煉油裝置運行周期評估技術(shù)及應(yīng)用*

陳文武，韓 磊，屈定榮，許述劍，邱志剛，劉曦澤

(中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266071)

0 前言

煉油裝置長周期運行具有良好的經(jīng)濟和社會效益，國內(nèi)外石化企業(yè)均把裝置長周期運行作為關(guān)鍵績效指標。ExxonMobil、BASF等公司煉油裝置的連續(xù)運行周期均已達到5年或以上。近年來，我國煉油裝置的長周期運行水平不斷提高。截至2018年底，某大型石化公司所屬煉油企業(yè)全廠或單系列達到“四年一修”目標的有20家企業(yè)。

煉油裝置運行周期延長也提高了運行的風(fēng)險。煉油生產(chǎn)是典型的流程工業(yè)，設(shè)備是生產(chǎn)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素。煉油設(shè)備運行環(huán)境惡劣多變，關(guān)鍵設(shè)備易損件多、故障率高。一旦發(fā)生設(shè)備故障可能導(dǎo)致重大事故，輕則影響生產(chǎn)效率；重則導(dǎo)致系統(tǒng)停車、生產(chǎn)中斷，造成重大經(jīng)濟損失，甚至?xí)霈F(xiàn)惡性事故。石化行業(yè)的事故往往造成巨大損失，如美國墨西哥灣漏油事故[1]、Texas煉廠爆炸事故、聯(lián)碳公司印度Bhopal事故、意大利ICMESA工廠的Seveso事故、英國Buncefield油庫火災(zāi)爆炸事故等。所以，裝置運行周期的延長必須要建立在風(fēng)險可控的基礎(chǔ)上。

當前，我國煉油裝置運行周期確定方法是對標國外同類裝置的運行水平，結(jié)合國內(nèi)實際，綜合專家分析意見確定的。這種方法簡單易行，有利于企業(yè)的計劃排產(chǎn)和大檢修實施。但是，也存在科學(xué)性不強，裝置運行后期進入“耗損失效期”，工藝單元失效風(fēng)險逐漸呈現(xiàn)“集中化”的特征，直接導(dǎo)致過程安全風(fēng)險的提高等問題[2]。

1 裝置運行周期評估技術(shù)

煉油裝置運行周期是指其在兩次停工大檢修之間的運行時間段(從停工大檢修后，裝置連續(xù)進料開始至切斷進料準備停工大檢修為止)。以“四年一修”為例，要求煉油裝置連續(xù)運行46個月以上，并始終保持裝置高效率、低損耗、滿負荷。

可靠性是指系統(tǒng)、設(shè)備或零部件等在規(guī)定的條件和時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力[3]，以裝置的可靠性分析為核心，進行裝置運行周期的評估具有可行性。裝置運行周期評估技術(shù)研發(fā)技術(shù)路線見圖1。其通過對故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、計算，得到裝置的可靠性；并通過設(shè)備完整性現(xiàn)狀評估，對裝置的設(shè)備管理能力進行評估，得到修正系數(shù)；裝置可靠性和修正系數(shù)的乘積為裝置修正可靠性。通過計算裝置運行不同時間段的可靠性，得到裝置可靠性隨時間變化的規(guī)律曲線，為運行周期確定提供決策依據(jù)；并得到每一時間段設(shè)備可靠性最差排名，找到階段性的管理重點。

圖1 煉油裝置運行周期評估技術(shù)路線

1.1 裝置可靠性計算

1.1.1設(shè)備可靠性計算

收集裝置基本數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)，建立關(guān)鍵設(shè)備故障數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用概率論統(tǒng)計模型進行設(shè)備可靠性計算，得到關(guān)鍵設(shè)備的可靠性。

a) 資料收集。根據(jù)項目需要，收集的資料主要為反映裝置基本情況的資料和反映裝置故障情況的資料。

b) 建立結(jié)構(gòu)化的故障數(shù)據(jù)庫。對收集的數(shù)據(jù)進行整理和清洗，建立結(jié)構(gòu)化的故障數(shù)據(jù)庫。對缺少故障數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)不足的設(shè)備依據(jù)OREDA標準進行數(shù)據(jù)補充，并假定服從指數(shù)分布。

