黎宇仲 黎蔭棠

（佛山市南海安科咨詢服務(wù)有限公司）

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境問(wèn)題的逐漸重視，節(jié)能減排任務(wù)不斷加重，因此降低油品中的硫含量已成為現(xiàn)代石油化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向［1］。目前，降低油品硫含量主要是通過(guò)加氫技術(shù)對(duì)油中硫醇性硫、 沸點(diǎn)高于油品的噻吩和其他雜質(zhì)進(jìn)行脫離，以得到符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的中間餾分油和高品質(zhì)油。加氫技術(shù)在使用過(guò)程中主要分為加氫裂化與加氫精制兩種工藝， 該技術(shù)主要將油中存在的硫、氧、氮等物質(zhì)以及重金屬等雜質(zhì)，在高壓氫氣與催化劑的作用下轉(zhuǎn)化成低分子量產(chǎn)物。

石油化工生產(chǎn)中加氫裝置換熱器因其優(yōu)異性能得到了廣泛應(yīng)用，但裝置有著特有的危險(xiǎn)特性［2］。加氫裝置換熱器由于介質(zhì)因素影響，氫氣與油都有著易燃易爆的特性；加氫反應(yīng)作為一種強(qiáng)放熱反應(yīng)，設(shè)備在高溫高壓條件下部分管線易發(fā)生氫催反應(yīng)；催化劑反應(yīng)過(guò)程與活化過(guò)程中易發(fā)生爆炸；加氫反應(yīng)尾氣中含有部分氫氣與其他物質(zhì)，若人員操作不當(dāng)，引起設(shè)備泄漏，則容易引發(fā)爆炸、火災(zāi)等事故。 由于加氫裝置換熱器處于高溫高壓、易燃易爆且有毒介質(zhì)的環(huán)境中，因此將它歸類(lèi)于甲類(lèi)火災(zāi)危險(xiǎn)裝置，其工作環(huán)境處于爆炸危險(xiǎn)區(qū)［3］?；谘b置特有的危險(xiǎn)特性，一旦發(fā)生危險(xiǎn)事故會(huì)對(duì)石油化工企業(yè)造成巨大的人員傷害與財(cái)產(chǎn)損失， 同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境影響。因此，為了更加高效、安全地檢測(cè)加氫裝置換熱器運(yùn)行狀態(tài)下的參數(shù)變化，需對(duì)石油化工生產(chǎn)加氫裝置換熱器故障診斷進(jìn)行分析。

1 加氫裝置換熱器故障診斷模型

1.1 故障參數(shù)分析

根據(jù)加氫裝置換熱器原料與反應(yīng)產(chǎn)品的特點(diǎn)，將加氫反應(yīng)體系分為若干個(gè)虛擬組，并將每個(gè)虛擬組分為一個(gè)總集，根據(jù)目的的不同，其劃分總集也不同［4］。根據(jù)加氫裝置換熱器動(dòng)力原理，將原料主要分為氣體、 重石腦油、 輕石腦油、柴油、航空煤油和原料油。 在設(shè)備正常工作狀態(tài)下，會(huì)同時(shí)生成氣體、重石腦油、輕石腦油和柴油，反應(yīng)器液體混合物流速不變。 根據(jù)加氫裝置換熱器溫度與氫氣出壓函數(shù)，可以得到：

其中，Ki為換熱裝置溫度與氫氣的壓力值，Ai為反應(yīng)總集前因子，e為虛擬組系數(shù)，Ei為活性能，R為污垢系數(shù)，T為水溫。 將加氫裝置換熱器原料油與反應(yīng)物按照恩氏蒸餾進(jìn)行切割后，劃分虛擬組分。 若總集為單一分組，其中輕石腦油平均分子量為93u、密度為664.1g/cm3，重石腦油平均分子量為110u、密度為750.9g/cm3，煤油餾分平均分子量為150u、密度為796.0g/cm3，柴油餾分平均分子量為253u、密度為822.7g/cm3，原料油平均分子量為412.6u、密度為913.5g/cm3。 根據(jù)總集劃分原則和加氫實(shí)際工況，建立包括化學(xué)反應(yīng)在內(nèi)的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)集合［5］，其反應(yīng)動(dòng)力參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 反應(yīng)動(dòng)力參數(shù)

根據(jù)各動(dòng)力反應(yīng)參數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)各部位物料的壓力、流量來(lái)建立故障診斷流程，具體如圖1所示。

圖1 加氫裝置換熱器故障診斷流程框圖

根據(jù)加氫裝置換熱器故障診斷流程，主要針對(duì)裝置中各部位壓力、流量進(jìn)行診斷，其診斷標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 壓力、流量診斷標(biāo)準(zhǔn)

由于加氫裝置換熱器內(nèi)部構(gòu)造較為復(fù)雜，考慮到整體物性參數(shù)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)誤差等影響因素，允許在實(shí)測(cè)過(guò)程中數(shù)據(jù)值與實(shí)際值之間存在一定誤差［6］。

