基于SDG模型的原油蒸餾裝置故障診斷:原理、建模與應(yīng)用_第1頁
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基于SDG模型的原油蒸餾裝置故障診斷:原理、建模與應(yīng)用一、引言1.1研究背景與意義石油化工產(chǎn)業(yè)作為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱,在能源供應(yīng)、材料生產(chǎn)等多個領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用,與國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們的日常生活緊密相連。原油蒸餾裝置作為石油煉制的核心環(huán)節(jié),其穩(wěn)定運行對于保障石油化工產(chǎn)業(yè)的高效生產(chǎn)至關(guān)重要。通過蒸餾技術(shù),原油被分離成汽油、煤油、柴油等多種不同沸點范圍的產(chǎn)品,這些產(chǎn)品不僅是交通運輸、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的重要能源,也是眾多化工產(chǎn)品的基礎(chǔ)原料,進(jìn)一步加工后可用于制造塑料、化學(xué)纖維、橡膠等多種化工產(chǎn)品。原油蒸餾裝置的處理能力,常被視為一個國家煉油工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志,截至2020年底,我國原油蒸餾裝置加工能力達(dá)約9億噸/年,居世界第二位。然而,隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,石油化工過程正朝著大型化、復(fù)雜化的方向不斷演進(jìn),原油蒸餾裝置也面臨著更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在實際生產(chǎn)過程中,原油蒸餾裝置涉及到高溫、高壓、易燃易爆等復(fù)雜工況,且內(nèi)部機理復(fù)雜,是一個復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)過程。裝置中的設(shè)備眾多,包括蒸餾塔、加熱爐、換熱器、泵等,任何一個設(shè)備出現(xiàn)故障都可能引發(fā)連鎖反應(yīng),導(dǎo)致整個生產(chǎn)系統(tǒng)的運行異常。例如,加熱爐的故障可能導(dǎo)致原油加熱不均勻,影響蒸餾效果;蒸餾塔的塔板故障可能導(dǎo)致氣液傳質(zhì)效率下降,產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定;換熱器的泄漏可能導(dǎo)致物料混合,引發(fā)安全事故。而且,原油蒸餾裝置的工藝流程復(fù)雜,各設(shè)備之間相互關(guān)聯(lián)、相互影響,一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題,很容易波及其他環(huán)節(jié),造成更大的損失。一旦原油蒸餾裝置發(fā)生故障,不僅會導(dǎo)致生產(chǎn)中斷,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,還可能引發(fā)安全事故,對人員生命和環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。歷史上,不乏因原油蒸餾裝置故障而引發(fā)的重大事故,這些事故不僅給企業(yè)帶來了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),也對社會產(chǎn)生了不良影響。因此,確保原油蒸餾裝置的安全穩(wěn)定運行具有極其重要的現(xiàn)實意義。故障診斷技術(shù)作為保障原油蒸餾裝置安全穩(wěn)定運行的重要手段,近年來在石化生產(chǎn)過程中得到了廣泛的研究和應(yīng)用。它能夠?qū)\行中的裝置進(jìn)行實時監(jiān)測,及時發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài),并準(zhǔn)確識別異常狀態(tài)的原因,從而為采取有效的故障處理措施提供依據(jù)。通過故障診斷技術(shù),可以在故障發(fā)生的早期階段及時發(fā)現(xiàn)問題,避免故障的進(jìn)一步擴大,減少生產(chǎn)損失和安全風(fēng)險。目前,石化生產(chǎn)過程故障診斷已經(jīng)成為各相關(guān)學(xué)科研究的熱點問題,并取得了一定的成果,涌現(xiàn)出了多種有效的方法和技術(shù),如基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法、基于模型的方法、基于人工智能的方法等?;谏顚又R模型的符號有向圖(SDG)方法在眾多故障診斷方法中具有獨特的優(yōu)勢,日益受到關(guān)注。SDG通過節(jié)點和有向支路來表示系統(tǒng)變量或局部之間的因果影響關(guān)系,能夠直觀、全面地描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為。它可以充分利用系統(tǒng)的先驗知識和運行數(shù)據(jù),對故障進(jìn)行深入分析和推理,具有較強的完備性和可解釋性。在原油蒸餾裝置這種復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)中,SDG方法能夠有效地處理多變量、非線性和強耦合的問題,準(zhǔn)確地識別故障源和故障傳播路徑,為故障診斷提供更加可靠的支持。因此,對SDG故障診斷技術(shù)在原油蒸餾裝置中的應(yīng)用進(jìn)行研究,具有重要的理論和實際應(yīng)用價值。通過深入研究SDG故障診斷技術(shù)在原油蒸餾裝置中的應(yīng)用,可以進(jìn)一步完善故障診斷理論和方法體系,為復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的故障診斷提供新的思路和方法。同時,將SDG故障診斷技術(shù)應(yīng)用于實際生產(chǎn)中,可以提高原油蒸餾裝置的故障診斷準(zhǔn)確率和效率,及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在的故障隱患,保障裝置的安全穩(wěn)定運行,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本和安全風(fēng)險,為石油化工產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力的技術(shù)支持。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1原油蒸餾裝置故障診斷研究現(xiàn)狀隨著石油化工行業(yè)的發(fā)展,原油蒸餾裝置故障診斷技術(shù)的研究不斷深入,眾多學(xué)者和研究機構(gòu)從不同角度展開了探索,取得了一系列成果。在基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷方法研究中,主元分析(PCA)及其擴展方法得到了廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)《基于主元分析方法的煉油廠蒸餾過程故障診斷研究》通過對廣州石化廠蒸餾(一)部常壓生產(chǎn)過程的研究,利用PCA方法對常壓蒸餾過程進(jìn)行故障檢測和診斷。通過分析石化廠常壓蒸餾生產(chǎn)過程的特點,提出基于不同變量組合建立主元分析模型的思路,并結(jié)合先驗知識總結(jié)出7個監(jiān)控對象。研究中提出利用SPE統(tǒng)計量查找正常工況數(shù)據(jù)中的異常樣本,通過反復(fù)迭代建立PCA模型,還研究了PCA模型在單一變量發(fā)生均值偏移故障時的檢測靈敏度,并通過實際故障案例驗證了方法的可行性。同時,針對工業(yè)過程數(shù)據(jù)自相關(guān)的特點,研究非模型動態(tài)PCA方法,根據(jù)變量的自相關(guān)程度選擇時滯變量和時滯長度,改進(jìn)傳統(tǒng)的時滯PCA方法,結(jié)合PCA對多變量的處理能力和EWMA對微小誤差以及時序相關(guān)數(shù)據(jù)的處理優(yōu)勢,提出一種多變量指數(shù)加權(quán)滑動平均主元分析方法。針對某些實際過程的非線性特點,研究基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性PCA方法,將一種高效的主元曲線方法引入兩個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的離線訓(xùn)練中,降低構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的難度,對常壓爐監(jiān)控案例的研究證明該方法相對傳統(tǒng)PCA方法具有優(yōu)勢。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)也是數(shù)據(jù)驅(qū)動故障診斷方法中的重要研究方向。一些學(xué)者利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強大的非線性映射能力和自學(xué)習(xí)能力,對原油蒸餾裝置的故障進(jìn)行診斷。通過對大量歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以建立起輸入特征與故障類型之間的復(fù)雜關(guān)系模型,從而實現(xiàn)對故障的準(zhǔn)確診斷。例如,通過將原油蒸餾裝置的溫度、壓力、流量等多個傳感器數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入,經(jīng)過訓(xùn)練后,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠識別出不同的故障模式,并給出相應(yīng)的診斷結(jié)果。然而,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也存在一些局限性,如訓(xùn)練樣本的質(zhì)量和數(shù)量對診斷結(jié)果影響較大,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的選擇缺乏理論指導(dǎo),容易出現(xiàn)過擬合和欠擬合現(xiàn)象,而且診斷結(jié)果的可解釋性較差。在基于模型的故障診斷方法方面,機理模型和狀態(tài)空間模型被用于描述原油蒸餾裝置的運行過程。機理模型基于裝置的物理原理和化學(xué)反應(yīng)過程,通過建立數(shù)學(xué)方程來描述系統(tǒng)的動態(tài)特性。這種模型能夠深入揭示系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律,但由于原油蒸餾裝置的復(fù)雜性,機理模型的建立往往需要大量的假設(shè)和簡化,而且模型參數(shù)的確定較為困難,導(dǎo)致模型的準(zhǔn)確性和實用性受到一定影響。狀態(tài)空間模型則將系統(tǒng)表示為狀態(tài)變量和輸出變量的方程組,通過對狀態(tài)變量的估計和觀測來進(jìn)行故障診斷。這種模型能夠較好地處理系統(tǒng)的動態(tài)特性,但對系統(tǒng)噪聲和干擾較為敏感,需要精確的系統(tǒng)參數(shù)和初始條件?;谥R的故障診斷方法同樣受到關(guān)注。