化工仪表与工艺安全课件

化工仪表与工艺安全课件第一章化工仪表与自动化基础概述化工自动化的重要性化工生产的复杂性与安全风险自动化仪表在过程控制中的核心作用化工生产过程涉及高温、高压、易燃易爆等极端条件物料反应机理复杂操作参数,,众多且相互关联任何微小的偏差都可能导致产品质量问题甚至引发重大安全事,故人工操作难以实时准确地监控和调节所有关键参数存在响应滞后、判断失误,等风险控制系统基本组成传感器控制器执行器作为系统的感官传感器将温度、压力、流控制器是系统的大脑接收传感器信号后根执行器是系统的手脚接受控制器指令后调,,,,量等物理量转换为可处理的电信号实现对工据预设算法如控制计算偏差输出控制指节阀门开度、泵转速等直接作用于工艺过程,PID,,艺过程的实时感知常见类型包括热电偶、令现代控制器具备数据处理、逻辑运算和气动调节阀和变频电机是典型代表压力变送器、电磁流量计等通信功能传递函数与系统动态响应简介过程控制系统分类开环控制系统系统输出不反馈到输入端控制精度依赖于系统模型准确性结构简单、成本低但抗,,干扰能力弱适用于精度要求不高的场合如定时控制、顺序控制等,,闭环控制系统通过反馈机制将输出信号与设定值比较形成偏差信号驱动控制器调节具有自动纠偏,能力控制精度高是化工过程控制的主流方式能有效应对工艺扰动和模型不确定性,,,分散控制系统可编程逻辑控制器DCS PLC采用分散控制、集中监视的理念将控DCS,制功能分散到现场控制站通过高速网络实,现数据共享和协调控制具有高可靠性、易扩展、操作直观等优势广泛应用于大型,化工装置第二章化工仪表检测技术常用测量参数与仪表温度测量压力测量流量测量液位测量热电偶利用热电效应测量范围广压力变送器将压力信号转换为标准电磁流量计基于法拉第电磁感应适浮球式结构简单成本低差压式利用,-,,;热电阻基于金属电阻电信号应变式利用弹性合导电液体涡街流量计利用卡门涡液柱压力适合密闭容器雷达超声200~1800℃;4-20mA;,;/温度系数精度高±非接触式元件变形精度高电容式适合微压测街原理适用范围广质量流量计直接波非接触测量不受介质影响磁致伸,

0.1℃;,;,;,;红外测温适用于高温或运动物体量扩散硅具有良好稳定性需关注测量质量流量不受密度影响选型缩精度高适合高粘度介质需根据;,,选型需考虑测量范围、精度、响应量程、耐腐蚀性和防爆等级考虑介质特性、精度要求和压损容器特点和介质性质选择速度和介质特性仪表性能指标软测量技术简介软测量的定义软测量是一种基于数学模型和辅助变量推算难以在线测量参Soft Sensor数的技术当某些关键质量指标如产品浓度、分子量分布难以直接测量或仪表成本高昂时通过建立与易测变量温度、压力、流量之间的数学关,系模型实现间接测量,0102应用场景分析模型建立方法模型维护更新精馏塔塔顶产品纯度、聚合反应器中聚合物分子量、发酵过程机理建模基于物理化学原理精度高但建模复杂数据驱动建模,;中细胞浓度等难测参数的在线估算神经网络、支持向量机依赖历史数据适应性强,安全仪表系统SIS安全仪表系统的功能与设计原则是专门设计用于预防或减轻工艺事故后果的独立保护系统与基本过程控制系统SIS,相互独立当工艺参数超出安全限值时自动启动保护动作如关闭进料阀、启BPCS,SIS,动应急冷却、释放压力等将装置置于安全状态设计遵循标准强调独立性、,IEC61511,可靠性和可测试性原则传感器子系统逻辑控制器采用高可靠性传感器通常配置冗余采用安全或专用安全控制器执行,PLC,、实时监测关键安全参数安全逻辑运算实现故障诊断和安全联1oo22oo3,,,如高压、高温、有毒气体浓度等确保锁功能设计满足安全完整性等,SIL异常状态及时检出级要求通常达到或,SIL2SIL3执行器子系统关键执行元件如安全切断阀、泄放阀采用故障安全设计失电或失气时自动动作到,安