FCCU精馏塔故障诊断专家系统的研究与开发

孟帅+李贺+安磊+程闯

摘 要：精馏系统在催化裂化装置中起着承上启下的作用，是石油化工中非常重要的一环。催化裂化精馏过程机理复杂，测量变量众多、变量之间相关性严重，难以采用传统的方法对过程中的故障进行检测与诊断，而使用专家系统，可以提高故障诊断效率，减少设备对维修人员的依赖性。

关键词：故障诊断；专家系统；精馏塔

中图分类号：TQ015 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）27-0016-02

催化裂化（Fluidized Catalytic Cracking Unit简称FCCU）是非常重要的石油二次加工手段，是工艺过程复杂、经济效益高的重要生产装置之一，其各变量间相互关联、藕合影响，工艺设备繁多，该装置能否安全正常运行，直接关系着企业的经济效益[1]。故障诊断专家系统作为故障诊断的工具和手段，可以实现计算机与工厂专家的经验知识相结合，从而提高诊断效率，减少设备维修对人员的依赖性。

1 催化裂化精馏系统工作流程

催化裂化装置主要由反应-再生系统、精馏系统、吸收稳定系统、产品精制系统、主风及烟气能量回收系统等组成[2]。

在催化裂化装置中精馏系统起着承上启下的作用，它上接反应系统，下连吸收稳定系统。精馏系统主要由精馏塔、柴油汽提塔、原料油缓冲罐、回炼油罐以及塔顶油气冷凝冷却系统、各中段循环回流及产品的热量回收系统组成，其主要任务是将来自反应系统的高温油气脱过热后，根据各组分沸点的不同切割为富气、汽油、柴油、回炼油和油浆等馏分，通过工艺因素控制，保证各馏分质量合格；同时可利用精馏塔各循环回流中高温位热能作为稳定系统各重沸器的热源。FCCU精馏塔简图，如图1所示。

催化裂化精馏塔一般有32层固舌形塔盘（一中段可采用浮阀塔盘）。从上到下依次为顶回流、一中回流、二中回流（或回炼油循环）和油浆循环。

2 精馏塔的常见故障及现象

2.1 精馏塔塔顶塔盘堵塞

原因：原料中含有过多盐类；缓和的反应条件；精馏塔内上升气相中携带过多焦炭和催化剂粉末；塔顶操作气相线速过低；顶循中含有过多的明水；操作不稳，特别是精馏塔全塔负荷变化过大。现象：顶循环量大幅下降，塔顶温度大幅上升，塔顶压力大幅上升。

现象：顶循环量大幅下降，二中循环量下降，塔顶压力大幅上升，塔顶温度显著上升，油浆上、下返塔循环量大幅下降。

2.2 塔顶回流带水

原因：塔顶回流油由塔顶回流油罐抽出，如果回流油罐油水界位控制不好或失灵，水界位高过正常范围超过回流汽油抽出管水平面位置时，回流油将含水共同送至塔顶，或者塔顶水冷却器管束腐蚀穿孔，大量冷却水漏进回流油罐来不及脱水，也可造成回流油带水。

现象：塔顶压力上升，塔顶温度下降，顶循环量下降，一中抽出温度下降。

2.3 精馏塔液泛

原因：如果由于机械原因或气相负荷太大，或两者兼有，造成液体不能顺利沿塔向下流动，液体就会在塔板上或填料内聚集，则称产生了液泛。液泛会逐板向上发展。一般不经控制，液泛能够自动平稳，因为当液层到达板间距非常大的空间时，液头的持续增长，会产生足够的推动力，在造成更上一层板液泛前迫使液体沿塔向下流动。

现象：回流罐液面下降，塔顶压力上升，塔顶温度下降，塔底液位上升。

2.4 精馏塔冲塔

原因：由于精馏塔内汽相负荷过大，大量气流通过塔板冲开液层使气液两相没有很好接触就塔底冲岀，下面的重组分带上去，使侧线产品不合格。

现象：塔顶压力显著上升，塔顶温度显著上升，顶循环抽出温度大幅上升，一中抽出温度显著上升，二中抽出温度显著上升，塔底液位下降。

2.5 回炼油泵抽空

原因：机泵故障，回炼油罐液位控制失灵，回炼油抽出出口堵塞，反应进料量太低等都会造成回炼油泵抽空。处理不及时，会使精馏油气中的催化剂粉尘携带到精馏塔塔盘，对于将回炼油作稳定塔底重沸器热源装置，会使稳定汽油蒸汽压超标。

