系統(tǒng)化的泄放分析在催化裂化裝置的應(yīng)用研究

陳中民1 王志剛2 秦士江3 秦云鋒3

1.中國(guó)石油集團(tuán)工程股份有限公司 北京 100029；2.中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司 山東 青島 266071；3.圣泰智科（上海）軟件科技有限公司 上海 201203

超壓泄放和火炬系統(tǒng)是煉化企業(yè)的最后一道安全保障，在設(shè)計(jì)階段采用科學(xué)可靠的方法進(jìn)行超壓工況的泄放分析和泄放量的計(jì)算對(duì)被保護(hù)設(shè)備的安全極其重要。但超壓工況分析和泄放量計(jì)算是一個(gè)復(fù)雜的過程，一方面要確保系統(tǒng)安全，另一方面泄放系統(tǒng)也不能過于龐大。由于國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)范的不完善，以及重視程度不足等原因，傳統(tǒng)的泄放分析存在諸多缺陷，比如遺漏重要的超壓工況、泄放量計(jì)算不正確、沒有充分考慮設(shè)備間的相互影響等，造成安全閥和火炬系統(tǒng)存在重大安全隱患。以下以催化裂化裝置為例對(duì)此予以說明。催化裂化技術(shù)在國(guó)內(nèi)經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，技術(shù)水平已居世界前列[1]。但筆者在多年的泄放分析工作中發(fā)現(xiàn)，催化裂化裝置在泄放分析、泄放量計(jì)算及裝置火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中仍有許多不足之處，主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）超壓工況的分析不全面。以分餾塔為例，部分設(shè)計(jì)單位在分析超壓工況時(shí)，僅分析停電工況、循環(huán)水停工況和富氣壓縮機(jī)停工況，且停電工況未明確區(qū)分全廠停電和局部停電工況。超壓工況的分析不全面，極易忽略可能存在的泄放量更大的工況。

（2）超壓工況的泄放量計(jì)算粗放。同樣以分餾塔為例，發(fā)現(xiàn)部分設(shè)計(jì)單位在泄放量計(jì)算時(shí)，簡(jiǎn)單地以塔頂氣相量作為停電工況的泄放量。通過嚴(yán)格的泄放量計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際的泄放量和組成與這種簡(jiǎn)單估算的結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。

（3）對(duì)于存在熱集成的工藝流程，僅通過靜態(tài)的分析計(jì)算極易忽略在超壓工況發(fā)生后設(shè)備間的互相影響。因存在熱集成，超壓工況發(fā)生后，部分換熱器負(fù)荷或增或減，將對(duì)泄放量產(chǎn)生影響。僅通過靜態(tài)的分析計(jì)算，無法定量確定超壓工況發(fā)生后換熱器負(fù)荷的變化，計(jì)算得到的泄放量數(shù)據(jù)與實(shí)際情況相比可能存在較大偏差。

上述問題將導(dǎo)致裝置的泄放系統(tǒng)存在諸多安全隱患。為此，以300 萬(wàn)t/ a 催化裂化裝置為例，闡述系統(tǒng)化的泄放分析方法，以期對(duì)泄放系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工業(yè)生產(chǎn)中確保裝置安全提供有價(jià)值的參考。

1 系統(tǒng)化的泄放分析方法

火炬氣的主要來源是被保護(hù)設(shè)備的超壓泄放或緊急泄壓排放，因而泄放分析必須從被保護(hù)設(shè)備的超壓事故工況分析這個(gè)源頭上著手。如上所述，泄放分析和計(jì)算是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，既要保證安全又不能過于保守。系統(tǒng)化的泄放分析方法是嚴(yán)格遵照API Standard 521[2]標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合流程模擬、靜態(tài)泄放分析、動(dòng)態(tài)泄放分析和泄放量消減分析等手段，對(duì)被保護(hù)設(shè)備泄放量、裝置及全廠總泄放量進(jìn)行系統(tǒng)性分析的方法。整個(gè)分析過程分三個(gè)部分完成，分述如下：

