加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)課件

1、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)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)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)控制加氫裝置的自動(dòng)控制 與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)目目 錄錄第一部分第一部分 加氫裝置概況加氫裝置概況.1一、 加氫裝置的定義與分類(lèi).11、定義.12、分類(lèi).1二、 加氫裝置的工藝流程及裝置組成.21、流程圖.22、裝置組成.23、加氫裝置的特點(diǎn).2三、 高壓工藝管線的等級(jí)劃分.3四、 常用工藝管線材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)代號(hào).5第二部分第二部分 加氫裝置的自動(dòng)控制加氫裝置的自動(dòng)控制.6一、加氫反應(yīng)器的溫度控制.61、反應(yīng)器入口溫度與反應(yīng)爐燃料氣壓力串級(jí)控制.62、反應(yīng)器床層溫度用急冷氫控制.6二、

2、 換熱系統(tǒng)的溫度控制.7i加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)ii加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)iii加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)三、加氫裂化裝置先進(jìn)控制的內(nèi)容.30 1、反應(yīng)深度 MPC 控制器.30 2、反應(yīng)溫度 MPC 控制器.30 3、分餾塔 MPC 控制器.30 4、硫化氫塔液位控制器.31 5、分餾加熱爐支路平衡控制器.32 6、其他先進(jìn)控制功能.33 四、先進(jìn)控制的應(yīng)用效果.34 1、應(yīng)用效果.34 2、經(jīng)濟(jì)效益.35 iv加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)第一部分 加氫裝置概況一、加氫裝置的定義與分類(lèi) 1、定義: 通過(guò)加氫反應(yīng)后,原料中至少有10%以上分子變小了的工藝過(guò)程。 通

3、常用轉(zhuǎn)化率來(lái)描述。(Conversion) 2、分類(lèi): 加氫精制(Hydrorefining) 反應(yīng)壓力P10MPa,轉(zhuǎn)化率C10MPa,C50% 加氫處理(Hydrotreating) P10MPa,C=0 (原料油中沒(méi)有分子變小的工藝過(guò)程) 加氫改質(zhì)(Upgrading) P15% (主要生產(chǎn)低密度,低芳烴及高十六烷值的柴油餾分) 緩和加氫裂化(Mild to moderate Hydrocracking) P30% (以生產(chǎn)柴油為主要目的) 1加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)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：加氫裝置由反應(yīng)部分、分餾部分、加熱爐及壓縮機(jī)組

4、等幾部分組成。 通常包括： 原料油罐、自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器、高壓原料泵、加氫反應(yīng)加熱爐、加 氫精制反應(yīng)器、加氫裂化反應(yīng)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(jī)、補(bǔ)充氫 壓縮機(jī)等。 3、加氫裝置的特點(diǎn)： 高溫，高壓，臨氫環(huán)境，要求儀表 的壓力等級(jí)及材質(zhì)嚴(yán)格滿(mǎn)足工藝條件。 加氫裝置是耗氫極強(qiáng)放熱反應(yīng)，必須及時(shí)補(bǔ)充氫氣（一般每噸原料油 耗氫250-350NM3，120萬(wàn)噸/年加氫裂化裝置需補(bǔ)充H2 40000NM3/h，否則壓力 下降。同時(shí)又是強(qiáng)放熱反應(yīng)，熱量不及時(shí)排出，就會(huì)加快反應(yīng)速度從而放出更 多的熱量，如此下去，將會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)失控，造成“飛溫”，使反

5、應(yīng)器內(nèi)件及催化 劑損壞。所以溫度及壓力是兩個(gè)重要的控制參數(shù)。 由高壓及低壓部分組成，兩部分的分界面是在高低壓分離器，為避免高壓串入 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加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng) 口徑外徑SCH 160SCH XXS1/20.840.1880.2943/41.050.2190.30811.3150.250.35888.6250.812SCH 1401010.7501.00SCH 1401212.751.125SCH 140壁厚大口徑工藝管線三、 高壓工藝管線的等級(jí)劃分 根據(jù)ANSI B36.10，B36.19標(biāo)準(zhǔn)，加氫裂化常用工藝管線及儀表測(cè)量引

6、線 的pipe管等級(jí)為SCH160或SCHXXS,大口徑用SCH140。 根據(jù)ANSI B31.3標(biāo)準(zhǔn),常用Tube管尺寸如下： 1/2“ (O.D)0.065”(W.T) ，耐壓4700 psi ；或者1/2“(外徑)0.083”(壁厚) ， 耐壓6200 psi 。 材質(zhì)通常用316SS或321SS。3加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)工藝管線代號(hào)壓力等級(jí)工藝閥芯材質(zhì)(閥體均為CS)1/26SCH.160812SCH.1401/23SCH.XXS46SCH.160814SCH.1401/22SCH.XXS312SCH.160Q6(貧DEA用)CL1500CS1/210SCH.16012Cr1

