高壓加氫裂化裝置事故模擬分析

張小紅

(中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部， 200540)

高壓加氫裂化裝置事故模擬分析

張小紅

(中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部， 200540)

以高壓加氫裂化裝置為例，根據(jù)各單元的功能，將裝置劃分為7個危險區(qū)域，對各區(qū)域發(fā)生火災(zāi)或爆炸事故的條件進(jìn)行了分析。利用SAFETI軟件對事故進(jìn)行模擬，并根據(jù)事故影響范圍數(shù)據(jù)提出了相應(yīng)的安全措施。

加氫裂化 火災(zāi) 爆炸 中毒 模擬

加氫裂化裝置以減壓柴油和氫氣為原料，產(chǎn)品及中間物料為輕重石腦油、液化氣、航煤、輕柴油、干氣及尾氣。由于原料和產(chǎn)品的主要組分為氫氣、C1～C9烴及硫化氫，裝置所在區(qū)域?qū)偌最惢馂?zāi)危險場所，安全防范稍有疏忽，就會釀成重大事故?；馂?zāi)和爆炸為裝置主要危險因素，為此在對火災(zāi)和爆炸危險區(qū)域進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對火災(zāi)和爆炸事故的進(jìn)行了計算機(jī)模擬，并對事故的觸發(fā)條件與后果的影響范圍進(jìn)行分析，從而提出相應(yīng)的安全措施。

1 化學(xué)品主要危害區(qū)域分布及其危險性分析

加氫裂化裝置在生產(chǎn)過程中存在汽油、液化石油氣、硫化氫、石腦油、航煤、氫氣、干氣(燃料氣)和丙烷等危險化學(xué)品，可能導(dǎo)致中毒、火災(zāi)或爆炸。就火災(zāi)危險性而言，除航煤外，其余均為甲類火災(zāi)危險化學(xué)品［1］。

加氫裂化裝置化學(xué)品危害及其區(qū)域分布情況見表1。

表1 加氫裂化裝置化學(xué)品危害區(qū)域分布

1.1 加熱爐區(qū)

加熱爐的介質(zhì)是氫氣，點火操作或事故處理不當(dāng)，就會導(dǎo)致爐膛內(nèi)油氣聚集，極易引起爆炸。由于加熱爐是明火設(shè)備，易燃、易爆物質(zhì)泄漏擴(kuò)散至此處就可能成為點火源，增加了裝置火災(zāi)、爆炸的危險性。

雖然加熱爐的爐管是用不銹鋼制成的，但在硫的存在下也會產(chǎn)生腐蝕，一旦爐管發(fā)生穿孔，氫氣就會泄漏，在加熱爐的高溫(500℃)、高壓(14～15 MPa)環(huán)境中自燃，而其自燃火焰為無色，因此危險性更大。此外，如果循環(huán)氫氣壓縮機(jī)發(fā)生故障造成減壓柴油(VGO)流入爐管，而單向閥未關(guān)嚴(yán)，也容易造成爐管結(jié)焦而爆裂，氫氣泄漏導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸。

1.2 反應(yīng)區(qū)

反應(yīng)器、管線或機(jī)泵本身設(shè)計不當(dāng)或存在制造缺陷，就會因耐壓能力不足而破裂，導(dǎo)致物料泄漏;連接容器與外部管線的閥門、法蘭、人孔如果安裝質(zhì)量差，或者在使用過程中發(fā)生腐蝕也可能引起泄漏;物料管線在接觸高溫?zé)嵩?、受明火烘烤或夏季暴曬等情況下會發(fā)生膨脹，容易因泄壓措施不完善或誤操作而發(fā)生火災(zāi)甚至爆炸。

加氫裂化和加氫精制都是放熱反應(yīng)，操作溫度均較高，因此柴油泄漏將引起著火，而大量氫氣泄漏則可引起爆炸。另外，一旦進(jìn)料溫度過高、反應(yīng)出現(xiàn)異?；蚶錃錃庾⑷胫袛鄷斐煞磻?yīng)器超溫、超壓甚至爆炸。

1.3 塔區(qū)

重沸器、塔底出口的法蘭、低處放空閥門法蘭處容易泄漏，易燃、易爆的物質(zhì)一旦泄漏就會著火。另外塔的液位計、取壓點都容易出現(xiàn)泄漏。

應(yīng)特別關(guān)注減壓塔。如果在減壓塔還沒有恢復(fù)到常壓或塔內(nèi)溫度還很高的情況下使系統(tǒng)與大氣相通(或出現(xiàn)泄漏)，由于塔內(nèi)為負(fù)壓，空氣被迅速吸入并與高溫油氣相遇，就會發(fā)生火災(zāi)或爆炸。此外，減壓塔在運行中壓力指示出現(xiàn)誤差，或?qū)毫κ栌谟^察而造成減壓塔正壓操作等情況也容易引起熱物料泄漏而釀成火災(zāi)。

