设施监视方法 本申请是申请人于普莱克斯技术有限公司 2006 年 3 月 17 日提交的中国专利申请 200680016579.4 的分案申请。技术领域
本发明涉及一种监视设施 (facility) 性能的方法， 在该方法中单独监视与原料 使用、 产品回收、 所回收的产品的百分比、 生产效率以及控制器整定相关的各个性能因子以 及由单个性能因子组成的整体设备 (plant) 性能因子。 背景技术
各种各样的设施在一个或多个单元操作中处理原料来生产一种或多种产品。
例如， 在氢 - 一氧化碳设备中， 天然气用作与蒸汽一起送入蒸汽甲烷重整炉的反 应物并用作支持吸热蒸汽甲烷重整反应的燃烧炉的燃料。蒸汽甲烷重整产生包含一氧化 碳、 二氧化碳和氢气的合成气产品。 在随后的操作中， 合成气体由胺涤气单元处理以除去二 氧化碳。在去除二氧化碳后， 分离一氧化碳生成粗制氢气流。此外， 蒸汽甲烷重整的部分合 成气体产品受到水煤气变换反应， 生成变换气流， 该变换气流与粗制的氢气流结合并且进 一步在压力摆动吸附单元中进行处理， 以生成可以再循环为部分燃料来点燃蒸汽甲烷重整 炉的燃烧炉的吹扫气和氢气。 此外， 一些变换气可以与合成气、 二氧化碳和氢气一起在甲醇 设备中进行处理以制造甲醇。可以进一步处理一些甲醇来制造甲醛。
在另一种类型的设施中， 空气被分离为氧气、 氮气和氩产品。在这样的设施中， 将 空气压缩、 冷却到其露点或近露点并且在高低压柱中分馏， 以生成氮气产品和氧气产品。
在所有这样的设施中， 单元操作由自动控制系统进行， 自动控制系统可以设定操 作的目标并且按需要调整对设施的控制以达到目标。 因此操作人员需要得到关于设备性能 的指示。一种监视设备性能的方式是监视设备的反应， 以控制设定了目标的输入。例如， 在 美国专利 No.6666049 中， 控制系统使用模型确定关键性能指标的最佳值， 所述关键性能指 标例如是设备功耗、 产品回收、 控制器性能、 模型预测控制器稳态优化、 模型预测控制器所 使用的模型的模型预测和模型预测控制动态性能。每一个这些关键性能指标都受到监视， 并且当关键性能指标处在该特定性能指标的确定的期望最佳值范围之外时， 向操作人员发 出警报。该系统还可以向设备操作员建议一个或多个动作， 用于调整低温设备的操作使得 处于期望范围之外的关键性能指标的值可以重新回到期望范围之内。
这种类型的监视虽然重要， 但是不能使操作员即时查看设备整体性能。如将要讨 论的， 本发明提供了一种可以用于任何类型设施的监视方法， 在该方法中监视设备的整体 性能。 发明内容
本发明提供了一种监视设施性能的方法， 该设施具有至少一个设备， 该至少一个 设备在至少一个单元操作中生产至少一种产品并消耗至少一种物品。 这样的设备可以是任何类型的符合这种描述的设备， 例如蒸汽甲烷重整炉或空气分离设备。此处以及权利要求 中所用的术语 “单元操作” 是指任何这样的工业过程， 其中对进料进行处理以生成产品或用 于进一步处理的中间产品。
根据本发明， 监视包括该至少一种物品的使用率、 该至少一种产品的生产率和单 位生产成本在内的当前值。通过将与该至少一种物品的使用率有关的至少成本值除以该 至少一种产品的生产率， 计算单位生产成本。计算预定时间间隔期间该至少一种物品的 使用率和所述单位生产成本的移动平均值， 并且存储所述移动平均值。确定基准值 (base value)。对于每个移动平均值， 基准值与设施的稳态操作相关。
周期性地计算包括与该至少一种物品的使用有关的物品性能因子和与单位生产 成本有关的生产效率性能因子的性能因子。 借助利用移动平均值和基准值的数学函数计算 性能因子， 并定义所述函数使得随着该至少一种物品的使用的增加， 物品性能因子和生产 效率性能因子减小， 并且随着产品回收增加， 生产能效率性能因子增加。 通过与每个性能因 子对该至少一种产品的生产的成本贡献至少近似成比例地对性能因子进行加权， 来计算整 体性能因子。 该加权生成加权的性能因子， 将其相加产生整体性能因子， 该整体性能因子将 显示给监视设施性能的用户。