全位置确保最后防线的可靠性,第三章执行机构与智能电动执行器执行器是控制系统的最终执行环节直接影响控制效果和系统稳定性本章介绍各类执,行器的工作原理、性能特点重点讲解智能电动执行器的技术优势以及执行器选型、安,,装与维护的工程实践经验执行器分类与工作原理气动执行器电动执行器液压执行器工作原理利用压缩空气推动活塞或膜片驱动阀杆运动工作原理电机通过减速机构驱动阀杆配备位置反馈和控制电路工作原理液压油通过液压缸产生推力驱动阀门或机械装置::,:,优势本质安全防爆、响应快速、结构简单、成本低优势输出力矩大、适合重载、响应特性好::优势定位精度高、控制精细、维护简单、无需气源劣势需配套气源系统定位精度相对较低维护需求较高劣势系统复杂、成本高、维护要求高、易泄漏::,,:劣势响应速度相对较慢需考虑防爆设计和电源保障应用防爆区域、快速切断场合如进料控制、安全切断阀应用大型阀门、高压差场合、特殊工艺要求:,:,:应用精确调节场合、远距离控制、大口径阀门驱动:智能电动执行机构的优势与应用智能电动执行器集成了微处理器、传感器和通信模块具备自诊断、参数设定、远程监控等功能通过现场总线或工业以太,网与控制系统通信实现状态监测、故障预警和预防性维护先进的控制算法自适应、摩擦补偿显著提升控制精度和响,PID应速度阀位反馈精度可达±广泛应用于精细化工、制药等对控制精度要求高的领域,

0.5%执行器的选型与安装注意事项选型关键因素负载特性匹配响应速度要求环境与安全条件根据阀门类型球阀、蝶阀、闸阀、口径大小快速过程如压力控制需选择响应快的气动执防爆区域需选用防爆型执行器明确防爆等级,和介质压差计算所需输出力矩选择合适规格行器慢过程如温度控制可选电动执行器全等腐蚀性环境选择耐腐蚀材质户,;ExdⅡBT4;;的执行器需留有余量应对老化和意行程时间需与工艺动态特性匹配避免振荡或外安装需考虑防护等级以上和环境温度20-30%,IP65外工况确保可靠动作超调范围,安装与维护要点安装要求确保执行器与阀门同轴度紧固螺栓按规定力矩拧紧气源管路无泄漏过滤减压阀设置正确电气接线符合规范接地良好调试步骤手动操作验证阀门开关灵活:,;,;,:,检查限位开关动作准确自动模式下测试全行程时间和定位精度维护要点定期检查气源压力、润滑状态和密封情况清理过滤器检查电气连接记录动作次数预防性更换;:;,;,易损件利用智能诊断功能及时发现异常;第四章数字控制器与调节器数字调节器是现代控制系统的核心组件相比传统模拟调节器具有精度高、功能强、易,,维护等优势本章系统讲解控制原理、数字调节器特性、参数整定方法以及可编程PID,调节器在工程中的实际应用数字调节器的工作原理控制基础PID控制是工业控制中应用最广泛的控制算法由比例、积分、微分三个环节组成比例作用提供即时响应作用强度与偏差成正比但存在稳态误差积分作用消除稳态误差但可能引起超调和振荡微分作用预测偏差变化趋势提前调节改善动态性能三者协同作用实现快速、稳定、准PID,P ID,,;,;,,确的控制效果控制输出比例P三者合成最终控制量提供即时响应控制算法PID微分积分D I预测误差变化趋势消除稳态误差数字调节器的特点与外特性可编程调节器应用参数设定与调试技巧0102基础参数配置参数初始整定PID输入信号类型与量程设置确保与传感器匹配设定值范围和工程单位定义控制输出类型选择正作用根据对象特性选择整定方法响应曲线法适合开环稳定对象临界比例度法快速但可能引起振荡经验,;;:;;反作用报警限值和联锁逻辑配置法则提供初值现场微调观察系统响应/;P=1/K,I=T,D=T/40304高级功能启用性能优化验证自整定功能自动识别对象特性并计算最优参数分段在不同工况采用不同参数组前馈补偿抵消可阶跃响应测试检验超调量、调节时间和稳态误差扰动试验验证抗干扰能力长期运行监测控制质量;PID;;;测扰动软启动功能防止启动冲击指标、必要时微调参数达到最优性能;IAE