化工過程系統(tǒng)及裝備長周期平安運行

西安交通大學

程光旭

主要內(nèi)容一、西部大開發(fā)對我國過程裝備技術帶來的機遇及面臨的新挑戰(zhàn)二、化工過程裝備長周期平安運行工程背景三、化工過程裝備長周期平安運行保障體系四、工程案例分析本工程研究涉及的學科化學工程與工藝過程裝備與控制材料科學機械工程

一、西部大開發(fā)對我國過程裝備技術帶來的機遇及面臨的新挑戰(zhàn)

西部大開發(fā)的四大支柱產(chǎn)業(yè)：煤炭、油氣、電力和化工。涉及的三個重大工程：西煤東運、西電東送、西氣東輸。目前存在四大挑戰(zhàn)和機遇〔I〕

產(chǎn)品質量難以滿足日益嚴格的國家環(huán)保標準要求2002年1月1日，我國柴油執(zhí)行新的國標〔GB252-2000〕，要求硫含量不大于0.2%，氧化沉渣不大于2.5毫克/100毫升，色度不大于3.5。催化裂化柴油，特別是重油催化裂化柴油，不采取深度精制措施難以到達新標準。我國制定新的無鉛汽油標準〔GB17930-1999〕，將于2003年1月1日執(zhí)行，規(guī)定汽油中芳烴含量不大40%，烯烴含量不大于35%〔v/v〕，硫含量不大于0.08%〔800ppm〕，笨含量小于2.5%。由此提出的重要研究課題：石油化工傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的提升，研制新型精煉裝備重油裂化防催化劑污染的設備降低汽油中硫含量的凈化設備降低汽油中烯烴含量的工藝及相應設備挑戰(zhàn)及機遇〔II〕2．傳統(tǒng)裝備能耗較高煉油企業(yè)綜合能耗，既包括動力〔電、蒸汽、水〕和燃料〔煤炭、天然氣等〕，又包括加工過程中自用燃料〔重油、瓦斯〕以及催化裂化燒焦。由此提出的重要研究課題：

先進合理的節(jié)能工藝流程是FCC節(jié)能的前提，采用新工藝對老裝置進行改造，應采用高活性、高選擇性催化劑和低回煉比操作，降低生焦。高效的設備是實現(xiàn)節(jié)能降耗的根底，應降低總輸入能〔燒焦放熱、燃料消耗、外供蒸汽和外供電〕，提高能量回收水平。研究開發(fā)高效霧化噴嘴、高效旋風別離器、高效規(guī)整填料等。搞好裝備“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)〞運行控制是節(jié)能降耗的保證。全面考慮綜合用能過程和全面優(yōu)化是節(jié)能降耗的根本，應優(yōu)化換熱網(wǎng)絡〔外取熱器、余熱鍋爐、油漿蒸汽發(fā)生器、分餾塔等〕。挑戰(zhàn)與機遇〔III〕

3．迫切要求大型裝備國產(chǎn)化2001年上半年，全國成品油市場消費柴汽比為2.08，而煉油企業(yè)生產(chǎn)柴汽比為1.71左右。市場汽油過剩，柴油短缺。造成柴汽比供需矛盾的根本原因是我國煉油企業(yè)的原油二次加工以催化裂化為主，而催化裂化以生產(chǎn)汽油為主。由此提出的重要研究課題：

提高柴油收率和改善柴油品質的精煉設備研究增產(chǎn)柴油的工藝及設備〔目前已研究成功的催化劑有LRC-99，MLC-500、DMC、RGD-1等，可以提高柴油收率4%左右〕

渣油催化裂化的反響特點及新工藝與裝置的動態(tài)機理模擬研究反響深度的控制原理，建立氫轉移、異構化和烷基化反響控制技術研究多相反響過程，開發(fā)清潔燃料生產(chǎn)的多相反響器挑戰(zhàn)與機遇〔IV〕

4.催化裂化裝置的長周期運行不理想〔安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行〕目前國內(nèi)煉油廠主要生產(chǎn)裝置一般大修周期約為“三年兩修〞，而在國外，大修期一般為三年，甚至可延至五年以上。由此提出的重要研究課題：

目前國外石油化工企業(yè)生產(chǎn)的開展趨勢是從向生產(chǎn)裝置優(yōu)化控制要效益，轉向發(fā)揮工廠資產(chǎn)運行最大效益開展，即從生產(chǎn)系統(tǒng)的長周期運行要效益。過程狀態(tài)控制變量的調控技術、過程變量非穩(wěn)態(tài)、非線性技術研究不停車條件下設備現(xiàn)場無損檢測方法及相關新技術研究