如从上述讨论中可以理解的， 与现有技术不同， 这些性能因子 ( 整体性能因子也 是 )， 允许经济地监视设备的性能。实际上， 整体性能因子是通过对生产成本的经济贡献进 行经济加权的。如将要讨论的， 虽然不是本发明的一部分， 但是如在现有技术中的， 监视可 以包括对操作员的建议， 该建议用于诊断可能已经导致范围外的性能因子的设备的性能问 题。
如上所述， 所述设备可以是蒸汽甲烷重整炉。 在这种情况中， 物品可以是用作重整 炉的进料和燃料的天然气， 产品是合成气， 单位生产成本可以说是生产一立方英尺氢气所 需的天然气的成本。 不是使用自身会改变的直接成本， 成本值可以不那么直接， 而是基于高 热值。天然气的价格对其高热值是关键的。出于同样原因， 设备可以是空气分离设备， 设计 成生产氧气作为产品。 在这种情况中， 生产中消耗的物品可以说是具有成本基础的电力。 本 发明可以同样应用于引入一系列不同单位操作 ( 诸如在氢气和一氧化碳设备中的那些 ) 的 更复杂的制造情况。
在诸如蒸汽甲烷重整炉的设备中， 该至少一种物品可以是原料和电力。虽然电力 的经济效益在这样的设备中较小， 但是电力的使用产生了更为精确的整体性能因子， 并且 过度的电力消耗可以帮助诊断诸如与生产结合使用的压缩机之类的旋转设备中的问题。 在 这样的设备中， 可以使用原料的使用率确定物品性能因子和生产效率性能因子。
计算电力的使用率的移动平均值并将其存储， 性能因子还可以包括电力消耗性能 因子。同样选择数学函数使得随着电力消耗的增加， 电力消耗性能因子减小。
在诸如蒸馏设备和吸附设备的设备中， 并不是回收进料中所有想要的产品。在这 样的设备中， 该至少一种产品的产品回收是在该至少一个设备中生产的该至少一种产品的 一部分。在这种情况中， 当前值也可以基于该至少一个设备中生产的该至少一种产品的所 述一部分， 包括该至少一种产品的至少一个百分比的回收。计算并存储该至少一种产品的 百分比回收的移动平均值。性能因子还包括百分比回收性能因子， 并且同样选择数学函数 使得随着该至少一种产品的百分比回收的增加， 百分比回收性能因子也增加。在要监视的大多数设备中， 可以通过测量控制器性能得到进一步的精确。在这种 情况中， 当前值也可以包括与用于控制该至少一个单元操作的自动控制器相关的自动控制 器性能。 通过对该至少一个单元过程中由自动控制器控制的过程变量的测量值与过程变量 的目标值之间的误差平方积分求和， 来计算自动控制器性能。同样计算并存储自动控制器 性能的移动平均值， 并且性能因子也包括控制器性能因子。 在这种情况中， 同样选择数学函 数使得随着误差平方积分的减小， 控制器性能因子增加。
每一个性能因子可以与整体性能因子一起显示。进一步地， 当至少一个整体性能 因子和总体性能因子中的至少一个偏离相关基准值预定量时， 诸如警报的指示可以传达给 用户。
用于确定性能因子的数学函数是电力消耗性能因子、 物品性能因子和控制器性能 因子的基准值与移动平均值的比值。 百分比生产移动平均值与百分比生产基准值的比值用 于百分比生产性能因子。进一步地， 常数与单位成本移动平均值之差和单位成本基准值的 比值是用于确定生产效率性能因子的数学函数。
如上所述， 该至少一个设备可以是具有一系列产生氢气产品流、 一氧化碳流、 输出 蒸汽流和甲醇洗气流的单元操作的氢气和一氧化碳设备。 氢气和一氧化碳设备从另一个氢 气和一氧化碳设备输入氢气作为输入的氢气流并且消耗天然气流作为蒸汽甲烷重整炉的 进料和燃料。 在这样的设备中， 原料可以说是天然气流的天然气， 该至少一种产品是氢气产 品流的氢气。照此， 该至少一种产品的生产率是氢气产品流的氢气流量。当前值包括天然 气流、 甲烷洗气流、 输入的氢气流、 甲烷反应器内消耗的甲烷进料流、 一氧化碳流和输出蒸 汽流的流量。计算输出蒸汽流的热含量。成本值可以是高热值并且对天然气流、 甲烷洗气 流、 输入的氢气流、 甲烷进料流和一氧化碳流的相关高热值进行计算。 单位生产成本通过执 行氢气和一氧化碳设备的能量平衡并将所述能量平衡除以氢气产品流的氢气流量来确定。 能量平衡是通过导出第一和第二总和并从第一总和中减去输出蒸汽流的热含量和第二总 和计算的。第一总和是通过将天然气流、 甲烷洗气流和输入的氢气流的流量和相关高热值 的乘积相加而计算得到的。 第二总和是通过将甲烷进料流和一氧化碳流的流量和相关高热 值相乘而计算得到的。 附图说明