ISE;现代调节器的网络通讯功能现代可编程调节器内置通信接口支持、、等工业通信协议可方便地集成到、系统中通过上位机软件实现远程参数设定、实时数据监控、历史趋,Modbus RTU/TCP ProfibusDP EtherNet/IP,DCS SCADA势查询和报警管理分布式架构提高系统可靠性降低接线复杂度支持预防性维护和远程诊断显著提升运维效率网络化还为大数据分析和智能优化提供基础推动控制系统向数字化、智能化方向发展,,,,第五章计算机控制系统与工业网络技术计算机技术与网络技术的发展深刻改变了工业控制系统的架构本章介绍和系DCS PLC统的组成与功能探讨现场总线和工业以太网技术展现工业控制系统网络化、集成化、,,智能化的发展趋势工业控制计算机与系统DCS系统结构与功能模块DCS分散控制系统采用多层递阶结构实现控制功能分散、操作监视集中其典型架构包括DCS,:管理信息层操作监控层历史数据服务器存储过程数据和事件记录支现场控制层,操作员站提供人机交互界面实时显示工艺流持长期趋势分析生产管理系统接口实现与,现场控制站直接连接传感器和执行器执程、参数趋势和报警信息工程师站用于系、系统集成支持生产调度和优化决FCS,ERP MES,行实时控制算法每个控制站独立运行相互统组态、参数配置和维护诊断支持多工作策,不干扰提高系统可靠性采用冗余配置确保站协同操作,控制连续性与的协同工作PLC DCS擅长大规模连续过程控制具有丰富的过程控制算法和优秀的人机界通过工业以太网或接口实现数据交换构建统一的监控平台这种混合DCS,OPC,面专长于逻辑控制和顺序控制编程灵活、响应快速现代化工装置中架构充分发挥各自优势既保证核心工艺的控制质量又提高整体系统的灵活;PLC,,,,两者常协同工作负责主要工艺过程的闭环控制和优化承担辅助系性和可扩展性是当前大型化工企业的主流选择:DCS,PLC,统公用工程、包装线的控制和联锁保护现场总线与工业以太网现场总线技术简介现场总线是连接现场智能设备与控制系统的数字化通信网络替代传统的模拟信号和大量电缆设备间通过总线进行双向数字通信传输测量值、,4-20mA,控制指令、诊断信息和组态参数Profibus FoundationFieldbus Modbus欧洲主流现场总线分为过程自动化和国际标准定义的开放式现场总线应用最广泛的工业通信协议简单易用免费,PAIEC61158,,分散外设两个版本支持本质安全防爆低速网络用于过程控制开放基于物理DP,H

131.25Kbps,HSE ModbusRTU RS485广泛应用于化工、制药行业通信速率高速以太网用于主干网络支持功能块应用层运行在以太网上适合设备,,Modbus TCP最多个节点实现控制功能下放到现场设备间点对点通信和简单监控系统

9.6Kbps-12Mbps,127工业以太网的优势与应用案例工业以太网基于标准以太网技术针对工业环境进行增强具有高带宽、远距离传输、无缝集成网络等优势、、,,100Mbps-10Gbps ITProfinet EtherNet/IP等工业以太网协议满足实时性和确定性要求应用案例某大型炼化企业采用工业以太网构建全厂自动化网络整合、、、资产管理EtherCAT:,DCS PLCSIS系统实现数据共享和协同优化通过冗余环网设计网络可用性达支撑智能工厂建设和数字化转型,,

