加氢装置的自动控制与安全联锁系统

加氢装置的自动控制

与平安联锁系统iiiiiiiv第一局部加氢装置概况一、加氢装置的定义与分类1、定义:通过加氢反响后,原料中至少有10%以上分子变小了的工艺过程。通常用转化率来描述。(Conversion)2、分类:①加氢精制(Hydrorefining)反响压力P<10MPa,转化率C<10%.②加氢裂化(Hydrocracking)P>10MPa,C>50%③加氢处理(Hydrotreating)P<10MPa,C=0(原料油中没有分子变小的工艺过程)④加氢改质(Upgrading)P<10MPa,C>15%(主要生产低密度,低芳烃及高十六烷值的柴油馏分)⑤缓和加氢裂化(MildtomoderateHydrocracking)P<10MPa,C>30%(以生产柴油为主要目的)12

大口径工艺管线三、高压工艺管线的等级划分根据ANSIB36.10，B36.19标准，加氢裂化常用工艺管线及仪表测量引线的pipe管等级为SCH160或SCHXXS,大口径用SCH140。根据ANSIB31.3标准,常用Tube管尺寸如下：1/2“(O.D)×0.065〞(W.T)，耐压4700psi；或者1/2“(外径)×0.083〞(壁厚)，耐压6200psi。材质通常用316SS或321SS。34

四、常用工艺管线材质标准代号.(ASTM:美国材料协会)

通常DN40以下的阀门要求用锻钢，可用承插焊连接。

DN50以上的阀门可用铸钢，通常用对焊(BW)或法兰连接。5

第二局部加氢装置的自动控制一、加氢反响器的温度控制1、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节阀的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也能通过此阀。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,因为停工时,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，当仪表风突然停风时，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，大量的烃气体和H2一同进入循环氢压缩机的管线，沿途降温后产生大量的凝液，严重时会损坏压缩机。因此A阀必须用气关阀(FO)且Cv值选的大一些。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,去控制补充氢压缩机出口管线上的调节阀。补充氢经过此调节阀打到循氢机出口管上。2、在高分器顶部设压控回路,控制补充氢压缩机出口返回到其入口管线上的调节阀。四、往复式压缩机的压力控制1、三返一控制方案2、逐级返回控制方案3、气量无级调节系统(贺尔碧格公司)

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五、加氢装置的流量控制

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，此阀的SHUTOFF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、高压别离器的液位控制1、重要性:上下压的分界线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。

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第三局部加氢装置的紧急停车及平安联锁系统一、加氢装置平安的特殊重要性二、加氢装置对整体平安级别的要求：一般为SIL3级，TUV6级认证。三、平安联锁的内容11表3-1.加氢裂化装置平安联锁系统因果关系表12四、加氢装置紧急泄压系统13第四局部加氢装置平安度等级的概念一、石化装置平安度等级的分级：分为4级。SIL1～SIL4(SIL:SafetyIntegrityLevel)“平安度等级〞包含两方面的内容。对石化装置而言，需要确定不同装置对平安度等级的不同要求。对所采用的平安仪表系统而言，需获得石化装置的对应的平安度等级的认证。

石化装置平安度等级确实定：SIL-1级:装置可能很少发生事故。如果发生事故，对装置和产品有轻微的影响，不会造成环境污染和人员伤亡，经济损失不大。用于本级别装置的平安仪表系统，需取得SIL-1级和TUV2-3级认证。可采用1outof1(1oo1)系统,配置1个检测元件,1个逻辑单元,1个执行机构。平安仪表的实用性要求为90%～99%，平安仪表每年发生故障的平均概率PFDavg=1%～10%。要求SIS对装置和产品起到一般保护作用。SIL-2级:装置可能偶尔发生事故。如果发生事故，对装置和产品将会造成较大影响，并有可能造成环境污染及人员伤亡，经济损失较大。用于本级别装置的平安仪表，需取得SIL-2级和TUV4级认证，SIS系统的检测元件和逻辑单元应冗余配置。要求平安仪表系统的实用性为99%～99.9%，平安仪表系统每年发生故障的平均概率PFDavg=0.1%～1%。要求SIS对装置和产品提供可靠保护。14SIL-3级:装置可能经常发生事故。如果发生事故，将对装置和产品将造成严重影响，并将对环境造成严重污染和重大人员伤亡,经济损失严重。用于本级别装置的平安仪表系统，需取得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实用性为99.9%～99.99%，平安仪表系统每年发生故障的平均概率PFDavg=0.01%～0.1%。要求平安仪表系统对全装置设备产品和人员的平安提供严密保护。SIL-4级:核工业及航天工业应用。万一发生事故，对装置设备及人员将造成灾难性的伤害，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取得SIL-4级和TUV7级认证。要求平安仪表系统的实用性大于99.99%，要求平安仪表系统每年发生故障的平均概率PFDavg小于0.01%。装置的平安度等级低,对平安仪表系统等级的要求及其实用性、可靠性等要求也低；装置的整体平安度等级越高，对其平安仪表系统的等级及其实用性、可靠性要求越高。

