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1、加氢装置的自动控制与安全联锁系统iiiiiiiv第一部分加氢装置概况一、加氢装置的定义与分类 1、定义: 通过加氢反应后,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: 加氢精制(Hydrorefining) 反应压力P10MPa,转化率C10MPa,C50% 加氢处理(Hydrotreating) P10MPa,C=0 (原料油中没有分子变小的工艺过程) 加氢改质(Upgrading) P15% (主要生产低密度,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
2、生产柴油为主要目的) 1二、加氢装置的工艺流程及装置组成：1、流程图(略)2、装置组成：加氢装置由反应部分、分馏部分、加热炉及压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、加氢反应加热炉、加氢精制反应器、加氢裂化反应器、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、循环氢压缩机、补充氢压缩机等。3、加氢装置的特点：高温，高压，临氢环境，要求仪表的压力等级及材质严格满足工艺条件。加氢装置是耗氢极强放热反应，必须及时补充氢气（一般每吨原料油耗氢250-350NM3，120万吨/年加氢裂化装置需补充H240000NM3/h，否则压力下降。同时又是强
3、放热反应，热量不及时排出，就会加快反应速度从而放出更多的热量，如此下去，将会导致反应失控，造成“飞温”，使反应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高低压分离器，为避免高压串入低压，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ANSI B31.3标准,常用Tube管尺寸如下： 1/2“(O.D)0.065”(W.T)，耐压4700p
4、si；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 第二部分加氢装置的自动控制一、加氢反应器的温度控制 1、反应器入口温度与反应炉燃料气压力串级控制 2、反应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，以保证反应器 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应流出物与反应进料原料的换热温控。A阀要用FO,B
5、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，直接进入反应器，使反应器温度尽快降下来。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，反应器留出物换热冷却后温度低，即进入高分器的温度低，不会出现安全问题。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、反应系统压力控制两种方案 1、反应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
6、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) 8 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、高压分离器的液位控制 1、重要性:高低压的分界线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。
7、 10 第三部分 加氢装置的紧急停车及安全联锁系统一、加氢装置安全的特殊重要性二、加氢装置对整体安全级别的要求：一般为SIL3级，TUV6级认证。三、安全联锁的内容紧急停车/安全联锁系统(ESD/SIS,Emergency Shutdown/Safety Interlocking System)加氢裂化装置主要紧急停车/安全联锁系统(ESD/SIS)加氢裂化是炼油厂中爆炸和火灾最危险的甲类装置。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装置紧急停车/安全联锁系统,其因果关系如表3-1所列。11表3-1.加氢裂化装置安全联锁系统因果关系表12四、加氢装置紧急泄
8、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即 完全打开泄压。 (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,不允许立即输出20mA使泄压阀马上完全开启。 2、设计原则: (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/分由循氢机故障停机信号触发,同时停原料泵、循氢机反应加 热炉,新氢机停机或0负荷运行。 (2)、2.1MPa/分泄压只能手动操作。当装置发生火灾,反应器飞温时才手动 启动2.1MPa/分系统,同时停原料泵、反应加热炉、
9、循氢机及新氢机等。 (3)、泄压准则:第一分钟必须降压0.7MPa或1.4MPa或2.1MPa，然后必须在30分 钟之内使反应压力降到操作压力的1/4左右。13第四部分 加氢装置安全度等级的概念一、石化装置安全度等级的分级：分为4级。SIL1SIL4(SIL:Safety Integrity Level) “安全度等级”包含两方面的内容。对石化装置而言，需要确定不同装置对 安全度等级的不同要求。对所采用的安全仪表系统而言，需获得石化装置的对应的 安全度等级的认证。 石化装置安全度等级的确定： 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
10、亡，经济损失不大。 用于本级别装置的安全仪表系统，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。 安全仪表的实用性要求为90%99%，安全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。 用于本级别装置的安全仪表，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。要求安全仪表系统的实用性 为99%99.9%，安全仪
11、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。 用于本级别装置的安全仪表系统，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。要求安全仪表系统的实用性为99.9%99.99%，安全仪表系统每 年发生故障的平均概率PFDavg=0.01%0.1%。要求安全仪表系统对全装置设备产品和人员的安全提供严密保