99.99%,第六章简单与复杂控制系统设计控制系统设计是自动化工程的核心环节需要综合考虑工艺特性、控制目标和经济性,本章从简单单回路控制出发逐步深入到串级、前馈等复杂控制策略提供系统化的设计,,思路和实用的整定方法简单控制系统设计与整定控制回路设计流程确定控制目标对象特性分析明确被控变量温度、压力、流量、液位、成分等和设定值要求分析允许的偏差范围和通过阶跃响应试验或历史数据分析确定对象的增益、时间常数、纯滞后等特性参数,,动态性能指标调节时间、超调量识别主要干扰源及其作用点选择控制方案参数整定优化根据对象特性选择合适的控制结构简单反馈、串级、前馈等确定测量点、控制点位采用合适的整定方法计算参数初值现场调试观察响应曲线逐步优化至满足性能指:PID,,置选择仪表和执行器规格标记录最终参数并验证,参数整定方法PID经验法临界比例度法响应曲线法先整定使系统产生衰减振荡再加入消除稳态误差最后将控制器设为纯比例作用逐步减小比例度直至系统产生通过阶跃响应试验获得对象特性曲线提取增益、时间常数、P,;I;,,加入改善响应速度需多次反复调整依赖操作经验但等幅振荡记录临界比例度和振荡周期按经验公式计算纯滞后参数查表或按公式计算参数整定结果较为准确D,,,,,PID,适用性广参数PID复杂控制系统类型及应用串级控制系统前馈控制系统原理两个控制器串联主控制器输出作为副控制器设原理测量主要干扰变量根据干扰大小按补偿规律直:,:,定值形成内外两个闭环优势副回路快速抑制进入接调节操纵变量在干扰影响被控变量前进行补偿,:,副对象的干扰提高主控制质量改善对象动态特性允优势及时响应可测干扰显著减小被控变量波动与反,;,:,;许主控制器采用更强的控制作用应用反应器温度馈控制结合使用效果最佳应用加热炉出口温度控::控制主控温度副控夹套温度、精馏塔压力控制主控制前馈补偿原料流量变化、值中和控制前馈补偿,pH塔压副控冷凝器出口温度进料流量和浓度变化,分程控制系统原理一个控制器输出信号按不同范围分段驱动两个或多个执行器优势扩大控制范围实现非线性补偿简化控制::,;系统结构应用反应器温度控制低段开冷却水阀高段开蒸汽阀、锅炉汽包液位控制低段关给水阀高段开排污:,,阀多变量控制与解耦技术化工过程常存在多输入多输出系统变量间相互耦合例如精馏塔控制中回流量既影响塔顶产品纯度也影响塔MIMO,,,压再沸器热量同时影响塔底产品纯度和液位多变量控制通过建立多变量数学模型综合考虑各变量间的耦合关系设;,,计解耦控制器或采用模型预测控制等先进算法解耦技术可采用前馈解耦、对角化解耦或动态矩阵控制等方法MPC,将系统近似为多个系统降低控制难度显著提高控制质量和生产效益MIMO SISO,,第七章先进控制技术与智能控制面对日益复杂的化工过程和更高的控制要求传统控制已难以满足需求先进控制技术和智能控制方法应运而生利用现代控制理论、人工智能等技,PID,术实现更高水平的过程优化和智能决策,自适应控制与预测控制自适应控制原理与应用预测控制的优势与实现自适应控制系统能够根据对象特性变化或环境条件改变自动调整控制器参数保持系统性能最优模型预测控制基于对象动态模型在每个采样时刻预测未来一段时间的系统行为通过滚动优,,MPC,,包括自校正控制在线辨识对象模型并计算控制参数、模型参考自适应控制使系统输出跟踪参考化计算最优控制序列能够处理约束、实现多变量协调控制、补偿时滞和不确定性模型和增益调度控制根据工况切换参数组应用实例催化裂化装置控制系统同时优化反应温度、催化剂循环量、再生温度等多个变量在满足产品质量和设备约束前提下最大化目标产品收率提高经济效益聚合物生产中的分子量分布:MPC,,,,3-5%控制通过协调单体配比、引发剂用量和反应温度精确控制产品性能指标,MPC,模糊控制与神经网络控制模糊逻辑控制基础模糊控制基于模糊集合论和模糊逻辑推理不依赖精确数学模型而是利用操作人员经验和专家知识构建控制规则通过模糊化、模糊推理和去模糊化三,,个环节实现从精确输入到精确输出的非线性映射,010203模糊化模糊推理去模糊化将精确的输入变量误差、误差变化率转换为模根据建立的模糊规则库如误差为正大误将模糊控制输出转换为精确控制量常用重心法或IF