1.2 故障診斷模型

石油化工企業(yè)加氫裝置換熱器主要針對(duì)焦化柴油、焦化汽油和直餾柴油進(jìn)行加工，其加氫裝置換熱器故障診斷模型如圖2所示。

圖2 加氫裝置換熱器故障診斷模型

加氫裝置換熱器主要分為混合進(jìn)料高壓換熱器與低分油換熱器兩種，在運(yùn)行過(guò)程中其設(shè)備工況與腐蝕情況見(jiàn)表3。

表3 加氫裝置換熱器工況與腐蝕情況

加氫裝置換熱器故障主要分為加氫反應(yīng)器超溫、加熱爐熄火引發(fā)爐膛閃爆、高/低壓分離器液位控制故障、循環(huán)氫壓縮機(jī)故障及安全儀表故障等［7］。 加氫裝置換熱器在進(jìn)行、加氫裂化、加氫脫硫及加氫脫氧等反應(yīng)過(guò)程中，催化劑發(fā)生強(qiáng)放熱反應(yīng)，因此需要注入急冷氫使催化劑床層溫度達(dá)到穩(wěn)定。 如果急冷氫流量較小，無(wú)法及時(shí)帶走反應(yīng)放出的熱量，則會(huì)出現(xiàn)反應(yīng)床層溫度升高的現(xiàn)象。 加氫換熱裝置長(zhǎng)期處于這一環(huán)境下，易發(fā)生泄漏，引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故；在裝置反應(yīng)階段，高壓分離器控制系統(tǒng)壓力，如果出現(xiàn)液面過(guò)高的情況，高壓氫氣進(jìn)入低分系統(tǒng)，則會(huì)發(fā)生系統(tǒng)超壓爆炸事故［8］。若低壓分離器液位過(guò)高，低分氣液位過(guò)低，會(huì)造成脫丁烷塔壓力過(guò)高，引起設(shè)備損壞；循環(huán)氫壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中氣體產(chǎn)生高溫高壓等，易對(duì)儀表、壓縮機(jī)缸體及管線等造成損壞并發(fā)生泄漏，從而引發(fā)火災(zāi)、爆炸事故；加氫裝置換熱器中設(shè)有有害氣體報(bào)警裝置、可燃?xì)怏w報(bào)警裝置等，若報(bào)警裝置所處位置不當(dāng)，或未對(duì)報(bào)警裝置進(jìn)行定期檢驗(yàn)等，會(huì)導(dǎo)致報(bào)警裝置無(wú)法正常運(yùn)行。 同時(shí)，由于加氫裝置換熱器中的主要介質(zhì)具有易燃易爆、易腐蝕性，所以當(dāng)換熱器內(nèi)部發(fā)生變形時(shí)，會(huì)出現(xiàn)物料泄漏、設(shè)備損壞等情況，從而導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸等事故的發(fā)生［9］。

2 加氫裝置換熱器的故障因素

2.1 循環(huán)氫流量對(duì)換熱器溫度的影響

加氫裝置換熱器內(nèi)反應(yīng)氫量主要包括反應(yīng)床打進(jìn)急冷氫與爐前混氫兩部分［10］。 由于爐前混氫需要通過(guò)裝置加熱后與原料油混合后送入反應(yīng)器入口，所以這一過(guò)程允許氫氣流量在小幅度范圍內(nèi)對(duì)溫度平衡產(chǎn)生影響。 整個(gè)加氫裂化反應(yīng)、加氫精制反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，若床層溫度超過(guò)12～13℃，裂變速度將增加1倍［11］；若正常溫度超過(guò)25℃，則裂變速度增加4倍。 急冷氫注入時(shí)對(duì)反應(yīng)催化劑床層的反應(yīng)溫度影響較大［12］，在考慮到其他操作條件固定的條件下， 保證急冷氫流量浮動(dòng)變化的同時(shí)， 循環(huán)氫流量與換熱器溫度的關(guān)系如圖3所示。 可以看出，換熱器的溫度隨著急冷氫流量的增加而降低。急冷氫反應(yīng)器流量的增加，首先促進(jìn)了加氫裂化反應(yīng)， 裂化反應(yīng)增加的同時(shí)換熱器溫度升高，而隨著急冷氫流量的持續(xù)增加，換熱器溫度開(kāi)始降低，加氫裂化反應(yīng)速率降低［13］。因此，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中急冷氫流量的增加，能夠提高換熱器中氣相流速， 延長(zhǎng)操作安全滯留反應(yīng)時(shí)間，影響設(shè)備轉(zhuǎn)換率。急冷氫流量的增加導(dǎo)致加氫反應(yīng)裝置轉(zhuǎn)化率降低，設(shè)備內(nèi)循環(huán)氫量增加，循環(huán)壓縮機(jī)能耗不斷增加［14］。 另一方面，如果氫流量過(guò)低， 則無(wú)法及時(shí)降低床層溫度， 使裂化反應(yīng)過(guò)度，引起床層升溫，導(dǎo)致設(shè)備故障。