虽然本说明书以权利要求书作为结论， 权利要求书明确指出了申请人所认为的其 发明的主题， 但是我们相信当结合附图时将会更好地理解本发明， 在附图中 ：
图 1 是根据本发明的要监视的氢气生产设备的示意图， 该设备也生产甲烷和甲醛 产品 ； 以及
图 2 是用于实施根据本发明的监视方法的自动系统的示意性简化工艺流程图。 具体实施方式
参考图 1， 示出了包含设计成生产氢气和一氧化碳产品的设备 1 的设施的工艺流 程图。也生产二氧化碳、 甲烷和甲醛产品。设备 1 是位于该设施内的两个设备的其中之一。 然而， 应理解的是， 如上所述， 本发明的应用并不限于任何特定类型的设备和设施并且具有 更为广泛的应用。设备 1 由一系列单元操作组成， 该一系列单元操作开始于常规蒸汽甲烷重整炉 12(“SMR” ) 内的天然气流 10(“NG” ) 的蒸汽甲烷重整。蒸汽通常以已知的方式在蒸汽甲 烷重整炉 12 的对流部分内从锅炉给水流 14(“BFW” ) 中产生。虽然未示出， 但是蒸汽也可 以从用在冷却流 ( 例如， 要经受水煤气变换反应的合成气流 ) 的那类余热回收蒸汽发生器 中产生。不管怎样， 产生的蒸汽与天然气进料流 10 的反应物进料部分 16 一起被引入位于 蒸汽甲烷重整炉 12 内的含催化剂的管内。在蒸汽甲烷重整时， 碳氢化合物和蒸汽在填充了 催化剂的管中发应， 生成包含氢气、 一氧化碳、 水蒸汽和二氧化碳以及未反应的碳氢化合物 的合成气流。
由于蒸汽甲烷重整是吸热过程， 由燃烧炉添加热量， 在燃烧炉中燃烧燃料流 18。 燃 料流 18 由辅助天然气流 20 与洗气流 22 组成， 稍后将讨论洗气流 22。
蒸汽甲烷重整的产品， 即， 所得到的合成气流 24， 与输出蒸汽流 26 一起排出。 合成 气流 24 被分成辅助合成气流 27 和 28， 用于进一步处理。
辅助合成气流 28 被引入水煤气变换反应器 30(“HTS” ) 中， 在那里通过还原蒸汽 得到氢气以及使一氧化碳氧化为二氧化碳， 而生成额外的氢气。这个反应在包含已知变换 催化剂的反应器中进行。得到的变换气流 32 是水煤气变换反应器的产品， 可以分别分成第 一和第二辅助变换气流 34 和 36。 在也需要二氧化碳产品的地方， 可以将辅助合成气流 27 引入到已知设计的胺涤 气单元 38(“MEA” )， 其中在吸收塔中用单乙醇胺洗涤合成气。富含二氧化碳的溶剂在解吸 塔中用蒸汽再生， 以产生净化的二氧化碳， 该二氧化碳作为二氧化碳流 40 排出。
在如上所述去除二氧化碳后， 辅助合成气流 27 作为流 42 引入到压缩机 44， 以产 生压缩流 46， 在制冷器 / 干燥器单元 48 中从压缩流 46 去除水， 其中制冷器 / 干燥器单元 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筛吸附剂的吸附单元。 然后干燥流作为冷箱进料流 50 引入冷箱 52 中， 冷箱 52 可以采取各种已知的设计的任意一 种， 并且通过蒸馏产生粗制氢气流 54、 一氧化碳产品流 66 和富甲烷废气流 82。通过将一氧 化碳流 56 在涡轮膨胀机 58 内膨胀并且将膨胀流 60 返回到冷箱 52 中， 来提供冷却。
生成一氧化碳流 62， 该一氧化碳流 62 在压缩机 64 中进行压缩并且作为一氧化碳 产品流 66 排出。一氧化碳产品流 66 的一部分作为一氧化碳压缩机再循环流 67 被重新引 入冷箱 52， 以在对设备 1 示出的特定装置中提供重沸器功能。
所得的粗制氢气流 54 和辅助变换气流 34 与将要讨论的吹洗气流 72 以及 ( 可选 地 ) 输入的粗制氢气流 78 一起， 作为组合流 79 引入到压力摆动吸附单元 74(“PSA” )， 压 力摆动吸附单元 74 包含异相工作的吸附剂床， 以分离氢气并因此生成氢气流 76。 采用吸附 剂优先吸附甲烷、 一氧化碳、 氮气等。作为蒸汽甲烷重整单元 12 的一部分燃料的吹洗气流 22 由从 PSA 单元 74 流出的吹洗气流 80、 从冷箱 52 排出的富甲烷废气流 82 以及从部分氢 气流 76 得到的可选再循环氢气流 81 组成。
