專利名稱：設(shè)施監(jiān)視方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種監(jiān)視設(shè)施(facility)性能的方法，在該方法中單獨監(jiān)視與原料使用、產(chǎn)品回收、所回收的產(chǎn)品的百分比、生產(chǎn)效率以及控制器整定相關(guān)的各個性能因子以及由單個性能因子組成的整體設(shè)備(plant)性能因子。
背景技術(shù)：
各種各樣的設(shè)施在一個或多個單元操作中處理原料來生產(chǎn)一種或多種產(chǎn)品。例如，在氫-一氧化碳設(shè)備中，天然氣用作與蒸汽一起送入蒸汽甲烷重整爐的反應(yīng)物并用作支持吸熱蒸汽甲烷重整反應(yīng)的燃燒爐的燃料。蒸汽甲烷重整產(chǎn)生包含一氧化碳、二氧化碳和氫氣的合成氣產(chǎn)品。在隨后的操作中，合成氣體由胺滌氣單元處理以除去二氧化碳。在去除二氧化碳后，分離一氧化碳生成粗制氫氣流。此外，蒸汽甲烷重整的部分合成氣體產(chǎn)品受到水煤氣變換反應(yīng)，生成變換氣流，該變換氣流與粗制的氫氣流結(jié)合并且進一步在壓力擺動吸附單元中進行處理，以生成可以再循環(huán)為部分燃料來點燃蒸汽甲烷重整爐的燃燒爐的吹掃氣和氫氣。此外，一些變換氣可以與合成氣、二氧化碳和氫氣一起在甲醇設(shè)備中進行處理以制造甲醇?？梢赃M一步處理一些甲醇來制造甲醛。在另一種類型的設(shè)施中，空氣被分離為氧氣、氮氣和氬產(chǎn)品。在這樣的設(shè)施中，將空氣壓縮、冷卻到其露點或近露點并且在高低壓柱中分餾，以生成氮氣產(chǎn)品和氧氣產(chǎn)品。在所有這樣的設(shè)施中，單元操作由自動控制系統(tǒng)進行，自動控制系統(tǒng)可以設(shè)定操作的目標(biāo)并且按需要調(diào)整對設(shè)施的控制以達到目標(biāo)。因此操作人員需要得到關(guān)于設(shè)備性能的指示。一種監(jiān)視設(shè)備性能的方式是監(jiān)視設(shè)備的反應(yīng)，以控制設(shè)定了目標(biāo)的輸入。例如，在美國專利No. 6666049中，控制系統(tǒng)使用模型確定關(guān)鍵性能指標(biāo)的最佳值，所述關(guān)鍵性能指標(biāo)例如是設(shè)備功耗、產(chǎn)品回收、控制器性能、模型預(yù)測控制器穩(wěn)態(tài)優(yōu)化、模型預(yù)測控制器所使用的模型的模型預(yù)測和模型預(yù)測控制動態(tài)性能。每一個這些關(guān)鍵性能指標(biāo)都受到監(jiān)視， 并且當(dāng)關(guān)鍵性能指標(biāo)處在該特定性能指標(biāo)的確定的期望最佳值范圍之外時，向操作人員發(fā)出警報。該系統(tǒng)還可以向設(shè)備操作員建議一個或多個動作，用于調(diào)整低溫設(shè)備的操作使得處于期望范圍之外的關(guān)鍵性能指標(biāo)的值可以重新回到期望范圍之內(nèi)。這種類型的監(jiān)視雖然重要，但是不能使操作員即時查看設(shè)備整體性能。如將要討論的，本發(fā)明提供了一種可以用于任何類型設(shè)施的監(jiān)視方法，在該方法中監(jiān)視設(shè)備的整體性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種監(jiān)視設(shè)施性能的方法，該設(shè)施具有至少一個設(shè)備，該至少一個設(shè)備在至少一個單元操作中生產(chǎn)至少一種產(chǎn)品并消耗至少一種物品。這樣的設(shè)備可以是任何類型的符合這種描述的設(shè)備，例如蒸汽甲烷重整爐或空氣分離設(shè)備。此處以及權(quán)利要求中所用的術(shù)語“單元操作”是指任何這樣的工業(yè)過程，其中對進料進行處理以生成產(chǎn)品或用于進一步處理的中間產(chǎn)品。根據(jù)本發(fā)明，監(jiān)視包括該至少一種物品的使用率、該至少一種產(chǎn)品的生產(chǎn)率和單位生產(chǎn)成本在內(nèi)的當(dāng)前值。通過將與該至少一種物品的使用率有關(guān)的至少成本值除以該至少一種產(chǎn)品的生產(chǎn)率，計算單位生產(chǎn)成本。計算預(yù)定時間間隔期間該至少一種物品的使用率和所述單位生產(chǎn)成本的移動平均值，并且存儲所述移動平均值。確定基準(zhǔn)值(base value)。對于每個移動平均值，基準(zhǔn)值與設(shè)施的穩(wěn)態(tài)操作相關(guān)。周期性地計算包括與該至少一種物品的使用有關(guān)的物品性能因子和與單位生產(chǎn)成本有關(guān)的生產(chǎn)效率性能因子的性能因子。借助利用移動平均值和基準(zhǔn)值的數(shù)學(xué)函數(shù)計算性能因子，并定義所述函數(shù)使得隨著該至少一種物品的使用的增加，物品性能因子和生產(chǎn)效率性能因子減小，并且隨著產(chǎn)品回收增加，生產(chǎn)能效率性能因子增加。