加氫原料緩沖罐串壓事故動態(tài)模擬研究

蹇江海

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

0 前言

工程本質(zhì)安全設計取決于工程安全層的核心層——工藝設計。從影響裝置安全性的機會曲線[1](圖1)可以看到，在項目開展設計、施工和生產(chǎn)操作階段，設計階段對項目的本質(zhì)安全性影響最大，而在設計階段，工藝研究對設計過程的本質(zhì)安全設計影響最大。在工藝設計中，既要符合規(guī)范且正確執(zhí)行相關(guān)的政府法律法規(guī)，又要以過去的事故所提供的教訓和資料來考慮安全措施，以防再次發(fā)生類似事故。但是用“事故的后補式”方法，很難杜絕新的事故發(fā)生。因此在目前石油化工設計中，越來越強調(diào)工藝的本質(zhì)安全設計，即提倡事前徹底研究裝置發(fā)生事故的潛在原因，采用所謂“問題發(fā)現(xiàn)式”的預測方法，尋求創(chuàng)造性的思維，進行改革性的研究來消除危險，降低風險，將裝置的安全運行基于設計階段，實現(xiàn)設計安全[2,3]。

圖1 影響裝置安全性的機會曲線

1 工藝設計條件

某廠200×104t/a渣油加氫裝置原料油升壓部分流程見圖2。工藝流程及工藝設計條件如下。

原料緩沖罐入口為液位控制，正?？刂圃诰嚯x上下切線50%左右。罐頂設氮封，操作壓力穩(wěn)定在0.35 MPa。罐頂安全閥設定壓力為0.55 MPa，安全閥噴嘴選型為T(167 cm2)。原料油通過反應進料泵增壓經(jīng)過單向閥、流控閥和緊急切斷閥后，在19.5 MPa左右與混氫混合后進入換熱器。泵出口最小流量調(diào)節(jié)閥在正常操作中處于自動狀態(tài)。泵出口緊急切斷閥在流量低低時聯(lián)鎖關(guān)閉。容器尺寸和調(diào)節(jié)閥Cv值等設備參數(shù)均按設計條件輸入。

2 串壓事故模擬假設條件

根據(jù)裝置詳細設計資料，采用SIMSCI公司的Dynsim V5.3.2動態(tài)模擬軟件進行全流程建模。動態(tài)模型經(jīng)過長時間運行穩(wěn)定后，各設備、管線計算結(jié)果與工藝設計數(shù)據(jù)進行對比，以保證模型搭建和計算的準確性，并檢測控制和聯(lián)鎖建立的正確性和有效性。在模擬裝置正常穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上，進行串壓事故模擬，即當裝置正常運行1 s后，突然發(fā)生停泵事故。為保守計算，原料罐頂2個氮封調(diào)節(jié)閥在事故發(fā)生時處于全關(guān)狀態(tài)，即壓力升高時不排氣。另外不考慮泵的轉(zhuǎn)動慣量，即泵瞬時停轉(zhuǎn)，高壓流體通過泵體向原料緩沖罐反串沒有延時，泵體流道假設成DN150的管道，可以100%返流。在停泵事故發(fā)生時，1個單向閥同時失效，如果泵出口只設1個單向閥，事故模擬時按閥門口徑的100%計算返流，如果泵出口設2道不同類型的單向閥，事故模擬時按閥門口徑的10%[4]計算返流。安全閥達到開啟壓力后1 s內(nèi)完全打開。

圖2 原料油升壓部分流程

研究以下6種設計方案在停泵串壓事故發(fā)生后對原料緩沖罐產(chǎn)生的影響：①情景a:反應進料泵出口只設1道單向閥，泵出口不設切斷閥(或相當于切斷閥低低流量聯(lián)鎖沒投用)；②情景b:反應進料泵出口設2道不同類型的單向閥，泵出口不設切斷閥(或相當于切斷閥低低流量聯(lián)鎖沒投用)；③情景c:反應進料泵出口設2道不同類型的單向閥，泵出口設切斷閥，切斷閥30 s內(nèi)完全關(guān)閉；④情景d:反應進料泵出口只設1道單向閥，同時泵出口設切斷閥，切斷閥30 s內(nèi)完全關(guān)閉；⑤情景e:反應進料泵出口只設1道單向閥，同時泵出口設切斷閥，切斷閥10 s內(nèi)完全關(guān)閉；⑥情景f:反應進料泵出口只設1道單向閥，泵出口設切斷閥，切斷閥5 s內(nèi)完全關(guān)閉。

3 模擬研究結(jié)果

3.1 情景a

泵出口只設1道單向閥，不設緊急切斷閥。在泵故障緊急停后，1個單向閥同時失效，高壓向低壓串壓事故發(fā)生，原料緩沖罐壓力和罐頂安全閥泄放量隨時間變化見圖3。事故發(fā)生8 s后，原料罐壓力升到安全閥開啟壓力0.55 MPa。由于安全閥的選型是按雙單向閥串壓工況設計，泄放量不滿足該事故情景，因此安全閥完全開啟后原料罐壓力繼續(xù)上升，在事故發(fā)生約24 s時原料罐壓力升到峰值3.6 MPa，此后隨著大量氣體的釋放反應系統(tǒng)壓力下降，安全泄放量和原料罐壓力逐漸降低。如果容器設計壓力僅為0.55 MPa，在該事故情景中，容器會因承受不了串壓帶來的壓力急速上升超過設計壓力而爆裂，進而產(chǎn)生爆炸的危險。