辅助变换气流 36 与合成气流 38、 组成胺涤气单元 38 生成的所有或部分二氧化碳 流 40 的二氧化碳流 84、 以及粗制的氢气流 86 一起被进一步处理。这些气流结合起来形成 甲醇进料流 88， 甲醇进料流 88 在压缩机 90 内被压缩并与经过压缩机 94 压缩的再循环气流 92 一起输入到甲醇设备 96(“MEOH” )。甲醇设备 96 产生可以被送到甲醇容器 100 内的存 储器的甲醇产品流 98 以及包含氢气和未反应的二氧化碳、 一氧化碳、 蒸汽等的洗气流 72。
甲 醇 工 艺 流 (process stream)102 可 以 从 存 储 器 获 得 并 且 在 甲 醛 设 备 104(“HCHO” ) 内进一步处理， 以生成输入到甲醛存储容器 108 的甲醛产品流 106。甲醛设 备 104 以现有技术中已知的方式催化地将甲醇蒸气氧化成甲醛。
氢气产品流 76 可以再分为辅助氢气产品流 109、 再循环的氢气流 81 以及可以被送 到氢气管道的又一辅助氢气流 110。辅助氢气产品流 109 可以在压缩机 111 内被压缩并作 为压缩的氢气流 112 输出。
另外参考图 2， 设备 1 的整个操作由监督控制和数据采集系统 ( “SCADA 系统” )监 视。设备本身由分布式控制系统 (“DCS” ) 控制。DCS 设定点或目标， 所述点或目标可以是 操作员输入和 / 或来自模型预测控制系统 (“MPC 系统” )。DCS 作用于操纵变量以转换成 阀门和其他工艺控制的设置， 来获得上面关于设备 1 所讨论的各种气流的受控变量， 例如 温度、 压力和流量。SCADA 系统和 MPC 系统可以位于两个独立的计算机上， 其中从 SCADA 系 统取回的数据存储在 SCADA 系统数据库 120 上， 而 SCADA 系统数据库 120 可以与 MPC 系统 一起位于个人计算机上。DCS 和 SCADA 系统都可以从本领域的技术人员熟知的许多来源获 得。
程序 122( 将在下文讨论 ) 从 SCADA 系统数据库 120 取回数据并计算指定的性能 因子、 整体性能因子和诊断信息 ( 这些都写入 SCADA 系统数据库 120)， 并通过 SCADA 系统中 提供的图形用户界面显示给监视该设备的用户。 性能因子以及由这些性能因子组成的整体 性能因子的监视和它们对用户的显示经济地构成设备 1 的操作的技术指示， 将变得明显。 监视的主要层次是确定整体性能因子， 这是本发明的一个可能实施例， 也可能构 成用于监视设备的根据本发明的唯一层次。如下文将要更详细讨论的， 整体性能因子基于 特定的性能因子。这些特定的性能因子是 ： 物品性能因子 ； 生产效率性能因子 ； 百分比回收 性能因子 ； 电力消耗性能因子 ； 以及控制器性能因子。 控制器性能因子与用于设定设备 1 的 阀门和其他控制的实际控制器的性能相关， 所述实际控制器对于设备 1 来讲是 PID 控制器。 所有其他性能因子至少部分是基于与图 1 所示的相关气流的流量有关的数据来计算的。所 有与流量和控制器性能有关的数据都是通过分布式控制系统 119 获得的， 并且写入 SCADA 系统数据库 120 中。虽然为了解释简单没有示出， 但是如本领域技术人员所了解的， 这些与 流量相关的数据是由通常为孔型的流量计产生的。
概括来讲， 程序 122 通过利用数学函数比较移动平均值与基准值来计算每个性能 因子， 所述数学函数优选为比例， 在某些情况中也可以使用更复杂的项。 术语 “移动平均值” 指的是在特定移动时间间隔期间延伸的平均值， 所述时间间隔优选为十二小时。程序 122 每分钟执行， 如块 124 所示读取在计算性能因子时使用的数据， 然后按照需要计算变量， 并 且在块 126 通过删除所有超过十二小时的数据并计算算术平均值来更新这些变量的移动 平均值。