通過與每個性能因子對該至少一種產(chǎn)品的生產(chǎn)的成本貢獻至少近似成比例地對性能因子進行加權(quán)，來計算整體性能因子。該加權(quán)生成加權(quán)的性能因子，將其相加產(chǎn)生整體性能因子，該整體性能因子將顯示給監(jiān)視設(shè)施性能的用戶。如從上述討論中可以理解的，與現(xiàn)有技術(shù)不同，這些性能因子(整體性能因子也是)，允許經(jīng)濟地監(jiān)視設(shè)備的性能。實際上，整體性能因子是通過對生產(chǎn)成本的經(jīng)濟貢獻進行經(jīng)濟加權(quán)的。如將要討論的，雖然不是本發(fā)明的一部分，但是如在現(xiàn)有技術(shù)中的，監(jiān)視可以包括對操作員的建議，該建議用于診斷可能已經(jīng)導(dǎo)致范圍外的性能因子的設(shè)備的性能問題。如上所述，所述設(shè)備可以是蒸汽甲烷重整爐。在這種情況中，物品可以是用作重整爐的進料和燃料的天然氣，產(chǎn)品是合成氣，單位生產(chǎn)成本可以說是生產(chǎn)一立方英尺氫氣所需的天然氣的成本。不是使用自身會改變的直接成本，成本值可以不那么直接，而是基于高熱值。天然氣的價格對其高熱值是關(guān)鍵的。出于同樣原因，設(shè)備可以是空氣分離設(shè)備，設(shè)計成生產(chǎn)氧氣作為產(chǎn)品。在這種情況中，生產(chǎn)中消耗的物品可以說是具有成本基礎(chǔ)的電力。本發(fā)明可以同樣應(yīng)用于引入一系列不同單位操作(諸如在氫氣和一氧化碳設(shè)備中的那些)的更復(fù)雜的制造情況。在諸如蒸汽甲烷重整爐的設(shè)備中，該至少一種物品可以是原料和電力。雖然電力的經(jīng)濟效益在這樣的設(shè)備中較小，但是電力的使用產(chǎn)生了更為精確的整體性能因子，并且過度的電力消耗可以幫助診斷諸如與生產(chǎn)結(jié)合使用的壓縮機之類的旋轉(zhuǎn)設(shè)備中的問題。在這樣的設(shè)備中，可以使用原料的使用率確定物品性能因子和生產(chǎn)效率性能因子。計算電力的使用率的移動平均值并將其存儲，性能因子還可以包括電力消耗性能因子。同樣選擇數(shù)學(xué)函數(shù)使得隨著電力消耗的增加，電力消耗性能因子減小。在諸如蒸餾設(shè)備和吸附設(shè)備的設(shè)備中，并不是回收進料中所有想要的產(chǎn)品。在這樣的設(shè)備中，該至少一種產(chǎn)品的產(chǎn)品回收是在該至少一個設(shè)備中生產(chǎn)的該至少一種產(chǎn)品的一部分。在這種情況中，當(dāng)前值也可以基于該至少一個設(shè)備中生產(chǎn)的該至少一種產(chǎn)品的所述一部分，包括該至少一種產(chǎn)品的至少一個百分比的回收。計算并存儲該至少一種產(chǎn)品的百分比回收的移動平均值。性能因子還包括百分比回收性能因子，并且同樣選擇數(shù)學(xué)函數(shù)使得隨著該至少一種產(chǎn)品的百分比回收的增加，百分比回收性能因子也增加。
在要監(jiān)視的大多數(shù)設(shè)備中，可以通過測量控制器性能得到進一步的精確。在這種情況中，當(dāng)前值也可以包括與用于控制該至少一個單元操作的自動控制器相關(guān)的自動控制器性能。通過對該至少一個單元過程中由自動控制器控制的過程變量的測量值與過程變量的目標(biāo)值之間的誤差平方積分求和，來計算自動控制器性能。同樣計算并存儲自動控制器性能的移動平均值，并且性能因子也包括控制器性能因子。在這種情況中，同樣選擇數(shù)學(xué)函數(shù)使得隨著誤差平方積分的減小，控制器性能因子增加。每一個性能因子可以與整體性能因子一起顯示。進一步地，當(dāng)至少一個整體性能因子和總體性能因子中的至少一個偏離相關(guān)基準(zhǔn)值預(yù)定量時，諸如警報的指示可以傳達給用戶。用于確定性能因子的數(shù)學(xué)函數(shù)是電力消耗性能因子、物品性能因子和控制器性能因子的基準(zhǔn)值與移動平均值的比值。百分比生產(chǎn)移動平均值與百分比生產(chǎn)基準(zhǔn)值的比值用于百分比生產(chǎn)性能因子。進一步地，常數(shù)與單位成本移動平均值之差和單位成本基準(zhǔn)值的比值是用于確定生產(chǎn)效率性能因子的數(shù)學(xué)函數(shù)。如上所述，該至少一個設(shè)備可以是具有一系列產(chǎn)生氫氣產(chǎn)品流、一氧化碳流、輸出蒸汽流和甲醇洗氣流的單元操作的氫氣和一氧化碳設(shè)備。氫氣和一氧化碳設(shè)備從另一個氫氣和一氧化碳設(shè)備輸入氫氣作為輸入的氫氣流并且消耗天然氣流作為蒸汽甲烷重整爐的進料和燃料。在這樣的設(shè)備中，原料可以說是天然氣流的天然氣，該至少一種產(chǎn)品是氫氣產(chǎn)品流的氫氣。照此，該至少一種產(chǎn)品的生產(chǎn)率是氫氣產(chǎn)品流的氫氣流量。