專家系統(tǒng)是基于知識的故障診斷方法的典型代表,它將領(lǐng)域?qū)<业慕?jīng)驗和知識以規(guī)則的形式存儲在知識庫中,通過推理機對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行推理和判斷,從而實現(xiàn)故障診斷。例如,在原油蒸餾裝置故障診斷專家系統(tǒng)中,將各種故障現(xiàn)象、原因及對應(yīng)的處理措施整理成規(guī)則,當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到異常數(shù)據(jù)時,推理機根據(jù)這些規(guī)則進(jìn)行推理,找出可能的故障原因并給出相應(yīng)的解決方案。然而,專家系統(tǒng)的知識獲取過程較為困難,需要大量的專家經(jīng)驗和時間,而且知識的更新和維護(hù)也較為繁瑣,當(dāng)遇到新的故障模式時,可能無法準(zhǔn)確診斷。1.2.2SDG技術(shù)在故障診斷中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀SDG技術(shù)作為一種基于深層知識模型的故障診斷方法,在工業(yè)過程故障診斷領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。它通過節(jié)點和有向支路來表示系統(tǒng)變量或局部之間的因果影響關(guān)系,能夠直觀、全面地描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為,為故障診斷提供了一種有效的手段。在國外,SDG技術(shù)的研究起步較早,取得了許多重要成果。一些學(xué)者對SDG模型的數(shù)學(xué)描述和建模方法進(jìn)行了深入研究,提出了基于數(shù)學(xué)模型、流程圖和經(jīng)驗知識的三種建模方法。在故障診斷應(yīng)用方面,SDG技術(shù)被應(yīng)用于化工、電力、航空等多個領(lǐng)域。例如,在化工過程中,通過建立SDG模型來分析系統(tǒng)的故障傳播路徑和原因,能夠快速準(zhǔn)確地識別故障源,為故障診斷和處理提供依據(jù)。在電力系統(tǒng)中,利用SDG技術(shù)可以對電網(wǎng)故障進(jìn)行分析和診斷,提高電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性。國內(nèi)對SDG技術(shù)的研究也在不斷深入,眾多學(xué)者在SDG建模、推理機制和應(yīng)用等方面開展了大量工作。文獻(xiàn)《SDG建模及其應(yīng)用的進(jìn)展》對SDG研究中的若干重要問題進(jìn)行了綜述,包括SDG模型的數(shù)學(xué)描述、建模方法以及在安全評價和故障診斷領(lǐng)域的應(yīng)用成果,總結(jié)了相關(guān)方法的優(yōu)缺點,指出推理方法及其效率是核心問題,并對SDG技術(shù)的發(fā)展方向做出了展望,認(rèn)為定量信息引入、推理方法、計算機建模等方面都有待于進(jìn)一步研究。在原油蒸餾裝置故障診斷方面,一些研究建立了原油蒸餾裝置的SDG故障診斷模型,并結(jié)合實際案例進(jìn)行了分析和驗證。通過反向模糊推理算法等方法,對SDG模型進(jìn)行分析研究,以確定故障的原因和傳播路徑。1.2.3研究現(xiàn)狀總結(jié)與分析目前,原油蒸餾裝置故障診斷技術(shù)和SDG技術(shù)在故障診斷中的應(yīng)用研究已經(jīng)取得了豐碩的成果,但仍然存在一些不足之處和研究空白。在原油蒸餾裝置故障診斷技術(shù)方面,雖然各種方法都有一定的優(yōu)勢,但也都存在各自的局限性?;跀?shù)據(jù)驅(qū)動的方法依賴大量的歷史數(shù)據(jù),對于新出現(xiàn)的故障模式可能無法準(zhǔn)確診斷;基于模型的方法建模難度大,對模型參數(shù)的準(zhǔn)確性要求高;基于知識的方法知識獲取困難,難以適應(yīng)復(fù)雜多變的故障情況。而且,現(xiàn)有的故障診斷方法大多側(cè)重于單一故障的診斷,對于多故障并發(fā)的情況處理能力不足。此外,在實際應(yīng)用中,不同故障診斷方法之間的融合和互補研究還相對較少,如何綜合運用多種方法提高故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性是一個亟待解決的問題。在SDG技術(shù)應(yīng)用研究方面,雖然SDG方法在故障診斷中具有直觀、完備等優(yōu)點,但在實際應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)。首先,SDG模型的建立需要大量的先驗知識和專業(yè)經(jīng)驗,對于復(fù)雜的原油蒸餾裝置,建模過程較為繁瑣,且模型的準(zhǔn)確性和完整性難以保證。其次,SDG推理算法的效率和準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步提高,在處理大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)時,推理過程可能會出現(xiàn)組合爆炸等問題,導(dǎo)致診斷速度變慢。此外,目前SDG技術(shù)在原油蒸餾裝置故障診斷中的應(yīng)用還不夠廣泛,相關(guān)的研究案例和實際應(yīng)用經(jīng)驗相對較少,如何將SDG技術(shù)更好地應(yīng)用于原油蒸餾裝置的實際生產(chǎn)過程,提高裝置的故障診斷能力和運行安全性,還需要進(jìn)一步的研究和探索。綜上所述,當(dāng)前對于原油蒸餾裝置故障診斷技術(shù)和SDG技術(shù)在其中的應(yīng)用研究雖然取得了一定進(jìn)展,但仍有許多需要完善和深入研究的地方。本研究將針對這些不足,深入探討SDG故障診斷技術(shù)在原油蒸餾裝置中的應(yīng)用,旨在提高原油蒸餾裝置故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性,為石油化工行業(yè)的安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本文聚焦于原油蒸餾裝置SDG故障診斷應(yīng)用研究,旨在深入剖析SDG技術(shù)在原油蒸餾裝置故障診斷中的應(yīng)用,提升故障診斷的準(zhǔn)確性與可靠性,保障原油蒸餾裝置的安全穩(wěn)定運行。具體研究內(nèi)容涵蓋以下幾個方面:SDG技術(shù)原理及優(yōu)勢分析:系統(tǒng)梳理故障診斷技術(shù)的發(fā)展歷程與研究現(xiàn)狀,深入剖析基于深層知識模型的SDG技術(shù)的基本原理,詳細(xì)闡述其在描述復(fù)雜系統(tǒng)因果關(guān)系方面的獨特優(yōu)勢,以及相較于其他故障診斷方法的先進(jìn)性和適用性。通過對SDG技術(shù)原理的深入理解,為后續(xù)在原油蒸餾裝置中的應(yīng)用奠定堅實的理論基礎(chǔ)。原油蒸餾裝置SDG模型建立:全面分析原油蒸餾裝置的工藝流程和運行機理,明確裝置中各變量之間的因果關(guān)系。在此基礎(chǔ)上,依據(jù)SDG建模方法,構(gòu)建原油蒸餾裝置的SDG故障診斷模型。在建模過程中,充分考慮裝置的實際運行情況和各種可能出現(xiàn)的故障模式,確保模型的準(zhǔn)確性和完整性。同時,對模型中的節(jié)點和有向支路進(jìn)行合理定義和標(biāo)注,使其能夠清晰地反映系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為?;赟DG模型的故障診斷推理機制研究:深入研究基于SDG模型的故障診斷推理機制,包括正向推理和反向推理等方法。結(jié)合模糊理論,引入反向模糊推理算法,對SDG模型進(jìn)行分析研究,以確定故障的原因和傳播路徑。在推理過程中,充分利用裝置的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和先驗知識,提高推理的準(zhǔn)確性和效率。同時,對推理結(jié)果進(jìn)行驗證和分析,確保診斷結(jié)果的可靠性。案例驗證與分析:選取原油蒸餾裝置的實際運行案例,運用所建立的SDG故障診斷模型和推理機制進(jìn)行故障診斷分析。通過對實際案例的診斷結(jié)果與實際故障情況的對比,驗證SDG故障診斷技術(shù)在原油蒸餾裝置中的有效性和準(zhǔn)確性。同時,對案例中出現(xiàn)的問題進(jìn)行深入分析,提出改進(jìn)措施和建議,進(jìn)一步完善SDG故障診斷技術(shù)在原油蒸餾裝置中的應(yīng)用。1.3.2研究方法為實現(xiàn)上述研究內(nèi)容,本文綜合運用多種研究方法,確保研究的科學(xué)性、可靠性和有效性。理論研究法:廣泛查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料,系統(tǒng)學(xué)習(xí)故障診斷技術(shù)、SDG技術(shù)、模糊推理等相關(guān)理論知識,深入研究SDG技術(shù)的原理、建模方法和推理機制,為原油蒸餾裝置SDG故障診斷應(yīng)用研究提供堅實的理論支撐。通過對理論知識的深入學(xué)習(xí)和分析,明確研究的方向和重點,為后續(xù)的研究工作奠定基礎(chǔ)。案例分析法:選取原油蒸餾裝置的實際運行案例,對其工藝流程、運行數(shù)據(jù)和故障情況進(jìn)行詳細(xì)分析。通過對實際案例的分析,深入了解原油蒸餾裝置的運行特點和常見故障模式,為建立SDG故障診斷模型和驗證診斷方法提供實際依據(jù)。同時,通過對案例的分析,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有故障診斷方法存在的問題和不足,為改進(jìn)和完善SDG故障診斷技術(shù)提供參考。對比研究法:將SDG故障診斷技術(shù)與其他常見的故障診斷方法進(jìn)行對比研究,分析不同方法在原油蒸餾裝置故障診斷中的優(yōu)缺點。通過對比研究,突出SDG技術(shù)在處理復(fù)雜系統(tǒng)故障診斷時的優(yōu)勢,為SDG技術(shù)在原油蒸餾裝置中的應(yīng)用提供有力的支持。同時,通過對比分析,也可以借鑒其他方法的優(yōu)點,進(jìn)一步完善SDG故障診斷技術(shù)。二、原油蒸餾裝置與SDG故障診斷技術(shù)概述2.1原油蒸餾裝置工藝流程與常見故障2.1.1工藝流程原油蒸餾是石油煉制的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其目的是將原油分離成不同沸點范圍的產(chǎn)品,以滿足各種工業(yè)需求。原油蒸餾裝置的工藝流程較為復(fù)雜,主要包括原油預(yù)處理、初餾、常壓蒸餾和減壓蒸餾等步驟。原油預(yù)處理是原油蒸餾的首要環(huán)節(jié),其主要目的是去除原油中的水分、鹽類和固體雜質(zhì)等。這些雜質(zhì)若不除去,會在后續(xù)的蒸餾過程中引發(fā)諸多問題,如腐蝕設(shè)備、導(dǎo)致鹽垢在管式爐爐管內(nèi)沉積等,從而影響裝置的正常運行和使用壽命。在預(yù)處理過程中,常采用電化學(xué)分離或加熱沉降等方法。采用電化學(xué)分離時,需在原油中加入幾到幾十ppm的破乳劑(離子型破乳劑或非離子型聚醚類破乳劑)和軟化水,然后通過高壓電場(電場強度1.2-1.5kV/cm),使含鹽的水滴聚集沉降,進(jìn)而除去原油中的鹽、水和其他雜質(zhì)。通常會采用兩組設(shè)備串聯(lián)使用(二級脫鹽)的方式,以提高脫鹽效果。經(jīng)過預(yù)處理的原油被送入初餾塔。初餾塔的主要作用是將原油在換熱升溫過程中已經(jīng)汽化的輕質(zhì)油及時蒸出,使其不進(jìn)入常壓加熱爐,這樣既能降低加熱爐的負(fù)荷,又能降低原油換熱系統(tǒng)的操作壓力降,從而節(jié)約裝置的能耗和操作費用。