涉及的學科新增長點西部大開發(fā)涉及學科新增長點：工程裝備的現(xiàn)代制造技術煤化工石油、天然氣化工鹽化工煤化工的核心技術及裝備煤的氣化----煤的干粉氣化〔Shell核心技術及裝備〕、水煤漿氣化〔美國德士古核心技術〕煤的液化----煤的直接液化技術挑戰(zhàn)傳統(tǒng)化工和能源裝備制造業(yè)的開展和升級的關鍵技術和系統(tǒng)集成技術具有自主知識產(chǎn)權的煤氣化及凈化技術及裝備天然氣化工核心技術及裝備主要內(nèi)容：合成氨、甲醇、乙烯、二甲醚、醋酸等核心技術：天然氣制合成氣、合成烴、制二甲醚、乙醇等。相關的所有設備幾乎全部依賴進口工程裝備的現(xiàn)代制造技術

現(xiàn)代集成制造技術先進制造工藝、方法與裝備先進微型加工技術先進機器人二、催化裂化長周期平安運行工程背景

裝置長周期運行，是指通過挖掘裝置的生產(chǎn)潛力，增加有效生產(chǎn)時間，從而減少修理費用，減少非方案停工、延長設備的使用壽命、提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。裝置的可靠度＝〔運行周期日-非方案停工日〕/〔運行周期日〕100%一般來講，“二年一修〞指連續(xù)運行23個月〔運行周期日為690天〕，“三年一修〞指連續(xù)運行35個月〔運行周期日為1050天〕，“四年一修〞指連續(xù)運行47個月〔運行周期日為1410天〕[2]。重催裝置的可靠度：“二年一修〞應≥96%,“三年一修〞應≥96%,“四年一修〞應≥95.5%重油催化裂化裝置運行周期考核目標為2年。據(jù)統(tǒng)計，1998年中石化系統(tǒng)催化裂化裝置全年共發(fā)生停工24次81.15天，其中，因設備、儀表原因停工18次66.33天，分別占總數(shù)的75%和81.74%。因企業(yè)內(nèi)、外電網(wǎng)原因停工3次11.17天，分別占總數(shù)的12.5%和13.76%。因操作失誤停工1次2.69天，分別占總數(shù)的4.13%和3.31%。另外，因工藝、技術和公用工程原因各停工1次?？傮w上看，我國裝置運行周期與國外興旺國家相比，差距很大。1997年底，中國石化總公司考核的48套催化裂化裝置中已有28套實現(xiàn)二年一修，15套實現(xiàn)三年二修。2002年尚未實現(xiàn)全行業(yè)重油催化裂化裝置的二年一修目標。從國外來看，德國BASF公司的生產(chǎn)裝置，裝置的長周期運行時間為5年；埃克森公司煉油廠、Phibro公司休斯頓煉油廠催化裂化運轉4～5年；荷蘭DSM和北歐化工公司BOREALIS工廠裝置是“四年一修〞。興旺國家國外催化裂化裝置一般連續(xù)運轉3～4年，甚至更長。在原油漲價和各種減利因素增加的情況下，催化裂化裝置實現(xiàn)平安平穩(wěn)的長周期運行，既可以減少檢修費用，增加開工天數(shù)，又可以可以節(jié)約修理費，減少不必要的開支，使企業(yè)增加經(jīng)濟效益。因此，如何使催化裂化裝置實現(xiàn)長周期運行，是目前各個煉油廠面臨的一個重要課題，受到煉油企業(yè)領導和工程技術人員的高度重視。該領域也是當前我國最為迫切需要研究的領域之一。我國在該領域研究工作剛剛開始，目前處于研究活潑階段。三、化工裝備長周期平安運行保障體系

目標：安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行=經(jīng)濟效益制約化工裝備長周期平安運行的因素較為復雜，歸納起來大致可以分為五個方面：原料性質及工藝操作設備故障電力及動力系統(tǒng)企業(yè)管理及設備管理人為誤操作等催化裂化裝置長周期平安運行的保障體系歸納起來大致可以分為四個方面：運行平安狀態(tài)監(jiān)測及檢測關鍵設備的故障預測及平安評定生產(chǎn)系統(tǒng)的危險性分析最正確運行周期及檢修方案的優(yōu)化

幾個重要概念的定義及主要研究成果

〔1〕危害度及風險性危險度是指可能產(chǎn)生潛在損失的征兆，它由兩局部組成：一是危險事件出現(xiàn)的概率，二是一旦危險出現(xiàn)，其后果嚴重程度和企業(yè)損失的大小。因此，越是已經(jīng)知道的故障、越容易提前預防、危險度及風險性越低。〔2〕最正確運行周期綜合分析經(jīng)濟性、平安性而獲得的企業(yè)經(jīng)濟效益最大化的連續(xù)運行周期。用一般的形式表示為：

