風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)在高含硫天然氣凈化裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行中的應(yīng)用

陳冠杉 宋彬 冉文付 彭維茂 王鴻宇

1.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.中國(guó)石油西南油氣田公司川東北作業(yè)分公司

作為天然氣生產(chǎn)的重要組成部分，高含硫天然氣的清潔開(kāi)采和凈化成為我國(guó)能源開(kāi)發(fā)的主導(dǎo)方向之一[1]。四川盆地川東北地區(qū)是我國(guó)含油氣盆地中已發(fā)現(xiàn)的高含硫天然氣儲(chǔ)量最大的地區(qū)，天然氣中H2S體積分?jǐn)?shù)平均約14%，部分高達(dá)17%[2]。高含硫天然氣具有劇毒、易燃、儲(chǔ)運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)高、對(duì)管線設(shè)備腐蝕性強(qiáng)、凈化難度大等特征，生產(chǎn)過(guò)程中又涉及高壓、高溫操作，使凈化裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行面臨極大的挑戰(zhàn)。

天然氣凈化裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行不僅能為企業(yè)節(jié)約維修費(fèi)用、減少開(kāi)停車過(guò)程的公用工程消耗和物料損失，而且還能有效地減小對(duì)環(huán)境的影響。在產(chǎn)品氣氣質(zhì)和尾氣排放雙達(dá)標(biāo)的實(shí)施背景下，根據(jù)相關(guān)安全和設(shè)計(jì)的規(guī)定、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)[3-7]，所有的凈化廠在工藝變更的情況下，均須進(jìn)行工藝危害分析和儀表安全等級(jí)的評(píng)估。以川東北某高含硫天然氣凈化廠裝置改造為例，就保證高含硫天然氣凈化裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的HAZOP/LOPA/SIL風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 裝置概況

川東北高含硫凈化廠設(shè)計(jì)處理能力為30×108m3/a，由3列相同的天然氣處理裝置(300×104m3/d)組成，原料天然氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)平均為82.8%，H2S體積分?jǐn)?shù)平均為9.45%，CO2體積分?jǐn)?shù)平均為6.61%[8]。在產(chǎn)品氣質(zhì)量升級(jí)和尾氣治理改造工程中，主要對(duì)脫硫裝置、硫磺回收裝置、尾氣處理裝置及配套的公用工程設(shè)施進(jìn)行適應(yīng)性改造，以滿足GB 17820-2018《天然氣》及GB 39728-2020《陸上石油天然氣開(kāi)采工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

1.1 工藝流程介紹

自集氣末站來(lái)的原料天然氣先進(jìn)入脫硫裝置(Sulfinol-X脫硫工藝)，脫除其所含的H2S和部分有機(jī)硫及CO2，濕凈化氣送至三甘醇(TEG)脫水裝置進(jìn)行脫水處理，脫水后的干凈化天然氣即產(chǎn)品天然氣經(jīng)商業(yè)計(jì)量后外輸[9-10]。從脫硫裝置出來(lái)的酸氣送至硫磺回收裝置，生成的液硫送至硫磺成型裝置(鋼帶造粒)成型后包裝外運(yùn)銷售。同時(shí)，根據(jù)市場(chǎng)需求，另建有液硫裝車系統(tǒng)，可直接銷售液硫產(chǎn)品。硫磺回收尾氣送至尾氣處理裝置(串級(jí)SCOT工藝改造為標(biāo)準(zhǔn)SCOT工藝[11-12])，處理后的尾氣送至尾氣焚燒爐焚燒后經(jīng)煙囪排入大氣，酸性水則送至酸水汽提裝置，汽提出的酸氣返回硫磺回收裝置，經(jīng)汽提后的酸性水用作循環(huán)水補(bǔ)充水。具體流程圖如圖1所示。

1.2 長(zhǎng)周期生產(chǎn)運(yùn)行主要制約因素

高含硫天然氣凈化裝置自2016年開(kāi)產(chǎn)至今已運(yùn)行5年多時(shí)間，期間各種原因造成凈化裝置多次生產(chǎn)波動(dòng)及非計(jì)劃性減產(chǎn)、停車，將這些原因分類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表1所列。

