基于動態(tài)模擬技術(shù)的化工過程本質(zhì)安全設(shè)計的研究

佟亮亮,胡文強(qiáng),王澤恒

(1.吉林化工學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.吉林智數(shù)網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，吉林 吉林 132022)

化學(xué)工業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱型產(chǎn)業(yè)，伴隨著全球經(jīng)濟(jì)崛起，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)向著大宗、連續(xù)化大的生產(chǎn)模式發(fā)展，裝置處理量日益增長，工藝流程日趨復(fù)雜、工藝裝置日漸復(fù)雜，加劇的了化工裝置出現(xiàn)安全隱患的可能，甚至發(fā)生安全事故的可能性。2019年3月21日，江蘇天嘉宜化工有限公司爆炸事故造成78人死亡；2019年4月15日，齊魯天和惠世制藥有限公司安全事故造成10人死亡，2019年多起化工事故慘痛教訓(xùn)，折射出當(dāng)前現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)迫切需要可靠的安全技術(shù)將安全事故風(fēng)險控制在可控范圍之內(nèi)，化工過程的本質(zhì)安全設(shè)計對于從設(shè)計源頭消除化工裝置的安全隱患具有重要的意義，本質(zhì)安全設(shè)計既從工藝技術(shù)的先進(jìn)性出發(fā)，又從工藝技術(shù)的成熟度思考[1]。在無法控制人為失誤的影響工藝裝置非正常工況運行條件下，化工過程本質(zhì)安全設(shè)計從化工裝置設(shè)計根源消除或者減少了過程的危害。通用化工動態(tài)模擬技術(shù)是基于穩(wěn)態(tài)模擬技術(shù)引入時間變量，開發(fā)起來的第四代化工模擬技術(shù)，引入時間變量可以模擬化工裝置的啟停車過程、模擬裝置實時運行狀態(tài)，模塊化操作相對傳統(tǒng)動態(tài)模擬技術(shù)，節(jié)省了化工過程模型開發(fā)時間[2]。將通用動態(tài)模擬技術(shù)應(yīng)用到化工過程的本質(zhì)安全設(shè)計可以模擬多種工藝路線的化工過程開發(fā)，對所選擇的工藝路線進(jìn)行安全評估，對化工裝置多個運行狀態(tài)進(jìn)行測試，為化工安全設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。

1 本質(zhì)安全設(shè)計

化工過程的本質(zhì)安全設(shè)計思想是化工行業(yè)對工藝過程開發(fā)的創(chuàng)新性、成熟性、安全性三方面追求的結(jié)果，在保證良好的經(jīng)濟(jì)效益的前提下，將整個裝置生命周期過程的危險因素進(jìn)行通盤的考量，將裝置的產(chǎn)品質(zhì)量、運行成本與安全特性有機(jī)結(jié)合，寄希望于將被動獲取安全事故處理后經(jīng)驗教訓(xùn)轉(zhuǎn)換為從從源頭削減可能發(fā)生的安全事故。與傳統(tǒng)的通過在裝置中安裝防護(hù)隔離系統(tǒng)以及控制技術(shù)使裝置進(jìn)行平穩(wěn)運行設(shè)計理念不同的是其核心思想就是通過工藝路線的選擇和工藝設(shè)計本身消除或者減小過程中的安全隱患。目前，化工行業(yè)對于化工過程的本質(zhì)安全設(shè)計主要反映在從設(shè)計源頭消減工藝過程中可能出現(xiàn)的危險化學(xué)品，減少高危操作規(guī)程的數(shù)量。例如選用無毒或者低毒的反應(yīng)物料替換劇毒的反應(yīng)物料，選擇反應(yīng)條件溫和的工藝路線替換高化學(xué)反應(yīng)熱、高化學(xué)活性的工藝路線。

化工過程的本質(zhì)安全設(shè)計思想貫穿于可行性研究、初步設(shè)計階段、施工圖設(shè)計階段、車間工藝設(shè)計等設(shè)計階段，隨著設(shè)計逐漸展開，消減工藝過程危險的成本也逐漸增加，在設(shè)計初期，設(shè)計自由空間較大，實現(xiàn)本質(zhì)安全設(shè)計的思想條件較為充裕，消減危險而造成的投資造價相對較低，設(shè)計人員可以從工藝路線選擇即最基本化學(xué)方程式入手消減裝置發(fā)生安全事故的概率，降低安全事故的損失，減少因檢維修過程中產(chǎn)生的資金投入，減少使用安全防護(hù)裝置，降低誤操作的機(jī)會?；み^程的本質(zhì)安全評價體系結(jié)構(gòu)由如下四個方面組成：

(1)：反應(yīng)物料的理化性質(zhì)；

(2)：化學(xué)反應(yīng)條件；

(3)：工藝條件；

(4)：產(chǎn)品貯存量；

2 通用動態(tài)模擬技術(shù)

