劉 芹 中石化寧波工程有限公司 寧波 315103

危險(xiǎn)與可操作性分析(hazard and operability analysis,簡(jiǎn)稱HAZOP)方法是20世紀(jì)70年代早期，由英國(guó)帝國(guó)化學(xué)公司(ICI)開發(fā)應(yīng)用的專業(yè)化的安全分析技術(shù)。經(jīng)過(guò)幾十年的改善和發(fā)展，該方法已成為廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域且行之有效的重要分析方法。

HAZOP是以系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)的一種可用于定性分析的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法。起初，對(duì)HAZOP 進(jìn)行量化的方法主要是將HAZOP 分析與其他定量分析方法相結(jié)合，近年來(lái)開始使用將HAZOP 與動(dòng)態(tài)模擬相結(jié)合的新型定量方法。相比穩(wěn)態(tài)模擬，動(dòng)態(tài)模擬可以分析化工過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化，被廣泛應(yīng)用于動(dòng)態(tài)特性的研究、開停車指導(dǎo)、動(dòng)態(tài)仿真和設(shè)計(jì)先進(jìn)控制系統(tǒng)。由于動(dòng)態(tài)模擬采用嚴(yán)格的化工過(guò)程機(jī)理模型，可以較為真實(shí)地反映化工過(guò)程事故狀態(tài)下的內(nèi)部特征，而且模型參數(shù)的可調(diào)節(jié)性可以用來(lái)設(shè)定HAZOP 中引導(dǎo)詞和工藝參數(shù)匹配得到的各種偏差，因此基于動(dòng)態(tài)模擬的HAZOP 非常適合于安全分析方法的定量化，可以在確保風(fēng)險(xiǎn)與效益相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)上,為工廠安全分析提供更讓人信服的安全分析報(bào)告。

本文將通過(guò)對(duì)變換單元入口分離器液位變化的動(dòng)態(tài)模擬，分析液位變化對(duì)變換爐等后續(xù)系統(tǒng)的影響，為同類裝置提供參考。

1 變換入口氣液分離器液位分析

某煤制氫裝置制氫規(guī)模為20萬(wàn)Nm3/h，氫氣產(chǎn)品送入全廠氫氣管網(wǎng)供煉油廠使用。來(lái)自氣化裝置的粗合成氣在進(jìn)入變換單元時(shí)，首先進(jìn)入變換單元入口處的變換氣進(jìn)料分離器，工藝流程示意圖見圖1。

圖1 變換單元工藝流程示意圖

對(duì)進(jìn)料分離器液位參數(shù)進(jìn)行HAZOP分析，如果分離器底部排液閥出現(xiàn)故障關(guān)，且若此時(shí)粗合成氣帶液嚴(yán)重，則有可能產(chǎn)生液位高的偏差；當(dāng)分離器滿罐時(shí)，凝液有可能通過(guò)粗合成氣管線竄入下游變換爐中，導(dǎo)致變換催化劑損壞。若不計(jì)氫氣停供對(duì)下游煉油裝置的影響，僅資產(chǎn)方面的直接損失就達(dá)數(shù)百萬(wàn)元。為了對(duì)分離器液位進(jìn)行監(jiān)控，設(shè)備本體上通常設(shè)有就地液位計(jì)和遠(yuǎn)傳液位計(jì)，并設(shè)置高液位報(bào)警。HAZOP分析專家給出的建議是通過(guò)增設(shè)液位高高聯(lián)鎖關(guān)小從上游氣化單元至變換單元界區(qū)閥至指定開度，以減少上游粗合成氣帶來(lái)的凝液量。

進(jìn)料分離器液位升高至滿罐是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，其影響的因素很多，比如上游氣化裝置洗滌塔液泛、環(huán)境溫度突然降低等，造成飽和態(tài)的粗合成氣中析出大量凝液，瞬間進(jìn)入進(jìn)料分離器。正常情況下通過(guò)分離器底部排液管線可以將凝液迅速排至下游低壓系統(tǒng)，若由于排液閥故障，無(wú)法將凝液排出，將出現(xiàn)滿罐的情況。在此過(guò)程中，若現(xiàn)場(chǎng)操作人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并打開排液閥的旁路，將避免分離器滿罐對(duì)下游系統(tǒng)造成損害的事故發(fā)生。因此，若能獲取時(shí)間參數(shù)并與正常的巡檢時(shí)間對(duì)比，采取積極措施，如減少帶液量及打開排液閥，就能對(duì)該事故的發(fā)生情況有更直觀的了解。