每一个性能因子的基准值是在设备启动之后并且当设备根据其设计工作水平运 行时的稳态工作期间获得的值。如图 2 中所示， 物品消耗性能因子、 控制器性能因子、 生产 效率性能因子、 电力消耗性能因子和百分比回收性能因子的基准值 128 输入到程序 122。 在 130， 基准值 128 作为操作员输入写到 SCADA 系统数据库 120。这些基准值可以根据过去在 这样的稳态条件下的设备性能来确定。可以理解， 也可以简单地使用设计水平计算结果或 离线模拟的最佳结果 / 相关性作为基本水平， 替代从设备工作导出的基本水平。
在 126， 计算的移动平均值被用来计算各个性能因子， 如 132 所示。 在 134， 从 SCADA 系统数据库 120 读取基准值并且将其作为 132 处的计算的输入。
如上所述， 在其最广泛的方面， 本发明包括通过基于物品性能因子以及产品效率 性能因子计算整体性能因子来监视设备， 所述物品性能因子与一个或多个物品的使用相 关， 且所述产品效率因子与单位生产成本相关。首先关注物品性能因子， 在程序 122 的每次 执行期间， 在 124 读取天然气使用的当前值， 即反应物进料部分 16 和辅助天然气流 20 的流 量。对这些流量计算总数并将其用于在 136 确定与天然气的使用相关的移动平均值。然后 在 132 块基于数学函数计算物品性能因子， 所述数学函数仅为在 3134 从 SCADA 系统数据库 120 读取的天然气使用的相关基准值除以在 136 确定的天然气使用的当前移动平均值得到 的比率。照此， 随着天然气使用的增加， 物品性能因子将减小， 整体性能因子也可能减小。
生产效率性能因子与单位生产成本相关。可以理解， 如果原料正被消耗并且这是 唯一考虑的成本， 那么生产效率性能因子的计算仅仅是原料成本和最终产品生产的数学函 数。如果产生了其他可售产品， 这些产品的生产可以考虑。在设备 1 的情况中， 问题复杂主 要是因为必须考虑其他产品的生产、 来自同类设备的氢气的输入以及蒸汽的输出。 因此， 在 象设备 1 中存在的那样较复杂的情况中， 以与能量平衡差不多相同的方式确定生产效率。 所选择的成本值是高热值， 因为天然气的成本与天然气的高热值具有直接关系。 然而， 应理 解的是在合适的情况中可以使用诸如直接成本的其他成本值。
在生产效率性能因子的计算中， 在 138 基于在 124 从 SCADA 系统数据库 120 读取 的数据计算单位生产成本。在这个方面， 读取反应物进料部分 16、 辅助天然气流 20 和甲醇 吹洗气流 72 的流量。此外， 还读取输入的粗制氢气流 78 的流量的当前值。从在线气相色 谱分析仪中可以得知气流 16、 20 和 78 的成分。基于离线分析周期性地更新气流 72 的成 分， 并且该成分是输入 140， 其作为操作员输入 130 写入 SCADA 系统数据库 120 中并且接着 在 124 读出用于在 138 的单位生产成本计算。根据这些气流的流量和成分测量结果以及这 些气流中存在的纯化合物的已知高热值， 计算这些气流的能含量。纯化合物高热值 142 又 在 130 作为操作员输入输入到 SCADA 系统数据库 120， 并在 124 被读取并用于 136 处的计 算。然后将能含量相加生成与氢气生产的总成本有关的总和。与输出蒸汽流 26、 甲醇进料 流 88 以及一氧化碳产品流 66 相关的流量也在 124 被读取并用在 136 的计算中。根据其流 量和焓计算输出蒸汽流 26 的能含量。将输出蒸汽的温度和压力测量结果输入到已知相关 性 ( 诸如 ASME 蒸汽表 ) 中， 来计算输出蒸汽的焓。甲醇进料流 88 和一氧化碳产品流 66 的 能含量是根据它们的流量、 成分 ( 在线气相色谱分析仪 ) 以及在这些气流中存在的纯化合 物的已知高热值来计算的。 将输出蒸汽、 甲醇进料流和一氧化碳产品流的能含量加起来， 并 将得到的总和从上述输入的能含量总和中减去。得到的净总和除以在 124 再次从 SCADA 系 统数据库 120 读取的氢气产品流 110 和 109 的流量， 得到与氢气产品的单位生产成本相关 的值。
程序 122 然后利用这种单位生产成本的当前值， 来维持在 136 处更新和维持的移 动平均值。 然后在 132， 通过将这样的移动平均值除以在 134 读取的相关基准值并从商减去 一常数， 来计算生产效率性能因子， 其中所述常数对于设备 1 来说选择为 2。 因此， 随着单位 生产成本的增加， 生产效率性能因子将减小并会减小整体性能因子。