12、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。用于本级别的安全仪表 需取得SIL-4级和TUV7级认证。要求安全仪表系统的实用性大于99.99%，要求安全 仪表系统每年发生故障的平均概率PFDavg小于0.01%。 装置的安全度等级低,对安全仪表系统等级的要求及其实用性、可靠性等要求也 低；装置的整体安全度等级越高，对其安全仪表系统的等级及其实用性、可靠性要求越高。 一般来说，一个石化装置的安全度等级需要几级，可通过诸多因素，如装置 的状况及风险情况，安全仪表系统的冗余配置情况，平均维修时间等因素，通过
13、计算求 得。也可以通过工程经验确定。 加氢裂化装置的安全度等级通常都是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、安全系统中常用名词的解释1、实用性A(SafetyAvailability)，2、故障率(FailureRate)3、发生故障的概率PFD(ProbabilityofFailureonDemand)4、风险降低因子RRF(RiskReductionFa
14、ctor)5、维修率(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(Failure)也是时间的函数F(t)，F(t)是元件故障的可能性。8、关于实用性与安全性实用性与安全性是一对矛盾指标。如果一个安全系统的实用性很高，则其安全性就较低。反之亦然。例如，二取二逻辑，误停车率很低，即其实用性很高，但安全性低。而二取一逻辑，误停车率较高，即实用性较差，但安全性很高。189、随着时间的推移，安全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：表示安全系统成功运行时间MTTF是其可靠性R(t)随时间
15、的积分。ProbabilityofComponentFailure19四、整体安全级别所对应的实用性及风险降低因子根据IEC61508标准，安全仪表系统的实用性、风险降低因子与整体安全级别及相对应的德国TUV认证等级如下表所示：20第五部分 加氢裂化装置先进控制简介一、多变量预估控制的概念（MultivariablePredictiveControlMPC）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
16、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馈修正，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
17、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，则调节的裕度不够，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
18、合适，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
19、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，以达到充分的激励条件，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
20、不能太小，以免激励不充分，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。25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系统上位机VAX：用于安
21、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。在项目成立后，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
22、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。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
23、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、反应深度MPC控制器反应深度控制器的主要目标是控制进入反应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、反应温度MPC控制器此控制器的主要目标是控制反应器各个床层的出口温度和温差，从而控制各反应床层的热点，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目标是在满足侧线产品质量指标的前提下，使产品的收率最高。此控制器有9个MV，11个CV，2个DV。304、硫化氢塔液控制器该控制器的一个CV为塔的液位，其对应的MV为进入分馏加热炉的总流量（为分
24、馏加热炉两路分支流量之和）。此控制器的主要目标是利用容器的容积缓冲对下游装置操作的影响，尽量减少对流量的大幅度调节。硫化氢塔液位控制器与分馏加热炉支路平衡控制器串级，通过调整分馏加热炉两路分支的流量来调节液位。该液位控制器设有液位的高低限，同时还没有一目标值，控制器在满足将液位控制在高低限区间之内的前提下，将使液位稳定在其目标值附近，这是该控制器二次优化的结果。当液位超出其上下限时，控制器将采取快速提前调节以防止出现淹塔或者泵抽空事故发生。315、分馏加热炉支路平衡控制器该控制器的主要目标是提高加热炉的热效率，使热量吸收最佳，以减少加热炉管内的裂化和结焦。分馏加热炉支路平衡控制器与硫化氢塔液位
25、控制器串级，液位控制器根据液位的高低调节进入分馏加热炉的总进料，再由支路平衡控制器将该值按照二路分支出口温度的高低分配到二路分支流量的设定值上，同时达到调节液位和平衡分支出口温度的目的（使两路分支温度相等或差值最小）。326、其他先进控制功能除上述MPC控制器外，所配置的APC软件包，尚有下列功能：分馏工艺计算，包括产品的恩氏蒸馏馏程。闪点、冰点、倾点、压力补偿温度、雷德蒸汽压、特性因数K及塔内汽液相平衡计算等。化验数据校正 用于对分馏工艺计算的误差的校正。其原理是将采样时刻 化验出的数据与分馏工艺计算的实时计算结果相比较，将 两者的偏差值，按一定的速率在线作用于分馏工艺计算软 件包的计算结果
26、，从而得到修正后的产品质量指标。33四、先进控制的应用效果1、应用效果该加氢裂化装置的详细工程设计，包括DCS系统均由我院承担设计，其APC工作的实施主要由用户负责，我院少量技术人员配合。自1999年1月投运以来，取得了明显的收效。主要是提高了处理量、增加了产品收率、降低了能耗。同时使过程变量的波动减少，使操作更加平稳。经统计证明，实施APC控制后，该装置的主要操纵变量MV的平均值变化减少约75，对标准偏差的减少约为50。342、经济效益据国外资料对APC的统计，一般MPC投资的回收期约为半年至一年。本装置的MPC项目，软件包的费用约300万元人民币，加上工程费共约500万元人民币。获得的经济效益约为每年680万元人民币。35
