FCCU精餾塔故障診斷專家系統(tǒng)的研究與開發(fā)

孟帥+李賀+安磊+程闖

摘 要：精餾系統(tǒng)在催化裂化裝置中起著承上啟下的作用，是石油化工中非常重要的一環(huán)。催化裂化精餾過程機(jī)理復(fù)雜，測量變量眾多、變量之間相關(guān)性嚴(yán)重，難以采用傳統(tǒng)的方法對過程中的故障進(jìn)行檢測與診斷，而使用專家系統(tǒng)，可以提高故障診斷效率，減少設(shè)備對維修人員的依賴性。

關(guān)鍵詞：故障診斷；專家系統(tǒng)；精餾塔

中圖分類號：TQ015 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）27-0016-02

催化裂化（Fluidized Catalytic Cracking Unit簡稱FCCU）是非常重要的石油二次加工手段，是工藝過程復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)效益高的重要生產(chǎn)裝置之一，其各變量間相互關(guān)聯(lián)、藕合影響，工藝設(shè)備繁多，該裝置能否安全正常運(yùn)行，直接關(guān)系著企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。故障診斷專家系統(tǒng)作為故障診斷的工具和手段，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與工廠專家的經(jīng)驗(yàn)知識相結(jié)合，從而提高診斷效率，減少設(shè)備維修對人員的依賴性。

1 催化裂化精餾系統(tǒng)工作流程

催化裂化裝置主要由反應(yīng)-再生系統(tǒng)、精餾系統(tǒng)、吸收穩(wěn)定系統(tǒng)、產(chǎn)品精制系統(tǒng)、主風(fēng)及煙氣能量回收系統(tǒng)等組成[2]。

在催化裂化裝置中精餾系統(tǒng)起著承上啟下的作用，它上接反應(yīng)系統(tǒng)，下連吸收穩(wěn)定系統(tǒng)。精餾系統(tǒng)主要由精餾塔、柴油汽提塔、原料油緩沖罐、回?zé)捰凸抟约八斢蜌饫淠鋮s系統(tǒng)、各中段循環(huán)回流及產(chǎn)品的熱量回收系統(tǒng)組成，其主要任務(wù)是將來自反應(yīng)系統(tǒng)的高溫油氣脫過熱后，根據(jù)各組分沸點(diǎn)的不同切割為富氣、汽油、柴油、回?zé)捰秃陀蜐{等餾分，通過工藝因素控制，保證各餾分質(zhì)量合格；同時(shí)可利用精餾塔各循環(huán)回流中高溫位熱能作為穩(wěn)定系統(tǒng)各重沸器的熱源。FCCU精餾塔簡圖，如圖1所示。

催化裂化精餾塔一般有32層固舌形塔盤（一中段可采用浮閥塔盤）。從上到下依次為頂回流、一中回流、二中回流（或回?zé)捰脱h(huán)）和油漿循環(huán)。

2 精餾塔的常見故障及現(xiàn)象

2.1 精餾塔塔頂塔盤堵塞

原因：原料中含有過多鹽類；緩和的反應(yīng)條件；精餾塔內(nèi)上升氣相中攜帶過多焦炭和催化劑粉末；塔頂操作氣相線速過低；頂循中含有過多的明水；操作不穩(wěn)，特別是精餾塔全塔負(fù)荷變化過大。現(xiàn)象：頂循環(huán)量大幅下降，塔頂溫度大幅上升，塔頂壓力大幅上升。

現(xiàn)象：頂循環(huán)量大幅下降，二中循環(huán)量下降，塔頂壓力大幅上升，塔頂溫度顯著上升，油漿上、下返塔循環(huán)量大幅下降。

2.2 塔頂回流帶水

原因：塔頂回流油由塔頂回流油罐抽出，如果回流油罐油水界位控制不好或失靈，水界位高過正常范圍超過回流汽油抽出管水平面位置時(shí)，回流油將含水共同送至塔頂，或者塔頂水冷卻器管束腐蝕穿孔，大量冷卻水漏進(jìn)回流油罐來不及脫水，也可造成回流油帶水。

