龐睿

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

石油化工和新型煤氣化裝置的大型化可以提高整體技術(shù)水平和競爭力，優(yōu)化占地、降低投資和生產(chǎn)成本、提高資源利用、降低能耗、減少污染，但是受制造、運(yùn)輸、安裝等客觀因素的限制[1-3]，部分裝置只能設(shè)置多系列并聯(lián)。然而裝置系列數(shù)設(shè)置越多，裝置間調(diào)節(jié)和控制關(guān)系則越復(fù)雜，對操作人員緊急調(diào)度和響應(yīng)能力的要求也越高，特別是上下游均為多系列設(shè)置時(shí)，如果裝置間工藝大聯(lián)鎖設(shè)置不合理，某一系列單元發(fā)生故障就有可能對全裝置正常運(yùn)行造成很大影響，甚至可能引發(fā)全裝置聯(lián)鎖停車。

1 項(xiàng)目概況

某煤制烯烴項(xiàng)目設(shè)置了14套氣化系列裝置，正常運(yùn)行時(shí)10開4備，單套氣化裝置正常工況需要氧氣量為3.85×104m3/h，10套氣化系列裝置共需要氧氣量3.85×105m3/h。上游設(shè)置了6套空分系列裝置和1套后備系統(tǒng)，空分采用“液氧內(nèi)循環(huán)”技術(shù)，單套空分裝置正常工況供應(yīng)氧氣量為6.42×104m3/h，后備系統(tǒng)額定供應(yīng)氧氣能力為8.20×104m3/h。氧氣管網(wǎng)按雙主管加等徑連通管設(shè)計(jì)，正常工況時(shí)管網(wǎng)表壓穩(wěn)定在8.7 MPa。

2 工藝危害分析

安全聯(lián)鎖是工廠工藝安全管理(PSM)中重要的保護(hù)層之一，無論是裝置內(nèi)聯(lián)鎖，還是裝置間聯(lián)鎖，其安全儀表功能(SIF)的需求，都應(yīng)該來源于工藝危害分析(PHA)，ANSI/ISA-84.91.01： 2012說明了安全聯(lián)鎖和PHA的關(guān)系，如圖1所示[4]。

圖1 安全聯(lián)鎖和PHA的關(guān)系示意

針對該煤制烯烴項(xiàng)目中所有氣化裝置和空分裝置開展了危險(xiǎn)與可操作性分析(HAZOP)，其中HAZOP分析與氧氣供應(yīng)與消耗的相關(guān)內(nèi)容見表1所列。

表1 HAZOP分析與氧氣供應(yīng)與消耗相關(guān)內(nèi)容

3 聯(lián)鎖功能

根據(jù)PHA分析，當(dāng)氧氣流量出現(xiàn)偏差，可能會(huì)造成火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重后果，但氣化和空分內(nèi)部設(shè)有完善的保護(hù)措施，可以有效控制安全風(fēng)險(xiǎn)。部分空分裝置故障跳車后，會(huì)造成氧氣管網(wǎng)壓力劇烈降低，進(jìn)而可能觸發(fā)全系列氣化停車聯(lián)鎖，雖然可以保障安全，但是將造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

針對全廠氧氣系統(tǒng)，氣化和空分裝置之間設(shè)置工藝大聯(lián)鎖的目的是考慮在維持現(xiàn)有安全性的前提下，盡可能提高全裝置生產(chǎn)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。聯(lián)鎖功能表現(xiàn)為維持管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定，可供選擇的具體措施包括： 氧氣管網(wǎng)壓力低時(shí)觸發(fā)聯(lián)鎖啟動(dòng)后備系統(tǒng)；氧氣管網(wǎng)壓力低低時(shí)觸發(fā)聯(lián)鎖分級停氣化系列裝置。

4 方案研究

采用動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)研究聯(lián)鎖工藝安全時(shí)間和聯(lián)鎖動(dòng)作的有效性。

4.1 工藝安全時(shí)間

工藝安全時(shí)間是聯(lián)鎖設(shè)置的重要考慮因素，IEC 61511-1： 2016對工藝安全時(shí)間的定義為： 如果SIF沒有被執(zhí)行，從初始失效事件發(fā)展到危險(xiǎn)后果所需要的時(shí)間[5]。對于本次研究的氧氣系統(tǒng)裝置間聯(lián)鎖方案，根據(jù)聯(lián)鎖功能的需求分析，工藝安全時(shí)間是指從部分空分系列跳車，到氧氣管網(wǎng)表壓從8.7 MPa降至8.0 MPa，觸發(fā)氣化全系列裝置聯(lián)鎖跳車的時(shí)間，期間不考慮后備系統(tǒng)啟用。通過工藝安全時(shí)間的模擬確定，可以幫助設(shè)計(jì)人員對事件發(fā)展有更直觀的認(rèn)識，可以評估報(bào)警和人員響應(yīng)的有效性，還可以為聯(lián)鎖動(dòng)作的設(shè)計(jì)提供參考。

采用Invensys DYNSIM動(dòng)態(tài)模擬軟件模擬非正常工況下氧氣管網(wǎng)壓力如圖2所示。從管網(wǎng)壓力-時(shí)間曲線可以看出，1套空分裝置跳車，2套空分裝置同時(shí)跳車，以及3套空分裝置同時(shí)跳車的工藝安全時(shí)間分別為83 s，46 s和34 s，即使再專業(yè)和專注的操作人員也無法保證在這么短的時(shí)間內(nèi)做出準(zhǔn)確判斷，并執(zhí)行正確操作[6]，這也說明自動(dòng)化聯(lián)鎖功能的必要性。