當(dāng)前值包括天然氣流、甲烷洗氣流、輸入的氫氣流、甲烷反應(yīng)器內(nèi)消耗的甲烷進料流、一氧化碳流和輸出蒸汽流的流量。計算輸出蒸汽流的熱含量。成本值可以是高熱值并且對天然氣流、甲烷洗氣流、輸入的氫氣流、甲烷進料流和一氧化碳流的相關(guān)高熱值進行計算。單位生產(chǎn)成本通過執(zhí)行氫氣和一氧化碳設(shè)備的能量平衡并將所述能量平衡除以氫氣產(chǎn)品流的氫氣流量來確定。 能量平衡是通過導(dǎo)出第一和第二總和并從第一總和中減去輸出蒸汽流的熱含量和第二總和計算的。第一總和是通過將天然氣流、甲烷洗氣流和輸入的氫氣流的流量和相關(guān)高熱值的乘積相加而計算得到的。第二總和是通過將甲烷進料流和一氧化碳流的流量和相關(guān)高熱值相乘而計算得到的。


雖然本說明書以權(quán)利要求書作為結(jié)論，權(quán)利要求書明確指出了申請人所認為的其發(fā)明的主題，但是我們相信當(dāng)結(jié)合附圖時將會更好地理解本發(fā)明，在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的要監(jiān)視的氫氣生產(chǎn)設(shè)備的示意圖，該設(shè)備也生產(chǎn)甲烷和甲醛產(chǎn)品；以及圖2是用于實施根據(jù)本發(fā)明的監(jiān)視方法的自動系統(tǒng)的示意性簡化工藝流程圖。
具體實施例方式參考圖1，示出了包含設(shè)計成生產(chǎn)氫氣和一氧化碳產(chǎn)品的設(shè)備1的設(shè)施的工藝流程圖。也生產(chǎn)二氧化碳、甲烷和甲醛產(chǎn)品。設(shè)備1是位于該設(shè)施內(nèi)的兩個設(shè)備的其中之一。 然而，應(yīng)理解的是，如上所述，本發(fā)明的應(yīng)用并不限于任何特定類型的設(shè)備和設(shè)施并且具有更為廣泛的應(yīng)用。
設(shè)備1由一系列單元操作組成，該一系列單元操作開始于常規(guī)蒸汽甲烷重整爐 12( “SMR”)內(nèi)的天然氣流10( “NG”)的蒸汽甲烷重整。蒸汽通常以已知的方式在蒸汽甲烷重整爐12的對流部分內(nèi)從鍋爐給水流14( “BFW”)中產(chǎn)生。雖然未示出，但是蒸汽也可以從用在冷卻流(例如，要經(jīng)受水煤氣變換反應(yīng)的合成氣流)的那類余熱回收蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生。不管怎樣，產(chǎn)生的蒸汽與天然氣進料流10的反應(yīng)物進料部分16 —起被引入位于蒸汽甲烷重整爐12內(nèi)的含催化劑的管內(nèi)。在蒸汽甲烷重整時，碳氫化合物和蒸汽在填充了催化劑的管中發(fā)應(yīng)，生成包含氫氣、一氧化碳、水蒸汽和二氧化碳以及未反應(yīng)的碳氫化合物的合成氣流。由于蒸汽甲烷重整是吸熱過程，由燃燒爐添加熱量，在燃燒爐中燃燒燃料流18。燃料流18由輔助天然氣流20與洗氣流22組成，稍后將討論洗氣流22。蒸汽甲烷重整的產(chǎn)品，S卩，所得到的合成氣流M，與輸出蒸汽流沈一起排出。合成氣流M被分成輔助合成氣流27和觀，用于進一步處理。輔助合成氣流觀被引入水煤氣變換反應(yīng)器30( “HTS”)中，在那里通過還原蒸汽得到氫氣以及使一氧化碳氧化為二氧化碳，而生成額外的氫氣。這個反應(yīng)在包含已知變換催化劑的反應(yīng)器中進行。得到的變換氣流32是水煤氣變換反應(yīng)器的產(chǎn)品，可以分別分成第一和第二輔助變換氣流；34和36。在也需要二氧化碳產(chǎn)品的地方，可以將輔助合成氣流27引入到已知設(shè)計的胺滌氣單元38( “MEA”)，其中在吸收塔中用單乙醇胺洗滌合成氣。富含二氧化碳的溶劑在解吸塔中用蒸汽再生，以產(chǎn)生凈化的二氧化碳，該二氧化碳作為二氧化碳流40排出。在如上所述去除二氧化碳后，輔助合成氣流27作為流42引入到壓縮機44，以產(chǎn)生壓縮流46，在制冷器/干燥器單元48中從壓縮流46去除水，其中制冷器/干燥器單元 48包含冷凝水的冷凝器以及包含去除任何剩余水和二氧化碳的分子篩吸附劑的吸附單元。 然后干燥流作為冷箱進料流50引入冷箱52中，冷箱52可以采取各種已知的設(shè)計的任意一種，并且通過蒸餾產(chǎn)生粗制氫氣流M、一氧化碳產(chǎn)品流66和富甲烷廢氣流82。通過將一氧化碳流56在渦輪膨脹機58內(nèi)膨脹并且將膨脹流60返回到冷箱52中，來提供冷卻。生成一氧化碳流62，該一氧化碳流62在壓縮機64中進行壓縮并且作為一氧化碳產(chǎn)品流66排出。一氧化碳產(chǎn)品流66的一部分作為一氧化碳壓縮機再循環(huán)流67被重新引入冷箱52，以在對設(shè)備1示出的特定裝置中提供重沸器功能。所得的粗制氫氣流M和輔助變換氣流34與將要討論的吹洗氣流72以及(可選地)輸入的粗制氫氣流78 —起，作為組合流79引入到壓力擺動吸附單元74( “PSA”)，壓力擺動吸附單元74包含異相工作的吸附劑床，以分離氫氣并因此生成氫氣流76。