化工企業(yè)經(jīng)濟性分析+設備風險性分析=最正確經(jīng)濟點=最正確運行周期

〔3〕系統(tǒng)可靠性評定企業(yè)平安生產(chǎn)可靠與否的重要環(huán)節(jié)，在于整個生產(chǎn)過程系統(tǒng)的可靠性如何，如果只考慮某個設備的可靠性，而無視了系統(tǒng)的可靠性或者處理不當，都會帶來巨大的消極后果。在過程系統(tǒng)中，裝備的可靠性有著較為特殊的地位，因為系統(tǒng)的工藝一旦確立，系統(tǒng)的可靠性在較大程度上取決于裝備的可靠性。系統(tǒng)的可靠性直接和人員、機器、物料等各子系統(tǒng)的可靠程度相關聯(lián)，是這三者可靠性的總體反映。Rs=Rp*Ro*Rm

Rp---裝備〔或機器〕子系統(tǒng)的可靠度Ro---操作子系統(tǒng)的可靠度Rm—物料供給子系統(tǒng)可靠度

〔4〕最弱環(huán)模型

Unit1unit2unit3unit5Unit4---weakestchain危險性分析方法1平安檢查(Safetyreview)---對過程的設計、裝置條件、實際操作、維修等進行詳細檢查以識別所存在的危險性。2平安檢查表分析〔SafetyChecklistAnalysis)---識別與一般工藝設備有關的類型的危險、設計缺陷以及事故隱患。3預危險性分析〔PreliminaryHazardAnalysisPHA)----工程開展初期分析可能存在危險性。4故障假設分析(What-ifanalysis)---對工藝過程或操作進行假設故障分析。5危險與可操作性分析〔HazardandOperabilityAnalysisHAZOP)----為新設計或新技術進行危險性分析，適用工程的初期階段。6失效模式與效應分析〔FailureModesandEffectsAnalysisFEMA)----分析設備故障發(fā)生的方式，以及這些失效模式對工藝過程導致的結果。7故障樹分析〔FaultTreeAnalysisFTA)---把系統(tǒng)可能發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生的事故作為分析起點，將事故原因事件按邏輯關系建立樹型圖。8人的可靠性分析主要研究結果〔I〕建立了化工裝置及工藝系統(tǒng)FTA模型和FMECA分析方法

〔下面來看理論的核心思想〕故障樹分析方法〔I〕故障樹分析方法〔簡稱FTA〕是進行可靠性分析的重要方法之一。它把系統(tǒng)最不希望發(fā)生的失效狀態(tài)用相應的代表符號及邏輯門用頂事件、中間事件、底事件聯(lián)結成故障樹，找出導致這一故障狀態(tài)所有可能發(fā)生的直接原因，從而對系統(tǒng)的失效進行定性分析及定量計算。FEMCA方法〔II〕失效模式、效應和危害度分析方法危險順序數(shù)〔RPN〕排序法

排序法不但考慮故障模式的危害程度，而且考慮其發(fā)生的概率及查明的難易程度。故障造成的后果越嚴重，發(fā)生的概率越高而且發(fā)生之前難以檢測到的系數(shù)越高，那么其危險就越大。危險順序數(shù)的數(shù)學定義為：RPN=S×O×DS—失效模式發(fā)生后果的嚴重程度O—失效可能發(fā)生的頻率D—發(fā)生失效的產(chǎn)品查明難度危害度〔S〕推薦評價準那么

發(fā)生概率可能性〔O〕推薦評價準那么失效查明難度〔D〕推薦評價準那么四、工程案例分析

1催化裂化系統(tǒng)及裝置〔中國石油化工集團公司攻關工程〕2化工廠聚氯乙烯生產(chǎn)裝置〔企業(yè)合作工程〕3化肥廠煤氣化裝置〔陜西省科技攻關工程〕1催化裂化裝置

〔蘭煉原那么工藝流程圖〕催化裂化長周期平安運行主要分析內(nèi)容

冷原料帶水催化劑的金屬污染分餾塔結鹽沉降器、大油氣管線等結焦催化劑跑損煙道襯里滑閥等

U型波紋管膨脹節(jié)腐蝕穿孔高溫取熱爐管束泄漏儀表控制系統(tǒng)儀表失靈腐蝕開裂情況重催大機組〔煙機、主風機組、增壓機組和氣壓機組。催化裂化裝置系統(tǒng)催化裂化裝置系統(tǒng)通常可以分為四大局部來分析，即，反響再生系統(tǒng)、分餾系統(tǒng)、吸收穩(wěn)定系統(tǒng)和能量回收系統(tǒng)，反響再生系統(tǒng)是催化裂化的核心。反響-再生系統(tǒng)工藝流程圖分餾系統(tǒng)工藝流程圖吸收-穩(wěn)定系統(tǒng)工藝流程圖主風機組簡圖