c) 進行單體設(shè)備的可靠性計算。根據(jù)單體設(shè)備故障的數(shù)據(jù)，應(yīng)用基于統(tǒng)計數(shù)學(xué)和可靠性理論的計算方法，進行單體設(shè)備的可靠性分析計算。故障數(shù)據(jù)回歸采用Weibull分布模型，數(shù)據(jù)采用最可能估算結(jié)果進行可靠性分析，最樂觀估算數(shù)據(jù)作為輔助參考。

1.1.2可靠性方框圖建立

RBD(Reliability Block Diagram)即系統(tǒng)可靠性方塊圖，是系統(tǒng)單元及其可靠性意義下連接關(guān)系的圖形表達，表示單元的正?；蚬收蠣顟B(tài)對系統(tǒng)狀態(tài)的影響?？煽啃苑綁K圖是利用互相連接的方塊來顯示系統(tǒng)的失效邏輯，分析系統(tǒng)中每一個成分的失效率對系統(tǒng)的影響，以幫助評估系統(tǒng)及裝置的整體可靠性等。圖中的串聯(lián)結(jié)構(gòu)表示鏈上的任何一個單元發(fā)生故障時，則系統(tǒng)發(fā)生故障；并聯(lián)結(jié)構(gòu)表示僅當所有單元均發(fā)生故障時，系統(tǒng)發(fā)生故障。

可靠性方塊圖不同于結(jié)構(gòu)連接圖，各單元的連接方式不一定與其物理連接方式相一致；物流走向不代表物流在流程中的真實走向；方塊圖中串聯(lián)的各單元的先后順序不影響系統(tǒng)的邏輯關(guān)系?？煽啃苑綁K圖中的每一個方塊既可以代表某個子系統(tǒng)，也可代表某個具體設(shè)備，或某設(shè)備上某具體零部件。

1.1.3系統(tǒng)、裝置可靠性模擬計算

a) 系統(tǒng)模擬計算結(jié)果。將各設(shè)備在不同時間段內(nèi)(1年、2年、3年、4年)的可靠性計算結(jié)果與系統(tǒng)可靠性方塊圖(RBD)相關(guān)聯(lián)，模擬計算系統(tǒng)的可靠性。

b) 裝置模擬計算結(jié)果。根據(jù)系統(tǒng)可靠性模擬計算結(jié)果及各系統(tǒng)的邏輯關(guān)系，計算出裝置可靠性，并進行設(shè)備管理能力系數(shù)修正，做出裝置可靠性曲線，為裝置檢修周期的確定提供理論依據(jù)。

1.1.4關(guān)鍵設(shè)備確定

根據(jù)計算分析結(jié)果，確定設(shè)備可靠性最差排名，可靠性較差的設(shè)備確定為應(yīng)重點關(guān)注的關(guān)鍵設(shè)備。對這些設(shè)備，應(yīng)針對性地加強其運行、維護，并采取措施提高檢修質(zhì)量，從而提高裝置可靠性，確保安全、長周期運行。

1.2 設(shè)備管理能力評估

裝置的設(shè)備管理能力評估是對裝置設(shè)備管理的一個綜合檢查度量，反映基層單位的設(shè)備管理水平及對設(shè)備風(fēng)險的綜合管控能力；設(shè)備完整性管理水平越高，裝置長周期運行的安全風(fēng)險越小。

參考國際通用做法、結(jié)合我國石化裝置實際情況，制定《裝置維修與可靠性管理評估表》，對裝置設(shè)備管理能力進行多維度打分，其總得分與國際大型石化公司平均得分的比作為可靠性修正系數(shù)FE。

1.3 修正可靠性及結(jié)果

裝置計算可靠性與修正系數(shù)FE的乘積作為裝置修正可靠性。以年為單位，計算裝置在不同時間節(jié)點的修正可靠性，并繪制可靠性隨時間變化規(guī)律曲線，按照可靠性高低獲取設(shè)備可靠性最差排序。