采用吸附劑優(yōu)先吸附甲烷、一氧化碳、氮氣等。作為蒸汽甲烷重整單元12的一部分燃料的吹洗氣流 22由從PSA單元74流出的吹洗氣流80、從冷箱52排出的富甲烷廢氣流82以及從部分氫氣流76得到的可選再循環(huán)氫氣流81組成。輔助變換氣流36與合成氣流38、組成胺滌氣單元38生成的所有或部分二氧化碳流40的二氧化碳流84、以及粗制的氫氣流86 —起被進一步處理。這些氣流結(jié)合起來形成甲醇進料流88，甲醇進料流88在壓縮機90內(nèi)被壓縮并與經(jīng)過壓縮機94壓縮的再循環(huán)氣流 92—起輸入到甲醇設(shè)備96 ( “ΜΕ0Η”)。甲醇設(shè)備96產(chǎn)生可以被送到甲醇容器100內(nèi)的存儲器的甲醇產(chǎn)品流98以及包含氫氣和未反應(yīng)的二氧化碳、一氧化碳、蒸汽等的洗氣流72。
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甲醇工藝流(process stream) 102可以從存儲器獲得并且在甲醛設(shè)備 104( “HCH0”)內(nèi)進一步處理，以生成輸入到甲醛存儲容器108的甲醛產(chǎn)品流106。甲醛設(shè)備104以現(xiàn)有技術(shù)中已知的方式催化地將甲醇蒸氣氧化成甲醛。氫氣產(chǎn)品流76可以再分為輔助氫氣產(chǎn)品流109、再循環(huán)的氫氣流81以及可以被送到氫氣管道的又一輔助氫氣流110。輔助氫氣產(chǎn)品流109可以在壓縮機111內(nèi)被壓縮并作為壓縮的氫氣流112輸出。另外參考圖2，設(shè)備1的整個操作由監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(“SCADA系統(tǒng)”)監(jiān)視。設(shè)備本身由分布式控制系統(tǒng)(“DCS”)控制。DCS設(shè)定點或目標(biāo)，所述點或目標(biāo)可以是操作員輸入和/或來自模型預(yù)測控制系統(tǒng)(“MPC系統(tǒng)”)。DCS作用于操縱變量以轉(zhuǎn)換成閥門和其他工藝控制的設(shè)置，來獲得上面關(guān)于設(shè)備1所討論的各種氣流的受控變量，例如溫度、壓力和流量。SCADA系統(tǒng)和MPC系統(tǒng)可以位于兩個獨立的計算機上，其中從SCADA系統(tǒng)取回的數(shù)據(jù)存儲在SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫120上，而SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫120可以與MPC系統(tǒng)一起位于個人計算機上。DCS和SCADA系統(tǒng)都可以從本領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知的許多來源獲得。程序122 (將在下文討論)從SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫120取回數(shù)據(jù)并計算指定的性能因子、整體性能因子和診斷信息(這些都寫入SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫120)，并通過SCADA系統(tǒng)中提供的圖形用戶界面顯示給監(jiān)視該設(shè)備的用戶。性能因子以及由這些性能因子組成的整體性能因子的監(jiān)視和它們對用戶的顯示經(jīng)濟地構(gòu)成設(shè)備1的操作的技術(shù)指示，將變得明顯。監(jiān)視的主要層次是確定整體性能因子，這是本發(fā)明的一個可能實施例，也可能構(gòu)成用于監(jiān)視設(shè)備的根據(jù)本發(fā)明的唯一層次。如下文將要更詳細討論的，整體性能因子基于特定的性能因子。這些特定的性能因子是物品性能因子；生產(chǎn)效率性能因子；百分比回收性能因子；電力消耗性能因子；以及控制器性能因子?？刂破餍阅芤蜃优c用于設(shè)定設(shè)備1的閥門和其他控制的實際控制器的性能相關(guān)，所述實際控制器對于設(shè)備1來講是PID控制器。 所有其他性能因子至少部分是基于與圖1所示的相關(guān)氣流的流量有關(guān)的數(shù)據(jù)來計算的。所有與流量和控制器性能有關(guān)的數(shù)據(jù)都是通過分布式控制系統(tǒng)119獲得的，并且寫入SCADA 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫120中。雖然為了解釋簡單沒有示出，但是如本領(lǐng)域技術(shù)人員所了解的，這些與流量相關(guān)的數(shù)據(jù)是由通常為孔型的流量計產(chǎn)生的。