1.4 壓縮機(jī)區(qū)

循環(huán)氫氣壓縮機(jī)是該裝置的心臟，關(guān)系到整個裝置氫氣的生成與循環(huán)，一旦發(fā)生故障，就無法攜帶反應(yīng)所需要的熱量和提供系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的動力，加熱爐就會出現(xiàn)超溫，催化劑會加速結(jié)焦，因此應(yīng)特別注意防火防爆。

壓縮機(jī)區(qū)氫氣泄漏主要出現(xiàn)在密封系統(tǒng)。另外，裝置所用的4臺往復(fù)式壓縮機(jī)易誘發(fā)系統(tǒng)管線因振動而破裂，造成大量氫氣泄漏，從而引發(fā)燃爆事故。

1.5 換熱區(qū)

換熱器在11.1～16.67 MPa的高壓和400℃左右的高溫下運行，如果換熱器材質(zhì)選擇不當(dāng)，壓力、溫度發(fā)生變化或腐蝕嚴(yán)重便會出現(xiàn)泄漏，熱油遇到空氣就會自燃，引起火災(zāi)。

1.6 液化分離區(qū)

由于區(qū)域內(nèi)存在液化氣和硫化氫，需要防火、防爆、防中毒。冷凝、冷卻器容易出現(xiàn)泄漏，而回流罐的水包及切水線閥腐蝕嚴(yán)重也容易導(dǎo)致大量的液化氣泄漏，形成火災(zāi)隱患。

1.7 胺處理區(qū)

該區(qū)的主要危險品是液化氣、干氣脫硫，因而是防火、防爆、防中毒的重點區(qū)域。反應(yīng)過程中產(chǎn)生的硫化氫會腐蝕設(shè)備，泄漏點主要出現(xiàn)在塔頂餾出線、冷卻器部分，防硫化氫中毒是該區(qū)防護(hù)重點。而液化石油氣泄漏有燃燒或爆炸的危險。

2 事故的計算機(jī)模擬及后果分析

事故后果模擬是在事故模型分析的基礎(chǔ)上選擇數(shù)學(xué)模型，常見的數(shù)學(xué)模型有氣體泄漏模型、擴(kuò)散模型、爆炸模型和熱輻射模型等，加氫裂化裝置事故的計算機(jī)模擬采用挪威船級社DNV開發(fā)的定量風(fēng)險分析SAFETI軟件，根據(jù)事故現(xiàn)場的情況，選用氣象條件、危險化學(xué)品溫度、壓力、泄漏時間等參數(shù)，運用擴(kuò)散、噴火、沖擊波超壓等模型［2］，進(jìn)行計算機(jī)事故模擬。

根據(jù)以上分析并結(jié)合生產(chǎn)實際情況，選擇氫氣、石腦油和硫化氫泄露這3種具有代表性的事故場景作為模擬對象。

3種事故形成條件及其模擬場景見表2。

表2 事故形成條件和場景

2.1 氫氣泄漏

氫氣爆炸濃度(以體積分?jǐn)?shù)計)范圍較寬，氫氣與空氣混合物的爆炸極限為4.1% ～74.1%，而且引燃能量相對較低(最小引燃能量為0.02 MJ)，火災(zāi)爆炸危險較大。

在風(fēng)速1.0 m/s情況下氫氣泄漏后發(fā)生爆炸所形成的沖擊波危害范圍見表3。

表3 泄漏后沖擊波超壓的危害區(qū)域

在給定的事故模擬條件下，發(fā)生火災(zāi)爆炸后的沖擊波超壓危害范圍已超過裝置區(qū)域(加氫裂化裝置與最近的裝置的間距為30 m左右)，在危害區(qū)域內(nèi)將對設(shè)備、建筑物等造成重大破壞，嚴(yán)重傷害人體。

2.2 石腦油泄漏

石腦油為裝置主要產(chǎn)品，屬揮發(fā)性氣體，密度比空氣高，容易在低處積聚(特別是塔底)，一旦遇明火或高溫就可能著火爆炸。

在風(fēng)速為1.0 m/s的情況下，不同摩爾分?jǐn)?shù)的石腦油泄漏擴(kuò)散情況見表4。

表4 不同摩爾分?jǐn)?shù)的石腦油泄漏擴(kuò)散情況

石腦油泄漏后發(fā)生噴火的熱輻射危害距離見表5。

表5 石腦油泄漏發(fā)生噴火后的熱輻射危害距離

在給定的事故條件下，物料泄漏發(fā)生噴火的熱輻射輻射強(qiáng)度為12.5 kW/m2，危害范圍達(dá)152 m，對作業(yè)人員有很大危害［3］。

