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己内酰胺装置安全运行指导系统研发与应用

文档作者：李传坤王春利高新江文档来源：化学品安全控制国家重点实验室中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院		点击数：	更新时间： 2020年12月28日
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·1060·
化 工 进 展
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2014年第33卷第4期
己内酰胺装置安全运行指导系统研发与应用
李传坤，王春利，高新江
(化学品安全控制国家重点实验室，中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，山东青岛266071)
摘要：由于己内酰胺装置具有高复杂性及高危险性，有必要开发一套在线诊断故障的安全运行指导系统，辅助
操作人员的操作。本文基于定性的符号有向图(signed directed graph，SDG)、专家系统，结合模糊逻辑、主元
分析(princiPle component analysis，PCA)、神经网络【artificial neural network，ANN)等多种定量故障诊断方
法，建立了整个装置的异常监测与诊断模型；根据己内酰胺装置的工艺特点及故障模式，结合危险与可操作性
分析结果和专家经验，建立了导致装置发生故障的原因、传播路径以及处理措施的专家知识库；开发了己内酰
胺装置安全稳定运行指导系统，并在己内酰胺装置上进行了工业应用，取得了艮好效果。
关键词：符号有向图；模型；主元分析；神经网络；专家系统；危险与可操作性分析
中图分类号：TP 1 82 文献标志码：A 文章编号：1000—6613(2014)04—1060—07
DoI：10．3969~．issn．1000—6613．2014．04．047
R&amp;amp;D and application of caprolactam plant safety operation guidance
system
LIChuankun，WANG Chunli，GAOXinj{ ng
(State Key Laboratory of Safety and Control for Chemicals，S1NOPEC Research Institute of Safety Engineering
Qingdao 26607 1，Shandong，China)
Abstract： There iS high complexity and risk in caprolactam plant， SO it iS necessary to develop an
online safety operation guidance system with fault diagnosis as core，which can help operator’S
operation．In this paper，a fault detection and diagnosis model for the entire caprolactam plant was built
based on qualitative and quantitative fault diagnosis methods，such as signed directed graph(SDG)，
fuzzy logic，principal component analysis(PCA)，Artificial Neural Network(ANN)and expert system．
Based on the characteristics of process and failure mode of caprolactam plant，the expert knowledge
database with root reason，propagation path and treatment measures of the fault was built by combining
Hazard and Operability Analysis results with expert experience．At last，a Caprolactam Plant Safety
Operation Guidance System was established and used in the caprolactam plant with good performance．
Key words： signed directed graph； model； principle component analysis； artificial neural network；
expert system； hazard and operability analysis
己内酰胺装置生产过程中，陆续发现在安全稳
定运行方面还存在一些问题，主要包括以下两点_J j。
(1)装置的DCS控制系统“数据充分，信息
缺乏”。因目前的DCS报警仅能给出简单的报警信
息，无法提供深层次的故障原因，一旦出现复杂故
障，操作员面对DCS大量报警信息，难以及时准确
判断，甚至可能作出错误决策。
(2)操作水平对于操作员的个人经验依赖较
重。装置高效安稳运行决定了装置的技术经济水平，
一线操作人员在其中起到相当关键的作用。部分装
收稿日期：2013—05．31；修改稿日期：2013—07-20 。
基金项目：国家科技支撑计划(2012BAK13B00)及国家高技术研究
发展计划(2013AA040701)项目。