此外,原油中的氣體烴和水也能在初餾塔中被除去,有助于常壓分餾塔的穩(wěn)定操作。初餾塔和閃蒸塔有所不同,前者能出產(chǎn)品,設(shè)有冷凝和回流設(shè)施,而后者不出產(chǎn)品,塔頂油氣進(jìn)入常壓塔中上部。從初餾塔底出來的原油經(jīng)加熱至360-370℃后,進(jìn)入常壓蒸餾塔。常壓塔是原油蒸餾裝置的核心設(shè)備之一,內(nèi)部設(shè)有36-48塊塔板。在常壓塔中,原油在一定溫度和壓力條件下進(jìn)行分餾,依據(jù)各組分沸點的差異,實現(xiàn)分離。塔頂產(chǎn)物為汽油餾分(又稱石腦油),與初餾塔頂?shù)妮p汽油一起,可作為催化重整原料、石油化工原料或汽油調(diào)合組分。常壓塔側(cè)線出料進(jìn)入汽提塔,通過水蒸氣或再沸器加熱,蒸發(fā)出輕組分,以控制產(chǎn)品中輕組分的含量(通常用產(chǎn)品閃點表示)。一般來說,側(cè)一線為噴氣燃料(即航空煤油)或煤油餾分,側(cè)二線為輕柴油餾分,側(cè)三線為重柴油或變壓器油餾分(屬潤滑油餾分),塔底產(chǎn)物則是常壓渣油(即重油)。由于原油中重餾分沸點約在370-535℃,在常壓下要蒸餾出這些餾分,需加熱到420℃以上,而在此溫度下,重餾分會發(fā)生一定程度的裂化。為避免重餾分裂化,通常在常壓蒸餾后進(jìn)行減壓蒸餾。常壓渣油經(jīng)減壓加熱爐加熱到約380-400℃后送入減壓蒸餾塔。減壓蒸餾是在約2-8kPa的絕對壓力下進(jìn)行的,這樣可使重餾分在不發(fā)生明顯裂化反應(yīng)的溫度下被蒸餾出來。減壓蒸餾可分為潤滑油型和燃料油型兩類,前者對各餾分的分離精確度要求較高,塔板數(shù)為24-26;后者要求相對較低,塔板數(shù)為15-17。通常用水蒸氣噴射泵(或者用機械抽真空泵)抽出不凝氣,以產(chǎn)生真空條件。發(fā)展的干式全填料減壓塔采用金屬高效填料代替塔板,可使全塔壓力降減少到1.3-2.0kPa,從而提高蒸發(fā)率,并減少或取消塔底水蒸氣用量。減壓塔頂分出的餾分減(壓、拔)頂油,一般作為柴油混入常壓三線中,減壓一線至四線可作為裂化原料或潤滑油原料,塔底為減壓渣油,可作為生產(chǎn)殘渣潤滑油和石油瀝青的原料,或作為石油焦化的原料,或用作燃料油。2.1.2常見故障類型與危害在原油蒸餾裝置的實際運行過程中,常出現(xiàn)多種故障,這些故障會對裝置的運行和生產(chǎn)造成嚴(yán)重危害。原油帶水是較為常見的故障之一。其主要表現(xiàn)為塔頂油水分離器界位上升,排水量增大;換熱器原油壓力變大,原油量變少,原油換后溫度降低;塔頂回流量上升,由于霧沫夾帶導(dǎo)致塔頂及側(cè)線干點上升;在嚴(yán)重帶水情況下,會使換熱器處于憋壓狀態(tài),進(jìn)而引發(fā)泄漏,初餾塔頂安全閥可能跳閘,導(dǎo)致初餾塔沖油等故障。原油帶水會嚴(yán)重影響蒸餾效果,導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降,還可能引發(fā)安全事故,對裝置和人員安全構(gòu)成威脅。原油供應(yīng)中斷也時有發(fā)生。這種故障通常表現(xiàn)為在原油換罐時,原油泵容易抽空;原油泵電機的電流減弱;初餾塔液面降低,同時塔底溫度提高;原油進(jìn)料流量表降低甚至回零。原油供應(yīng)中斷會使蒸餾裝置無法正常運行,導(dǎo)致生產(chǎn)停滯,不僅會造成經(jīng)濟(jì)損失,還可能對設(shè)備造成損害,如爐管結(jié)焦燒壞等。蒸汽壓力下降及蒸汽中斷也是常見故障。該故障主要表現(xiàn)為總蒸汽壓力指示及減壓真空度降低;加熱爐燃料霧化較差,燃燒不規(guī)律,爐出口溫度降低;以蒸汽作為動力的往復(fù)泵,其運行會出現(xiàn)降低或停止的情況。蒸汽壓力下降或中斷會影響加熱爐的正常運行,導(dǎo)致原油加熱不均勻,進(jìn)而影響蒸餾效果,還可能使以蒸汽為動力的設(shè)備無法正常工作,影響整個生產(chǎn)流程。此外,還有塔板故障,如塔板結(jié)垢、堵塞、損壞等,會導(dǎo)致氣液傳質(zhì)效率下降,使產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定,各餾分的分離效果變差。加熱爐故障,如爐管破裂、燃燒器故障等,不僅會影響原油的加熱效果,還可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重安全事故。換熱器故障,如換熱器泄漏,會導(dǎo)致物料混合,影響產(chǎn)品質(zhì)量,還可能造成能源浪費,增加生產(chǎn)成本。這些常見故障對原油蒸餾裝置的安全穩(wěn)定運行和生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響,不僅會導(dǎo)致生產(chǎn)中斷、產(chǎn)品質(zhì)量下降、經(jīng)濟(jì)損失增加,還可能引發(fā)安全事故,對人員生命和環(huán)境構(gòu)成威脅。因此,及時準(zhǔn)確地診斷和處理這些故障至關(guān)重要,而故障診斷技術(shù)的應(yīng)用則為解決這些問題提供了有效的手段。2.2SDG故障診斷技術(shù)原理與優(yōu)勢2.2.1SDG基本概念與模型構(gòu)成符號有向圖(SDG)作為一種用于描述系統(tǒng)因果關(guān)系的有效工具,在故障診斷領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。它通過節(jié)點和有向邊來構(gòu)建模型,以此表達(dá)系統(tǒng)中各變量之間的因果聯(lián)系。在SDG模型里,節(jié)點的含義豐富多樣,既可以代表物理變量,如溫度、壓力、流量等,這些物理變量是反映系統(tǒng)運行狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù);也可以表示操作變量,像閥門的開度、泵的轉(zhuǎn)速等,它們直接影響著系統(tǒng)的運行;還能指代儀表,例如溫度計、壓力表、流量計等,儀表用于監(jiān)測系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù);甚至可以是事件,諸如設(shè)備的啟動、停止、故障報警等。這些節(jié)點涵蓋了系統(tǒng)運行的各個方面,為全面理解系統(tǒng)提供了豐富的信息。節(jié)點之間的有向邊則明確表示了因果關(guān)系,箭頭所指方向即為因果的傳遞方向。邊上還標(biāo)有符號,“+”符號表示正相關(guān)關(guān)系,意味著當(dāng)原因變量增加時,結(jié)果變量也會隨之增加;“-”符號表示負(fù)相關(guān)關(guān)系,即原因變量增加時,結(jié)果變量會減少。在原油蒸餾裝置中,若加熱爐的燃料流量(原因變量)增加,通過有向邊的“+”關(guān)系可以知道,原油的加熱溫度(結(jié)果變量)也會上升;而如果冷卻水量(原因變量)增加,通過“-”關(guān)系可判斷,塔頂產(chǎn)品的溫度(結(jié)果變量)會下降。為了更準(zhǔn)確地描述節(jié)點的狀態(tài),通常會為節(jié)點定義狀態(tài)符號及閾值。節(jié)點狀態(tài)一般用“+”“-”“0”來表示,“+”表示變量超過正常范圍上限,處于偏高狀態(tài);“-”表示變量低于正常范圍下限,處于偏低狀態(tài);“0”則表示變量處于正常范圍。例如,在原油蒸餾裝置的常壓塔中,塔頂溫度的正常范圍設(shè)定為100-120℃,當(dāng)實際塔頂溫度達(dá)到125℃時,該溫度節(jié)點狀態(tài)可標(biāo)記為“+”;若溫度降至95℃,則標(biāo)記為“-”;若溫度在100-120℃之間,標(biāo)記為“0”。閾值的設(shè)定至關(guān)重要,它是判斷節(jié)點狀態(tài)是否正常的依據(jù),不同的變量根據(jù)其特性和工藝要求會設(shè)定不同的閾值。合理的閾值設(shè)定能夠準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的運行狀態(tài),為故障診斷提供可靠的判斷標(biāo)準(zhǔn)。通過節(jié)點和有向邊的有機組合,SDG模型能夠直觀、全面地呈現(xiàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為,為后續(xù)的故障診斷推理提供了堅實的基礎(chǔ)。它將復(fù)雜的系統(tǒng)因果關(guān)系以圖形化的方式展示出來,使得人們能夠更清晰地理解系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用,從而更有效地進(jìn)行故障診斷和分析。2.2.2SDG用于故障診斷的原理SDG用于故障診斷的核心原理是通過搜索相容通路來檢測和定位故障。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,故障信息會沿著有向邊在節(jié)點間傳播,如同漣漪一般擴散開來。通過對節(jié)點狀態(tài)的監(jiān)測和分析,我們可以依據(jù)節(jié)點間的因果關(guān)系來判斷故障源。假設(shè)原油蒸餾裝置的常壓塔出現(xiàn)塔頂產(chǎn)品質(zhì)量不合格的故障。在SDG模型中,塔頂產(chǎn)品質(zhì)量這個節(jié)點的狀態(tài)變?yōu)楫惓#?biāo)記為“+”或“-”),由于它與多個其他節(jié)點存在因果關(guān)系,如進(jìn)料流量、塔頂溫度、塔底溫度、回流比等節(jié)點,故障信息就會沿著有向邊向這些相關(guān)節(jié)點傳播。我們可以從塔頂產(chǎn)品質(zhì)量節(jié)點出發(fā),沿著有向邊逆向搜索,檢查每個相關(guān)節(jié)點的狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)塔頂溫度節(jié)點狀態(tài)也為“+”,且根據(jù)有向邊的因果關(guān)系,塔頂溫度升高會導(dǎo)致塔頂產(chǎn)品質(zhì)量不合格,那么塔頂溫度升高很可能就是導(dǎo)致塔頂產(chǎn)品質(zhì)量不合格的一個原因。繼續(xù)沿著相關(guān)的有向邊搜索,還可能發(fā)現(xiàn)其他影響因素,如回流比節(jié)點狀態(tài)為“-”,說明回流比減小,這也可能是導(dǎo)致塔頂產(chǎn)品質(zhì)量不合格的原因之一。在搜索過程中,需要根據(jù)節(jié)點狀態(tài)和有向邊的符號來判斷因果關(guān)系是否成立。如果一個節(jié)點的狀態(tài)變化能夠通過有向邊的因果關(guān)系合理地解釋另一個節(jié)點的狀態(tài)變化,那么這兩個節(jié)點之間的通路就是相容通路。通過不斷搜索和驗證相容通路,我們可以逐步確定故障的傳播路徑和可能的故障源。在實際應(yīng)用中,還可以結(jié)合系統(tǒng)的先驗知識和實時監(jiān)測數(shù)據(jù),對搜索結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的分析和驗證,以提高故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性。通過這種基于SDG模型的故障診斷方法,能夠深入分析系統(tǒng)內(nèi)部的因果關(guān)系,全面地考慮各種可能的故障因素,從而更準(zhǔn)確地檢測和定位故障,為及時采取有效的故障處理措施提供有力支持,保障原油蒸餾裝置的安全穩(wěn)定運行。2.2.3技術(shù)優(yōu)勢分析與其他故障診斷方法相比,SDG故障診斷技術(shù)在處理復(fù)雜系統(tǒng)、深層知識表達(dá)、完備性等方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。