AND,糊语言变量负大、负小、零、正小、正大定义差变化率为正小输出为负中进行模糊逻最大隶属度法输出实际控制信号驱动执行器,THEN,,隶属度函数辑运算得到模糊控制输出神经网络在过程控制中的应用人工神经网络具有强大的非线性映射能力和自学习能力可用于对象建模、控制器设计和优化决策前馈神经网络用于建立过程静态模型预测产品质量,,指标递归神经网络描述动态过程特性实现多步预测神经网络控制器通过在线学习优化控制参数应用案例发酵过程优化控制利用神经网络模型预;,;PID:,测菌体浓度和产物浓度优化基质流加速率提高产物得率深度学习技术在异常工况识别、软测量建模等方面展现巨大潜力,,15%专家系统与智能控制趋势专家系统的构建与案例专家系统是一种基于知识推理的智能程序系统集成领域专家知识和经验模拟专家决策过程解决复,,杂问题主要组成包括知识库存储事实和规则、推理机逻辑推理和决策、解释机制和知识获取接口在过程控制中专家系统用于故障诊断、启停操作指导、异常处理和参数优化,应用案例某石化企业开发的加热炉操作专家系统集成年运行经验和余条规则实时监测炉管温度分布、燃料配比、空气系数等参数自动诊断异常工况并给出处理建议系统投用:,30500,,后炉管超温次数减少燃料消耗降低操作人员培训时间缩短结合案例推理技术系统能从历史事故案例中学习不断完善知识库提高决策准确性,80%,2%,50%CBR,,,智能控制未来发展方向数字孪生技术边缘智能计算构建物理装置的虚拟镜像实时仿真预测工艺行为支持优化决策和故障预警实现虚实将算法部署到边缘控制器实现毫秒级实时响应降低网络依赖支持分布式智能协同,,,AI,,,融合的智能运维控制强化学习控制知识图谱应用通过与环境交互试错学习最优策略无需建立精确模型在复杂非线性系统控制中展现构建设备、工艺、操作知识的语义网络支持智能检索、根因分析和决策推理赋能智,,,,独特优势能工厂建设第八章工艺安全基础与风险管理化工生产涉及易燃、易爆、有毒有害物质安全始终是第一要务本章介绍化工过程的,主要安全风险系统讲解基于过程的安全管理理念和方法探讨安全仪表系统在事故,PSM,预防中的关键作用全面提升安全管理水平,化工过程中的主要安全风险爆炸事故泄漏事故窒息事故可燃气体、蒸汽或粉尘与空设备腐蚀、密封失效、操作密闭空间氧气浓度不足低于气混合达到爆炸极限遇点火失误导致有毒有害物质泄漏或存在窒息性气体氮,,

19.5%源发生爆炸典型案例包括威胁人员安全和环境苯、气、二氧化碳、甲烷人员进,储罐蒸汽云爆炸、粉尘爆炸氯气、硫化氢等泄漏可能造入后可能发生窒息美国化等预防措施惰性气体保护、成人员中毒伤亡防控重点学品安全委员会数据显::CSB消除点火源、爆炸泄压装置、定期检测、完好性管理、泄示年美国发生,2000-2017138可燃气体检测报警系统漏检测系统、应急响应预案起工业窒息事故造成人死,200亡氮气窒息占最大比例防,范要点进入前气体检测、强:制通风、安全监护、应急救援装备窒息事故中的氮气危害解析氮气无色无味常被误认为安全实际上是致命的窒息性气体当空气中氮气浓度超过氧气浓度低于时人员数秒内失去意识分钟即可死,,84%,16%,,2-3亡氮气广泛用于惰性保护、设备吹扫设备内作业、管道维修时若未充分置换通风极易发生群死群伤事故必须建立严格的受限空间作业许可制,,度配备便携式氧气检测仪佩戴呼吸防护装备,,风险基于过程安全管理PSM四大支柱与个要素PSM20过程安全管理是系统化预防和控制工艺过程重大事故的管理体系由美国职业安全健康署年发布已成为全球化工行业安全管理标准围绕人员、设备、规程、管理四大支柱涵Process SafetyManagement,OSHA1992,PSM,盖个核心要素20工艺安全信息工艺危害分析PSI