在设备 1 中， 消耗的其他物品是电力。电力物品单独用在电力消耗性能因子的计算中， 因为其指示压缩机和用在设备 1 中的其他电力消耗机器的性能。设备 1 消耗的电力 由 GE Multilan Motor Monitor 测量， 单位为安培， 并存储在 DCS 上。 应注意的是， 在电力是 唯一对设备的生产具有经济影响的物品的情况中， 电力可以用来确定物品性能因子。在电 力与其他物品一起使用、 但其使用是恒定的情况中， 在确定性能因子时可以忽略电力。 程序 122 在 124 从 SCADA 数据库 120 读取数据 ( 该数据与单位为千瓦的电力的当前值有关 )， 并 且在 144 计算移动平均值。然后在 132 通过数学函数计算电力性能因子， 该数学函数是在 134 从 SCADA 系统数据库 120 读取的与电力使用有关的基准值与这样的移动平均值的比。 随着移动平均电力消耗的增加， 电力消耗性能因子减小， 导致整体性能因子的减小。
在设备 1 中， 产品是蒸汽甲烷重整炉 12 生产的一氧化碳和氢气。诸如甲醇和甲醛 的其他产品都被忽略， 因为当确定生产效率性能因子时将到甲醇设备的合成气进料当作输 出的量。 在冷箱 52 内通过蒸馏生产一氧化碳， 在压力摆动吸附单元 74 中通过净化粗制的氢 气流 54 生产氢气。如所能理解的， 并不回收所有生成的一氧化碳和氢气。例如， 一些一氧 化碳在气流 54 和 82 中存在， 一些生成的氢气在吹洗气流 80 中。这表示可能的生产损失， 因此计算百分比回收性能因子。 为此， 通过使用从在线气相色谱分析仪得到的成分数据， 计 算蒸汽甲烷重整炉 12 和变换气反应器 30 生产的氢气和一氧化碳的总量。为此， 从分布式 控制系统 119 获得代表合成气流 24 和变换气流 32 的流量的数据， 并将其存储在 SCADA 系 统数据库 120 上。类似地获得并存储这些气流的成分数据。在 146 直接计算氢气和一氧化 碳的量。在 124 从 SCADA 数据库 120 读取与一氧化碳流 66 和氢气产品流 76 有关的数据， 并作为在 146 执行的计算的输入。从生产的一氧化碳和氢气的计算、 一氧化碳产品流 66 的 流量以及生产的氢气的总流量， 也可以计算一氧化碳和氢气的当前百分比回收， 然后在 146 将其用以更新百分比回收的移动平均值。这个移动平均值然后用作 132 的输入， 以通过将 这个移动平均值除以在 134 从 SCADA 系统数据库 120 读取的百分比产品回收的相关基准值 ( 例如， 期望的设计回收值 )， 确定百分比回收性能因子。随着百分比回收的增加， 整体性能 因子将因此增加。 应注意的是， 如果只生产一种产品， 例如， 氢气， 则在这种性能因子中仅考 虑氢气的百分比回收。
对于与控制器性能相关的性能因子， 在设备 1 中该控制器是 PID 控制器， 所测量的 是这些控制器的整定完美性。PID 控制器的比例、 积分和差分常数必须适当设定， 以便在最 少的时间内获得目标温度、 流量和压力。在设备 1 中， 由 MPC 系统产生控制目标， MPC 系统 通过设定操纵变量以控制诸如产品的生产和温度的变量来优化生产成本。
再次参考图 1， 在设备 1 中， 与 PID 控制循环相关的受控变量是如温度控制器 200 所控制的重整炉出口温度、 流量控制器 202 和 204 控制的天然气进料流 10 的反应物进料部 分 16 和辅助天然气流 18 的流量、 流量控制器 208 测量和控制的冷箱进料流 50、 流量控制 器 210 测量和控制的一氧化碳压缩机再循环流 67、 流量控制器 212 测量和控制的吹洗气流 80、 以及温度控制器 214 测量和控制的组合流 79 到压力摆动吸附单元 74 的入口温度。