在處理復(fù)雜系統(tǒng)方面,原油蒸餾裝置是一個典型的復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng),涉及眾多設(shè)備和復(fù)雜的工藝流程,各變量之間相互關(guān)聯(lián)、相互影響。SDG方法能夠通過節(jié)點和有向邊直觀地描述系統(tǒng)中各變量之間的因果關(guān)系,全面展示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為。它可以充分考慮系統(tǒng)中各種因素的相互作用,無論是線性還是非線性關(guān)系,都能有效地進(jìn)行表達(dá)和分析。相比之下,一些傳統(tǒng)的故障診斷方法,如基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的主元分析(PCA)方法,雖然在數(shù)據(jù)處理方面具有一定優(yōu)勢,但對于復(fù)雜系統(tǒng)中變量之間的因果關(guān)系描述不夠直觀和深入,難以全面分析故障的傳播路徑和根本原因。在深層知識表達(dá)方面,SDG模型能夠利用系統(tǒng)的先驗知識和領(lǐng)域?qū)<业慕?jīng)驗,將這些深層知識融入到模型中。通過節(jié)點和有向邊的定義,可以清晰地表達(dá)系統(tǒng)中各種變量之間的因果邏輯關(guān)系,以及不同工況下的系統(tǒng)行為。這種深層知識的表達(dá)使得SDG故障診斷技術(shù)具有更強的可解釋性,能夠為故障診斷提供更深入的理解和分析。例如,在原油蒸餾裝置中,通過SDG模型可以明確地表示出加熱爐溫度、原油流量、塔板效率等因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響關(guān)系,當(dāng)出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題時,能夠根據(jù)模型中的知識快速分析可能的原因。而基于人工智能的一些故障診斷方法,如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),雖然在故障診斷的準(zhǔn)確性方面有一定優(yōu)勢,但由于其模型的黑箱性質(zhì),診斷結(jié)果的可解釋性較差,難以深入理解故障的原因和傳播機制。從完備性角度來看,SDG故障診斷技術(shù)具有較強的完備性。它能夠全面地考慮系統(tǒng)中各種可能的故障模式和故障傳播路徑,通過搜索相容通路的方式,可以對系統(tǒng)進(jìn)行全面的故障檢測和診斷。在原油蒸餾裝置中,無論故障是由設(shè)備故障、操作失誤還是外部干擾引起的,SDG方法都能夠通過對節(jié)點狀態(tài)的監(jiān)測和分析,找出故障的根源。而一些基于規(guī)則的故障診斷方法,由于規(guī)則的局限性,可能無法涵蓋所有的故障情況,導(dǎo)致在面對復(fù)雜故障時診斷能力不足。SDG故障診斷技術(shù)在處理原油蒸餾裝置這類復(fù)雜系統(tǒng)的故障診斷時,具有直觀描述因果關(guān)系、表達(dá)深層知識和較強完備性等優(yōu)勢,為保障原油蒸餾裝置的安全穩(wěn)定運行提供了一種有效的手段。三、基于SDG的原油蒸餾裝置故障診斷模型構(gòu)建3.1SDG建模原則與方法3.1.1建模原則構(gòu)建原油蒸餾裝置的SDG故障診斷模型時,需嚴(yán)格遵循一系列重要原則,以確保模型的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和實用性。符合物理規(guī)律是首要原則。原油蒸餾裝置是一個復(fù)雜的物理系統(tǒng),涉及傳熱、傳質(zhì)、流體流動等多種物理過程。在SDG建模過程中,節(jié)點和有向邊的設(shè)置必須緊密契合這些物理過程的內(nèi)在規(guī)律。加熱爐的溫度節(jié)點與原油的加熱量節(jié)點之間,應(yīng)依據(jù)傳熱原理建立正相關(guān)的有向邊,因為加熱爐溫度升高,必然會使原油吸收的熱量增加,進(jìn)而導(dǎo)致原油溫度上升。同樣,在蒸餾塔中,氣液傳質(zhì)過程決定了塔板上的溫度、壓力與各組分濃度之間的關(guān)系,建模時需準(zhǔn)確反映這些關(guān)系。反映變量因果關(guān)系也是關(guān)鍵原則。原油蒸餾裝置中存在眾多變量,如溫度、壓力、流量、液位等,這些變量之間存在著復(fù)雜的因果聯(lián)系。SDG模型應(yīng)能夠清晰、準(zhǔn)確地展現(xiàn)這些因果關(guān)系。原油進(jìn)料流量的變化會直接影響蒸餾塔的液位和各塔板上的氣液負(fù)荷,因此在模型中,應(yīng)從原油進(jìn)料流量節(jié)點引出有向邊,指向蒸餾塔液位節(jié)點以及各塔板的氣液負(fù)荷相關(guān)節(jié)點,并根據(jù)實際影響關(guān)系標(biāo)注“+”或“-”符號。通過這種方式,當(dāng)某個變量出現(xiàn)異常時,能夠依據(jù)模型中的因果關(guān)系快速追溯到可能的原因,以及預(yù)測故障可能的傳播路徑。考慮系統(tǒng)完整性與簡潔性是不可忽視的原則。完整性要求模型全面涵蓋原油蒸餾裝置的各個組成部分和關(guān)鍵運行環(huán)節(jié),包括原油預(yù)處理系統(tǒng)、初餾塔、常壓蒸餾塔、減壓蒸餾塔、加熱爐、換熱器、泵等設(shè)備,以及它們之間的物料流、能量流和信息流。確保模型能夠反映裝置在各種工況下的運行狀態(tài),以及可能出現(xiàn)的各種故障模式。然而,追求完整性的同時,也要兼顧簡潔性。過于復(fù)雜的模型可能會增加建模難度和計算量,降低模型的可操作性和實用性。因此,在建模過程中,需要對一些次要因素進(jìn)行合理簡化,去除那些對故障診斷影響較小的節(jié)點和支路,突出關(guān)鍵變量和主要因果關(guān)系。在某些情況下,可以將一些具有相似功能或緊密關(guān)聯(lián)的設(shè)備或環(huán)節(jié)進(jìn)行合并處理,以減少模型的復(fù)雜度。但這種簡化必須在不影響模型準(zhǔn)確性和診斷能力的前提下進(jìn)行,需要建模者具備豐富的專業(yè)知識和實踐經(jīng)驗,對原油蒸餾裝置的運行機理有深入的理解。3.1.2建模方法選擇與步驟構(gòu)建原油蒸餾裝置SDG模型的方法主要有數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)法和經(jīng)驗法,兩種方法各有優(yōu)劣,需根據(jù)實際情況合理選擇。數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)法基于原油蒸餾裝置的物理原理和相關(guān)數(shù)學(xué)方程,通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)來建立SDG模型。在描述傳熱過程時,可以運用傅里葉定律;描述傳質(zhì)過程時,采用傳質(zhì)速率方程;描述流體流動時,依據(jù)伯努利方程等。這種方法的優(yōu)點是模型具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性,能夠深入揭示系統(tǒng)內(nèi)部的物理機制。但它也存在明顯的局限性,由于原油蒸餾裝置的復(fù)雜性,數(shù)學(xué)模型的建立往往需要進(jìn)行大量的假設(shè)和簡化,而且模型參數(shù)的確定較為困難,需要精確的實驗數(shù)據(jù)和復(fù)雜的計算過程。對于一些難以用數(shù)學(xué)方程精確描述的因素,如設(shè)備的老化、結(jié)垢等對系統(tǒng)性能的影響,數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)法可能難以準(zhǔn)確處理。經(jīng)驗法則主要依賴領(lǐng)域?qū)<业慕?jīng)驗和實際運行數(shù)據(jù)來建立SDG模型。專家根據(jù)長期積累的實踐經(jīng)驗,判斷裝置中各變量之間的因果關(guān)系,并確定節(jié)點和有向邊的設(shè)置。同時,結(jié)合實際運行數(shù)據(jù),對模型進(jìn)行驗證和調(diào)整。這種方法的優(yōu)勢在于建模過程相對簡單、快捷,能夠充分利用專家的經(jīng)驗知識,對于一些難以用數(shù)學(xué)模型描述的復(fù)雜現(xiàn)象和不確定性因素,具有較好的適應(yīng)性。然而,經(jīng)驗法也存在一定的主觀性,不同專家的判斷可能存在差異,而且模型的準(zhǔn)確性在很大程度上依賴于專家的經(jīng)驗水平和實際運行數(shù)據(jù)的質(zhì)量。綜合考慮原油蒸餾裝置的復(fù)雜性、建模的難易程度以及實際應(yīng)用需求,本研究選擇經(jīng)驗法與數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)法相結(jié)合的方式來構(gòu)建SDG模型。這種結(jié)合方式能夠充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)勢,彌補各自的不足。在確定一些關(guān)鍵的因果關(guān)系和物理量之間的定量關(guān)系時,運用數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)法,以確保模型的準(zhǔn)確性和科學(xué)性;對于一些難以用數(shù)學(xué)精確描述,但又對系統(tǒng)運行有重要影響的因素,如設(shè)備的故障模式、操作習(xí)慣等,借助專家經(jīng)驗進(jìn)行判斷和處理。在選定建模方法后,構(gòu)建原油蒸餾裝置SDG模型主要包括以下步驟:確定節(jié)點和支路:全面梳理原油蒸餾裝置的工藝流程和設(shè)備組成,確定模型中的節(jié)點。節(jié)點應(yīng)涵蓋裝置中的各種關(guān)鍵變量,如溫度、壓力、流量、液位、濃度等,以及重要的設(shè)備和操作環(huán)節(jié)。在原油預(yù)處理系統(tǒng)中,原油的含水量、含鹽量可作為節(jié)點;在蒸餾塔中,塔頂溫度、塔底液位、各塔板的溫度和壓力等都是重要節(jié)點。根據(jù)變量之間的因果關(guān)系,確定有向支路的連接。如果加熱爐的燃料流量增加會導(dǎo)致原油溫度升高,那么從燃料流量節(jié)點引出一條有向邊指向原油溫度節(jié)點,并標(biāo)注“+”符號。建立因果關(guān)系:依據(jù)原油蒸餾裝置的物理原理和運行經(jīng)驗,明確各節(jié)點之間的因果關(guān)系。這一步驟需要深入分析裝置中各種物理過程和化學(xué)反應(yīng),以及操作條件對系統(tǒng)的影響。在蒸餾塔中,回流比的變化會影響塔頂產(chǎn)品的組成和質(zhì)量,回流比增加,塔頂產(chǎn)品中輕組分含量會增加,因此從回流比節(jié)點到塔頂產(chǎn)品輕組分含量節(jié)點建立一條有向邊,并標(biāo)注“+”符號。對于一些復(fù)雜的因果關(guān)系,可能需要進(jìn)行多次分析和驗證,確保因果關(guān)系的準(zhǔn)確性和合理性。設(shè)定閾值:為每個節(jié)點設(shè)定合理的閾值,用于判斷節(jié)點狀態(tài)是否正常。閾值的設(shè)定應(yīng)綜合考慮裝置的設(shè)計參數(shù)、實際運行經(jīng)驗以及工藝要求。對于溫度節(jié)點,根據(jù)原油蒸餾裝置的工藝要求,設(shè)定正常溫度范圍,當(dāng)實際溫度超出這個范圍時,節(jié)點狀態(tài)標(biāo)記為“+”或“-”。在設(shè)定閾值時,需要考慮一定的安全裕度,以避免因測量誤差或正常波動導(dǎo)致誤判。同時,閾值也不是固定不變的,應(yīng)根據(jù)裝置的運行情況和實際需求進(jìn)行適時調(diào)整。