第一作者及联系人： 李传坤(1984一)，男，硕士，工程师。E-mail
lick．qday@sinopec corn。
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第4期 李传坤等：己内酰胺装置安全运行指导系统研发与应用
置操作人员的新老交替，装置上有经验的操作人员
流失。当遇到装置异常时，因自身经验问题，同时
缺乏相应参考、指导类的信息，容易产生操作延误
甚至操作失误，从而产生较大波动，对安稳生产造
成不利影响。
因此，如何利用现有的海量生产数据，从中挖
掘有效的信息，及时发现装置异常，并为操作人员
提供对装置运行状态准确及时的分析，是确保己内
酰胺装置安全稳定运行的重要环节。
本文以己内酰胺装置异常监测与诊断为主要研
究内容，分析己内酰胺装置的安稳运行状态，并提
供异常工况的操作指导。同时，内置各种专家知识，
以留住操作人员和技术人员的经验，辅助他们的在
线交流学习。
1 安全运行指导技术
1．1 现场数据采集及预处理
(1)通过对OPC通讯协议、InfoPlus21实时
数据库等内容的深入研究，开发了用于采集工业现
场实时数据的数据采集平台，该平台支持各种流
行通讯协议，如ODBC、OPC、DDE 等， 能够
完成与国内外多种DCS系统及实时数据库系统的
通信。
(2)基于插值细分方法的提升小波原理，设计
了相应的预测与更新算子克服传统小波变换存在的
边界问题，并采用中值法去除数据中包含的粗大误
差，然后通过一个滑动的时间窗，将提升小波阈值
去噪应用于数据的预处理中。
1．2 报警分析
危险与可操作性分析(hazard and operability
analysis，HAZOP)方法是装置危害辩识的重要应
用技术之一，可以集合装置工艺、设备、仪表等多
部门的集体智慧，分析装置运行中的安全问题。
同时，根据EEMUA Publication 191(《报警系
统一设计、管理及采购指导》)标准，由风险的严重
性(临界、大、中或小)及紧迫性(立即行动、迅
速、尽快)，确定报警优先值(紧急、高或低)，实
现报警分级， 以便于根据同时发生的报警的重要程
度对报警排序。具体如表1所示。
这样，将HAZOP的“引导词+工艺参数”为表
达方式的分析结果，与装置的单点报警匹配， 即可
形成针对单点报警的报警规则，实时得到报警的优
先级、发生的原因、可能产生的后果、操作建议等，
为操作员提供操作指导。
表1 报警优先值的确定
1．3 工艺状态监测与指导
系统研究了基于定性定量复杂工艺状态监测与
指导技术实用方法，具体包括如下。
(1)提出了完整的定性符号有向图(signed
directed graph，SDG)故障诊断方法、建模流程、
步骤、原则及算法，并在此基础上构建了“故障逻
辑关系模型”的建立规则。
(2)研究了包括模糊逻辑、主元分析(principle
component analysis，PCA)、神经网络(artificial neural
network，ANN)等定量故障诊断技术的基本原理、
诊断步骤及算法，测试了各种故障诊断算法的实际
诊断效果。
对于己内酰胺这种大型石化装置， 由于系统的
连续性、复杂性，单一的异常监测诊断方法均常常
存在一定的缺陷。例如使用PCA方法进行监测时，
传统的监测指标为72统计量和Q统计量【34】，如式
(1)～ 式(4)。
= Σ 。暑 ㈩
(k,n-k)
Q=Σ 川
[竿+-+ r
(2)
(3)
(4)
但是，在实际生产过程中仅根据 和Q 统计
量进行异常检测往往出现结果的不确定性，为避免
这种情况的发生，本文采用了Qin[引、Zumoffen[ 】
提出的新的综合故障监测指标Z，如式(5)。
z = ／I9 +Q／O。 (5)
式中，0T2=mean(7~)+r’std(T~)，9Q=mean(Q)+
‘std(Q)，mean(x)表示随机变量X的平均值，std(x)
表示X的标准差，而 误判风险参数，通常取2
( ：5％ )或3( =1％)。当某一实时数据向量
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·1062· 化 工 进 展 2014年第33卷
的综合指标z>2时，则认为过程出现异常或故障。
该综合指标不仅避免了诊断结果的不确定性，并且
对过程变量分布的依赖性较小。
此外，PCA方法的优势是能实时监测数据的变
化，但难以给出造成数据变化的根源。即该方法适
用于“监测”而非“诊断”。
因此，为了集合各种技术方法的特长，本文提
出一个层次融合监测与诊断模型【6 j，并在此基础上
开发了工艺监测与诊断引擎。其结构如图1所示。
图1 层次融合监测诊断模型
工艺监测与诊断引擎利用符号有向图的双向推
理能力，结合风险发生的严重等级、频率等级，计
算风险的发生概率以及严重度，得到各个可能性风
险的排队序列。其输出是以一定规则编辑的逻辑代
码，该代码不能直接反馈到人机界面，需要专家知
识库的支持。该知识库包括异常工况经验库、设备
知识库、物性知识库、控制系统知识库和传感器知
识库，为工艺监测引擎提供历史事故经验、设备失
效知识、物性参数、常见控制器失效模式和传感器
失灵模式等相关知识与规则。在异常处理过程中得
到的新规则，可以动态加入到知识库中，提高其准
确性和效率。工艺监测与诊断引擎得到分析结果的
逻辑编码后，便可到专家系统知识库中去匹配相应
的解释，解释的内容以自然化的语言被保存到内存
数据库中，提供给客户端模块调用，辅助操作人员
了解装置运行的动态。
客户端的GUI子系统是人机界面部分，负责所
有的数据显示、声光报警、报表生成和人员对本系
统的相关操作。
HAZOP分析结果经过整理，即可以作为报警
分析的“知识”来源，也可以形成异常工况经验库
的一部分。结合其他的定性定量的工艺状态监测方
法形成的层次融合监测与诊断模型，不仅部分解决