動態(tài)流程模擬技術(shù)目前向大宗化智能工廠方向發(fā)展，化工流程模擬計算系統(tǒng)發(fā)展也不僅僅局限于工藝過程，流程模擬已被證明是執(zhí)行系統(tǒng)和全局的有效分析工具，其在設(shè)計、測試、優(yōu)化和整合過程工廠具有廣闊的應(yīng)用前景，同時不僅在化工領(lǐng)域有很好的應(yīng)用，在一些高危劇毒的行業(yè)也有很好的工業(yè)化應(yīng)用成果。通用動態(tài)模擬技術(shù)以化學(xué)工程為基礎(chǔ)，在以機(jī)理數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解計算，采用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臒崃W(xué)模型進(jìn)行相平衡核算，并結(jié)合通用穩(wěn)態(tài)流程模擬畫面技術(shù)新型動態(tài)模擬技術(shù)，通用模擬使用管網(wǎng)的拓?fù)溆嬎隳Ｐ蛯み^程的管路進(jìn)行求解計算，將各單元模擬計算模塊組合應(yīng)用，依據(jù)序貫?zāi)K計算策略進(jìn)行求解，使用C語言進(jìn)行編程，完成工藝裝置全流程的動態(tài)模擬系統(tǒng)的建立。通用動態(tài)模擬技術(shù)可以DCS控制系統(tǒng)模型、SIS聯(lián)鎖邏輯數(shù)學(xué)模型相結(jié)合對化工裝置常規(guī)操作進(jìn)行模擬計算。設(shè)計人員將基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)、選取的熱力學(xué)參數(shù)、工藝管線參數(shù)、設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)內(nèi)部、選取合適的收斂方法、設(shè)定計算容差，系統(tǒng)將對工藝裝置進(jìn)行詳細(xì)的計算，最終計算結(jié)果以實時報告的形式呈現(xiàn)，包含各個管線內(nèi)的組分含量、流體速度、溫度、焓值、壓力以及密度等數(shù)據(jù)，同時各個設(shè)備的計算數(shù)據(jù)例如：精餾塔全塔效率、熱交換器的熱負(fù)荷，冷卻水用量等得以體現(xiàn)。通用動態(tài)模擬技術(shù)為工程設(shè)計人員提供了一種新的工具可以進(jìn)行逆向設(shè)計，成為化工過程開發(fā)本質(zhì)安全設(shè)計的重要工具，模擬計算的過程也是對上一階段的設(shè)計工作進(jìn)行評價分析，若在模擬計算過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷甚至設(shè)計錯誤，則需要對上一階段的設(shè)計工作進(jìn)行梳理改正，重新設(shè)計，直至找到安全可靠的設(shè)計方案。

化學(xué)反應(yīng)是化工過程開發(fā)的基石，是從源頭減少本質(zhì)危險的重要策略，選取成熟、先進(jìn)以及穩(wěn)定安全的化學(xué)路線對消減化工裝置的危險具有舉足輕重的作用。在確定目標(biāo)產(chǎn)品的條件下，存在多種反應(yīng)路徑，在選擇了理化性質(zhì)溫和的反應(yīng)原料，可是使用通用動態(tài)模擬及數(shù)對最優(yōu)反應(yīng)路徑的進(jìn)行求解，通過模擬系統(tǒng)的求解計算出具有選擇性高、反應(yīng)速率適中、副反應(yīng)少、副產(chǎn)物理化性質(zhì)溫和的反應(yīng)路徑。

反應(yīng)路徑確定之后，然后計算工藝指標(biāo)和確定設(shè)備型號，通用動態(tài)模擬技術(shù)可以對設(shè)備尺寸進(jìn)行核算，將操作融入到過程開發(fā)中，測試設(shè)備的穩(wěn)定性，在計算過程中將本質(zhì)安全思想作為計算求解過程的約束條件之一，將消減危險操作、設(shè)備投資、操作費用作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解。通過這種方法可以結(jié)合相近裝置發(fā)生過的安全事故，從最危險事故出發(fā)，測試設(shè)備運行狀態(tài)，運用逆向的設(shè)計方法，利用事故樹、HAZOP分析等安全分析方法對影響裝置安全運行的風(fēng)險因素進(jìn)行辨識，通過動態(tài)模擬計算提供數(shù)據(jù)，結(jié)合本質(zhì)安全的設(shè)計原則，在設(shè)備選型時消減潛在危險因素。

同時，化工設(shè)計工作是一項系統(tǒng)工程，單一參數(shù)的修改以應(yīng)對裝置某一處的具體危險，忽略了該參數(shù)對于其他危險因素的影響，這種修改不僅是無效的，甚可能影響全局的設(shè)計工作，增添了其他危險，通用動態(tài)模擬技術(shù)可以有效應(yīng)對該種情況，通用模擬系統(tǒng)對化工裝置多工況進(jìn)行模擬計算，不僅可以模擬裝置滿負(fù)荷的生產(chǎn)，還可以對裝置啟停車過程以及可能出現(xiàn)的事故進(jìn)行模擬計算，在運行過程中可以隨時進(jìn)行參數(shù)修改，修改結(jié)果會隨著系統(tǒng)運行平穩(wěn)后得以顯示，更有利于設(shè)計人員對設(shè)計進(jìn)行簡單修改，并很快可以在得到修改之后對全局設(shè)計的影響。

3 結(jié)論

化工過程本質(zhì)安全設(shè)計的最終目標(biāo)是消減或者減低設(shè)計過程中的危險有害因素，本質(zhì)安全設(shè)計是傳統(tǒng)化工設(shè)計的創(chuàng)新應(yīng)用，運用最新的科學(xué)理論成果、使用最成熟的工藝及設(shè)計方法，通過對化學(xué)反應(yīng)和工藝設(shè)備的最優(yōu)化求解，找到影響裝置本質(zhì)安全的障礙，更好的消減化工過程的危險因素，從根源上減少化工安全事故的發(fā)生，促進(jìn)裝置安全、穩(wěn)定、高效、的運行，并尋求盡經(jīng)濟(jì)利益的最大化。通用動態(tài)模擬技術(shù)結(jié)合化工過程本質(zhì)安全的設(shè)計理念，可以提高設(shè)計人員的工作效率，利于化工過程開發(fā)尋找反應(yīng)路線的最優(yōu)解，最合適的工藝設(shè)備。可視化的圖形界面將實時計算的數(shù)據(jù)傳遞給設(shè)計人員，為設(shè)計提供設(shè)計支撐。通用模擬技術(shù)正在逐漸去的業(yè)界設(shè)計人員的認(rèn)可，越來越多的參與到設(shè)計工作中。