一般来说，一个石化装置的平安度等级需要几级，可通过诸多因素，如装置的状况及风险情况，平安仪表系统的冗余配置情况，平均维修时间等因素，通过计算求得。也可以通过工程经验确定。加氢裂化装置的平安度等级通常都是SIL-3级,采用TUVAK6级认证的SIS,检测仪表及执行机构。补充:壳牌公司(Shell)又对SIL1级划分了SILa1及SILa2级,SILa1级为DCS报警,SILa2级为DCS联锁。SIL1.2.3.为SIS联锁。15二、MTTF、MTTR、MTBF的概念16三、平安系统中常用名词的解释1、实用性A(SafetyAvailability)，2、故障率λ(FailureRate)3、发生故障的概率PFD(ProbabilityofFailureonDemand)4、风险降低因子RRF(RiskReductionFactor)5、维修率μ(μ是维修成功的可能性)176、可靠性(Reliability)，是时间的函数，R(t)7、故障率λ(Failure)也是时间的函数F(t)，F(t)是元件故障的可能性。8、关于实用性与平安性实用性与平安性是一对矛盾指标。如果一个平安系统的实用性很高，

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，即其实用性很高，但平安性低。而二取一逻辑，误停车率较高，即实用性较差，但平安性很高。

189、随着时间的推移，平安系统的部件发生故障的可能性，即F(t)逐渐增大，即其可靠性R(t)逐渐降低，两者之间的关系可用下式表示：表示平安系统成功运行时间MTTF是其可靠性R(t)随时间的积分。ProbabilityofComponentFailure19四、整体平安级别所对应的实用性及风险降低因子根据IEC61508标准，平安仪表系统的实用性、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：20第五局部加氢裂化装置先进控制简介一、多变量预估控制的概念〔MultivariablePredictiveControl－MPC〕1、概述加氢装置的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，进行单变量PID定值控制，难以获得理想的控制效果。如果将装置的相关过程变量，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，就可能取得较好的控制效果。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，是以对象模型为依据，进行预测，再用实际的测量值对模型进行反响修正，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围变化时，MPC控制器仍能维持所期望的控制能力。也就是说，鲁棒性是指MPC控制器的参数选择能适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，需要考虑的一个重要指标。

3、MPC控制器的工作机理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，调整操纵参数〔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，使产品质量指标符合要求，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由区间。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，那么调节的裕度不够，达不到调节的效果，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，才能使MPC控制器得以平稳运行。使许多常规PID控制不易解决的难题，MPC控制器能够很好地解决，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指标，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，或者通过计算间接得到质量参数。当然通过在线质量分析仪表可以直接测得质量参数，但质量分析仪表系统复杂，价格昂贵，维护工作量大，而且时间滞后长〔十几分钟〕。还有一些质量参数，目前还没有测量仪表可用。所以，MPC控制器能够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。有些石化装置，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测量值对计算参数进行实时校正。这样，既保证了精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装置的数学模型很难用机理的方法建模。在MPC控制器的应用中，往往是采用对过程变量进行“阶跃响应测试〞的方法测试数据，通过系统辨识方式建模。对每一个MV，都要做阶跃测试，利用数据采集器对所有可能受到阶跃测试响应的CV进行一组数据采集。实验的阶跃信号应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，并要符合工程实际。实验信号的幅度不能过大，以免进入非线性区或干扰正常生产。又不能太小，以免鼓励不充分，产生的响应太小，不能满足辨识要求。同时，实验的阶跃信号对生产过程的静扰动要小，变化不应过于频繁等。这需要有一定的操作经验和工程经验。

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有了阶跃测试的数据，下一步就进行模型辨识，并通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，并进行仿真运行。如果通过仿真运行能确认模型能够反映对象的真实状况，就可以安装和投用控制器。26二、加氢裂化装置先进控制的实施现以某大型石化企业的某加氢裂化装置为例，简单介绍其概要。1、硬件与软件配置一般来说，MPC软件可以在DCS的控制单元中运行，也可以在单独设置的上位机上运行。DCS系统：ABB公司的MOD－３００系统上位机VAX－４３００：用于安装运行MPC软件〔也可用工业PC机代替上位机〕。通讯接口GATEWAY：用于连接VAX－４３００与DCS系统MPC软件包：为Honeywell公司的产品。272、实施条件实施MPC控制，是一项复杂的系统工程。予先需做好可行性研究及功能设计。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，装置的控制方案，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，良好的现场测量仪表〔智能变送器及调节阀〕等。在装置已经开工并进入平稳操作期之后，即可着手进行“阶跃测试〞，以对对象的模型进行辨识。进行阶跃测试时，依次对各个MV给出一个阶跃变化，同时通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行下一个MV的测试。综合记录下来的这些数据，通过MPC辨识软件包并结合实际经验反复进行模型辨识，并进行仿真运行，得到经实测验证的CV对MV的模型，即可开始将MPC控制器投入运行。MPC控制器通过调用这些模型，实现先进控制策略的实施。28

3、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的调节方向和大小，通过数据接口传送到DCS相应的控制回路的PID模块，进行调节阀阀位的调整，以调节CV值与其目标值的偏差最小，从而完成先进控制的一个循环。

29三、加氢裂化装置先进控制的内容1、反响深度MPC控制器反响深度控制器的主要目标是控制进入反响器的氢气和进料的比值，以控制装置的转化率。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标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。