表1 裝置非計(jì)劃減產(chǎn)、停車原因及次數(shù)統(tǒng)計(jì) 次

從表1可以看出，其故障率表現(xiàn)符合浴盆曲線[13]，開(kāi)產(chǎn)初期故障率較高，開(kāi)產(chǎn)初期裝置非計(jì)劃減產(chǎn)、停產(chǎn)次數(shù)較多，占比最高的為電力故障，達(dá)33%；設(shè)備、儀表故障，聯(lián)鎖停車占28%，主要原因是各類設(shè)備、儀表等聯(lián)鎖回路在設(shè)計(jì)時(shí)未很好匹配，開(kāi)產(chǎn)初期還未調(diào)試到最佳狀態(tài)，電力配套不完善等。隨著裝置運(yùn)行時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)的累積，通過(guò)采取強(qiáng)化上下游協(xié)調(diào)、持續(xù)優(yōu)化聯(lián)鎖邏輯、維護(hù)設(shè)備儀表、完善電力配套、加強(qiáng)員工培訓(xùn)等措施，裝置非計(jì)劃減產(chǎn)和停車的次數(shù)逐漸減少。進(jìn)入2020年穩(wěn)定期后，設(shè)備、儀表故障率和聯(lián)鎖停車占比達(dá)到80%。以上情況說(shuō)明，對(duì)工藝系統(tǒng)安全的管理和評(píng)價(jià)十分重要，裝置在進(jìn)行改造升級(jí)的情況下尤其必要，可保證工藝系統(tǒng)安全、可靠和經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

2 HAZOP/LOPA/SIL分析

HAZOP/LOPA/SIL聯(lián)合分析法在石油天然氣化工行業(yè)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。針對(duì)改造的天然氣凈化裝置，利用偏差查找其產(chǎn)生的原因，分析偏差帶來(lái)的后果，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法。然后，對(duì)節(jié)點(diǎn)偏差的當(dāng)前殘余風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，通過(guò)HAZOP-LOPA分析，共得出2項(xiàng)HAZOP-LOPA建議與31項(xiàng)設(shè)計(jì)建議[14]。通過(guò)SIL分析驗(yàn)證SIS安全性能，并評(píng)估找出降低風(fēng)險(xiǎn)的措施。

以下以SCOT再生塔液位低這個(gè)偏差為典型案例進(jìn)行分析。

2.1 HAZOP分析

在分析SCOT再生塔液位低這個(gè)偏差時(shí)，其中一個(gè)原因?yàn)榭刂崎yLV-0906故障關(guān)所導(dǎo)致的，具體見(jiàn)表2所列。

表2 HAZOP 分析表

在裝置建設(shè)之初，對(duì)裝置進(jìn)行了HAZOP分析，當(dāng)時(shí)的分析后果為“再生器液位較低可能導(dǎo)致低壓貧胺液泵可用的NPSH較低，可能導(dǎo)致泵氣穴、泵和泵密封故障、貧胺液泄漏、人員暴露的環(huán)境事件和資產(chǎn)損壞”，但未考慮到當(dāng)塔內(nèi)無(wú)液體時(shí)，酸氣會(huì)竄漏到環(huán)境中，引起中毒傷亡等事件。該節(jié)點(diǎn)的工藝儀表流程示意圖如圖2所示。

2.2 確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)由5×5的風(fēng)險(xiǎn)矩陣確定[15]，具體如圖3所示。調(diào)節(jié)閥失效概率取1×10-1/a[16]，則事故概率等級(jí)為5，事故后果(員工傷害、財(cái)產(chǎn)損失、環(huán)境影響三方面)嚴(yán)重程度為3級(jí)(員工傷害后果為3級(jí)：一次死亡1～2人，或者3～9人中毒(重傷)；財(cái)產(chǎn)損失后果為1級(jí)：該泵費(fèi)用為95 900元/臺(tái)，一次造成直接經(jīng)濟(jì)損失人民幣不足50萬(wàn)元；環(huán)境影響后果為1級(jí)：事故影響僅限于生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)，未對(duì)周邊環(huán)境造成影響)。

