀。四、往复式紧缩机的压力控制 1、三返一控制方案 2、逐级前往控制方案 3、气量无级调理系统贺尔碧格公司 8 反 应 进 料F . C2 0 12 0 0F EHLF I C2 0 0I / P2 0 0 AF Y2 0 0F VF TRSF Y2 0 0 BF T2 0 0E S DF H S2 0 1F S L L2 0 1灯 屏F A L L2 0 1F A L L2 0 0五、 加氢安装的流量控制 1、进料原料油的流量控制 2、原料泵的最小流量旁路控制 用角阀时,应底进侧出，为FO，此阀

12、的SHUT OFF应为P1的1.25倍。 3、离心式循氢机的防喘振控制 固定极限流量的防喘振控制 可变极限流量的防喘振控制9 六、 高压分别器的液位控制 1、重要性:上下压的分界限 2、控制方案: 液位与界位均设两套 设有高液位三取二停机联锁,低低液位关阀联锁。 界位设有低低限关阀联锁。 10 第三部分 加氢安装的紧急停车及平安联锁系统一、加氢安装平安的特殊重要性二、加氢安装对整体平安级别的要求：普通为SIL3级，TUV6级认证。三、平安联锁的内容紧急停车/平安联锁系统ESD/SIS,Emergency Shutdown/Safety Interlocking System加氢裂化安装主要紧急

13、停车/平安联锁系统ESD/SIS加氢裂化是炼油厂中爆炸和火灾最危险的甲类安装。因此重要的工艺参数,关键的单体设备机组以及它们之间的相互关系构成了加氢裂化安装紧急停车/平安联锁系统,其因果关系如表3-1所列。11表3-1.加氢裂化安装平安联锁系统因果关系表联锁内容高压进料泵反应加热炉高分-低分调节阀循氢机 新氢机0.7MPa/分泄压2.1MPa/分泄压备注加氢进料流量低低停，并切断进料调节阀循环氢流量低低停泵料泵润滑油压低低停反应炉燃料气压力低低停反应器床层严重超温停停停停手动泄压超过正常值30高分器液位高高停停停停或0负荷自动泄压可以作三取二高分器液位低低关循环氢压机入口分液罐液位高高停循氢机

14、故障停机停停停或0负荷自动泄压新氢机故障停机停加氢装置火灾事故停停停停手动泄压12四、加氢安装紧急泄压系统 1、紧急泄压设计方案 1、有限流孔板时，加电磁阀，当需泄压时，ESD的输出接点使泄压阀立刻 完全翻开泄压。 2、不设限流孔板时，可用DCS 遥控，手动输出420mA信号,逐渐开启泄 压阀,不允许立刻输出20mA使泄压阀马上完全开启。 2、设计原那么: 1、通常设置0.7MPa/分或1.4MPa/分与2.1MPa/分两个泄压回路。0.7MPa/分 或1.4MPa/分由循氢机缺点停机信号触发,同时停原料泵、循氢机反响加 热炉,新氢机停机或0负荷运转。 2、2.1MPa/分泄压只能手动操作。当

15、安装发生火灾,反响器飞温时才手动 启动2.1MPa/分系统,同时停原料泵、反响加热炉、循氢机及新氢机等。 3、泄压准那么:第一分钟必需降压0.7MPa或1.4MPa或2.1MPa，然后必需在30分 钟之内使反响压力降到操作压力的1/4左右。13第四部分 加氢安装平安度等级的概念一、石化安装平安度等级的分级：分为4级。SIL1SIL4SIL:Safety Integrity Level “平安度等级包含两方面的内容。对石化安装而言，需求确定不同安装对 平安度等级的不同要求。对所采用的平安仪表系统而言，需获得石化安装的对应的 平安度等级的认证。 石化安装平安度等级确实定： SIL-1级:安装能够很