温度控制器 200 是通过调整辅助天然气流 20 的流量来控制蒸汽甲烷重整炉 12 的 重整炉出口温度的级联循环。控制器 200 的设定点可以是操作员输入或者来自 MPC 系统。 这个控制器 200 的输出为流量控制器 204( 辅助天然气流 20) 建立设定点。一旦设定了目 标， PID 控制器调整阀门 ( 未示出 ) 以将辅助天然气流 20 的流量保持在设定点。类似地， 流量控制器 202 将天然气进料流 10 的反应物进料部分 16 维持在设定点， 该设定点可以是操作员输入或来自 MPC 系统。
冷箱进料流 50 由流量控制器 208 控制。这个控制器 208 的设定点通常来自 MPC 系统。一旦设定了目标， PID 控制器调整阀门 ( 未示出 ) 将流量保持在设定点。到冷箱 52 的一氧化碳压缩机再循环流 67 由流量控制器 210 控制。设定点通常由 MPC 设定， 并且仅当 调整一氧化碳生产目标时才改变该设定点。一旦设定了目标， PID 控制器调整阀门 ( 未示 出 ) 将一氧化碳压缩机再循环流 67 的流量保持在设定点。
吹洗气流 80 的流量由流量控制器 206 控制， 流量控制器 206 从洗气鼓 (purge drum) 压力控制器 ( 未示出 ) 获得其设定点。该流量控制器然后调整蝶形阀， 以将吹洗气 流 80 的流量保持在设定点。温度控制器 214 由操作员设置。通过调整流过热交换器 ( 未 示出 ) 的冷却水流量来实现温度控制。
为每一个控制器计算误差平方积分， 计算方法是测量将由控制器控制的过程值、 计算与设定点的偏差的平方， 然后在由系统操作员所指定的控制器跨度 ( 单位为分钟 ) 上 进行求和。例如， 如果 PID 的循环跨度是 10 分钟， 并且设定点和将要控制的过程值如下所 给出， 那么误差平方积分等于 11.25。
1 时间间隔 设定点 100 98 过程值 误差 误差平方
2 4 1 1 .5 0.25 0 0 0 0 -1 1 2 4 1 1 0 0 0 0 100 99 100 99.5 100 100 100 100 100 101 100 98 100 99 100 100 100 100 2 3 4 5 6 7 8 9 10误差平万积分＝ 4+1+0.25+0+0+1+4+1+0+0 ＝ 11.25
每个前述控制器的误差平方积分按照上面的方法进行计算， 并在 148 进行求和。 代表这些误差的数据都记录在 SCADA 系统数据库 120 上， 并由程序 122 在 124 读出用于在 148 执行的计算。一旦求和完成， 就在 148 更新其移动平均值。对于设定点远远大于或小于 1000 的 PID 循环， 使用现场仪器的量程 ( 即高低工程极限的差 ) 的百分比对计算的误差平 方积分进行缩放。
程序 122 然后在 132 通过将当前移动平均值除以在 134 从 SCADA 系统数据库读出 的相关基准值， 来计算控制器性能因子。在这方面， 相关基准值除以移动平均值， 得到控制 器性能因子。因此， 随着实际误差平方积分增加， 相关的性能因子减小并且因此， 整体性能 因子也减小。
上述每个性能因子然后由预定的百分比加权值进行加权， 以得到经过加权的性能 因子， 如在 150 所示， 其中百分比加权值是特定性能因子在总生产成本中的经济权重。在这 方面， 加权值 150 是操作员在 130 输入到 SCADA 系统数据库 120 中的。 从 SCADA 系统数据库 120 读取加权值 150 并将其与他们相关的性能因子相乘， 得到加权的性能因子， 然后在 154将加权的性能因子相加， 得到整体性能因子。经济加权使得整体性能因子对于整体设备性 能而言成为有意义的值。对于设备 1， 给予物品消耗性能因子的权重值， 是给予电力消耗性 能因子或控制器性能因子的权重值的十二倍， 是百分比产品回收性能因子或生产效率性能 因子的权重值的四倍。 因此， 天然气的消耗将对整体性能因子具有最大的影响， 而控制器性 能和电力消耗降具有最小的影响。
在历史经济基础上计算预定的百分比加权因子。首先， 获得设备可变成本、 销售、 生产率以及营业利润数据。通过估计在 PID 整定中存在缺陷的设备运行条件下以及 PID 控 制器得到整定的运行状态下的成本、 生产率和营业利润的变化， 来间接确定 PID 调整的值。 同样的间接方法可以用以确定任何控制系统的值。 然后确定每个性能因子的值或贡献并将 其相加以计算性能因子对可变利润 (variable margin) 的贡献。然后通过将与特定性能因 子相关的每个贡献的值除以总贡献来计算百分比加权因子。