圖3 事故情景a原料緩沖罐壓力和安全泄放量隨時間變化

3.2 情景b

泵出口不設緊急切斷閥，但泵出口設2道不同類型的單向閥。在泵故障緊急停后，其中1個單向閥失效，高壓向低壓串壓事故發(fā)生，原料緩沖罐壓力和罐頂安全閥泄放量隨時間變化見圖4。由于單向閥的作用，反串量比事故情景a小很多，事故發(fā)生74 s后原料罐壓力達到安全閥定壓，在170 s左右最大泄放量約為23 t/h，安全閥的選型滿足該事故情景要求。對比情景a和情景b可以看到，2道單向閥比2道單向閥在提高設計安全性上有一定幫助(在不考慮雙單向閥同時失效的條件下)。

圖4 事故情景b原料緩沖罐壓力和安全泄放量隨時間變化

3.3 情景c

泵出口設緊急切斷閥，泵出口流量低低時切斷閥30 s完全關(guān)閉；泵出口設2道單向閥。在泵故障緊急停后，其中1個單向閥失效，高壓向低壓串壓事故發(fā)生，原料緩沖罐壓力和罐頂安全閥泄放量隨時間變化見圖5。由于雙單向閥和切斷閥的雙重作用，原料緩沖罐壓力最高只上升到0.51 MPa，沒有達到安全閥定壓，安全閥不泄放。

圖5 事故情景c原料緩沖罐壓力和安全泄放量隨時間變化

3.4 情景d

泵出口設緊急切斷閥，泵出口流量低低時切斷閥30 s完全關(guān)閉；泵出口只設1道單向閥。在泵故障緊急停后，1個單向閥失效，高壓向低壓串壓事故發(fā)生，原料緩沖罐壓力和罐頂安全閥泄放量隨時間變化見圖6。由于串壓速度快，而切斷閥關(guān)閉時間較長，因此關(guān)閉前的事故狀態(tài)與事故情景a相似，在事故發(fā)生24 s左右原料罐壓力升到峰值約3.6 MPa，安全閥排量達到峰值約124 t/h，但隨著切斷閥關(guān)閉，反串量降低直至完全截止，原料罐壓力降到0.55 MPa，安全閥關(guān)閉。該事故情景同樣存在原料罐爆裂的危險，因此泵出口設1道單向閥并且切斷閥關(guān)閉時間長不能降低串壓事故帶來的危險。

圖6 事故情景d原料緩沖罐壓力和安全泄放量隨時間變化

3.5 情景e

泵出口設緊急切斷閥，泵出口流量低低時切斷閥10 s完全關(guān)閉；泵出口只設1道單向閥。在泵故障緊急停后，1個單向閥失效，高壓向低壓串壓事故發(fā)生，原料緩沖罐壓力和罐頂安全閥泄放量隨時間變化見圖7。對比情景d，由于切斷閥關(guān)閉時間由30 s降到10 s，使串壓量減少，在事故反生11 s左右原料罐壓力升到最高值0.66 MPa，安全閥瞬間有大約60 t/h的泄放量，此后由于切斷閥完全關(guān)閉，原料緩沖罐壓力降到安全閥定壓。

圖7 事故情景e原料緩沖罐壓力和安全泄放量隨時間變化

3.6 情景f

泵出口設緊急切斷閥，泵出口流量低低時切斷閥5 s完全關(guān)閉；泵出口只設1道單向閥。在泵故障緊急停后，1個單向閥失效，高壓向低壓串壓事故發(fā)生，原料緩沖罐壓力和罐頂安全閥泄放量隨時間變化見圖8。由于切斷閥5 s關(guān)閉，因此前5 s，由于高壓氣串壓，原料罐壓力上升較快，從0.35 MPa升到0.39 MPa。此后，隨著原料罐液位緩慢升高，壓力緩慢增加，直至罐入口液位調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉，液位不再增加，壓力穩(wěn)定在0.51 MPa左右，沒有達到安全閥起跳壓力。對比情景d和e可以看到，緊急切斷閥的關(guān)閉時間短對于降低串壓事故風險效果明顯，即使在雙單向閥同時失效的特例下，也能對低壓原料緩沖罐起到一定的保護作用。緊急切斷閥最短關(guān)閉時間與下游反應系統(tǒng)壓力、氣相體積容量等工藝設計參數(shù)有關(guān)，需要具體裝置具體模擬分析。

圖8 事故情景f原料緩沖罐壓力和安全泄放量隨時間變化

4 結(jié)論

通過以上6種串壓事故情景動態(tài)模擬分析可知：高壓泵出口雙單向閥設計比單個單向閥設計提高設計安全性；緊急切斷閥切斷時間越短，越能夠降低原料緩沖罐超壓的危險事故；雙單向閥和緊急切斷閥的雙重設計，對提高裝置本質(zhì)安全設計有利。此外，原料緩沖罐的設計壓力、安全閥的選型設計要與單向閥的設計數(shù)量、緊急切斷閥的關(guān)閉時間等設計條件結(jié)合起來考慮，確保在事故發(fā)生時安全閥有足夠的排放量以及保障低壓原料緩沖罐在事故下達到的最高壓力不超過其最高承受壓力，保證裝置設計的本質(zhì)安全。

此外，通過流程動態(tài)模擬仿真技術(shù)，可以在不增加試驗建設費用的前提下，解決工程設計問題，解決靜態(tài)模擬和直觀判斷無法完成的難題，不僅推動設計優(yōu)化，促進工程技術(shù)的進步，而且通過仿真模擬工藝事故研究解決措施，從工藝設計源頭消除安全隱患，提高工程的本質(zhì)安全設計水平。