（1）第一階段進(jìn)行靜態(tài)泄放分析，基本宗旨是采用API 521 的原則和方法，根據(jù)對(duì)工藝流程和控制系統(tǒng)的分析，基于每個(gè)被保護(hù)設(shè)備確定適用的泄放工況及其假設(shè)條件，并計(jì)算泄放量。典型超壓工況如表1 所示[1]。此項(xiàng)目中采用SimTechRelief 軟件進(jìn)行泄放分析和計(jì)算。

表1 典型超壓工況

（2）第二階段進(jìn)行動(dòng)態(tài)泄放分析，即采用基于嚴(yán)格機(jī)理的動(dòng)態(tài)模擬方法，在嚴(yán)格遵照API 521 標(biāo)準(zhǔn)的前提下，對(duì)被保護(hù)設(shè)備超壓工況及其R泄放的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行模擬和分析。動(dòng)態(tài)模擬是目前進(jìn)行泄放分析最佳的技術(shù)手段，也是API 521 標(biāo)準(zhǔn)中推薦的方法。關(guān)于該方法還可以參考文獻(xiàn)[3- 6]。以下采用SimSci 公司（現(xiàn)率屬于AVEVA 公司）的Dynsim 軟件作為動(dòng)態(tài)模擬工具。

（3）第三階段則側(cè)重泄放量的消減，即根據(jù)實(shí)際條件，采用工藝和設(shè)備變更和高完整性超壓保護(hù)聯(lián)鎖（HIPS）等措施，消除或減少超壓事故時(shí)的排放，從而達(dá)到消減泄放量的目的。

嚴(yán)格依照API 521 標(biāo)準(zhǔn)，通過系統(tǒng)化的泄放分析方法，既保證被保護(hù)設(shè)備和火炬系統(tǒng)安全，又盡量縮減泄放系統(tǒng)的規(guī)模。

2 催化裂化裝置的泄放分析

典型的催化裂化裝置分餾塔流程示意圖如圖1 所示。

圖1 催化裂化裝置分餾塔流程示意圖

2.1 靜態(tài)泄放分析

根據(jù)API 521 分析原則，分析催化裂化裝置分餾塔可能存在的超壓工況，詳見表2。

表2 分餾塔超壓工況

完成泄放工況的確定后，需建立分餾塔正常操作工況的穩(wěn)態(tài)模擬模型（以下采用PRO/ II），并采用SimTech Relief 軟件對(duì)每個(gè)工況的泄放量進(jìn)行計(jì)算。

分餾塔主要超壓工況泄放量計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?。從表3 數(shù)據(jù)可以看到，不同事故工況下排放量差別非常大，單純?nèi)∷敋庀嗔孔鳛榉逐s塔的最大泄放量存在很大的缺陷：

表3 分餾塔超壓工況的靜態(tài)分析結(jié)果

（1）全廠停電后提升管反應(yīng)器聯(lián)鎖注入事故蒸汽，分餾塔安全閥最大泄放量為159t/ h，明顯低于正常生產(chǎn)時(shí)塔頂氣相量285t/ h。如果以285t/ h 作為全廠停電工況泄放量，這將使全廠停電工況下疊加后的裝置和全廠的火炬量明顯偏大。

（2）全廠停電工況下，分餾塔頂安全閥泄放或者富氣壓縮機(jī)入口放火炬閥排放的火炬氣中，水蒸氣含量明顯高于塔頂氣相中水蒸氣含量。

2.2 動(dòng)態(tài)泄放研究

采用Dynsim 對(duì)催化裂化裝置的超壓和泄放行為進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究。

2.2.1 分餾塔全廠停電工況

對(duì)全廠停電工況分餾塔的超壓泄放進(jìn)行了動(dòng)態(tài)研究。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，當(dāng)富氣壓縮機(jī)跳車后，會(huì)聯(lián)鎖打開富氣壓縮機(jī)入口放火炬閥，塔頂油氣經(jīng)放火炬閥排至火炬，整個(gè)過程安全閥不起跳。因此，確定火炬量時(shí)必須分析全廠停電工況經(jīng)富氣壓縮機(jī)入口放火炬閥排放和經(jīng)安全閥泄放兩種情況，分析結(jié)果詳見圖2 和圖3。