圖3 循環(huán)氫流量與換熱器溫度的關(guān)系曲線

2.2 進(jìn)料量對(duì)換熱器溫度的影響

加氫裝置換熱器運(yùn)行中，如果其他操作條件不變，則進(jìn)料量與換熱器溫度的關(guān)系如圖4所示?？梢钥闯?， 隨著加氫反應(yīng)裝置進(jìn)料量的不斷增加，裝置內(nèi)空速增大，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的催化原料增加［15］，原料與催化劑反應(yīng)時(shí)間短，不僅影響產(chǎn)品質(zhì)量， 而且會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器溫度增加，設(shè)備出現(xiàn)故障。

圖4 進(jìn)料量與換熱器溫度的關(guān)系曲線

2.3 進(jìn)料溫度對(duì)換熱器溫度的影響

加氫裝置換熱器運(yùn)行中，如果其他操作條件不變，設(shè)定進(jìn)料溫度為370～410℃，則其進(jìn)料溫度與換熱器溫度的關(guān)系如圖5所示。 可以看出，隨著進(jìn)料溫度的增加， 換熱器溫度不斷上升［16］。 主要原因?yàn)榧託淞炎冏鳛榉艧岱磻?yīng)，進(jìn)料溫度的增加會(huì)導(dǎo)致末端反應(yīng)速率提高，使得換熱器溫度升高。 如果出現(xiàn)進(jìn)料溫度過(guò)高的現(xiàn)象，容易使催化劑床層結(jié)焦，引起飛溫，造成機(jī)械故障。

圖5 進(jìn)料溫度與換熱器溫度的關(guān)系曲線

2.4 冷劑中斷對(duì)塔頂溫度的影響

假設(shè)加氫裝置換熱器中其他控制器正常工作，且其他參數(shù)正常，塔頂冷劑中斷，引起塔頂超溫，其冷劑中斷與塔頂溫度的關(guān)系如圖6所示。 可以看出，塔頂冷劑持續(xù)供應(yīng)時(shí)，塔頂溫度保持在130℃左右，第87min時(shí)，塔頂冷劑中斷，塔頂溫度急速上升，當(dāng)塔頂溫度超過(guò)設(shè)計(jì)溫度時(shí)，塔頂產(chǎn)品組分變重，導(dǎo)致塔頂產(chǎn)品不合格。

圖6 冷劑中斷與塔頂溫度的關(guān)系曲線

2.5 塔頂回流中斷對(duì)塔頂溫度的影響

加氫裝置換熱器運(yùn)行中，在保證其他操作條件不變的情況下，塔頂回流中斷與塔頂溫度的關(guān)系如圖7所示。 可以看出，在56min時(shí)，塔頂回流中斷，塔頂溫度由135.0℃升高至208.3℃，隨后升溫到214.9℃，且維持在這一溫度［17］。 塔頂回流中斷后塔頂溫度的升高導(dǎo)致柴油與煤油回收量增加，塔底尾油輕質(zhì)油產(chǎn)品質(zhì)量降低， 導(dǎo)致產(chǎn)品不合格。

圖7 塔頂回流中斷與塔頂溫度的關(guān)系曲線

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了對(duì)加氫裝置換熱器故障診斷模型的性能進(jìn)行測(cè)試，將加氫裝置換熱器故障診斷模型與傳統(tǒng)診斷方法進(jìn)行對(duì)比，以循環(huán)氫流量、進(jìn)料量、進(jìn)料溫度、冷劑中斷和塔頂回流中斷的故障（故障類(lèi)型編號(hào)1~5）因素作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分析加氫裝置換熱器故障診斷模型與傳統(tǒng)診斷方法的差異性。 選擇同一加氫裝置換熱器作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，加氫裝置換熱器故障診斷模型設(shè)為實(shí)驗(yàn)組，傳統(tǒng)故障診斷方法作為對(duì)照組。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)， 對(duì)同一加氫裝置換熱器驗(yàn)證樣本進(jìn)行測(cè)試， 對(duì)實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組故障診斷準(zhǔn)確率進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如圖8所示。 可以看出，相對(duì)于對(duì)照組來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)組具有更高的故障診斷準(zhǔn)確率，因此可以證明實(shí)驗(yàn)組能夠更好地診斷加氫裝置換熱器故障，從而得到更好的故障診斷結(jié)果，降低加氫裝置換熱器故障診斷錯(cuò)誤率。相對(duì)于對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)組有著更優(yōu)異的性能，提高了故障診斷準(zhǔn)確率，獲得了理想的故障診斷結(jié)果且可信度高。

圖8 故障診斷準(zhǔn)確率對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

加氫裝置換熱器作為石油化工生產(chǎn)中常見(jiàn)的單元設(shè)備，由于介質(zhì)因素影響一旦發(fā)生故障則會(huì)出現(xiàn)易燃易爆現(xiàn)象，因此筆者對(duì)石油化工生產(chǎn)加氫裝置換熱器故障診斷進(jìn)行分析。 通過(guò)對(duì)加氫裝置換熱器故障原因分析與故障參數(shù)診斷，確定整體故障診斷流程后，按照這一流程對(duì)循環(huán)氫流量、進(jìn)料量、進(jìn)料溫度、冷劑中斷和塔頂回流中斷的故障因素進(jìn)行分析，為加氫裝置換熱器的正常運(yùn)行提供了預(yù)警參數(shù)，保證了裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行。