模型驗證與優(yōu)化:建立初步的SDG模型后,利用實際運行數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗證。將實際監(jiān)測到的節(jié)點狀態(tài)與模型預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對比,檢查模型是否能夠準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的運行情況。如果發(fā)現(xiàn)模型存在偏差或不合理之處,及時對模型進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整??梢酝ㄟ^增加或刪除節(jié)點和支路、修改因果關(guān)系、調(diào)整閾值等方式,使模型更加符合實際情況,提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。3.2原油蒸餾裝置SDG模型節(jié)點與支路定義3.2.1節(jié)點分類與定義在原油蒸餾裝置的SDG模型中,節(jié)點的分類細(xì)致且涵蓋廣泛,主要分為物理變量節(jié)點、操作變量節(jié)點以及儀表節(jié)點等,每個類別下又包含多個具體的節(jié)點類型,這些節(jié)點對于準(zhǔn)確描述裝置的運行狀態(tài)和故障診斷起著關(guān)鍵作用。物理變量節(jié)點是反映原油蒸餾裝置運行過程中各種物理參數(shù)變化的重要指標(biāo)。溫度節(jié)點在整個裝置中分布廣泛,如原油進(jìn)加熱爐溫度、加熱爐爐膛溫度、各塔板溫度、塔頂溫度、塔底溫度等。原油進(jìn)加熱爐溫度直接影響原油的預(yù)熱效果和后續(xù)蒸餾過程,若該溫度異常,可能導(dǎo)致原油在加熱爐內(nèi)加熱不均勻,進(jìn)而影響蒸餾產(chǎn)品的質(zhì)量。加熱爐爐膛溫度過高可能引發(fā)爐管結(jié)焦、損壞等問題,而過低則無法滿足原油蒸餾所需的熱量。各塔板溫度反映了塔內(nèi)氣液傳質(zhì)過程的狀態(tài),不同塔板溫度的變化能指示出塔板的工作效率和產(chǎn)品的分離效果。壓力節(jié)點同樣至關(guān)重要,包括原油進(jìn)泵壓力、泵出口壓力、各塔的塔頂壓力、塔底壓力以及塔板間壓力等。原油進(jìn)泵壓力若不穩(wěn)定,可能導(dǎo)致泵的工作異常,影響原油的輸送量。塔頂壓力和塔底壓力的變化會影響塔內(nèi)的氣液平衡,進(jìn)而影響產(chǎn)品的組成和質(zhì)量。塔板間壓力的分布可以反映塔板的堵塞情況,若某塔板間壓力異常升高,可能意味著該塔板存在結(jié)垢或堵塞問題。流量節(jié)點也是不可或缺的一部分,如原油進(jìn)料流量、各塔的回流流量、塔頂采出流量、塔底采出流量、加熱爐燃料流量等。原油進(jìn)料流量的波動會直接影響蒸餾塔的負(fù)荷和產(chǎn)品的產(chǎn)量。回流流量的大小則對塔頂產(chǎn)品的純度和塔內(nèi)的傳質(zhì)效率有重要影響,合適的回流流量能夠保證塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量符合要求。加熱爐燃料流量的變化決定了加熱爐提供的熱量,從而影響原油的加熱效果和蒸餾過程。液位節(jié)點用于監(jiān)測裝置中各容器內(nèi)液體的高度,如初餾塔液位、常壓塔液位、減壓塔液位、各塔底儲罐液位等。液位過高可能導(dǎo)致液體溢出,引發(fā)安全事故;液位過低則可能使泵抽空,影響裝置的正常運行。因此,準(zhǔn)確監(jiān)測和控制液位對于保證裝置的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。操作變量節(jié)點體現(xiàn)了操作人員對裝置的控制和調(diào)節(jié)行為。閥門開度節(jié)點如原油進(jìn)料調(diào)節(jié)閥開度、各塔回流調(diào)節(jié)閥開度、塔頂采出調(diào)節(jié)閥開度等,這些閥門開度的變化直接影響著物料的流量和裝置的運行參數(shù)。當(dāng)原油進(jìn)料調(diào)節(jié)閥開度增大時,原油進(jìn)料流量會增加;回流調(diào)節(jié)閥開度減小,回流流量會相應(yīng)減少,進(jìn)而影響塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量。開關(guān)節(jié)點包括泵的啟停狀態(tài)、加熱爐的點火開關(guān)等。泵的啟停狀態(tài)直接決定了原油或其他物料的輸送是否正常,加熱爐的點火開關(guān)則控制著加熱爐的運行,若加熱爐點火開關(guān)出現(xiàn)故障,無法正常點火,將導(dǎo)致原油無法加熱,整個蒸餾過程無法進(jìn)行。儀表節(jié)點主要用于監(jiān)測和傳輸裝置的運行數(shù)據(jù),為故障診斷提供依據(jù)。溫度計節(jié)點用于測量裝置中各個部位的溫度,壓力表節(jié)點用于測量壓力,流量計節(jié)點用于測量流量,液位計節(jié)點用于測量液位。這些儀表節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)是判斷裝置運行狀態(tài)是否正常的重要依據(jù),一旦儀表出現(xiàn)故障,可能導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,從而影響故障診斷的準(zhǔn)確性。每個節(jié)點的狀態(tài)通常用“+”“-”“0”來表示。“+”表示該節(jié)點變量超過正常范圍上限,處于偏高狀態(tài);“-”表示該節(jié)點變量低于正常范圍下限,處于偏低狀態(tài);“0”表示該節(jié)點變量處于正常范圍。在原油蒸餾裝置中,常壓塔塔頂溫度的正常范圍設(shè)定為100-120℃,當(dāng)實際塔頂溫度達(dá)到125℃時,該溫度節(jié)點狀態(tài)標(biāo)記為“+”;若溫度降至95℃,則標(biāo)記為“-”;若溫度在100-120℃之間,標(biāo)記為“0”。通過對節(jié)點狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷和分析,可以及時發(fā)現(xiàn)裝置運行中的異常情況,為故障診斷提供有力支持。3.2.2支路分類與表示在原油蒸餾裝置的SDG模型中,支路是連接各個節(jié)點、體現(xiàn)變量之間因果關(guān)系的重要組成部分,主要分為正向影響支路和負(fù)向影響支路,它們在故障診斷中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,能夠清晰地展示故障的傳播路徑和影響范圍。正向影響支路用帶有“+”符號的有向邊表示,意味著當(dāng)起始節(jié)點的變量值增加時,終止節(jié)點的變量值也會相應(yīng)增加;反之,當(dāng)起始節(jié)點的變量值減小時,終止節(jié)點的變量值也會減小。在原油蒸餾裝置中,加熱爐的燃料流量與原油的加熱溫度之間存在正向影響支路。當(dāng)加熱爐的燃料流量增加時,提供給原油的熱量增多,原油的加熱溫度就會升高;反之,燃料流量減少,原油加熱溫度則會降低。這種正向影響關(guān)系在SDG模型中通過從燃料流量節(jié)點指向原油加熱溫度節(jié)點的有向邊,并標(biāo)注“+”符號來表示。負(fù)向影響支路則用帶有“-”符號的有向邊表示,即起始節(jié)點的變量值增加時,終止節(jié)點的變量值會減小;起始節(jié)點的變量值減小時,終止節(jié)點的變量值會增加。在蒸餾塔中,回流比與塔頂產(chǎn)品中輕組分含量之間存在負(fù)向影響支路。當(dāng)回流比增加時,更多的輕組分被回流到塔內(nèi),塔頂產(chǎn)品中輕組分含量就會減少;反之,回流比減小,塔頂產(chǎn)品中輕組分含量會增加。在SDG模型中,從回流比節(jié)點指向塔頂產(chǎn)品輕組分含量節(jié)點的有向邊標(biāo)注“-”符號,以體現(xiàn)這種負(fù)向影響關(guān)系。在實際的原油蒸餾裝置故障診斷中,支路的作用十分顯著。當(dāng)加熱爐出現(xiàn)故障,導(dǎo)致燃料流量突然減少時,通過正向影響支路,我們可以預(yù)測到原油的加熱溫度會隨之降低。由于原油加熱溫度與蒸餾塔的進(jìn)料溫度相關(guān),進(jìn)料溫度降低又會通過一系列的因果關(guān)系,影響到蒸餾塔內(nèi)的氣液平衡和產(chǎn)品質(zhì)量。通過SDG模型中支路所表示的因果關(guān)系,我們能夠清晰地看到故障是如何從加熱爐燃料流量節(jié)點,沿著有向邊傳播到原油加熱溫度節(jié)點,再進(jìn)一步傳播到蒸餾塔相關(guān)節(jié)點的。再如,當(dāng)原油進(jìn)料流量突然增大時,通過正向影響支路,會導(dǎo)致蒸餾塔的液位上升。液位上升又會對塔內(nèi)的壓力和各塔板的工作狀態(tài)產(chǎn)生影響,這些影響可以通過相應(yīng)的支路在SDG模型中得以體現(xiàn)。通過分析這些支路,我們可以快速判斷出故障可能引發(fā)的一系列后果,從而采取有效的措施進(jìn)行處理。支路在原油蒸餾裝置SDG模型中,通過明確的符號和有向邊表示變量之間的因果關(guān)系,為故障診斷提供了直觀、有效的工具。它能夠幫助我們在裝置出現(xiàn)故障時,快速準(zhǔn)確地分析故障的傳播路徑和影響范圍,為及時采取故障處理措施提供有力支持,保障原油蒸餾裝置的安全穩(wěn)定運行。3.3控制系統(tǒng)的SDG故障診斷模型建立3.3.1控制系統(tǒng)工作方式分析在原油蒸餾裝置中,控制系統(tǒng)對于維持裝置的穩(wěn)定運行起著關(guān)鍵作用,其中單回路控制系統(tǒng)和串級控制系統(tǒng)是較為常見的控制方式,深入理解它們的工作原理對于建立有效的SDG故障診斷模型至關(guān)重要。單回路控制系統(tǒng)是一種基本的控制結(jié)構(gòu),主要由控制器、執(zhí)行器、被控對象和檢測元件組成。在原油蒸餾裝置的某一溫度控制回路中,檢測元件(如熱電偶)實時測量被控對象(如加熱爐某段爐管內(nèi)原油)的溫度,并將測量信號反饋給控制器??刂破鲗y量值與設(shè)定值進(jìn)行比較,根據(jù)預(yù)設(shè)的控制算法(如比例-積分-微分,PID算法)計算出控制信號。該控制信號被發(fā)送到執(zhí)行器(如燃料調(diào)節(jié)閥),執(zhí)行器根據(jù)控制信號調(diào)整燃料的流量,從而改變加熱爐的供熱,進(jìn)而調(diào)節(jié)原油的溫度,使其接近設(shè)定值。在這個過程中,控制器是核心部件,它根據(jù)檢測元件反饋的信息,不斷調(diào)整執(zhí)行器的動作,以實現(xiàn)對被控對象的精確控制。執(zhí)行器直接作用于被控對象,改變其輸入條件,從而影響被控對象的輸出。檢測元件則是獲取被控對象狀態(tài)信息的關(guān)鍵,其測量的準(zhǔn)確性直接影響到控制系統(tǒng)的性能。串級控制系統(tǒng)相對更為復(fù)雜,它由主、副兩個控制器和主、副兩個被控對象以及相應(yīng)的檢測元件和執(zhí)行器組成。在原油蒸餾裝置的精餾塔液位與流量串級控制系統(tǒng)中,主控制器的被控變量是精餾塔的液位,主控制器的輸出作為副控制器的設(shè)定值。副控制器的被控變量是進(jìn)料流量,副控制器根據(jù)主控制器的輸出和副檢測元件(如流量傳感器)測量的進(jìn)料流量,計算控制信號,控制執(zhí)行器(如進(jìn)料調(diào)節(jié)閥)的動作,從而調(diào)節(jié)進(jìn)料流量。主檢測元件(如液位計)實時測量精餾塔的液位,并將信號反饋給主控制器。主控制器根據(jù)液位的設(shè)定值和測量值的偏差,調(diào)整輸出,作為副控制器的新設(shè)定值。