圖2 分餾塔全廠停電工況動(dòng)態(tài)泄放曲線（控制閥排放）

圖3 分餾塔全廠停電工況動(dòng)態(tài)泄放曲線（安全閥泄放）

經(jīng)動(dòng)態(tài)研究可以發(fā)現(xiàn)，全廠停電后，塔頂冷凝冷卻系統(tǒng)、各中段取熱系統(tǒng)及富氣壓縮機(jī)停止，提升管聯(lián)鎖注入事故蒸汽，塔頂壓力快速升高。經(jīng)過放火炬閥排放與經(jīng)過安全閥泄放的動(dòng)態(tài)曲線不同，但排放量的峰值約為160t/ h，相差不大。

2.2.2 分餾塔局部停電工況

局部停電（即停低壓電）后，塔頂空冷、回?zé)捰捅煤透粴鈮嚎s機(jī)停止，反應(yīng)油氣不停，塔頂壓力快速升高。安全閥于工況發(fā)生后1min 后起跳，分析時(shí)間段內(nèi)峰值泄放量為408t/ h（分子量為61.6），動(dòng)態(tài)泄放曲線如圖4 所示。

圖4 分餾塔局部停電工況動(dòng)態(tài)泄放曲線（安全閥泄放）

因分餾塔一中段油至穩(wěn)定塔底重沸器供熱，局部停電后穩(wěn)定塔頂空冷、回流泵同時(shí)停止；穩(wěn)定塔頂壓力持續(xù)升高，塔壓升高后造成塔釜溫度升高，塔底重沸器換熱負(fù)荷因有效傳熱溫差降低而減小，從而引起分餾塔一中段油取熱減少。這部分減少的熱量積聚在分餾塔中，導(dǎo)致分餾塔最大泄放量高達(dá)408t/ h，遠(yuǎn)高于靜態(tài)分析的249t/ h。

靜態(tài)泄放分析是基于單個(gè)被保護(hù)設(shè)備的分析，極易忽略這種復(fù)雜的熱耦合關(guān)系造成的相互影響，不通過嚴(yán)格的動(dòng)態(tài)模擬手段難以分析出整個(gè)超壓和泄放發(fā)生過程中的相互作用和相互影響。

該局部停電工況不僅是分餾塔的控制性工況，也是整個(gè)催化裂化裝置的控制性工況。若忽略該工況或分析不準(zhǔn)確，將直接導(dǎo)致分餾塔安全閥選型偏小和裝置火炬系統(tǒng)排放能力不足，這將遺留非常大的安全隱患。

2.3 泄放量消減措施分析

不同催化裂化裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)的工藝流程會(huì)有所不同，尤其是解吸塔和穩(wěn)定塔的熱源不同。本例中由于動(dòng)態(tài)研究后解吸塔和穩(wěn)定塔的泄放量較小，增設(shè)火炬量消減措施的必要性不大。但其他催化裂化裝置吸收穩(wěn)定系統(tǒng)還是有可能需要考慮HIPS 等消減措施的。

特別需要指出的是，很多催化裂化裝置和氣體分餾裝置屬于聯(lián)合裝置，這兩套裝置的泄放量都比較大，需要特別注意局部停電工況下的排放總量，以及配電方案對(duì)局部停電工況總排放量的影響。

3 結(jié)論

（1）泄放分析工作必須做全面、完整和詳細(xì)的超壓工況分析，不僅要分析泄壓設(shè)備泄放，還要考慮通過調(diào)節(jié)閥的排放，否則極易忽略重要的超壓工況，從而遺留巨大的安全隱患。

（2）泄放量的確定一定要采用科學(xué)、可靠的計(jì)算和分析方法，絕不能憑經(jīng)驗(yàn)或簡(jiǎn)化計(jì)算。與之相反，必要時(shí)還要采用更復(fù)雜的動(dòng)態(tài)模擬方法進(jìn)行詳細(xì)的分析。泄放量計(jì)算的偏差將直接導(dǎo)致泄壓設(shè)備不能充分保護(hù)設(shè)備，并導(dǎo)致火炬系統(tǒng)排放能力不足。

（3）非常有必要推行系統(tǒng)化的泄放分析工作，從而使計(jì)算的泄放量既充分保證安全又不過于保守。