7、1/4Cr-1/2Mo1/26SCH.XXS(CrMo不銹鋼)812SCH.160閥體為CS閥芯為Stellite合金321SS閥體為321SS(閥體也是321SS)閥芯為Stellite合金1/23SCH.160閥體為321SS48SCH.XXS閥芯為Stellite合金T5CL2500321SS1/210SCH.160同上T6CL2500321SS1/210SCH.160同上T11CL2500321SS1/210SCH.160同上管線材質(zhì)304SS304SSY5CL1500CS304SSP5CL1500CSP1CL1500CSL7CL1500321SS304SSP3CL2500CS1/26

8、SCH.XXSCL2500T4,T5,T6,T11T4CL25004加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng) Casted GradeForgedCarbon Steel(CS)A216/WCBA105C-1/2Mo SteelA217/WC1A182/F111/4Cr-1/2MoA217/WC6A182/F1121/4Cr-1MoA217/WC9A182/F22304SSA351/CF8A182/F304304LA351/CF3A182/F304L316SSA351/CF8MA182/F316316LA351/CF3MA182/F316L347SSA351/CF8CA182/F347321SS/A1

9、82/F321四、 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加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng) 第二部分 加氫裝置的自動(dòng)控制F-1F.C循環(huán)氫加熱爐燃料氣101PICF.O101TRCTIC102F.OFIC109TI去R-2循環(huán)氫原料(經(jīng)換熱后)TI急冷氫精制反應(yīng)器R-1一、加氫反應(yīng)器的溫度控制 1、反應(yīng)器入口溫度與反應(yīng)爐燃料氣壓力串級(jí)控制 2、反應(yīng)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，以保證反應(yīng)器 嚴(yán)重超溫時(shí)，大量的

10、冷H2也能通過(guò)此閥。6加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)二、換熱系統(tǒng)的溫度控制 反應(yīng)流出物與反應(yīng)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)入反應(yīng)器，使反應(yīng)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，反應(yīng) 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)安全問(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。低分液體BB

11、正作用TRC106去F-1,F-2循環(huán)氫加熱爐(循環(huán)氫)混合氫氣正作用去R-1反應(yīng)器107TRC原料流出物F.C反應(yīng)AF.OE-1F.OF.CAE-2108TRCF.CE-3去脫丁烷塔(T-1)109TRC去高分(V-2)A-1換熱流程7加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)三、反應(yīng)系統(tǒng)壓力控制 兩種方案 1、反應(yīng)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

12、無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)(賀爾碧格公司) 8加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng) 反應(yīng)進(jìn)料F.C201200FEHLFIC200I/P200AFY200FVFTRSFY200BFT200ESDFHS201FSLL201燈屏FALL201FALL200五、 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SHUT OFF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加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng) 六、 高壓分離器的液位控制 1、重要性:高低壓的分界線 2、控制方案: 液位與界位均設(shè)兩套

13、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。 10加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng) 第三部分 加氫裝置的緊急停車(chē)及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)一、加氫裝置安全的特殊重要性二、加氫裝置對(duì)整體安全級(jí)別的要求：一般為SIL3級(jí)，TUV6級(jí)認(rèn)證。三、安全聯(lián)鎖的內(nèi)容緊急停車(chē)/安全聯(lián)鎖系統(tǒng)(ESD/SIS,Emergency Shutdown/Safety Interlocking System)加氫裂化裝置主要緊急停車(chē)/安全聯(lián)鎖系統(tǒng)(ESD/SIS) 加氫裂化是煉油廠中爆炸和火災(zāi)最危險(xiǎn)的甲類(lèi)裝置。因此重要的工藝參數(shù),關(guān)鍵的單體設(shè)備(機(jī)組)以及它們之間的相互關(guān)系構(gòu)成了加氫裂化裝置緊急停車(chē)/安全聯(lián)