概括來講，程序122通過利用數(shù)學(xué)函數(shù)比較移動平均值與基準(zhǔn)值來計算每個性能因子，所述數(shù)學(xué)函數(shù)優(yōu)選為比例，在某些情況中也可以使用更復(fù)雜的項。術(shù)語“移動平均值” 指的是在特定移動時間間隔期間延伸的平均值，所述時間間隔優(yōu)選為十二小時。程序122 每分鐘執(zhí)行，如塊1 所示讀取在計算性能因子時使用的數(shù)據(jù)，然后按照需要計算變量，并且在塊1 通過刪除所有超過十二小時的數(shù)據(jù)并計算算術(shù)平均值來更新這些變量的移動平均值。每一個性能因子的基準(zhǔn)值是在設(shè)備啟動之后并且當(dāng)設(shè)備根據(jù)其設(shè)計工作水平運行時的穩(wěn)態(tài)工作期間獲得的值。如圖2中所示，物品消耗性能因子、控制器性能因子、生產(chǎn)效率性能因子、電力消耗性能因子和百分比回收性能因子的基準(zhǔn)值1 輸入到程序122。在 130，基準(zhǔn)值1 作為操作員輸入寫到SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫120。這些基準(zhǔn)值可以根據(jù)過去在這樣的穩(wěn)態(tài)條件下的設(shè)備性能來確定。可以理解，也可以簡單地使用設(shè)計水平計算結(jié)果或離線模擬的最佳結(jié)果/相關(guān)性作為基本水平，替代從設(shè)備工作導(dǎo)出的基本水平。
在126，計算的移動平均值被用來計算各個性能因子，如132所示。在134，從SCADA 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫120讀取基準(zhǔn)值并且將其作為132處的計算的輸入。如上所述，在其最廣泛的方面，本發(fā)明包括通過基于物品性能因子以及產(chǎn)品效率性能因子計算整體性能因子來監(jiān)視設(shè)備，所述物品性能因子與一個或多個物品的使用相關(guān)，且所述產(chǎn)品效率因子與單位生產(chǎn)成本相關(guān)。首先關(guān)注物品性能因子，在程序122的每次執(zhí)行期間，在1 讀取天然氣使用的當(dāng)前值，即反應(yīng)物進料部分16和輔助天然氣流20的流量。對這些流量計算總數(shù)并將其用于在136確定與天然氣的使用相關(guān)的移動平均值。然后在132塊基于數(shù)學(xué)函數(shù)計算物品性能因子，所述數(shù)學(xué)函數(shù)僅為在3134從SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫 120讀取的天然氣使用的相關(guān)基準(zhǔn)值除以在136確定的天然氣使用的當(dāng)前移動平均值得到的比率。照此，隨著天然氣使用的增加，物品性能因子將減小，整體性能因子也可能減小。生產(chǎn)效率性能因子與單位生產(chǎn)成本相關(guān)?？梢岳斫?，如果原料正被消耗并且這是唯一考慮的成本，那么生產(chǎn)效率性能因子的計算僅僅是原料成本和最終產(chǎn)品生產(chǎn)的數(shù)學(xué)函數(shù)。如果產(chǎn)生了其他可售產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的生產(chǎn)可以考慮。在設(shè)備1的情況中，問題復(fù)雜主要是因為必須考慮其他產(chǎn)品的生產(chǎn)、來自同類設(shè)備的氫氣的輸入以及蒸汽的輸出。因此，在象設(shè)備1中存在的那樣較復(fù)雜的情況中，以與能量平衡差不多相同的方式確定生產(chǎn)效率。 所選擇的成本值是高熱值，因為天然氣的成本與天然氣的高熱值具有直接關(guān)系。然而，應(yīng)理解的是在合適的情況中可以使用諸如直接成本的其他成本值。在生產(chǎn)效率性能因子的計算中，在138基于在IM從SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫120讀取的數(shù)據(jù)計算單位生產(chǎn)成本。在這個方面，讀取反應(yīng)物進料部分16、輔助天然氣流20和甲醇吹洗氣流72的流量。此外，還讀取輸入的粗制氫氣流78的流量的當(dāng)前值。從在線氣相色譜分析儀中可以得知氣流16、20和78的成分?；陔x線分析周期性地更新氣流72的成分，并且該成分是輸入140，其作為操作員輸入130寫入SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫120中并且接著在IM讀出用于在138的單位生產(chǎn)成本計算。根據(jù)這些氣流的流量和成分測量結(jié)果以及這些氣流中存在的純化合物的已知高熱值，計算這些氣流的能含量。純化合物高熱值142又在130作為操作員輸入輸入到SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫120，并在IM被讀取并用于136處的計算。