這種控制方式能夠有效地克服干擾,提高控制質(zhì)量。由于引入了副回路,副回路能夠快速響應(yīng)干擾,對干擾進(jìn)行初步補償,減輕主回路的負(fù)擔(dān)。主回路則根據(jù)主被控變量的偏差,對整個系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整,從而實現(xiàn)更精確的控制。在串級控制系統(tǒng)中,主、副控制器的參數(shù)整定也非常關(guān)鍵。主控制器通常采用比例積分(PI)控制或比例積分微分(PID)控制,以實現(xiàn)對主被控變量的穩(wěn)定控制;副控制器則一般采用比例(P)控制或比例積分(PI)控制,以快速響應(yīng)副被控變量的變化,及時消除干擾。合理整定主、副控制器的參數(shù),能夠使串級控制系統(tǒng)在不同的工況下都保持良好的控制性能。通過對單回路控制系統(tǒng)和串級控制系統(tǒng)工作方式的分析,明確了各組成部分之間的關(guān)系和相互作用,為后續(xù)建立它們的SDG故障診斷模型奠定了基礎(chǔ),有助于更準(zhǔn)確地分析和診斷控制系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的故障。3.3.2單回路控制系統(tǒng)SDG模型單回路控制系統(tǒng)的SDG模型能夠直觀地展示系統(tǒng)中各變量之間的因果關(guān)系,為故障診斷提供有力的支持。以原油蒸餾裝置中加熱爐溫度的單回路控制系統(tǒng)為例,構(gòu)建其SDG模型,該模型圖主要由節(jié)點和支路組成。在這個模型中,設(shè)定值節(jié)點代表溫度的設(shè)定值,它是系統(tǒng)期望達(dá)到的目標(biāo)溫度,是一個固定值或根據(jù)生產(chǎn)工藝要求設(shè)定的變量。測量值節(jié)點通過檢測元件(如熱電偶)獲取加熱爐內(nèi)原油的實際溫度,反映了被控對象的當(dāng)前狀態(tài)。偏差節(jié)點由設(shè)定值與測量值相減得到,它體現(xiàn)了當(dāng)前溫度與設(shè)定值之間的差異,是控制器進(jìn)行控制決策的重要依據(jù)??刂破鞴?jié)點根據(jù)偏差值,按照預(yù)設(shè)的控制算法(如PID算法)計算出控制信號。控制信號節(jié)點將控制器輸出的控制信號傳遞給執(zhí)行器,控制執(zhí)行器的動作。執(zhí)行器節(jié)點(如燃料調(diào)節(jié)閥)根據(jù)控制信號調(diào)整燃料的流量,從而改變加熱爐的供熱,進(jìn)而影響原油的溫度,即被控對象節(jié)點的狀態(tài)。在該SDG模型中,各節(jié)點之間通過有向支路連接,以表示因果關(guān)系。從設(shè)定值節(jié)點到偏差節(jié)點的支路為正向影響支路,因為設(shè)定值的增加會導(dǎo)致偏差的增加(當(dāng)測量值不變時),標(biāo)注“+”符號;從測量值節(jié)點到偏差節(jié)點的支路為負(fù)向影響支路,因為測量值的增加會導(dǎo)致偏差的減?。ó?dāng)設(shè)定值不變時),標(biāo)注“-”符號。從偏差節(jié)點到控制器節(jié)點的支路為正向影響支路,偏差增大,控制器輸出的控制信號也會相應(yīng)變化(根據(jù)控制算法),標(biāo)注“+”符號。從控制器節(jié)點到控制信號節(jié)點的支路為正向影響支路,控制器輸出的控制信號會隨著控制器的計算結(jié)果而變化,標(biāo)注“+”符號。從控制信號節(jié)點到執(zhí)行器節(jié)點的支路為正向影響支路,控制信號的變化會直接導(dǎo)致執(zhí)行器動作的改變,標(biāo)注“+”符號。從執(zhí)行器節(jié)點到被控對象節(jié)點的支路為正向影響支路,執(zhí)行器調(diào)整燃料流量,會使加熱爐供熱改變,從而影響原油溫度,標(biāo)注“+”符號。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,故障會沿著這些有向支路傳播。若執(zhí)行器出現(xiàn)故障,無法正常調(diào)節(jié)燃料流量,執(zhí)行器節(jié)點狀態(tài)變?yōu)楫惓#ㄈ鐦?biāo)記為“-”,表示燃料流量無法按要求增加)。由于執(zhí)行器節(jié)點到被控對象節(jié)點的正向影響支路,被控對象(原油溫度)節(jié)點狀態(tài)也會受到影響而變?yōu)楫惓#ㄈ鐦?biāo)記為“-”,表示原油溫度降低)。通過這種方式,我們可以根據(jù)SDG模型中節(jié)點狀態(tài)的變化和支路的因果關(guān)系,快速定位故障源,并分析故障的傳播路徑。在診斷過程中,還可以結(jié)合實際運行數(shù)據(jù)和先驗知識,對故障進(jìn)行進(jìn)一步的分析和驗證,提高故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性。3.3.3串級控制系統(tǒng)SDG模型串級控制系統(tǒng)的SDG模型相比單回路控制系統(tǒng)更為復(fù)雜,但能更全面地反映系統(tǒng)的運行狀態(tài)和故障傳播路徑。以原油蒸餾裝置中精餾塔液位與流量串級控制系統(tǒng)為例,來構(gòu)建其SDG模型。在這個串級控制系統(tǒng)的SDG模型中,主設(shè)定值節(jié)點代表精餾塔液位的設(shè)定值,是系統(tǒng)期望維持的液位高度。主測量值節(jié)點通過液位計實時獲取精餾塔的實際液位,反映了主被控對象的當(dāng)前狀態(tài)。主偏差節(jié)點由主設(shè)定值與主測量值相減得到,體現(xiàn)了當(dāng)前液位與設(shè)定值之間的差異,是主控制器進(jìn)行控制決策的關(guān)鍵依據(jù)。主控制器節(jié)點根據(jù)主偏差值,按照預(yù)設(shè)的控制算法(如PI或PID算法)計算出輸出信號,這個輸出信號作為副控制器的設(shè)定值,即副設(shè)定值節(jié)點。副測量值節(jié)點通過流量傳感器獲取進(jìn)料流量的實際值,反映了副被控對象的狀態(tài)。副偏差節(jié)點由副設(shè)定值與副測量值相減得到,是副控制器進(jìn)行控制決策的依據(jù)。副控制器節(jié)點根據(jù)副偏差值計算出控制信號,通過控制信號節(jié)點傳遞給執(zhí)行器節(jié)點(如進(jìn)料調(diào)節(jié)閥)。執(zhí)行器節(jié)點根據(jù)控制信號調(diào)整進(jìn)料流量,從而影響精餾塔的液位,即主被控對象節(jié)點的狀態(tài)。在該SDG模型中,各節(jié)點之間通過有向支路連接,以體現(xiàn)復(fù)雜的因果關(guān)系。從主設(shè)定值節(jié)點到主偏差節(jié)點的支路為正向影響支路,標(biāo)注“+”符號;從主測量值節(jié)點到主偏差節(jié)點的支路為負(fù)向影響支路,標(biāo)注“-”符號。從主偏差節(jié)點到主控制器節(jié)點的支路為正向影響支路,標(biāo)注“+”符號。從主控制器節(jié)點到副設(shè)定值節(jié)點的支路為正向影響支路,標(biāo)注“+”符號。從副設(shè)定值節(jié)點到副偏差節(jié)點的支路為正向影響支路,標(biāo)注“+”符號;從副測量值節(jié)點到副偏差節(jié)點的支路為負(fù)向影響支路,標(biāo)注“-”符號。從副偏差節(jié)點到副控制器節(jié)點的支路為正向影響支路,標(biāo)注“+”符號。從副控制器節(jié)點到控制信號節(jié)點的支路為正向影響支路,標(biāo)注“+”符號。從控制信號節(jié)點到執(zhí)行器節(jié)點的支路為正向影響支路,標(biāo)注“+”符號。從執(zhí)行器節(jié)點到主被控對象節(jié)點的支路為正向影響支路,標(biāo)注“+”符號。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時,故障會在這個復(fù)雜的SDG模型中傳播。若副測量值節(jié)點(流量傳感器)出現(xiàn)故障,測量的進(jìn)料流量不準(zhǔn)確,副測量值節(jié)點狀態(tài)變?yōu)楫惓#ㄈ鐦?biāo)記為“+”,表示測量值偏大)。由于副測量值節(jié)點到副偏差節(jié)點的負(fù)向影響支路,副偏差節(jié)點狀態(tài)也會改變(如標(biāo)記為“-”,表示副偏差減?。?。進(jìn)而,副控制器節(jié)點根據(jù)錯誤的副偏差計算出錯誤的控制信號,通過控制信號節(jié)點傳遞給執(zhí)行器節(jié)點,執(zhí)行器根據(jù)錯誤的控制信號調(diào)整進(jìn)料流量,影響精餾塔的液位,導(dǎo)致主被控對象節(jié)點狀態(tài)異常。通過分析SDG模型中各節(jié)點狀態(tài)的變化和支路的因果關(guān)系,我們可以逐步追溯故障源,分析故障的傳播路徑,從而實現(xiàn)對串級控制系統(tǒng)故障的準(zhǔn)確診斷。在實際應(yīng)用中,結(jié)合系統(tǒng)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和先驗知識,能夠進(jìn)一步提高故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性。3.4原油常壓蒸餾SDG故障診斷模型實例3.4.1工藝流程描述原油常壓蒸餾是原油蒸餾裝置的核心環(huán)節(jié)之一,其工藝流程較為復(fù)雜,涉及多個關(guān)鍵設(shè)備和操作步驟,各環(huán)節(jié)緊密相連,對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率有著重要影響。首先,經(jīng)過預(yù)處理的原油從罐區(qū)由原油泵抽出,在一系列換熱器中與常壓塔底重油、常壓側(cè)線產(chǎn)品、減壓側(cè)線產(chǎn)品以及初餾塔頂油氣等進(jìn)行換熱,使原油溫度逐漸升高。這一換熱過程是利用不同物料之間的溫度差進(jìn)行熱量傳遞,以提高能源利用率,降低生產(chǎn)成本。換熱后的原油溫度通常能達(dá)到200-240℃,隨后進(jìn)入初餾塔。初餾塔的主要作用是在較低溫度下初步分離原油中的輕組分。在初餾塔內(nèi),原油在一定的溫度和壓力條件下進(jìn)行分餾,塔頂?shù)玫捷p汽油餾分,經(jīng)冷凝冷卻后,一部分作為塔頂回流,以控制塔頂溫度和保證塔內(nèi)的氣液平衡;另一部分作為產(chǎn)品送出裝置。初餾塔底的拔頭原油,再經(jīng)過與常頂油氣、常一線油、減一線油等進(jìn)一步換熱,使溫度升高到350-370℃,然后進(jìn)入常壓爐。常壓爐是為原油常壓蒸餾提供熱量的關(guān)鍵設(shè)備,它通過燃燒燃料,將拔頭原油加熱到360-370℃,使其達(dá)到適宜的蒸餾溫度。在常壓爐中,燃料與空氣混合燃燒,產(chǎn)生高溫火焰和煙氣,通過輻射和對流的方式將熱量傳遞給爐管內(nèi)的原油。從常壓爐出來的高溫原油進(jìn)入常壓蒸餾塔。常壓蒸餾塔是一個大型的精餾設(shè)備,內(nèi)部設(shè)有多層塔板,一般為36-48塊。在常壓塔內(nèi),原油在重力和溫度梯度的作用下進(jìn)行分餾。塔頂?shù)玫狡宛s分,經(jīng)冷凝冷卻后,一部分作為塔頂回流,一部分作為汽油產(chǎn)品送出裝置。側(cè)線分別采出煤油、輕柴油、重柴油等產(chǎn)品,各側(cè)線產(chǎn)品采出后,先進(jìn)入汽提塔。汽提塔的作用是通過通入水蒸氣或采用再沸器加熱的方式,蒸發(fā)出產(chǎn)品中的輕組分,以保證產(chǎn)品的質(zhì)量,例如控制產(chǎn)品的閃點等指標(biāo)。塔底則得到常壓重油,一部分作為產(chǎn)品送出裝置,另一部分則通過泵輸送至減壓蒸餾系統(tǒng)或其他后續(xù)加工裝置。