14、鎖系統(tǒng),其因果關(guān)系如表3-1所列。11加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)表3-1.加氫裂化裝置安全聯(lián)鎖系統(tǒng)因果關(guān)系表聯(lián)鎖內(nèi)容高壓進(jìn)料泵反應(yīng)加熱爐高分-低分調(diào)節(jié)閥循氫機(jī) 新氫機(jī)0.7MPa/分泄壓2.1MPa/分泄壓備注加氫進(jìn)料流量低低停，并切斷進(jìn)料調(diào)節(jié)閥循環(huán)氫流量低低停泵料泵潤(rùn)滑油壓低低停反應(yīng)爐燃料氣壓力低低停反應(yīng)器床層嚴(yán)重超溫停停停停手動(dòng)泄壓超過(guò)正常值30高分器液位高高停停停?；?負(fù)荷自動(dòng)泄壓可以作三取二高分器液位低低關(guān)循環(huán)氫壓機(jī)入口分液罐液位高高停循氫機(jī)故障停機(jī)停停?；?負(fù)荷自動(dòng)泄壓新氫機(jī)故障停機(jī)停加氫裝置火災(zāi)事故停停停停手動(dòng)泄壓12加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)四、加氫裝置緊急泄壓系統(tǒng)

15、1、緊急泄壓設(shè)計(jì)方案 (1)、有限流孔板時(shí)，加電磁閥，當(dāng)需泄壓時(shí)，ESD的輸出接點(diǎn)使泄壓閥立即 完全打開(kāi)泄壓。 (2)、不設(shè)限流孔板時(shí)，可用DCS 遙控，手動(dòng)輸出420mA信號(hào),逐漸開(kāi)啟泄 壓閥,不允許立即輸出20mA使泄壓閥馬上完全開(kāi)啟。 2、設(shè)計(jì)原則: (1)、通常設(shè)置0.7MPa/分或1.4MPa/分與2.1MPa/分兩個(gè)泄壓回路。0.7MPa/分 或1.4MPa/分由循氫機(jī)故障停機(jī)信號(hào)觸發(fā),同時(shí)停原料泵、循氫機(jī)反應(yīng)加 熱爐,新氫機(jī)停機(jī)或0負(fù)荷運(yùn)行。 (2)、2.1MPa/分泄壓只能手動(dòng)操作。當(dāng)裝置發(fā)生火災(zāi),反應(yīng)器飛溫時(shí)才手動(dòng) 啟動(dòng)2.1MPa/分系統(tǒng),同時(shí)停原料泵、反應(yīng)加熱爐、循氫機(jī)及

16、新氫機(jī)等。 (3)、泄壓準(zhǔn)則: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)使反應(yīng)壓力降到操作壓力的1/4左右。13加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)第四部分 加氫裝置安全度等級(jí)的概念一、石化裝置安全度等級(jí)的分級(jí)：分為4級(jí)。SIL1SIL4(SIL:Safety Integrity Level) “安全度等級(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) 安全度等級(jí)的不同要求。對(duì)所采用的安全儀表系統(tǒng)而言，需獲得石化裝置的對(duì)應(yīng)的 安全度等級(jí)的認(rèn)證。 石化裝置安全度等級(jí)的確定： 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，

17、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)別裝置的安全儀表系統(tǒng)，需取得SIL-1級(jí)和TUV2-3級(jí)認(rèn)證?？?采用1outof1(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)。 安全儀表的實(shí)用性要求為90%99%，安全儀表每年發(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)別裝置的安全儀表，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。要求安全儀表系統(tǒng)的實(shí)用性

18、 為99%99.9%，安全儀表系統(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)。14加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)SIL-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)別裝置的安全儀表系統(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。要求安全儀表系統(tǒng)的實(shí)用性為99.9%99.99%，安全儀表系統(tǒng)每 年發(fā)生故障的平均概率PFDavg=0.01%0.

19、1%。要求安全儀表系統(tǒng)對(duì)全裝置設(shè)備產(chǎn)品和 人員的安全提供嚴(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)別的安全儀表 需取得SIL-4級(jí)和TUV7級(jí)認(rèn)證。要求安全儀表系統(tǒng)的實(shí)用性大于99.99%，要求安全 儀表系統(tǒng)每年發(fā)生故障的平均概率PFDavg小于0.01%。 裝置的安全度等級(jí)低,對(duì)安全儀表系統(tǒng)等級(jí)的要求及其實(shí)用性、可靠性等要求也 低；裝置的整體安全度等級(jí)越高，對(duì)其安全儀表系統(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)石化裝置的安全度等級(jí)需要幾級(jí)，可通過(guò)諸多因素，如裝置 的狀況及