現(xiàn)象：塔頂壓力上升，塔頂溫度下降，頂循環(huán)量下降，一中抽出溫度下降。

2.3 精餾塔液泛

原因：如果由于機(jī)械原因或氣相負(fù)荷太大，或兩者兼有，造成液體不能順利沿塔向下流動(dòng)，液體就會(huì)在塔板上或填料內(nèi)聚集，則稱產(chǎn)生了液泛。液泛會(huì)逐板向上發(fā)展。一般不經(jīng)控制，液泛能夠自動(dòng)平穩(wěn)，因?yàn)楫?dāng)液層到達(dá)板間距非常大的空間時(shí)，液頭的持續(xù)增長，會(huì)產(chǎn)生足夠的推動(dòng)力，在造成更上一層板液泛前迫使液體沿塔向下流動(dòng)。

現(xiàn)象：回流罐液面下降，塔頂壓力上升，塔頂溫度下降，塔底液位上升。

2.4 精餾塔沖塔

原因：由于精餾塔內(nèi)汽相負(fù)荷過大，大量氣流通過塔板沖開液層使氣液兩相沒有很好接觸就塔底沖岀，下面的重組分帶上去，使側(cè)線產(chǎn)品不合格。

現(xiàn)象：塔頂壓力顯著上升，塔頂溫度顯著上升，頂循環(huán)抽出溫度大幅上升，一中抽出溫度顯著上升，二中抽出溫度顯著上升，塔底液位下降。

2.5 回?zé)捰捅贸榭?/p>

原因：機(jī)泵故障，回?zé)捰凸抟何豢刂剖ъ`，回?zé)捰统槌龀隹诙氯磻?yīng)進(jìn)料量太低等都會(huì)造成回?zé)捰捅贸榭铡Ｌ幚聿患皶r(shí)，會(huì)使精餾油氣中的催化劑粉塵攜帶到精餾塔塔盤，對于將回?zé)捰妥鞣€(wěn)定塔底重沸器熱源裝置，會(huì)使穩(wěn)定汽油蒸汽壓超標(biāo)。

現(xiàn)象：二中循環(huán)量大幅下降，二中抽出溫度大幅上升，人字塔板上溫度大幅上升，塔頂溫度上升，塔頂壓力上升，塔底液位下降。

2.6 頂回流泵抽空

原因：機(jī)泵故障，反應(yīng)進(jìn)料量太低，反應(yīng)深度過小，從頂回流泵入口回?zé)捨塾蛶畤?yán)重，柴油抽出溫度壓得過低會(huì)造成塔頂回流泵抽空。精餾塔頂回流泵抽空會(huì)導(dǎo)致汽油干點(diǎn)超高。

現(xiàn)象：頂循環(huán)量大幅下降，塔頂溫度大幅上升，塔頂壓力大幅上升。

3 故障診斷專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

一般的專家系統(tǒng)可以形容為：專家系統(tǒng)=知識庫+推理機(jī)。

知識庫和推理機(jī)是專家系統(tǒng)最為重要的組成部分，但除此之外專家系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)庫、知識獲取機(jī)構(gòu)、解釋機(jī)構(gòu)及人機(jī)界面等組成部分[3]。

專家系統(tǒng)具有很強(qiáng)的針對性，因此不同的專家系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能也不完全相同。要對催化裂化精餾塔進(jìn)行故障診斷，通過裝置運(yùn)行參數(shù)獲取故障征兆從而進(jìn)行推理，并為用戶提出操作指導(dǎo)，其系統(tǒng)功能主要有以下幾點(diǎn)：

①專家系統(tǒng)具有獲取裝置運(yùn)行參數(shù)的能力，能通過對數(shù)據(jù)源的訪問獲得必要的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)；

②專家系統(tǒng)能對參數(shù)進(jìn)行處理得到系統(tǒng)故障征兆，從而進(jìn)行推理并得出結(jié)論，實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)的主要推理功能；

③專家系統(tǒng)具有對知識庫的管理功能，包括對新知識的錄入、對原有知識的修改和刪除功能。

4 故障診斷專家系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)

4.1 知識表示

研究專家系統(tǒng)的目的是要建立一個(gè)能模擬人類智能行為的系統(tǒng)。為達(dá)到這個(gè)目的，就必須研究人類智能行為在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中如何表示，只有這樣才能把知識存儲到計(jì)算機(jī)中以供現(xiàn)實(shí)問題的求解。

一般故障診斷專家系統(tǒng)的診斷型知識采用產(chǎn)生式規(guī)則表示。產(chǎn)生式規(guī)則是一個(gè)以“如果滿足這個(gè)條件，就應(yīng)該得到這個(gè)結(jié)論”的形式表示的語句，產(chǎn)生式規(guī)則的最初形式為：