作为示例， 由于有效的 PID 整定， 获得了设备 1 的增加的营业利润。对于营业利 润中一美元的增加， 确定 42.5 美分可归功于生产效率的提高， 42.5 美分可归功于产品回收 ( 氢气和一氧化碳 ) 的增加。 因此， 可以推断出由于改进的 PID 整定所引起的营业利润的增 加是每美元 15 美分。由于改进的 PID 整定， 对于增加的营业利润中的一美元， 天然气的使 用减少了约 $1.80， 并且对于一美元的营业利润， 电力消耗减小了 15 美分。 因此以一美元为 基础的总的相对贡献等于 $2.95($1.00 是增加的营业利润、 $1.80 对应于减少的天然气使 用以及 15 美分对应于减少的电力消耗 )。然后计算百分比加权因子。对于生产效率性能因 子和产品回收性能因子二者， 百分比加权因子等于 14.4％ ($.42.5/$2.95)×100％或者约 15％。PID 调整和电力使用的百分比加权因子为 5.08％ ($0.15/2.95)×100％或者约 5％。 天然气成本的百分比加权因子是 61.02％ ($1.80/$2.95)×100％或者约 60％。
如从上述讨论中可以理解的， 可以使用准确的百分比加权因子， 或者可以通过四 舍五入到最近的整数来使用粗略近似。使用粗略近似就足够的原因在于重要的是相对贡 献， 因此整体性能因子代表设备 1 的运转的有意义的指标， 并且没有不合适地偏向特定性 能因子。此外， 如上所指示的， 本发明的实施例也可以不考虑诸如 PID 整定的相对经济效益 的控制器效率。在这种情况中， 可以分摊由产品销售所得的利润和成本来确定加权值。
各个性能因子的值、 整体性能因子的值以及组成整体性能因子的各个性能因子的 值可以在 156 被写入 SCADA 系统数据库 120， 并且由 SCADA 系统的图形用户界面用图形进行 显示。
除了上述， 基准整体性能因子也作为基准值 128 的一部分输入到程序 122 中， 基准 值 128 用作在 130 的到 SCADA 系统数据库 120 的操作员输入。在 158 测试整体性能因子与 其基准值的偏差。如果在 160 与给远程用户的报告和电子邮件一同产生了 “否” 警报， 则其 又写入 SCADA 系统数据库 120 并且通过该系统数据库的图形用户界面进行显示。此外， 在 162 进行诊断并且产生建议的校正动作。 即使整体性能因子是满意的， 也在 164 测试单个性 能因子。如果所有都满意 (“是” )， 那么在 168 定期 ( 可以是每日、 每周和每月 ) 生成报告 和电子邮件。报告和电子邮件被写入 SCADA 系统数据库 120， 用于显示和分发。如果单个性 能因子不满意 (“否” )， 那么在 162 进行诊断等并且在 160 产生警报、 报告等。所允许的整 体性能因子和每个单独的性能因子与其相对基准值的偏差优选设为 5％。
如上所述， 在 162 测试并产生诊断和用于校正偏差的建议的校正动作。例如， 假设整体性能因子偏离基准整体性能因子 5％， 则可以如图 2 中块 170、 172 以及 174 等所示测试 每个单独的性能因子。对于框 170， 假设生产效率性能因子 (“PF” ) 不满足偏离基准生产 效率性能因子在 5％之内的要求， 作为部分出错消息， 也发送对于单个评估的诊断。 例如， 可 以获取并评估单位生产成本的值， 并且建议过程控制变化， 如 176 和 178 所示。旋转设备效 率可能不满足规范， 如 180 所示。在这种情况中， 建议可以指示检查机械问题、 可以改变对 膨胀机和压缩机流量的限制等， 如 182 所示。在 184 估计炉子效率， 并且据此在 186 建议对 蒸汽碳比率、 出口温度、 过度的废气氧气等进行改变。
虽然参考优选实施例对本发明进行了描述， 如对本领域的技术人员显而易见的， 在不脱离本发明的精神和范围的前提下可以作出许多变化、 添加和省略。