20、風(fēng)險(xiǎn)情況，安全儀表系統(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。 加氫裂化裝置的安全度等級(jí)通常都是SIL-3級(jí),采用TUV AK6級(jí)認(rèn)證的SIS,檢測(cè)儀表及 執(zhí)行機(jī)構(gòu)。補(bǔ)充補(bǔ)充: 殼牌公司(Shell)又對(duì)SIL 1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。SIL 1.2.3. 為SIS聯(lián)鎖。15加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)二、MTTF、MTTR、MTBF的概念(安全系統(tǒng)總運(yùn)行周期)(成功操作時(shí)間)MTBFMTTF(故障時(shí)間)MTTR時(shí)間(t)16加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)三、安全系統(tǒng)中常用名詞的解釋

21、 1、實(shí)用性 A (Safety Availability) ， 2、故障率 (Failure Rate) 3、發(fā)生故障的概率 PFD (Probability of Failure on Demand) 4、風(fēng)險(xiǎn)降低因子 RRF (Risk Reduction Factor) 5、維修率 ( 是維修成功的可能性)MTTRMTTFMTTFA)(A?？赏ㄟ^(guò)計(jì)算確定運(yùn)行時(shí)間故障次數(shù) R(t)F(t)MTTF1PFDRRF1MTTR117加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng) 6、可靠性(Reliability)，是時(shí)間的函數(shù)，R(t) 7、故障率 (Failure) 也是時(shí)間的函數(shù)F(t)，F(xiàn)(t)是元

22、件故障的可能性。 8、關(guān)于實(shí)用性與安全性 實(shí)用性與安全性是一對(duì)矛盾指標(biāo)。如果一個(gè)安全系統(tǒng)的實(shí)用性很高， 則其安全性就較低。反之亦然。例如，二取二邏輯，誤停車(chē)率很低， 即其實(shí)用性很高，但安全性低。而二取一邏輯，誤停車(chē)率較高，即 實(shí)用性較差，但安全性很高。 18加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng) 9、隨著時(shí)間的推移，安全系統(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： 表示安全系統(tǒng)成功運(yùn)行時(shí)間MTTF是其可靠性R(t)隨時(shí)間的積分。 ettR)()(1)(tRtFet100.80.40.20.61time tF(t)=1-e-tR(t)=e-

23、t Probability ofComponent Failure00)(dtedttRMTTFt19加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)四、 整體安全級(jí)別所對(duì)應(yīng)的實(shí)用性及風(fēng)險(xiǎn)降低因子 根據(jù)IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)，安全儀表系統(tǒng)的實(shí)用性、風(fēng)險(xiǎn)降低因子與整體安全級(jí)別及 相對(duì)應(yīng)的德國(guó)TUV認(rèn)證等級(jí)如下表所示：99.9%-99.99%90%-99%99%-99.9%(實(shí)用性)99.99%A1(整體安全級(jí)別)234SILCLASS (AK)GERMAN APPL.TUV AK1-62-345-67(Typical Application)(一般工業(yè)應(yīng)用)典型應(yīng)用領(lǐng)域Nuclear Power(核電站工業(yè))P

24、rocesses(石化裝置)ChemicalIndustrialUtilityBoilersBoilers(發(fā)生故障的概率)0.1-0.010.001-0.00010.01-0.00110000RRF20加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)第五部分 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 （Multivariable Predictive Control 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

25、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)行反饋修正，以便獲得較為真實(shí)的 對(duì)象模型。 21加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)2、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(lài)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

26、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加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng) 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。

27、區(qū)間寬度 太小，則調(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)置合適，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。23加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)4、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

28、 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(lài)，是目 前常用的一種方式。24加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)5、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

29、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(mǎn)足辨識(shí)算法 的要求，具有足夠的幅度和寬度，以達(dá)到充分的激勵(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，以免激勵(lì)不充分，產(chǎn)生的響應(yīng)太小，不能滿(mǎn)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)。 25加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng) 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

30、器。26加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)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系統(tǒng) 上位機(jī) VAX：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與DCS系 統(tǒng) MPC軟件包：為Honeywell公司的產(chǎn)品。 27加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)2、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)。在項(xiàng)目成立后，要做好APC的

31、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

32、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加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)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加氫裝置的自動(dòng)控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)三、加氫裂化裝置先進(jìn)控制的內(nèi)容 1、反應(yīng)深度MPC控制器 反應(yīng)深度控制器的主要目標(biāo)是控制進(jìn)入反應(yīng)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、反應(yīng)溫度MPC控制器 此控制器的主要目標(biāo)是控制反應(yīng)器各個(gè)床層的出口溫度 和溫差，從而控制各反應(yīng)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。 3、分餾塔MPC控制器 此控制器的主要目標(biāo)是在滿(mǎn)足側(cè)線產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的前提 下，使產(chǎn)品的收率最高。 此控制器有9個(gè)MV