16、少发惹事故。假设发惹事故，对安装和产品有细微的影 响，不会呵斥环境污染和人员伤亡，经济损失不大。 用于本级别安装的平安仪表系统，需获得SIL-1级和TUV2-3级认证。可 采用1outof11oo1系统,配置1个检测元件,1个逻辑单元,1个执行机构。 平安仪表的适用性要求为90%99%，平安仪表每年发生缺点的平均概率 PFDavg= 1%10%。要求SIS对安装和产品起到普通维护作用。 SIL-2级:安装能够偶尔发惹事故。假设发惹事故，对安装和产品将会呵斥较 大影响，并有能够呵斥环境污染及人员伤亡，经济损失较大。 用于本级别安装的平安仪表，需获得SIL-2级和TUV4级认证，SIS系统 的检测

17、元件和逻辑单元应冗余配置。要求平安仪表系统的适用性 为99%99.9%，平安仪表系统每年发生缺点的平均概率PFDavg =0.1%1%。 要求SIS对安装和产品提供可靠维护。14SIL-3级:安装能够经常发惹事故。假设发惹事故，将对安装和产品将呵斥严重影响，并 将对环境呵斥严重污染和艰苦人员伤亡,经济损失严重。 用于本级别安装的平安仪表系统，需获得SIL-3级和TUV5,6级认证，仪表系统的检测 元件,逻辑单元和执行机构均应冗余配置,可采用二取一带诊断1oo2D,三取二 2oo3等方案配置。要求平安仪表系统的适用性为99.9%99.99%，平安仪表系统每 年发生缺点的平均概率PFDavg=0.

18、01%0.1%。要求平安仪表系统对全安装设备产品和 人员的平安提供严密维护。SIL-4级:核工业及航天工业运用。万一发惹事故，对安装设备及人员将呵斥灾难性的损伤， 对设备的破坏、人员的伤亡及经济损失都极其严重。用于本级别的平安仪表 需获得SIL-4级和TUV7级认证。要求平安仪表系统的适用性大于99.99%，要求平安 仪表系统每年发生缺点的平均概率PFDavg小于0.01%。 安装的平安度等级低,对平安仪表系统等级的要求及其适用性、可靠性等要求也 低；安装的整体平安度等级越高，对其平安仪表系统的等级及其适用性、可靠性要求越高。 普通来说，一个石化安装的平安度等级需求几级，可经过诸多要素，如安装

19、 的情况及风险情况，平安仪表系统的冗余配置情况，平均维修时间等要素，经过计算求 得。也可以经过工程阅历确定。 加氢裂化安装的平安度等级通常都是SIL-3级,采用TUV AK6级认证的SIS,检测仪表及 执行机构。补充: 壳牌公司Shell又对SIL 1级划分了SILa1及SILa2级, SILa1级为DCS报警, SILa2级为 DCS联锁。SIL 1.2.3. 为SIS联锁。15二、MTTF、MTTR、MTBF的概念(安 全 系 统 总 运 行 周 期 )(成 功 操 作 时 间 )MTBFMTTF(故 障 时 间 )MTTR时 间 (t)16三、平安系统中常用名词的解释 1、适用性 A S

20、afety Availability ， 2、缺点率 Failure Rate 3、发生缺点的概率 PFD Probability of Failure on Demand 4、风险降低因子 RRF Risk Reduction Factor 5、维修率 是维修胜利的能够性MTTRMTTFMTTFA)(A。可通过计算确定运行时间故障次数 R(t)F(t)MTTF1PFDRRF1MTTR117 6、可靠性Reliability，是时间的函数，Rt 7、缺点率 Failure 也是时间的函数Ft，Ft是元件缺点的能够性。 8、关于适用性与平安性 适用性与平安性是一对矛盾目的。假设一个平安系统的适用

21、性很高， 那么其平安性就较低。反之亦然。例如，二取二逻辑，误停车率很低， 即其适用性很高，但平安性低。而二取一逻辑，误停车率较高，即 适用性较差，但平安性很高。 18 9、随着时间的推移，平安系统的部件发生缺点的能够性，即Ft逐渐增大， 即其可靠性Rt逐渐降低，两者之间的关系可用下式表示： 表示平安系统胜利运转时间MTTF是其可靠性Rt随时间的积分。 ettR)()(1)(tRtFet100.80.40.20.61time tF(t)=1-e-tR(t)=e-t Probability ofComponent Failure00)(dtedttRMTTFt19四、 整体平安级别所对应的适用性及