電動機電動盤車器齒輪箱軸流主風機煙氣輪機單元最弱環(huán)模型能量回收系統(tǒng)反響再生單元分餾單元吸收穩(wěn)定單元1-提升管反響器2-再生器3-沉降器4-分餾塔5-三旋6-煙機7-風機8-余熱鍋爐9-雙動滑閥

10-待生塞閥11-再生滑閥12-主風機13-增壓機14-原料油泵15-回煉油泵16換熱器17換熱爐

原料及半成品工藝流程鏈：催化劑循環(huán)鏈：

關鍵設備的關系鏈：

反響-再生系統(tǒng)的操作工藝失常狀態(tài)簡化的六個頂事件〔1〕提升管出口溫度大幅度波動〔2〕沉降器壓力大幅度波動〔3〕再生壓力大幅度波動〔4〕再生器與沉降器的差壓大幅波動〔5〕催化劑循環(huán)中斷〔6〕油漿固體含量大副上升反響-再生系統(tǒng)操作工藝失常狀態(tài)故障樹

催化劑循環(huán)中斷故障樹

FTA模型分析結論：〔1〕由FTA可知,導致反響-再生失常工藝狀態(tài)發(fā)生共有23種可能的途徑，從底事件相對概率重要度的結果來看，原料油泵,回煉油泵,煙機，尤其是煙機較其他設備更容易發(fā)生故障,也即薄弱環(huán)節(jié)。所以，要重點監(jiān)測其“健康〞狀態(tài)。主要研究結果〔II〕2反響-再生系統(tǒng)的失效模式、效應和危害度分析FTA的特點是：找出容易產(chǎn)生事故的關鍵部件和導致這一故障狀態(tài)所有可能發(fā)生的直接原因，不知道危害程度。失效模式、效應和危害度分析〔FMECA〕的特點是：不僅能找出失效概率較大的關鍵部件，而且給出關鍵因素的危害程度。

反響-再生系統(tǒng)危害度評估

為了評價故障模式的危害度，主要有危害度等級評定法和危險順序數(shù)〔RPN〕排序法等兩種方法。危害度等級評定法

根據(jù)故障后果的嚴重程度、可能的經(jīng)濟損失等對故障進行分類，我們建議煉油企業(yè)故障的危害度分為4級：Ⅰ類---致命故障〔事故導致設備破壞和人員傷亡〕Ⅱ類---嚴重故障〔事故導致裝置被迫非方案停車〕Ⅲ類---一般故障〔發(fā)現(xiàn)事故，可在設備運行過程中排除故障〕Ⅳ類---輕度故障〔發(fā)現(xiàn)輕微事故，可到下次檢修時再修理〕分析重催裝置考慮的主要檢測儀器

FMECA分析結論：

〔1〕煙機、泵、三旋別離器的危險順序數(shù)較大，是反響-再生系統(tǒng)的關鍵設備，也是薄弱的環(huán)節(jié)，應重點監(jiān)測其平安狀態(tài)?！?〕其次，再生和待生閥的卡澀，風機的振動也是較危險的，應及時的采取措施，消除其潛在故障的發(fā)生?！?〕另外，沉降器和反響器的結焦也是值得注意的問題，不僅影響裂解的程度和別離的效果，影響產(chǎn)品的質量，結焦嚴重時會造成裝置的非正常停車。將FMECA與FTA綜合可知：

〔1〕反響-再生系統(tǒng)及設備最危險的部位是：煙機、三旋、回煉油泵、再生滑閥和待生滑閥等。比較危險的失效模式是：煙機振動、三旋的露點腐蝕、煙機的沖蝕、再生滑閥或待生滑閥的堵塞、再生器的腐蝕等。〔2〕從國內(nèi)幾十家煉油廠的調查來看，再生器的失效模式主要有：露點腐蝕、化學腐蝕、疲勞失效、硫化物腐蝕、料腿斷裂、結焦和應力腐蝕開裂等。反響器的失效模式主要有膨脹節(jié)裂開、噴嘴結焦等。(3)研究了催化裂化工藝操作條件對裝置長周期運行的影響、通過操作工藝條件的分析，找出影響催化裂化長周期運行的關鍵工藝因素和防止措施。重點研究了分餾塔結鹽、提升管和旋分器結焦、

催化劑跑損和冷原料帶水等工藝因素。研究結論可知：關鍵設備、儀表、參數(shù)

〔4〕提出的模型可以找出影響反響-再生系統(tǒng)操作工藝失常狀態(tài)的失效模式和關鍵因素，科學合理地制定檢修方案、縮短檢修時間、降低維修本錢，從而實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)質量本錢的最優(yōu)化。主要研究結果〔III〕3.建立了設備“健康〞檔案和長周期運行平安保障系統(tǒng)開發(fā)相應的平安