2 動(dòng)態(tài)模擬與結(jié)果分析

2.1 流程建模

采用Aspen Hysys軟件，對(duì)20萬(wàn)Nm3/h水煤漿制氫配套變換單元進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。該裝置設(shè)3臺(tái)6.5MPa(G)的氣化爐，2開1備；對(duì)應(yīng)一套三段絕熱耐硫變換流程。從氣化單元來(lái)的粗合成氣進(jìn)入進(jìn)料分離器，分離出高壓工藝凝液，氣相經(jīng)過(guò)粗合成氣/變換氣換熱器，與第一變換爐出口的變換氣換熱至280℃后，進(jìn)入變換爐進(jìn)行變換反應(yīng)。粗合成氣進(jìn)入第一變換爐進(jìn)行反應(yīng)，出口變換氣預(yù)熱粗合成氣后送入下游設(shè)備。建模完成后，利用動(dòng)態(tài)模擬，分析由于粗合成氣溫度降低導(dǎo)致凝液析出對(duì)進(jìn)料分離器液位和下游變換爐的影響，動(dòng)態(tài)模擬流程簡(jiǎn)圖見圖2。

圖2 動(dòng)態(tài)模擬流程簡(jiǎn)圖

2.2 結(jié)果分析

通常進(jìn)料分離器中凝液量按照飽和態(tài)的粗合成氣溫降5℃考慮，停留時(shí)間為5min。在模型中設(shè)置一個(gè)傳遞函數(shù)作為干擾，粗合成氣在70min內(nèi)溫度從237℃緩慢降低至230℃，分離器的液位從50%處開始上漲，液位百分比隨時(shí)間變化的關(guān)系見圖3。

圖3 進(jìn)料分離器液位隨時(shí)間變化的關(guān)系

由圖3可以看出，隨著溫度緩慢下降，粗合成氣中的帶液量增加，液位上漲的速率越來(lái)越快。進(jìn)料分離器大約在92min時(shí)候出現(xiàn)滿罐，而變換爐進(jìn)水的時(shí)間是小于這個(gè)時(shí)間的。因?yàn)殡S著分離器內(nèi)液位的升高，氣液相的分離空間將越來(lái)越少，如果無(wú)法及時(shí)將粗合成氣中凝液分離出，凝液將夾帶至下游系統(tǒng)。因此，可通過(guò)粗合成氣進(jìn)變換爐的溫度來(lái)判斷是否帶液。變換爐入口粗合成氣的溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系見圖4。

圖4 變換爐入口粗合成氣溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系

粗合成氣出進(jìn)料分離器后進(jìn)入粗合成氣加熱器，加熱至過(guò)熱狀態(tài)，約為280℃。由圖4可以看出，從大約82min時(shí)，變換爐入口粗合成氣溫度驟降至232℃，說(shuō)明粗合成氣由于夾帶液量過(guò)大，造成變換爐進(jìn)水及垮溫。

假設(shè)操作人員在約65min時(shí)，通過(guò)巡檢等方式發(fā)現(xiàn)分離器液位已經(jīng)達(dá)到80%，并能及時(shí)采取措施，使粗合成氣溫度在約70min內(nèi)均勻恢復(fù)至飽和溫度237℃，此時(shí)粗合成氣中帶液量將逐漸減少，及時(shí)打開DN80的排液閥旁路，將凝液排至下游低壓系統(tǒng)，此時(shí)進(jìn)料分離器的液位與時(shí)間的模擬關(guān)系見圖5。

圖5 進(jìn)料分離器的液位與時(shí)間的關(guān)系

從圖5可以看出，隨著粗合成氣溫度緩慢上升以及底部排液旁路閥打開，分離器液位停止上升并保持在80%,約10min后，液位開始逐漸下降，約6h后，分離器內(nèi)液位恢復(fù)至50%。

由以上對(duì)變換爐進(jìn)水事故定量動(dòng)態(tài)模擬分析可以看出，在一個(gè)特定的粗合成氣帶液的工況分析中，進(jìn)料分離器從50%液位到凝液從氣相管線竄入下游變換爐中，需要約92min。進(jìn)料分離器高液位報(bào)警為70%，經(jīng)動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算，從70%液位到凝液竄入下游變換爐中所需時(shí)間為59min，遠(yuǎn)大于操作人員響應(yīng)時(shí)間。若操作人員在此期間能及時(shí)發(fā)現(xiàn)液位異常并能采取合適的處理措施，完全可以避免事故發(fā)生。

此外，通過(guò)模擬還可以計(jì)算出分離器底部排液管線的管徑和相應(yīng)的排液速度，如想要減少排液時(shí)間，迅速恢復(fù)液位，可以采取更大的管徑。如管徑擴(kuò)大為DN150，根據(jù)計(jì)算可以節(jié)約一半時(shí)間。由上述分析可知，動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算為工藝設(shè)計(jì)提供了定量的依據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)CO變換單元粗合成氣帶液造成變換爐進(jìn)水的事故工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，介紹了基于動(dòng)態(tài)模擬的新型HAZOP分析方法，并證明該方法行之有效且符合安全分析方法定量化趨勢(shì)。將動(dòng)態(tài)模擬引入HAZOP 分析是安全評(píng)價(jià)技術(shù)的一個(gè)進(jìn)步，是目前進(jìn)行定量化HAZOP 頗具發(fā)展前景的方法。