圖2 氧氣管網(wǎng)壓力-時(shí)間曲線(空分系列跳車)

4.2 后備系統(tǒng)聯(lián)鎖自啟

后備系統(tǒng)工藝流程為液氧儲(chǔ)罐—高壓液氧泵—水浴式氣化器—氧氣管網(wǎng)，空分跳車信號或管網(wǎng)壓力低聯(lián)鎖可以自動(dòng)啟動(dòng)高壓液氧泵，將液氧加壓氣化后并入管網(wǎng)。高壓液氧泵為變頻泵，備用狀態(tài)下為怠速轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)合現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)并考慮一定安全裕量，動(dòng)態(tài)模擬時(shí)設(shè)定空分系列跳車10 s后啟動(dòng)后備系統(tǒng)，開始提升高壓液氧泵轉(zhuǎn)速，并在20 s后達(dá)到額定供氧能力。

空分系列跳車后，后備系統(tǒng)聯(lián)鎖啟動(dòng)，動(dòng)態(tài)模擬得出的管網(wǎng)壓力-時(shí)間曲線如圖3所示，當(dāng)1套空分裝置跳車后，后備系統(tǒng)可以成功維持管網(wǎng)壓力。當(dāng)2套空分裝置跳車，74 s后管網(wǎng)表壓將降低至8.0 MPa觸發(fā)氣化全系列裝置聯(lián)鎖跳車，3套空分裝置跳車對應(yīng)的時(shí)間為37 s。

圖3 氧氣管網(wǎng)壓力-時(shí)間曲線(空分系列跳車+后備系統(tǒng)聯(lián)鎖啟動(dòng))

對于2套和3套空分裝置同時(shí)跳車事故，后備系統(tǒng)雖然可以減緩管網(wǎng)的壓力下降速度，但效果十分有限，操作人員仍然無法及時(shí)進(jìn)行有效干預(yù)，說明還需要考慮進(jìn)一步的聯(lián)鎖動(dòng)作。

4.3 氣化系列裝置聯(lián)鎖分級停車

考慮2套空分裝置跳車，且氧氣管網(wǎng)表壓低于8.15 MPa時(shí)，聯(lián)鎖停2套氣化裝置；3套空分裝置跳車，且氧氣管網(wǎng)表壓低于8.15 MPa時(shí)，聯(lián)鎖停4套氣化裝置。

在后備系統(tǒng)聯(lián)鎖啟動(dòng)和氣化系列裝置聯(lián)鎖分級停車的共同作用下，成功地阻止管網(wǎng)表壓降低至8.0 MPa，避免了氣化全系列裝置停車，動(dòng)態(tài)模擬得出的氧氣管網(wǎng)壓力-時(shí)間曲線如圖4所示。

圖4 氧氣管網(wǎng)壓力-時(shí)間曲線(空分系列跳車+ 后備系統(tǒng)聯(lián)鎖啟動(dòng)+氣化分級停車)

5 進(jìn)一步優(yōu)化探討

上文介紹的聯(lián)鎖設(shè)計(jì)方案，已經(jīng)被證明可以有效實(shí)現(xiàn)基本需求，但仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間[7-9]。

5.1 提升后備系統(tǒng)響應(yīng)速度

后備系統(tǒng)通過管網(wǎng)壓力調(diào)節(jié)高壓液氧泵轉(zhuǎn)速以及出口壓力控制閥開度，可以考慮管網(wǎng)壓力快速降低時(shí)聯(lián)鎖，將高壓液氧泵轉(zhuǎn)速設(shè)定為額定轉(zhuǎn)速，并將出口壓力控制閥設(shè)定為全開；當(dāng)管網(wǎng)壓力升高后再恢復(fù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)。該優(yōu)化方案可以進(jìn)一步提升后備系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但需要在高壓液氧泵設(shè)計(jì)時(shí)考慮該操作工況。

5.2 優(yōu)化氣化全系列裝置停車順序

正常工況下氣化系列裝置同時(shí)運(yùn)行，可以考慮在DCS中根據(jù)氣化系列裝置運(yùn)行狀況的優(yōu)劣進(jìn)行自動(dòng)排序，例如根據(jù)關(guān)鍵控制指標(biāo)的偏離進(jìn)行評分，或者根據(jù)已運(yùn)行時(shí)間，操作人員也可手動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)上游空分裝置異常、氧氣供應(yīng)不足，觸發(fā)裝置間大聯(lián)鎖、需聯(lián)鎖停部分氣化系列裝置時(shí)，就可以有選擇的先停運(yùn)行狀況更差的氣化系列裝置，進(jìn)一步降低氣化系列裝置停車造成的影響和經(jīng)濟(jì)損失。

6 結(jié)束語

當(dāng)1套空分裝置跳車后，依靠后備系統(tǒng)聯(lián)鎖啟動(dòng)可以成功實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖功能。當(dāng)2套或3套空分裝置跳車后，需要后備系統(tǒng)聯(lián)鎖啟動(dòng)和氣化系列裝置聯(lián)鎖分級停車共同作用，才能成功實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖功能，此時(shí)后備系統(tǒng)聯(lián)鎖啟動(dòng)和氣化系列裝置聯(lián)鎖分級停車被視為同一個(gè)保護(hù)層，缺一不可。

通過工藝危害分析，確定裝置間工藝大聯(lián)鎖的需求，通過動(dòng)態(tài)模擬，確定了工藝安全時(shí)間，并驗(yàn)證了聯(lián)鎖動(dòng)作的有效性。更重要的是，聯(lián)鎖方案系統(tǒng)化、程序化的研究和確定，提升了設(shè)計(jì)的完整性。