在整個原油常壓蒸餾過程中,涉及到多個關(guān)鍵操作參數(shù)。溫度是一個至關(guān)重要的參數(shù),原油進(jìn)加熱爐溫度、加熱爐爐膛溫度、各塔板溫度、塔頂溫度、塔底溫度等都需要嚴(yán)格控制。原油進(jìn)加熱爐溫度直接影響原油的預(yù)熱效果和后續(xù)蒸餾過程,若該溫度異常,可能導(dǎo)致原油在加熱爐內(nèi)加熱不均勻,進(jìn)而影響蒸餾產(chǎn)品的質(zhì)量。加熱爐爐膛溫度過高可能引發(fā)爐管結(jié)焦、損壞等問題,而過低則無法滿足原油蒸餾所需的熱量。各塔板溫度反映了塔內(nèi)氣液傳質(zhì)過程的狀態(tài),不同塔板溫度的變化能指示出塔板的工作效率和產(chǎn)品的分離效果。壓力參數(shù)同樣重要,包括原油進(jìn)泵壓力、泵出口壓力、各塔的塔頂壓力、塔底壓力以及塔板間壓力等。原油進(jìn)泵壓力若不穩(wěn)定,可能導(dǎo)致泵的工作異常,影響原油的輸送量。塔頂壓力和塔底壓力的變化會影響塔內(nèi)的氣液平衡,進(jìn)而影響產(chǎn)品的組成和質(zhì)量。塔板間壓力的分布可以反映塔板的堵塞情況,若某塔板間壓力異常升高,可能意味著該塔板存在結(jié)垢或堵塞問題。流量參數(shù)也不容忽視,如原油進(jìn)料流量、各塔的回流流量、塔頂采出流量、塔底采出流量、加熱爐燃料流量等。原油進(jìn)料流量的波動會直接影響蒸餾塔的負(fù)荷和產(chǎn)品的產(chǎn)量。回流流量的大小則對塔頂產(chǎn)品的純度和塔內(nèi)的傳質(zhì)效率有重要影響,合適的回流流量能夠保證塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量符合要求。加熱爐燃料流量的變化決定了加熱爐提供的熱量,從而影響原油的加熱效果和蒸餾過程。液位參數(shù)用于監(jiān)測裝置中各容器內(nèi)液體的高度,如初餾塔液位、常壓塔液位、減壓塔液位、各塔底儲罐液位等。液位過高可能導(dǎo)致液體溢出,引發(fā)安全事故;液位過低則可能使泵抽空,影響裝置的正常運行。因此,準(zhǔn)確監(jiān)測和控制液位對于保證裝置的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。這些操作參數(shù)相互關(guān)聯(lián)、相互影響,任何一個參數(shù)的異常都可能引發(fā)整個工藝流程的波動,甚至導(dǎo)致故障的發(fā)生。因此,對這些參數(shù)的精確控制和實時監(jiān)測是確保原油常壓蒸餾裝置穩(wěn)定運行和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。3.4.2SDG故障診斷模型建立根據(jù)原油常壓蒸餾的工藝流程,構(gòu)建其SDG故障診斷模型。在確定節(jié)點時,全面涵蓋了裝置中的關(guān)鍵變量和設(shè)備狀態(tài)。原油進(jìn)泵壓力、泵出口壓力、加熱爐燃料流量、各塔板溫度、塔頂溫度、塔底溫度、原油進(jìn)料流量、各塔的回流流量、塔頂采出流量、塔底采出流量、初餾塔液位、常壓塔液位等都被確定為節(jié)點。原油進(jìn)泵壓力節(jié)點用于監(jiān)測原油進(jìn)入泵時的壓力,其壓力變化會直接影響泵的運行狀態(tài)和原油的輸送量。加熱爐燃料流量節(jié)點則反映了加熱爐提供熱量的多少,對原油的加熱效果和蒸餾過程起著關(guān)鍵作用。根據(jù)變量之間的因果關(guān)系確定支路。加熱爐燃料流量與原油加熱溫度之間存在正向影響支路,因為燃料流量增加,會使加熱爐提供的熱量增多,從而導(dǎo)致原油加熱溫度升高,在SDG模型中,從加熱爐燃料流量節(jié)點引出一條有向邊指向原油加熱溫度節(jié)點,并標(biāo)注“+”符號。原油進(jìn)料流量與蒸餾塔液位之間存在正向影響支路,當(dāng)原油進(jìn)料流量增加時,蒸餾塔液位會上升,從原油進(jìn)料流量節(jié)點引出有向邊指向蒸餾塔液位節(jié)點,并標(biāo)注“+”符號。塔頂溫度與塔頂產(chǎn)品質(zhì)量之間存在因果關(guān)系,塔頂溫度過高或過低都可能導(dǎo)致塔頂產(chǎn)品質(zhì)量不合格。若塔頂溫度升高,塔頂產(chǎn)品中重組分含量可能增加,質(zhì)量下降,從塔頂溫度節(jié)點引出有向邊指向塔頂產(chǎn)品質(zhì)量節(jié)點,并根據(jù)實際影響關(guān)系標(biāo)注“+”或“-”符號。在該SDG模型中,各節(jié)點和支路共同構(gòu)成了一個完整的網(wǎng)絡(luò),能夠直觀地展示原油常壓蒸餾裝置中各變量之間的因果關(guān)系。通過對節(jié)點狀態(tài)的監(jiān)測和分析,以及對支路因果關(guān)系的推理,可以及時發(fā)現(xiàn)裝置運行中的異常情況,并追溯故障源。當(dāng)監(jiān)測到塔頂溫度節(jié)點狀態(tài)為“+”(即溫度過高)時,根據(jù)SDG模型中的支路關(guān)系,可以沿著有向邊逆向搜索,檢查與塔頂溫度相關(guān)的節(jié)點,如加熱爐燃料流量節(jié)點、回流流量節(jié)點等,判斷這些節(jié)點的狀態(tài)是否異常,從而找出導(dǎo)致塔頂溫度過高的原因,可能是加熱爐燃料流量過大,或者回流流量過小等。這個SDG故障診斷模型為原油常壓蒸餾裝置的故障診斷提供了一個有效的工具,能夠幫助操作人員快速準(zhǔn)確地判斷故障原因,采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理,保障裝置的安全穩(wěn)定運行。3.4.3閾值設(shè)定方法與依據(jù)在原油常壓蒸餾SDG故障診斷模型中,閾值的設(shè)定對于準(zhǔn)確判斷節(jié)點狀態(tài)和故障診斷至關(guān)重要,其設(shè)定方法綜合考慮了歷史數(shù)據(jù)、工藝要求和設(shè)備性能等多方面因素。歷史數(shù)據(jù)是閾值設(shè)定的重要依據(jù)之一。通過收集和分析原油常壓蒸餾裝置長期運行的歷史數(shù)據(jù),統(tǒng)計各節(jié)點變量在正常運行狀態(tài)下的波動范圍。對于原油進(jìn)加熱爐溫度節(jié)點,收集過去一年的運行數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)其在正常工況下的溫度范圍為280-320℃,基于此,可以初步將該節(jié)點的正常閾值范圍設(shè)定為270-330℃,當(dāng)溫度超出這個范圍時,節(jié)點狀態(tài)標(biāo)記為“+”或“-”。這樣的閾值設(shè)定能夠充分反映裝置在實際運行中的正常變化情況,避免因正常波動而產(chǎn)生誤判。工藝要求也是設(shè)定閾值的關(guān)鍵因素。原油常壓蒸餾的工藝流程對各節(jié)點變量有明確的工藝指標(biāo)要求。在常壓塔中,塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量對塔頂溫度有嚴(yán)格的要求,根據(jù)工藝要求,塔頂溫度應(yīng)控制在100-120℃,以保證塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)。因此,將塔頂溫度節(jié)點的閾值設(shè)定為95-125℃,當(dāng)溫度超出這個范圍時,可能會影響塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量,需要引起關(guān)注。如果塔頂溫度超過125℃,可能導(dǎo)致塔頂產(chǎn)品中重組分含量增加,產(chǎn)品質(zhì)量下降;若低于95℃,則可能使塔頂產(chǎn)品中輕組分含量過高,同樣影響產(chǎn)品質(zhì)量。設(shè)備性能也在閾值設(shè)定中起著重要作用。不同的設(shè)備具有不同的性能參數(shù)和工作范圍。加熱爐的設(shè)計溫度范圍、泵的額定壓力等都會影響節(jié)點閾值的設(shè)定。對于加熱爐爐膛溫度節(jié)點,根據(jù)加熱爐的設(shè)計參數(shù)和安全運行要求,將其閾值設(shè)定為800-900℃。若爐膛溫度超過900℃,可能會對爐管造成損壞,影響加熱爐的使用壽命和安全性;若低于800℃,則無法滿足原油蒸餾所需的熱量,影響蒸餾效果。合理的閾值設(shè)定對故障診斷的準(zhǔn)確性有著顯著影響。如果閾值設(shè)定過于寬松,可能會導(dǎo)致一些潛在的故障無法及時被檢測到。若將原油進(jìn)泵壓力節(jié)點的閾值設(shè)定得過寬,當(dāng)壓力出現(xiàn)輕微異常但仍在寬松的閾值范圍內(nèi)時,系統(tǒng)可能不會發(fā)出警報,但這種輕微異常可能會逐漸發(fā)展成嚴(yán)重故障,影響泵的正常運行和原油的輸送。相反,如果閾值設(shè)定過于嚴(yán)格,可能會出現(xiàn)頻繁的誤報警,給操作人員帶來不必要的困擾,同時也可能會掩蓋真正的故障信息。若將某塔板溫度節(jié)點的閾值設(shè)定得過嚴(yán),由于測量誤差或正常的工藝波動,該節(jié)點可能經(jīng)常被標(biāo)記為異常狀態(tài),導(dǎo)致操作人員對報警信息產(chǎn)生麻木,而當(dāng)真正的故障發(fā)生時,卻無法及時引起重視。因此,在設(shè)定閾值時,需要綜合考慮多方面因素,在保證能夠及時準(zhǔn)確地檢測到故障的同時,盡量減少誤報警的發(fā)生,為原油常壓蒸餾裝置的故障診斷提供可靠的判斷依據(jù)。四、基于模糊SDG的故障診斷推理與應(yīng)用4.1模糊推理在SDG故障診斷中的應(yīng)用基礎(chǔ)4.1.1模糊推理基本概念在故障診斷領(lǐng)域,傳統(tǒng)的基于精確數(shù)學(xué)模型和二值邏輯的方法在處理不確定性問題時存在一定的局限性。而模糊推理的出現(xiàn),為解決這些問題提供了新的思路。模糊推理以模糊集合論為基礎(chǔ),對數(shù)理邏輯進(jìn)行了擴展,能夠處理模糊和不確定的信息,在人工智能技術(shù)開發(fā)中具有重大意義。模糊子集是模糊推理的基礎(chǔ)概念之一。在經(jīng)典集合論中,元素對于集合的隸屬關(guān)系是明確的,要么屬于,要么不屬于。但在現(xiàn)實世界中,許多概念的邊界是模糊的。在判斷原油蒸餾裝置中加熱爐的運行狀態(tài)時,對于“加熱爐溫度過高”這個概念,很難用一個精確的溫度值來界定。此時,模糊子集就派上了用場。模糊子集允許元素以一定的隸屬度屬于某個集合,隸屬度的取值范圍在0到1之間。假設(shè)加熱爐正常運行的溫度范圍是800-900℃,當(dāng)溫度為920℃時,我們可以說它對于“溫度過高”這個模糊子集的隸屬度為0.7;當(dāng)溫度為950℃時,隸屬度可能為0.9。通過這種方式,模糊子集能夠更準(zhǔn)確地描述現(xiàn)實世界中模糊概念的不確定性。模糊關(guān)系則用于描述不同模糊子集之間的關(guān)聯(lián)程度。在原油蒸餾裝置中,加熱爐燃料流量與原油加熱溫度之間存在著密切的關(guān)系。利用模糊關(guān)系,可以更細(xì)致地刻畫這種關(guān)系。我們可以定義一個模糊關(guān)系,表示燃料流量增加時,原油加熱溫度升高的程度。當(dāng)燃料流量增加的隸屬度為0.8時,原油加熱溫度升高的隸屬度可能為0.75,這表明兩者之間存在較強的正相關(guān)關(guān)系。通過模糊關(guān)系,我們能夠更準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)中變量之間的復(fù)雜關(guān)聯(lián),為故障診斷提供更豐富的信息。模糊推理是從不精確的前提集合中得出可能的不精確結(jié)論的推理過程,又稱近似推理。