22、风险降低因子 根据IEC 61508规范，平安仪表系统的适用性、风险降低因子与整体平安级别及 相对应的德国TUV认证等级如下表所示：9 9 . 9 % - 9 9 . 9 9 %9 0 % - 9 9 %9 9 % - 9 9 . 9 %( 实 用 性 ) 9 9 . 9 9 %A1( 整 体 安 全 级 别 )234S I LC L A S S ( A K )G E R M A N A P P L .T U V A K 1 - 62 - 345 - 67( T y p i c a l A p p l i c a t i o n )( 一 般 工 业 应 用 )典 型 应 用 领 域N u c

23、 l e a r P o w e r( 核 电 站 工 业 )P r o c e s s e s( 石 化 装 置 )C h e m i c a lI n d u s t r i a lU t i l i t yB o i l e r sB o i l e r s( 发 生 故 障 的 概 率 )0 . 1 - - 0 . 0 10 . 0 0 1 - 0 . 0 0 0 10 . 0 1 - 0 . 0 0 1 1 0 0 0 0R R F20第五部分 加氢裂化安装先进控制简介一、多变量预估控制的概念 Multivariable Predictive Control MPC1、概述加氢安装的

24、控制对象及过程变量之间往往是相互关联相互耦合的。常规控制方法是将控制对象及过程变量分解成多个单输入、单输出的控 制回路，进展单变量PID定值控制，难以获得理想的控制效果。 假设将安装的相关过程变量，根据控制对象的数学模型，将相关的过 程变量，建立成多输入、多输出控制系统，就能够获得较好的控制效 果。但是，炼油过程的模型通常是很复杂的，用各种方法建立的模型 都不是很准确。而我们所说的MPC控制，是以对象模型为根据，进展 预测，再用实践的丈量值对模型进展反响修正，以便获得较为真实的 对象模型。 212、鲁棒性 所谓鲁棒性，是指过程变量对控制对象的数学模型的依赖性不是 很强。即当过程变量在一个较大范

25、围变化时，MPC控制器仍能维 持所期望的控制才干。也就是说，鲁棒性是指MPC控制器的参数 选择能顺应模型的较大范围的变化的性能。鲁棒性是设计MPC控 制器时，需求思索的一个重要目的。 3、 MPC控制器的任务机理 MPC控制器是运用区间控制的方法，建立多变量输入，多变量输 出，而不象常规单参数PID定值控制。MPC控制器根据对象的数 学模型，预测被控参数CV的动向，综合运算，调整支配参 数MV，使被控参数CV稳定，并对干扰变量DV的影响实 现前馈控制。 22 对于每一个被控变量CV，都要设置其上下限值，即为对被控变量CV 的约束条件。在约束条件的区间内，MPC控制器实现“卡边操作，使 产质量量

26、目的符合要求，这个区间也是控制器消除干扰，优化操作和 加强鲁棒性的自在区间。 当CV的上下限相等时，区间宽度为零，即相当于定值控制。区间宽度 太小，那么调理的裕度不够，达不到调理的效果，MPC控制器不能实现 预期的功能。所以要求对CV的上下限的区间设置适宜，才干使MPC 控制器得以平稳运转。使许多常规PID控制不易处理的难题，MPC控制 器可以很好地处理，并获得良好的经济效益。234、关于质量控制 MPC控制器的功能之一是可以用质量参数作为被控参数，直接控制 产品的质量目的，实现产品的质量控制。质量控制的条件之一是能 够得到质量参数，或者经过计算间接得到质量参数。当然经过在线 质量分析仪表可以