2 評估技術(shù)在常減壓裝置應(yīng)用

某公司3#常減壓裝置是主要的原油一次加工裝置。裝置2009年12月建成投產(chǎn)。設(shè)計加工沙輕和沙重混合原油(混合比為1∶1)，混合原油硫含量2.56%，處理能力為1 000×104t/a。裝置主要由原油電脫鹽脫水部分、常壓蒸餾部分、減壓蒸餾部分、輕烴回收部分等組成。目的產(chǎn)品主要有：石腦油、航煤組分油、柴油組分油、蠟油組分油、減壓渣油及輕烴。裝置內(nèi)設(shè)有塔頂注氨、注緩蝕劑、注水等防腐設(shè)施，為防止減渣系統(tǒng)結(jié)垢，設(shè)有阻垢劑注入系統(tǒng)。裝置的主要工藝特點有：采用國產(chǎn)高速電脫鹽技術(shù)、原油預(yù)閃蒸工藝、常壓塔采用多種高效塔盤、KBC減壓深拔技術(shù)、蒸汽+機械混合抽真空工藝等。

2012年8月份，該裝置進行了首次大檢修；9月24日，裝置交付生產(chǎn)，組織開工。2016年8月9日，裝置停工進行建成后的第二次大檢修，實現(xiàn)了“四年一修”目標。以此裝置為對象，對其運行周期內(nèi)的可靠性變化進行了統(tǒng)計分析。

2.1 關(guān)鍵績效指標KPI確定

根據(jù)3#常減壓裝置的實際情況，對于單個設(shè)備以連續(xù)運行3年及4年后可靠性為KPI指標；對于裝置整體劃分為脫前原油換熱/電脫鹽/脫后原油換熱系統(tǒng)、初餾系統(tǒng)、常壓蒸餾系統(tǒng)、減壓蒸餾系統(tǒng)等子系統(tǒng)，以周期末各子系統(tǒng)連續(xù)運行3年及4年后可靠性為KPI指標。

2.2 建立結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)庫

對收集的故障數(shù)據(jù)進行整理和清洗，建立結(jié)構(gòu)化的故障數(shù)據(jù)庫，共整理設(shè)備故障數(shù)據(jù)1 519條。對缺少故障數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)不足的設(shè)備依據(jù)OREDA標準數(shù)據(jù)庫等進行數(shù)據(jù)補充，并假定服從指數(shù)分布。

2.3 進行單體設(shè)備的可靠性計算

采用化工工業(yè)設(shè)備故障的常見模型Weibull模型對歷史故障數(shù)據(jù)進行了回歸。應(yīng)用最優(yōu)擬合技術(shù)，獲取最佳韋伯參數(shù)，為后續(xù)的模擬提供數(shù)據(jù)支持。將韋伯參數(shù)與可靠性分析軟件相結(jié)合，對系統(tǒng)和設(shè)備進行模擬，部分設(shè)備的可靠性計算結(jié)果如表1所示。

表1 部分單體設(shè)備可靠性計算結(jié)果

2.4 可靠性方框圖建立

根據(jù)工藝流程及故障邏輯關(guān)系，將裝置劃分為脫前原油換熱/電脫鹽/脫后原油換熱系統(tǒng)、初餾系統(tǒng)、常壓蒸餾系統(tǒng)、輕烴回收系統(tǒng)、減壓蒸餾系統(tǒng)等5個單元，畫出每個單元的RBD圖，分析系統(tǒng)中每一個成分的失效率對系統(tǒng)的影響，以幫助評估系統(tǒng)的整體可靠性。典型單元RBD示例見圖2。

2.5 設(shè)備管理能力評估

按照制定的《裝置維修與可靠性管理評估表》對3#常減壓裝置進行設(shè)備管理能力評估，結(jié)果如圖3所示，其在維修培訓(xùn)、預(yù)防性維修、維修自動化、可靠性工程等方面與國際大公司平均水平尚有差距，需要著重加強相關(guān)工作，提高設(shè)備管理能力。