了装置的DCS控制系统“数据充分，信息缺乏”的
问题，而且可以保留住装置上优秀的操作经验。
2 系统开发与应用
以上述安全运行指导技术为核心，结合某炼化
企业己内酰胺装置的实际需求，开发完成了“己内
酰胺装置安全运行指导系统”，并在现场进行应用。
2．1 系统功能
系统实现了数据采集、组态建模、实时监测、
知识管理等功能，软件系统为B／S架构。软件系统
的整体功能示意图如图2所示。
2．2 现场应用
“己内酰胺装置安全运行指导系统”在该炼化
企业的己内酰胺装置酰胺化单元进行了应用。酰胺
化单元主要由反应气正己烷吸收、循环蒸馏、预混
合、酰胺化、水解、CCA萃取、酸团贮存、中性副
产物处理、组合工艺等工序组成，如图3所示。
对装置进行了深入分析，结合专家经验及多种
监测诊断方法，构建了针对酰胺化单元的专家知识
库和监测诊断应用模型，其中，故障逻辑关系模型
如图4所示。
图2 系统功能示意图
垩堕堕垫至 堡 ： 五 星 皇重
烟酸21％L- 。
匝遗
N
工
O
H
水
S04 ,
工艺
—
—1—_1[
● f-
1．!=r—丁[
十
I I圆
]
CLC
O2中付H一0101
氨气H一0101
至H一0lO1
60单元
j氨水(o6单元)
图3 酰胺化单元流程简图
工艺水
酸团至05
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第4期 李传坤等： 己内酰胺装置安全运行指导系统研发与应用
图4 酰胺化单元故障逻辑关系模型图
2．2．1 报警分析
对于重要的DCS仪表，实时监测其状态：关联
HAZOP 分析结果，根据报警优先级，进行报警分
析。例如T10414在某时刻发生高报，画面上部给出
“低”的报警优先值，画面下部给出可能原因、建
议措施、不利后果、防范措施等，如图5所示。
位
2．2．2 工艺监测与诊断
系统对工艺状态进行实时监测，发现异常时，
及时提示用户。
(1)中性副产物工段停工，清洗系统某日，
由于中性副产物工段要清洗系统，故该工段停工。
而作为该工段的进料流量，FIC041 1前的泵P0410
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·1066· 化 工 进 展 2014年第33卷
3 结 论 Bbae
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．
hods[一
， D 1．
[31 Qin s J．Statistical process monitoring：basics and beyond[J]．Journal
根据某炼化企业己内酰胺装置工艺技术特点及 ofChem。 ，2003,l7：480-502．
故障模式，应用多种定性定量的故障分析诊断技术， [4]王海清．工业过程监测：基于小波和统计学的方法[D]航州：浙江
开发了己内酰胺装置在线安全运行指导系统，对生 大学，2000．
产过程进行实时的异常监测和诊断，帮助现场操作 [ 】z m。胁D，B 。“ d0 M· ∞ arg。。 。 i。 P data 。 ““
人员及时发现装置中存在的问题并作出快速反应。 ： ∞ ： ：
该系统的投用后，取得了良好的应用效果：有助于 Research，2008，47：1201—1220．
辅助装置工艺技术人员分析可能出现的各种复杂工 【6]Zhang Weihua，Wu Chongguang，Wang Chunli．Qualitative algebra
况，避免由于判断失误或误操作等原因导致的生产 and grap he。ry 劬od。 g yn锄 ”e“d analysis of
波动或非计划停车事件的发生。 2o11，
19 ( ：30
～
8-315．
。 。
参 考 文 献 [ 】陶少辉，李传坤_化工过程故障原因诊断的变量异常顺序法【J1·计
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· 技术信息·
南方泵业携手霍尼韦尔铸就智慧城市
南方泵业与霍尼韦尔战略合作签约仪式于2014年3月14
日上午10：00在浙江省余杭区天都城酒店隆重举行。双方就
净水、供水整体解决方案签署合作协议，在杭州成立杭州霍
韦流体技术有限公司。出席签约仪式的有区领导祝振伟，浙
江水协秘书长姚水根、区发改局、区经信局、区财政局、区
科技局、区商务局、区环保局、工商余杭分局、质监余杭分
局、余杭经济技术开发区、仁和街道、霍尼韦尔授权业务副
总裁MaryNewel1．Miller、南方泵业股份有限公司董事长沈金
浩、南方泵业股份有限公司总裁沈凤祥、南方泵业股份有限
公司执行总经理鲁炯等。就南方泵业携手霍尼韦尔战略合作
各位领导都发表了重要讲话。
双方期望今后基于霍尼韦尔提供的Niagara智能软件平
台，合作开发新一代可实现智能管理的净水、供水系统。这
次合作协议的签署，将助力杭州霍韦流体技术有限公司进入
高端市场，解决技术挑战。新公司充分利用霍尼韦尔公司在
节能、环保、安全、智能等相关领域的全球领先的技术实力
和品牌优势，设计与推广满足中国客户和社会需求的更安
全、更节能、更环保、更智能的产品和技术解决方案，为中
国建设资源节约和环境友好型社会做出贡献。
基于霍尼韦尔与南方泵业股份有限公司签署的合作协
议，霍尼韦尔授权南方泵业在中国独家制造及销售霍尼韦尔
品牌的供水系统的全系列产品。通过该协议，杭州霍韦流体
技术有限公司将与霍尼韦尔一起针对中国的市政、民用、工
业与商用市场推出一系列新的节能高效产品，面对未来中国
市场提供更好的用水服务，同时为未来智慧城市提供净水、
供水整体解决方案。积极响应和参与政府五水共治。
(信息来源：南方泵业股份有限公司)

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