现象：二中循环量大幅下降，二中抽出温度大幅上升，人字塔板上温度大幅上升，塔顶温度上升，塔顶压力上升，塔底液位下降。

2.6 顶回流泵抽空

原因：机泵故障，反应进料量太低，反应深度过小，从顶回流泵入口回炼污油带水严重，柴油抽出温度压得过低会造成塔顶回流泵抽空。精馏塔顶回流泵抽空会导致汽油干点超高。

现象：顶循环量大幅下降，塔顶温度大幅上升，塔顶压力大幅上升。

3 故障诊断专家系统的结构

一般的专家系统可以形容为：专家系统=知识库+推理机。

知识库和推理机是专家系统最为重要的组成部分，但除此之外专家系统还包括数据库、知识获取机构、解释机构及人机界面等组成部分[3]。

专家系统具有很强的针对性，因此不同的专家系统组成结构和系统功能也不完全相同。要对催化裂化精馏塔进行故障诊断，通过装置运行参数获取故障征兆从而进行推理，并为用户提出操作指导，其系统功能主要有以下几点：

①专家系统具有获取装置运行参数的能力，能通过对数据源的访问获得必要的系统运行参数；

②专家系统能对参数进行处理得到系统故障征兆，从而进行推理并得出结论，实现专家系统的主要推理功能；

③专家系统具有对知识库的管理功能，包括对新知识的录入、对原有知识的修改和删除功能。

4 故障诊断专家系统的具体实现

4.1 知识表示

研究专家系统的目的是要建立一个能模拟人类智能行为的系统。为达到这个目的，就必须研究人类智能行为在计算机系统中如何表示，只有这样才能把知识存储到计算机中以供现实问题的求解。

一般故障诊断专家系统的诊断型知识采用产生式规则表示。产生式规则是一个以“如果满足这个条件，就应该得到这个结论”的形式表示的语句，产生式规则的最初形式为：

IF规则条件部分（条件1，条件2，…，条件n）

THEN结论

例如“回炼油泵抽空”的故障可以用产生式规则表示为：

IF（人字塔板上温度大幅上升）and（塔底液位下降）and（塔顶温度大幅上升）and（塔顶压力上升）

THEN回炼油泵抽空。

4.2 知识获取

非自动知识获取是目前成功的传统专家系统所采用的方法，其工作方式，如图2所示。

故障诊断专家系统的自动知识获取，主要通过对文献、期刊的查阅和Internet网络的搜索以及对领域专家的咨询，获得相应精馏系统的故障诊断知识，并进行分析整理后，输入到专家系统的知识库中。

4.3 开发工具

专家系统外壳又称为专家系统骨架，是由已有的成功的专家系统演化而来的。它把原系统中具体的领域知识抽出，而保留原系统的基本的知识库和推理机结构，所以称为“外壳”。利用专家系统外壳作为开发工具，只需要将新的领域知识按其规则填充到专家系统中区，就能生成新的专家系统[4]。CLIPS是良好的专家系统开发工具。目前，对于使用CLIPS开发专家系统，很多发达国家已经进行了深入而全面的应用和研究。

CLIPS和其他语言的接口很容易实现。我们可以把CLIPS程序嵌入到其他高级语言所编写的程序中来使用，CLIPS同样也可以把其他高级语言作为外部函数来调用。

我们可以在因特网上免费下载到CLIPS的开发环境软件包，其中包含一个clips.dll文件，这就是由CLIPS的开发者所提供的动态链接库文件。如Load、Run、Reset等CLIPS的核心命令都被封装在这个动态链接库中。通过对此动态链接库中函数的调用就可以实现CLIPS绝大多数的核心功能。我们通过引入clips.dll文件将去掉原来人机交互界面的CLIPS的内核嵌入到VC++所编写的程序中，这样就实现了VC++和CLIPS的混合编程。另外，我们也可以在相关的网站下载到名为clipsmfc.h.cpp的文件，CLIPS开发者通过这个文件实现了一个CCLIPSWrap类。这个类封装了clips.dll中所有的函数，符合VC++的语言习惯，并且使用起来更加简单方便。

5 结 语

人工智能是目前科学技术发展中的前沿科学，专家系统作为其中的一个主要分支在各个领域内得到广泛应用。将专家系统用于故障诊断领域是一个发展方向，它可以提高大型、复杂系统的安全性，具有广阔的发展前景和经济意义。

参考文献：

[1] 杜殿林.FCCU反-再系统基于神经网络和SDG模型的混合故障诊断 系统研究与开发[D].北京：北京化工大学，2006.

[2] 李庆萍，宋以常，蔡永清.催化裂化装置培训教程[M].北京：化学工业出 版社，2006.132-133.

[3] 鲁青.基于FTA的故障诊断专家系统的研究[D].青岛：山东科技大学， 2006.

[4] 万凤琴，熊晓英.基于专家系统CLIPS的故障诊断研究[J].航空精密制 造技术，2008，44（4）：52-54.