然后將能含量相加生成與氫氣生產(chǎn)的總成本有關(guān)的總和。與輸出蒸汽流26、甲醇進料流88以及一氧化碳產(chǎn)品流66相關(guān)的流量也在IM被讀取并用在136的計算中。根據(jù)其流量和焓計算輸出蒸汽流26的能含量。將輸出蒸汽的溫度和壓力測量結(jié)果輸入到已知相關(guān)性(諸如ASME蒸汽表)中，來計算輸出蒸汽的焓。甲醇進料流88和一氧化碳產(chǎn)品流66的能含量是根據(jù)它們的流量、成分(在線氣相色譜分析儀)以及在這些氣流中存在的純化合物的已知高熱值來計算的。將輸出蒸汽、甲醇進料流和一氧化碳產(chǎn)品流的能含量加起來，并將得到的總和從上述輸入的能含量總和中減去。得到的凈總和除以在口4再次從SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫120讀取的氫氣產(chǎn)品流110和109的流量，得到與氫氣產(chǎn)品的單位生產(chǎn)成本相關(guān)的值。程序122然后利用這種單位生產(chǎn)成本的當(dāng)前值，來維持在136處更新和維持的移動平均值。然后在132，通過將這樣的移動平均值除以在134讀取的相關(guān)基準(zhǔn)值并從商減去一常數(shù)，來計算生產(chǎn)效率性能因子，其中所述常數(shù)對于設(shè)備1來說選擇為2。因此，隨著單位生產(chǎn)成本的增加，生產(chǎn)效率性能因子將減小并會減小整體性能因子。在設(shè)備1中，消耗的其他物品是電力。電力物品單獨用在電力消耗性能因子的計算中，因為其指示壓縮機和用在設(shè)備1中的其他電力消耗機器的性能。設(shè)備1消耗的電力由GE Multilan Motor Monitor測量，單位為安培，并存儲在DCS上。應(yīng)注意的是，在電力是唯一對設(shè)備的生產(chǎn)具有經(jīng)濟影響的物品的情況中，電力可以用來確定物品性能因子。在電力與其他物品一起使用、但其使用是恒定的情況中，在確定性能因子時可以忽略電力。程序 122在IM從SCADA數(shù)據(jù)庫120讀取數(shù)據(jù)(該數(shù)據(jù)與單位為千瓦的電力的當(dāng)前值有關(guān))，并且在144計算移動平均值。然后在132通過數(shù)學(xué)函數(shù)計算電力性能因子，該數(shù)學(xué)函數(shù)是在 134從SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫120讀取的與電力使用有關(guān)的基準(zhǔn)值與這樣的移動平均值的比。 隨著移動平均電力消耗的增加，電力消耗性能因子減小，導(dǎo)致整體性能因子的減小。在設(shè)備1中，產(chǎn)品是蒸汽甲烷重整爐12生產(chǎn)的一氧化碳和氫氣。諸如甲醇和甲醛的其他產(chǎn)品都被忽略，因為當(dāng)確定生產(chǎn)效率性能因子時將到甲醇設(shè)備的合成氣進料當(dāng)作輸出的量。在冷箱52內(nèi)通過蒸餾生產(chǎn)一氧化碳，在壓力擺動吸附單元74中通過凈化粗制的氫氣流M生產(chǎn)氫氣。如所能理解的，并不回收所有生成的一氧化碳和氫氣。例如，一些一氧化碳在氣流M和82中存在，一些生成的氫氣在吹洗氣流80中。這表示可能的生產(chǎn)損失， 因此計算百分比回收性能因子。為此，通過使用從在線氣相色譜分析儀得到的成分?jǐn)?shù)據(jù)，計算蒸汽甲烷重整爐12和變換氣反應(yīng)器30生產(chǎn)的氫氣和一氧化碳的總量。為此，從分布式控制系統(tǒng)119獲得代表合成氣流M和變換氣流32的流量的數(shù)據(jù)，并將其存儲在SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫120上。類似地獲得并存儲這些氣流的成分?jǐn)?shù)據(jù)。在146直接計算氫氣和一氧化碳的量。在1 從SCADA數(shù)據(jù)庫120讀取與一氧化碳流66和氫氣產(chǎn)品流76有關(guān)的數(shù)據(jù)， 并作為在146執(zhí)行的計算的輸入。從生產(chǎn)的一氧化碳和氫氣的計算、一氧化碳產(chǎn)品流66的流量以及生產(chǎn)的氫氣的總流量，也可以計算一氧化碳和氫氣的當(dāng)前百分比回收，然后在146 將其用以更新百分比回收的移動平均值。這個移動平均值然后用作132的輸入，以通過將這個移動平均值除以在134從SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫120讀取的百分比產(chǎn)品回收的相關(guān)基準(zhǔn)值 (例如，期望的設(shè)計回收值)，確定百分比回收性能因子。隨著百分比回收的增加，整體性能因子將因此增加。應(yīng)注意的是，如果只生產(chǎn)一種產(chǎn)品，例如，氫氣，則在這種性能因子中僅考慮氫氣的百分比回收。對于與控制器性能相關(guān)的性能因子，在設(shè)備1中該控制器是PID控制器，所測量的是這些控制器的整定完美性。