IF規(guī)則條件部分（條件1，條件2，…，條件n）

THEN結(jié)論

例如“回?zé)捰捅贸榭铡钡墓收峡梢杂卯a(chǎn)生式規(guī)則表示為：

IF（人字塔板上溫度大幅上升）and（塔底液位下降）and（塔頂溫度大幅上升）and（塔頂壓力上升）

THEN回?zé)捰捅贸榭铡?/p>

4.2 知識獲取

非自動(dòng)知識獲取是目前成功的傳統(tǒng)專家系統(tǒng)所采用的方法，其工作方式，如圖2所示。

故障診斷專家系統(tǒng)的自動(dòng)知識獲取，主要通過對文獻(xiàn)、期刊的查閱和Internet網(wǎng)絡(luò)的搜索以及對領(lǐng)域?qū)＜业淖稍儯@得相應(yīng)精餾系統(tǒng)的故障診斷知識，并進(jìn)行分析整理后，輸入到專家系統(tǒng)的知識庫中。

4.3 開發(fā)工具

專家系統(tǒng)外殼又稱為專家系統(tǒng)骨架，是由已有的成功的專家系統(tǒng)演化而來的。它把原系統(tǒng)中具體的領(lǐng)域知識抽出，而保留原系統(tǒng)的基本的知識庫和推理機(jī)結(jié)構(gòu)，所以稱為“外殼”。利用專家系統(tǒng)外殼作為開發(fā)工具，只需要將新的領(lǐng)域知識按其規(guī)則填充到專家系統(tǒng)中區(qū)，就能生成新的專家系統(tǒng)[4]。CLIPS是良好的專家系統(tǒng)開發(fā)工具。目前，對于使用CLIPS開發(fā)專家系統(tǒng)，很多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)進(jìn)行了深入而全面的應(yīng)用和研究。

CLIPS和其他語言的接口很容易實(shí)現(xiàn)。我們可以把CLIPS程序嵌入到其他高級語言所編寫的程序中來使用，CLIPS同樣也可以把其他高級語言作為外部函數(shù)來調(diào)用。

我們可以在因特網(wǎng)上免費(fèi)下載到CLIPS的開發(fā)環(huán)境軟件包，其中包含一個(gè)clips.dll文件，這就是由CLIPS的開發(fā)者所提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫文件。如Load、Run、Reset等CLIPS的核心命令都被封裝在這個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫中。通過對此動(dòng)態(tài)鏈接庫中函數(shù)的調(diào)用就可以實(shí)現(xiàn)CLIPS絕大多數(shù)的核心功能。我們通過引入clips.dll文件將去掉原來人機(jī)交互界面的CLIPS的內(nèi)核嵌入到VC++所編寫的程序中，這樣就實(shí)現(xiàn)了VC++和CLIPS的混合編程。另外，我們也可以在相關(guān)的網(wǎng)站下載到名為clipsmfc.h.cpp的文件，CLIPS開發(fā)者通過這個(gè)文件實(shí)現(xiàn)了一個(gè)CCLIPSWrap類。這個(gè)類封裝了clips.dll中所有的函數(shù)，符合VC++的語言習(xí)慣，并且使用起來更加簡單方便。

5 結(jié) 語

人工智能是目前科學(xué)技術(shù)發(fā)展中的前沿科學(xué)，專家系統(tǒng)作為其中的一個(gè)主要分支在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。將專家系統(tǒng)用于故障診斷領(lǐng)域是一個(gè)發(fā)展方向，它可以提高大型、復(fù)雜系統(tǒng)的安全性，具有廣闊的發(fā)展前景和經(jīng)濟(jì)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 杜殿林.FCCU反-再系統(tǒng)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和SDG模型的混合故障診斷 系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].北京：北京化工大學(xué)，2006.

[2] 李慶萍，宋以常，蔡永清.催化裂化裝置培訓(xùn)教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出 版社，2006.132-133.

[3] 魯青.基于FTA的故障診斷專家系統(tǒng)的研究[D].青島：山東科技大學(xué)， 2006.

[4] 萬鳳琴，熊曉英.基于專家系統(tǒng)CLIPS的故障診斷研究[J].航空精密制 造技術(shù)，2008，44（4）：52-54.