2.6 裝置、系統(tǒng)可靠性模擬計算結(jié)果

2.6.1可靠性模擬計算結(jié)果

以可靠性作為主要評價指標，模擬計算結(jié)果顯示當裝置運行周期由3年改為4年時，無論是各子系統(tǒng)還是裝置的整體可靠性均有不同程度的降低，見表2。

圖2 常壓蒸餾系統(tǒng)RBD

圖3 3#常減壓裝置設(shè)備管理能力評估雷達

對于全裝置不考慮管理修正因子，3年末系統(tǒng)的可靠性為0.916 5，到4年末則下降到0.692 5；考慮管理修正因子，3年末系統(tǒng)的可靠性為0.890 7，到4年末則下降到0.673 0。就是說裝置檢修周期從3年提高到4年后，裝置發(fā)生故障的概率大大增加。因此，3#常減壓裝置檢修周期從3年延長到4年應(yīng)慎重考慮。

2.6.2可靠性最差設(shè)備排名

3年內(nèi)及4年內(nèi)對可靠性影響大的關(guān)鍵設(shè)備見表3、表4。

從設(shè)備可靠性最差排序可以看出：對于動設(shè)備，重點關(guān)注減一線及減頂回流泵(P-201A/B)、常頂循泵(P-107A/B)、常一線泵(P-104A/B)等；對于靜設(shè)備，重點關(guān)注常頂空冷器(A-101A-L)、穩(wěn)定塔頂空冷器(A-301A/B/C)等。

分析發(fā)現(xiàn)，裝置運行周期由3年延長為4年時，穩(wěn)定塔頂空冷器(A-301A)、減頂一級抽空器(EJ-201A/B/C)，減頂二級抽空器(EJ-202A/B/C)、減頂三級抽空器(EJ-203)、機械抽真空系統(tǒng)(PA-201)、常四線泵(P-117A/B)等設(shè)備可靠性降低較多。

表2 3#常減壓裝置系統(tǒng)、裝置可靠性模擬結(jié)果

表3 3年內(nèi)可靠性最差設(shè)備排名(前20名)

3 結(jié)論和建議

a) 通過對裝置故障數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計算不同時間段裝置可靠性的變化，可以對裝置運行周期確定提供決策參考。但由于統(tǒng)計數(shù)據(jù)是對以往故障的統(tǒng)計，確定運行周期還需綜合考慮原料質(zhì)量、管理水平、檢維修質(zhì)量等因素。

表4 4年內(nèi)可靠性最差設(shè)備排名(前20名)

b) 依據(jù)煉油廠總流程及生產(chǎn)特點，分析裝置故障后對全廠安全影響、四大平衡(物料平衡、熱量平衡、氫氣平衡、瓦斯平衡)、產(chǎn)品出廠、環(huán)保排放的影響，確定影響全廠運行周期的關(guān)鍵裝置，并繪制全廠生產(chǎn)裝置及系統(tǒng)RBD圖，可以計算煉油廠的可靠性隨時間變化情況，進而科學(xué)決策煉油廠運行周期。

c) 設(shè)備故障數(shù)據(jù)是可靠性分析的基礎(chǔ)，故障數(shù)據(jù)記錄是否齊全、格式是否規(guī)范直接影響可靠性分析結(jié)果。我國石化企業(yè)存在故障記錄內(nèi)容不統(tǒng)一、格式不規(guī)范問題。建議按標準ISO14224-2016《石油、石化和天然氣工業(yè)設(shè)備可靠性和維護數(shù)據(jù)的收集與交換》要求，記錄故障部位和現(xiàn)象的詳細描述、規(guī)范化定義設(shè)備故障模式(代碼)、故障原因和詳細描述、采取的維修方法和詳細描述(包括維修方法類型)等內(nèi)容，并符合國際標準規(guī)范的模板，逐步構(gòu)建我國石化行業(yè)故障數(shù)據(jù)庫。