2.3 硫化氫泄漏

硫化氫為劇烈的神經(jīng)毒物，極易引起人體中毒。

不同質(zhì)量濃度的硫化氫及其擴(kuò)散范圍對人體的影響見表6。

表6 不同質(zhì)量濃度硫化氫的擴(kuò)散范圍對人的影響

按有關(guān)規(guī)定，車間空氣中硫化氫最高允許質(zhì)量濃度為10 mg/m3，最大影響范圍為6 214 m2，而發(fā)生泄漏事故的情況下影響范圍達(dá)8 210 m2，將對人體造成極大危害。

因此，已根據(jù)泄漏擴(kuò)散區(qū)域，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范的要求安裝可燃?xì)怏w檢測報警儀和有毒有害氣體檢測報警儀，并做好相應(yīng)的防護(hù)工作。

3 安全防范措施

從以上的事故模擬與后果分析看，氫氣、石腦油和硫化氫泄漏，都會造成嚴(yán)重后果。盡管如此，只要采取積極有效的防范措施，就能防止火災(zāi)、爆炸、中毒事故發(fā)生。

(1)加強(qiáng)高壓臨氫系統(tǒng)氣密檢查，最大限度降低可燃?xì)怏w泄漏量。嚴(yán)格控制點火源，避免發(fā)生可燃性氣體著火爆炸事故。加強(qiáng)對現(xiàn)場固定式可燃性氣體、有毒氣體報警儀的維護(hù)、校驗。含硫化氫氣體的采樣、切液作業(yè)要采用封閉式操作形式，以確保人員安全。

(2)對于反應(yīng)器、高壓換熱器、循環(huán)氫氣壓縮機(jī)系統(tǒng)等重要部位，要加強(qiáng)管理和巡回檢查。嚴(yán)禁超溫超壓、超工藝指標(biāo)的行為發(fā)生，發(fā)生異常情況要做到及時匯報、處理，確保裝置安全運行。

(3)嚴(yán)格控制加氫精制和加氫裂化反應(yīng)器各床層的溫升，確保精制反應(yīng)器的脫氮率，防止氮化合物對加氫裂化催化劑的毒害，同時要嚴(yán)防裂化反應(yīng)器床層發(fā)生“飛溫”現(xiàn)象。加強(qiáng)壓縮機(jī)運行的監(jiān)控，嚴(yán)防其聯(lián)鎖時系統(tǒng)必須緊急泄壓而引發(fā)的催化劑和設(shè)備管線損傷。

(4)加強(qiáng)對生產(chǎn)過程的監(jiān)控，注重高壓臨氫設(shè)備對氫氣的充分釋放，防止氫脆現(xiàn)象的發(fā)生(氫脆發(fā)生的溫度在150℃以下)。增加巡檢頻度，加強(qiáng)崗位間的聯(lián)系，對有可能發(fā)生硫化氫中毒等危險的檢查和操作時，必須實行“雙人操作，一人監(jiān)護(hù)，一人操作”，以防事故發(fā)生。

(5)嚴(yán)格按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選材。對腐蝕較為嚴(yán)重的設(shè)備、管線要進(jìn)行材質(zhì)升級，確保設(shè)備的本質(zhì)安全。定時、定點對易發(fā)生硫腐蝕、沖刷腐蝕的部位進(jìn)行測厚，以便及時發(fā)現(xiàn)問題，保證安全生產(chǎn)。

(6)加強(qiáng)突發(fā)事故應(yīng)急預(yù)案的演練，定期組織崗位操作人員學(xué)習(xí)各類事故預(yù)案，提高員工處理突發(fā)事故的能力，在演練中不斷完善演練預(yù)案。

ABSTRACT

［1］ 趙鐵錘，楊富，王如君，等．安全評價(修訂版)［M］．北京:煤炭工業(yè)出版社，2004:196．

［2］ 劉詩飛，詹予忠．重大危險源辨識及危害后果分析［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004:56－69．

［3］ 朱建華，褚家成．池火特性參數(shù)計算及其熱輻射危害評價［J］．中國安全科學(xué)學(xué)報，2003，13(6):25 －28．

Taking the high pressure hydrogenation cracking plant as example，the plant was divided into 7 areas with potential hazard according to functions of each unit，and analysis was made on conditions of occurring fire or explosion accident in each area．Simulation was made for the accidents with SAFETI software，and corresponding safety precaution measures were raised based on data of accidents＇affecting region．

Simulation Analysis on Accidents in High Pressure Hydrogenation Cracking Plant

Zhang Xiaohong
(Aromatics Division，SINOPEC Shanghai Petrochemical Co．，Ltd．200540)

hydrogenation cracking，fire accident，explosion，poisoning，simulation

1674－1099 (2012)02－0047－03

X928.7

A

2012-01-11。

張小紅，女，1967年出生，1987年畢業(yè)于上海石油化工高等?？茖W(xué)校有機(jī)化工專業(yè)，2005年畢業(yè)于上海師范大學(xué)英語專業(yè)，國家注冊執(zhí)業(yè)安全工程師，現(xiàn)從事安全技術(shù)管理工作。