PID控制器的比例、積分和差分常數(shù)必須適當(dāng)設(shè)定，以便在最少的時間內(nèi)獲得目標(biāo)溫度、流量和壓力。在設(shè)備1中，由MPC系統(tǒng)產(chǎn)生控制目標(biāo)，MPC系統(tǒng)通過設(shè)定操縱變量以控制諸如產(chǎn)品的生產(chǎn)和溫度的變量來優(yōu)化生產(chǎn)成本。再次參考圖1，在設(shè)備1中，與PID控制循環(huán)相關(guān)的受控變量是如溫度控制器200 所控制的重整爐出口溫度、流量控制器202和204控制的天然氣進料流10的反應(yīng)物進料部分16和輔助天然氣流18的流量、流量控制器208測量和控制的冷箱進料流50、流量控制器210測量和控制的一氧化碳壓縮機再循環(huán)流67、流量控制器212測量和控制的吹洗氣流 80、以及溫度控制器214測量和控制的組合流79到壓力擺動吸附單元74的入口溫度。溫度控制器200是通過調(diào)整輔助天然氣流20的流量來控制蒸汽甲烷重整爐12的重整爐出口溫度的級聯(lián)循環(huán)。控制器200的設(shè)定點可以是操作員輸入或者來自MPC系統(tǒng)。 這個控制器200的輸出為流量控制器204(輔助天然氣流20)建立設(shè)定點。一旦設(shè)定了目標(biāo)，PID控制器調(diào)整閥門(未示出)以將輔助天然氣流20的流量保持在設(shè)定點。類似地， 流量控制器202將天然氣進料流10的反應(yīng)物進料部分16維持在設(shè)定點，該設(shè)定點可以是操作員輸入或來自MPC系統(tǒng)。冷箱進料流50由流量控制器208控制。這個控制器208的設(shè)定點通常來自MPC 系統(tǒng)。一旦設(shè)定了目標(biāo)，PID控制器調(diào)整閥門(未示出)將流量保持在設(shè)定點。到冷箱52 的一氧化碳壓縮機再循環(huán)流67由流量控制器210控制。設(shè)定點通常由MPC設(shè)定，并且僅當(dāng)調(diào)整一氧化碳生產(chǎn)目標(biāo)時才改變該設(shè)定點。一旦設(shè)定了目標(biāo)，PID控制器調(diào)整閥門(未示出)將一氧化碳壓縮機再循環(huán)流67的流量保持在設(shè)定點。吹洗氣流80的流量由流量控制器206控制，流量控制器206從洗氣鼓(purge drum)壓力控制器(未示出)獲得其設(shè)定點。該流量控制器然后調(diào)整蝶形閥，以將吹洗氣流80的流量保持在設(shè)定點。溫度控制器214由操作員設(shè)置。通過調(diào)整流過熱交換器(未示出)的冷卻水流量來實現(xiàn)溫度控制。為每一個控制器計算誤差平方積分，計算方法是測量將由控制器控制的過程值、 計算與設(shè)定點的偏差的平方，然后在由系統(tǒng)操作員所指定的控制器跨度(單位為分鐘)上進行求和。例如，如果PID的循環(huán)跨度是10分鐘，并且設(shè)定點和將要控制的過程值如下所給出，那么誤差平方積分等于11. 25。
權(quán)利要求
1.一種監(jiān)視設(shè)施性能的方法，該設(shè)施具有至少一個設(shè)備，該至少一個設(shè)備在至少一個單元操作中生產(chǎn)至少一種產(chǎn)品并消耗至少一種物品，所述方法包括周期性地監(jiān)視包括該至少一種物品的使用率、該至少一種產(chǎn)品的生產(chǎn)率和單位生產(chǎn)成本在內(nèi)的當(dāng)前值，單位生產(chǎn)成本是通過至少將與該至少一種物品中的至少一種的使用率有關(guān)的成本值除以該至少一種產(chǎn)品的生產(chǎn)率而計算得到的；計算并存儲該至少一種物品的使用率和所述單位生產(chǎn)成本在預(yù)定的時間間隔期間的移動平均值；為每一個移動平均值，確定與該設(shè)施的穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)相關(guān)的基準(zhǔn)值； 借助于使用移動平均值和基準(zhǔn)值的數(shù)學(xué)函數(shù)來周期性地計算性能因子，所述性能因子包括與所述至少一種物品的使用相關(guān)的物品性能因子以及與單位生產(chǎn)成本相關(guān)的生產(chǎn)效率性能因子，所述數(shù)學(xué)函數(shù)如此定義隨著所述至少一種物品的使用的增加，物品性能因子和生產(chǎn)效率性能因子減小，并且隨著產(chǎn)品回收增加，生產(chǎn)效率性能因子增加；通過至少與每個性能因子對該至少一種產(chǎn)品的生產(chǎn)的成本貢獻近似成比例地對性能因子進行加權(quán)以生成加權(quán)的性能因子，然后將加權(quán)的性能因子相加，來計算整體性能因子；以及向監(jiān)視該設(shè)施性能的用戶顯示整體性能因子。