在原油蒸餾裝置故障診斷中,模糊推理能夠根據(jù)模糊的前提條件,如“原油進(jìn)料流量稍大”“塔頂溫度略高”等模糊信息,運用模糊邏輯和推理規(guī)則,推斷出可能的故障原因,如“回流比可能過小”“塔板效率可能下降”等模糊結(jié)論。模糊推理的過程通?;谀:?guī)則,這些規(guī)則是根據(jù)領(lǐng)域?qū)<业慕?jīng)驗和知識總結(jié)而來的。“如果原油進(jìn)料流量過大且塔頂溫度過高,那么可能是回流比過小”,這就是一條典型的模糊規(guī)則。在推理過程中,通過對前提條件的模糊匹配和推理規(guī)則的應(yīng)用,得出相應(yīng)的模糊結(jié)論。模糊性在處理故障診斷不確定性方面發(fā)揮著重要作用。原油蒸餾裝置是一個復(fù)雜的系統(tǒng),受到多種因素的影響,存在著大量的不確定性。測量誤差、環(huán)境干擾、設(shè)備老化等因素都可能導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)的不確定性。而且,故障與征兆之間的關(guān)系也并非總是明確的,往往存在模糊性。傳統(tǒng)的故障診斷方法難以有效地處理這些不確定性,而模糊推理能夠充分考慮這些模糊和不確定因素,通過模糊集合、模糊關(guān)系和模糊推理規(guī)則,對故障進(jìn)行更準(zhǔn)確的診斷和分析。在面對測量數(shù)據(jù)存在一定誤差的情況下,模糊推理可以根據(jù)數(shù)據(jù)的模糊隸屬度,綜合考慮多種可能性,得出更合理的故障診斷結(jié)論。它能夠在不確定性的環(huán)境中,提供更靈活、更符合實際情況的故障診斷方案,提高故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性。4.1.2模糊SDG模型定義與樣本為了更準(zhǔn)確地描述原油蒸餾裝置的故障狀態(tài)和因果關(guān)系,引入模糊SDG模型。模糊SDG模型在傳統(tǒng)SDG模型的基礎(chǔ)上,融入了模糊邏輯,使得模型能夠更好地處理不確定性信息。在模糊SDG模型中,節(jié)點被賦予了模糊屬性,即節(jié)點狀態(tài)用模糊值來表示,而非傳統(tǒng)的“+”“-”“0”。節(jié)點狀態(tài)的模糊值通過隸屬度函數(shù)來確定,該函數(shù)描述了節(jié)點變量屬于某個模糊狀態(tài)的程度。在原油蒸餾裝置中,對于常壓塔塔頂溫度節(jié)點,我們可以定義三個模糊狀態(tài):“溫度過低”“溫度正常”“溫度過高”,并分別為它們定義相應(yīng)的隸屬度函數(shù)。當(dāng)實際塔頂溫度為115℃時,根據(jù)隸屬度函數(shù)計算,它對于“溫度正?!钡碾`屬度可能為0.8,對于“溫度過高”的隸屬度為0.2,對于“溫度過低”的隸屬度為0。模糊支路同樣具有模糊屬性,其因果強度用模糊關(guān)系來表示。模糊關(guān)系反映了原因節(jié)點狀態(tài)變化對結(jié)果節(jié)點狀態(tài)變化的影響程度。在原油蒸餾裝置中,加熱爐燃料流量與原油加熱溫度之間的支路,其模糊關(guān)系可以表示為:當(dāng)燃料流量增加時,原油加熱溫度升高的程度。假設(shè)燃料流量增加的隸屬度為0.7時,原油加熱溫度升高的隸屬度為0.65,這表明兩者之間存在較強的正相關(guān)模糊關(guān)系。模糊閾值的設(shè)定在模糊SDG模型中也至關(guān)重要,它用于判斷節(jié)點狀態(tài)是否異常。與傳統(tǒng)SDG模型中固定的閾值不同,模糊閾值是一個模糊區(qū)間,能夠更靈活地適應(yīng)實際情況的不確定性。對于原油進(jìn)泵壓力節(jié)點,我們可以設(shè)定一個模糊閾值區(qū)間,如[0.4MPa,0.6MPa],當(dāng)實際壓力值在這個區(qū)間內(nèi)時,節(jié)點狀態(tài)被認(rèn)為是正常的,但具有一定的模糊性。如果壓力值為0.35MPa,根據(jù)隸屬度函數(shù),它對于“壓力過低”的隸屬度可能為0.6,這表明壓力有一定程度的偏低,但并非絕對的異常。模糊SDG模型樣本的表示和獲取方法對于模型的應(yīng)用至關(guān)重要。樣本可以通過對原油蒸餾裝置的實際運行數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析得到。在收集數(shù)據(jù)時,同時記錄各個節(jié)點的實際測量值以及對應(yīng)的工況信息。然后,根據(jù)模糊SDG模型的定義,將這些實際數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模糊樣本。通過一段時間的監(jiān)測,獲取了一組原油蒸餾裝置的運行數(shù)據(jù),包括加熱爐燃料流量、原油加熱溫度、塔頂溫度、回流比等節(jié)點的測量值。根據(jù)預(yù)先定義的隸屬度函數(shù)和模糊關(guān)系,將這些測量值轉(zhuǎn)化為模糊樣本,用于后續(xù)的故障診斷分析。模糊SDG模型通過引入模糊節(jié)點、模糊支路和模糊閾值,能夠更準(zhǔn)確地描述原油蒸餾裝置中的不確定性和模糊性,為故障診斷提供了更有效的工具。通過合理獲取和利用模糊SDG模型樣本,可以提高故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性,更好地保障原油蒸餾裝置的安全穩(wěn)定運行。4.1.3模糊擴展節(jié)點與樣本在原油蒸餾裝置的故障診斷中,為了更全面地描述復(fù)雜故障情況,引入模糊擴展節(jié)點的概念。模糊擴展節(jié)點是對傳統(tǒng)SDG模型節(jié)點的進(jìn)一步拓展,它能夠處理多個節(jié)點之間的復(fù)雜關(guān)系,以及故障傳播過程中的不確定性。模糊擴展節(jié)點的定義基于多個基本節(jié)點的組合和模糊邏輯運算。在原油蒸餾裝置中,當(dāng)出現(xiàn)多個設(shè)備或變量同時異常,且它們之間存在相互影響時,模糊擴展節(jié)點可以有效地描述這種復(fù)雜情況。假設(shè)加熱爐的燃料供應(yīng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障,同時原油進(jìn)料泵也出現(xiàn)異常,這兩個故障可能相互影響,導(dǎo)致原油加熱溫度和進(jìn)料流量都出現(xiàn)異常。此時,可以定義一個模糊擴展節(jié)點,它綜合考慮燃料供應(yīng)節(jié)點、原油進(jìn)料泵節(jié)點、原油加熱溫度節(jié)點和進(jìn)料流量節(jié)點等多個基本節(jié)點的狀態(tài),通過模糊邏輯運算來確定其自身的狀態(tài)。模糊擴展節(jié)點的計算方法通常涉及模糊集合的運算和模糊推理。在確定模糊擴展節(jié)點的狀態(tài)時,需要根據(jù)各個基本節(jié)點的模糊狀態(tài),以及它們之間的模糊關(guān)系,運用模糊邏輯規(guī)則進(jìn)行推理和計算。如果燃料供應(yīng)節(jié)點的狀態(tài)為“燃料流量過低”,隸屬度為0.8;原油進(jìn)料泵節(jié)點的狀態(tài)為“泵故障”,隸屬度為0.7。根據(jù)預(yù)先定義的模糊關(guān)系和推理規(guī)則,通過模糊“與”運算等操作,可以計算出模糊擴展節(jié)點對于“系統(tǒng)嚴(yán)重故障”的隸屬度,假設(shè)為0.65。模糊擴展樣本是與模糊擴展節(jié)點相對應(yīng)的樣本數(shù)據(jù),它包含了多個基本節(jié)點的信息以及模糊擴展節(jié)點的狀態(tài)。模糊擴展樣本的生成需要對實際運行數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的分析和處理。在收集原油蒸餾裝置的運行數(shù)據(jù)時,不僅要記錄各個基本節(jié)點的測量值,還要關(guān)注它們之間的相互關(guān)系和變化趨勢。通過對一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,當(dāng)發(fā)現(xiàn)多個基本節(jié)點同時出現(xiàn)異常時,根據(jù)模糊擴展節(jié)點的定義和計算方法,生成相應(yīng)的模糊擴展樣本。在實際應(yīng)用中,模糊擴展樣本能夠為故障診斷提供更豐富的信息,幫助診斷人員更全面地了解故障情況。當(dāng)出現(xiàn)復(fù)雜故障時,通過分析模糊擴展樣本,可以快速定位故障源,確定故障的傳播路徑和影響范圍。在上述加熱爐和原油進(jìn)料泵同時出現(xiàn)故障的案例中,通過分析模糊擴展樣本,可以明確故障是由燃料供應(yīng)問題和進(jìn)料泵故障共同引起的,并且了解到它們對原油加熱溫度和進(jìn)料流量的具體影響程度,從而采取更有針對性的故障處理措施。模糊擴展節(jié)點和模糊擴展樣本的引入,豐富了模糊SDG模型的表達(dá)能力,使其能夠更好地處理原油蒸餾裝置中的復(fù)雜故障情況,提高了故障診斷的準(zhǔn)確性和全面性,為保障原油蒸餾裝置的安全穩(wěn)定運行提供了更有力的支持。4.2模糊SDG故障診斷推理算法4.2.1基于模糊模式識別的故障診斷方法基于模糊模式識別的故障診斷方法是一種有效的故障診斷手段,其核心原理是依據(jù)模糊模式識別原理,通過計算故障模式與觀測樣本之間的相似度來實現(xiàn)故障診斷。這種方法在處理原油蒸餾裝置這類復(fù)雜系統(tǒng)的故障診斷時,具有獨特的優(yōu)勢,能夠充分考慮到系統(tǒng)中存在的模糊性和不確定性。在該方法中,故障模式庫的構(gòu)建是基礎(chǔ)且關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。故障模式庫是通過對原油蒸餾裝置的歷史故障數(shù)據(jù)、運行經(jīng)驗以及專家知識的深入分析和總結(jié)而建立的。在收集歷史故障數(shù)據(jù)時,不僅要記錄故障發(fā)生時的各種參數(shù)值,如溫度、壓力、流量等,還要詳細(xì)記錄故障的現(xiàn)象、處理措施以及最終的診斷結(jié)果。通過對大量歷史故障數(shù)據(jù)的分析,提取出不同故障類型的特征模式,并將這些特征模式用模糊集合的形式表示出來,存入故障模式庫。對于原油蒸餾裝置中常見的加熱爐故障,可能存在多種故障模式,如燃料供應(yīng)不足導(dǎo)致的加熱溫度過低、爐管結(jié)垢導(dǎo)致的傳熱效率下降等。針對燃料供應(yīng)不足的故障模式,我們可以將加熱爐燃料流量、原油加熱溫度、爐膛溫度等參數(shù)的異常狀態(tài)用模糊集合表示,如“燃料流量極低”“原油加熱溫度過低”“爐膛溫度偏低”等模糊狀態(tài),這些模糊狀態(tài)構(gòu)成了該故障模式的特征向量。對于每一個故障模式,都可以用一個模糊向量來表示。假設(shè)一個故障模式有n個特征參數(shù),那么該故障模式的模糊向量可以表示為\mathbf{A}_i=(a_{i1},a_{i2},\cdots,a_{in}),其中a_{ij}表示第i個故障模式中第j個特征參數(shù)的模糊隸屬度,取值范圍在0到1之間。隸屬度的確定通常根據(jù)領(lǐng)域?qū)<业慕?jīng)驗和實際運行數(shù)據(jù),通過建立合適的隸屬度函數(shù)來計算。對于加熱爐燃料流量這個特征參數(shù),當(dāng)實際流量比正常流量低30\%時,根據(jù)預(yù)先建立的隸屬度函數(shù),其對于“燃料流量極低”這個模糊狀態(tài)的隸屬度可能被確定為0.8。當(dāng)獲取到原油蒸餾裝置的實時觀測樣本后,同樣將其表示為一個模糊向量\mathbf{B}=(b_1,b_2,\cdots,b_n),其中b_j表示觀測樣本中第j個特征參數(shù)的模糊隸屬度。然后,采用合適的相似度計算方法,計算觀測樣本與故障模式庫中各個故障模式的相似度。常用的相似度計算方法有余弦相似度、歐氏距離等。以余弦相似度為例,觀測樣本\m

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