PHA完整记录工艺化学、设备、技术的安全信息包括物料危险性、工艺参数、设备规格、安全系统等是所系统识别工艺过程潜在危险评估风险等级制定防控措施常用方法、、故障树分析、检查,,,,:HAZOP LOPA有活动的基础表法等PSM变更管理机械完好性MOC对工艺、设备、程序的任何变更进行风险评估和审批防止变更引入新风险确保变更安全实施通过检验、测试、预防性维护确保关键设备完好可靠包括压力容器、管道、安全阀、联锁系统等,,,国际标准与国内实践对比国际标准体系中国实践进展美国标准、标准、安全仪表系统标准构成国际框《危险化学品从业单位安全标准化规范》、《精细化工反应安全风险评估规范》融合理念OSHA PSM29CFR

1910.119API RP750/754IEC61511PSM GB30000PSM架强调绩效指标管理、过程安全文化建设、领先指标与滞后指标结合评估重点推进双重预防机制风险分级管控和隐患排查治理开展分析建设化工园区安全管理平台,HAZOP,安全仪表系统在工艺安全中的应用安全生命周期管理安全仪表系统的设计、实施和维护遵循标准定义的安全生命周期确保系统在整个使用期间保持预定的安全完整性等级生命周期包括概念、定义、设计、实施、调试、运行维护、改造、退役SIS IEC61511,SIL等阶段安全需求分析1通过、等方法识别需要保护的场景确定安全功能和等级要求HAZOP LOPASIS,SIL设计与验证2SIS选择合适的传感器、逻辑求解器和执行器进行冗余配置和故障模式分析验证设计满足要求,,SIL安装调试与验收3按照设计文件安装设备进行功能测试和回路测试确认系统功能完整、动作正确,,运行维护与测试4制定定期测试计划部分行程测试、全行程测试记录测试结果及时维修故障保持系统可用性,,,变更与功能安全审核5任何变更需经流程评估对安全功能的影响定期进行功能安全审核验证持续满足性能MOC,SIS要求事故预防与应急响应机制多层保护理论化工装置安全防护采用纵深防御策略从工艺设计、基本控制、报警、、物理防护到应急响应构建多层独立保护层每层保护失效概率为⁻到⁻多层叠加将风险降低到可接受LOPA:,SIS,IPL10¹10⁴,水平应急响应机制建立分级应急预案配备应急物资和救援队伍定期演练提高响应能力安装气体检测报警系统、消防系统、紧急停车系统实现快速响应与周边企业、消防部门建立联动机制提高区域应急能力:,;;,;,现代智能安全管理平台整合实时监测、风险预警、应急指挥功能利用大数据和技术实现风险态势感知和智能决策支持,AI结语化工仪表与工艺安全的未来展望:智能化、数字化趋势工业和智能制造推动化工自动化向更高层次发展数字孪生技术实现虚拟工厂

4.0与实体工厂同步运行支持工艺优化和故障预测人工智能算法应用于先进控制和异,;常检测提升系统自主决策能力工业互联网平台实现设备互联、数据共享和协同优,;化和边缘计算支撑海量数据实时传输和处理区块链技术保障数据安全和可追溯;5G;性这些新技术深度融合构建智能、高效、安全的未来化工生产体系,90%50%20%自动化水平提升安全事故下降能耗降低目标先进控制和优化技术应用率持续提高推动生产效率和体系和技术推广重大安全事故发生率大幅降低智能控制和过程优化实现节能降耗支撑绿色化工和可,PSM SIS,,,产品质量显著改善行业安全水平持续进步持续发展战略目标持续提升安全管理水平保障绿色生产,安全是化工生产的永恒主题必须坚持安全第

一、预防为主、综合治理方针深化理念完善风险分级管控和隐患排查治理双重预防机制加强本质安全设计从源头降,PSM,;,低风险提升全员安全意识和能力培育积极的安全文化运用先进技术手段建设智能安全管理系统严格落实企业主体责任强化政府监管和社会监督同时积极响应双碳;,;,;,,目标推进绿色化工转型通过过程强化、循环利用、清洁能源替代等措施实现经济效益、社会效益和环境效益的统一走出一条安全、绿色、高质量的发展道路,,,,。