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中 所述至少一種物品是原材料和電力；使用原材料的使用率來計算物品性能因子和生產(chǎn)效率性能因子； 也計算并存儲電力的使用率的移動平均值；并且性能因子還包括電力消耗性能因子，選擇所述數(shù)學(xué)函數(shù)使得隨著電力消耗的增加，電力消耗性能因子減小。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述至少一種產(chǎn)品的產(chǎn)品回收是在所述至少一個設(shè)備中生產(chǎn)的所述至少一種產(chǎn)品的一部分；當(dāng)前值還包括該至少一種產(chǎn)品的至少一個百分比回收，該至少一個百分比回收基于在該至少一個設(shè)備中生產(chǎn)的該至少一種產(chǎn)品的該部分；計算并存儲該至少一種產(chǎn)品的百分比回收的移動平均值；以及性能因子還包括百分比回收性能因子，并且選擇所述數(shù)學(xué)函數(shù)使得隨著該至少一種產(chǎn)品的百分比回收的增加，百分比回收性能因子也增加。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中當(dāng)前值還包括與用于控制該至少一個單元操作的自動控制器相關(guān)的自動控制器性能， 通過對在該至少一個單元操作中要由所述自動控制器控制的過程變量的測量值與所述過程變量的目標(biāo)值之間的誤差平方積分進行求和，來計算自動控制器性能； 計算并存儲自動控制器性能的移動平均值；并且所述性能因子還包括控制器性能因子，并且選擇所述數(shù)學(xué)函數(shù)使得隨著誤差平方積分的減小，控制器性能因子增加。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，進一步包括顯示每個性能因子。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中當(dāng)整體性能因子和至少一個性能因子中的至少一個偏離相關(guān)基準(zhǔn)值預(yù)定量時，向用戶傳達指示。
7.如權(quán)利要求5或6所述的方法，其中在確定性能因子時所用的數(shù)學(xué)函數(shù)對于電力消耗性能因子、物品性能因子和控制器性能因子而言是基準(zhǔn)值與移動平均值的比率，對于百分比生產(chǎn)性能因子而言是百分比生產(chǎn)移動平均值與百分比生產(chǎn)基準(zhǔn)值的比率，對于生產(chǎn)效率性能因子而言是常數(shù)和單位成本移動平均值之間的差與單位成本基準(zhǔn)值的比率。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中該至少一個設(shè)備包括具有一系列產(chǎn)生氫氣產(chǎn)品流、一氧化碳流、輸出蒸汽流和甲醇洗氣流的單元操作的氫氣和一氧化碳設(shè)備；氫氣和一氧化碳設(shè)備從另一氫氣和一氧化碳設(shè)備輸入氫氣作為輸入的氫氣流，并且消耗天然氣流作為蒸汽甲烷重整爐的進料和燃料； 原料是天然氣流的天然氣； 該至少一種產(chǎn)品是氫氣產(chǎn)品流的氫氣； 該至少一種產(chǎn)品的生產(chǎn)率是氫氣產(chǎn)品流的氫氣流量；所述當(dāng)前值包括天然氣流、甲烷洗氣流、輸入的氫氣流、甲烷反應(yīng)器內(nèi)消耗的甲烷進料流、一氧化碳流和輸出蒸汽流的流量； 計算輸出蒸汽流的熱含量；成本值是高熱值，并且對天然氣流、甲烷洗氣流、輸入的氫氣流、甲烷進料流和一氧化碳流計算相關(guān)的高熱值；并且單位生產(chǎn)成本通過執(zhí)行氫氣和一氧化碳設(shè)備的能量平衡并將所述能量平衡除以氫氣產(chǎn)品流的氫氣流量來確定，所述能量平衡是通過導(dǎo)出第一和第二總和并從第一總和中減去輸出蒸汽流的熱含量和第二總和計算的，第一總和是通過將天然氣流、甲烷洗氣流和輸入的氫氣流的流量和相關(guān)高熱值的乘積相加而得到的，第二總和是通過將甲烷進料流和一氧化碳流的流量和相關(guān)高熱值相乘而得到的。
全文摘要
一種監(jiān)視設(shè)施內(nèi)設(shè)備性能的方法(1)，該方法中估計諸如原材料使用(126)、產(chǎn)品回收、單位生產(chǎn)效率(138)、電力使用(144)以及控制器誤差性能(148)的成本貢獻項的移動平均值，對這些移動平均值進行統(tǒng)計加權(quán)以確定整體性能因子(154)。整體性能因子(154)適用于設(shè)備運轉(zhuǎn)的即時指示。單個性能因子的偏移(164)診斷設(shè)備問題。
文檔編號G05B15/02GK102419591SQ201110284128
公開日2012年4月18日 申請日期2006年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月22日
發(fā)明者E·卡滕德, F·J·克萊恩三世, S·A·達德博 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司