27、直接测得质量参数，但质量分析仪表系统复杂， 价钱昂贵，维护任务量大，而且时间滞后长十几分钟。还有一 些质量参数，目前还没有丈量仪表可用。所以，MPC控制器可以进 行质量参数的计算，实现直接质量控制的优点显得尤为突出。有些 石化安装，用MPC控制器计算出的质量参数作为其被控参数，再用 质量分析仪表的丈量值对计算参数进展实时校正。这样，既保证了 准确可靠的质量参数参与控制，又减少了对分析仪表的依赖，是目 前常用的一种方式。245、关于控制对象的数学模型 大多数石化安装的数学模型很难用机理的方法建模。在MPC控制器的 运用中，往往是采用对过程变量进展“阶跃呼应测试的方法测试数据， 经过系统辨识方式建

28、模。 对每一个MV，都要做阶跃测试，利用数据采集器对一切能够遭到阶跃 测试呼应的CV进展一组数据采集。实验的阶跃信号该当满足辨识算法 的要求，具有足够的幅度和宽度，以到达充分的鼓励条件，并要符合 工程实践。实验信号的幅度不能过大，以免进入非线性区或干扰正常 消费。又不能太小，以免鼓励不充分，产生的呼应太小，不能满足辨 识要求。同时，实验的阶跃信号对消费过程的静扰动要小，变化不应 过于频繁等。这需求有一定的操作阅历和工程阅历。 25 有了阶跃测试的数据，下一步就进展模型辨识，并经过辨识软件获得 数学模型。将辨识得到的模型装入MPC控制器，并进展仿真运转。假设 经过仿真运转能确认模型可以反映对象的

29、真实情况，就可以安装和投 用控制器。26二、加氢裂化安装先进控制的施行 现以某大型石化企业的某加氢裂化安装为例，简单引见其概要。 1、硬件与软件配置 普通来说，MPC软件可以在DCS的控制单元中运转，也可 以在单独设置的上位机上运转。 DCS系统：ABB公司的MOD系统 上位机 VAX：用于安装运转MPC软件也 可用工业PC机替代上位机。 通讯接口 GATEWAY：用于衔接VAX与DCS系 统 MPC软件包：为Honeywell公司的产品。 272、施行条件 施行MPC控制，是一项复杂的系统工程。予先需做好可行性研讨及功 能设计。在工程成立后，要做好APC的控制功能设计，在P&ID图上

30、进 行多个MPC控制器的设置。建立CV、MV、DV变量表，工艺计算方案， 安装的控制方案，购置适宜的软件包，配置相应的硬件等。包括已备 有先进稳定的DCS系统，良好的现场丈量仪表智能变送器及调理阀 等。 在安装曾经开工并进入平稳操作期之后，即可着手进展“阶跃测试， 以对对象的模型进展辨识。进展阶跃测试时，依次对各个MV给出一个 阶跃变化，同时经过数据采集程序记录相关CV的一系列变化值，经多 次循环阶跃，等待过程平稳后拜再进展下一个MV的测试。综合记录下 来的这些数据，经过MPC辨识软件包并结合实践阅历反复进展模型辨 识，并进展仿真运转，得到经实检验证的CV对MV的模型，即可开场 将MPC控制器

31、投入运转。 MPC控制器经过调用这些模型，实现先进控制战略的施行。283、操作 操作人员在DCS操作站上，设置各个CV的上下限区间值及各种相关 参数，由MPC控制器根据经过辨识的模型计算出相应的MV值，以确 定当前MV的调理方向和大小，经过数据接口传送到DCS相应的控制 回路的PID模块，进展调理阀阀位的调整，以调理CV值与其目的值 的偏向最小，从而完成先进控制的一个循环。 29三、加氢裂化安装先进控制的内容 1、反响深度MPC控制器 反响深度控制器的主要目的是控制进入反响器的氢气和 进料的比值，以控制安装的转化率。 此控制器有3个MV，8个CV。 2、反响温度MPC控制器 此控制器的主要目的是控制反响器各个床层的出口温度 和温差，从而控制各反响床层的热点，使其不超标。 此控制器有5个MV，17个CV，2个干扰变量DV。 3、分馏塔MPC控制器 此控制器的主要