由圖3可知，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅳ級(jí)，則其可容許風(fēng)險(xiǎn)小于1×10-4/a。

2.3 獨(dú)立保護(hù)層分析

獨(dú)立保護(hù)層(IPL)是指能夠阻止場(chǎng)景向不良后果繼續(xù)發(fā)展的且獨(dú)立于初始事件或場(chǎng)景中其他保護(hù)層的行動(dòng)、設(shè)備或系統(tǒng)。獨(dú)立保護(hù)層及其構(gòu)成元素必須具備有效性、獨(dú)立性和可審查性[17-19]。本案例中涉及的獨(dú)立保護(hù)層包括以下兩個(gè)方面：

(1)BPCS報(bào)警和人員響應(yīng)行動(dòng)。設(shè)置貧胺液泵P-0952中控室啟停鍵，再生塔裝有一個(gè)獨(dú)立的液位集中指示及低限報(bào)警LIA-0951，內(nèi)操可以干預(yù)關(guān)停P-0952，并旁通SCOT單元；外操作業(yè)為雙人制，巡檢時(shí)都配戴便攜式H2S氣體報(bào)警儀，裝置區(qū)最高處設(shè)有風(fēng)向標(biāo)，一旦酸氣泄漏，可以立即響應(yīng)撤離現(xiàn)場(chǎng)，所以其失效概率取5×10-1/a。

(2)安全儀表功能。SCOT再生塔LALL-0952/0959為2oo2液位聯(lián)鎖關(guān)停貧胺液泵P-0952，查詢廠內(nèi)資料，其失效概率為1×10-1/a。

2.4 條件修正

根據(jù)工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，酸氣中H2S的體積分?jǐn)?shù)<4%，其余主要成分為CO2和H2O，在其爆炸極限范圍之外，故不考慮點(diǎn)火概率。

外操每4 h巡檢一次，共70項(xiàng)記錄點(diǎn)，其中貧胺液泵的記錄點(diǎn)為6項(xiàng)，故影響區(qū)域內(nèi)人員存在概率取0.1。

2.5 事故場(chǎng)景概率計(jì)算

事故場(chǎng)景概率等于初始事件概率、修正因子和獨(dú)立保護(hù)層要求時(shí)的失效概率的乘積，計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中：F為事故場(chǎng)景概率；F0為初始事件概率；fi為事故場(chǎng)景概率修正因子i的發(fā)生概率；Dj為第j個(gè)阻止事故場(chǎng)景發(fā)生的獨(dú)立保護(hù)層的要求時(shí)的失效概率。

事故場(chǎng)景概率的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 LOPA分析表

風(fēng)險(xiǎn)決策經(jīng)計(jì)算得出減輕事件的發(fā)生概率為5×10-4，大于可接受后果概率1×10-4，殘余風(fēng)險(xiǎn)降為Ⅱ級(jí)，超過(guò)風(fēng)險(xiǎn)容許值，因此應(yīng)采取降低風(fēng)險(xiǎn)的措施。

2.6 SIL驗(yàn)證

查閱相關(guān)資料，LALL-0952/0959變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的表決機(jī)制為2oo2，邏輯控制器的表決機(jī)制為2oo4D，初始設(shè)計(jì)時(shí)安全儀表等級(jí)為SIL1，現(xiàn)在對(duì)其驗(yàn)算，確定是否滿足SIL1并找到可提高SIL等級(jí)的解決方式。

采用可靠性方框圖法計(jì)算2oo2結(jié)構(gòu)的失效概率[20]，見(jiàn)式(2)、式(3)；采用故障樹(shù)法對(duì)2oo4D結(jié)構(gòu)進(jìn)行失效分析[21]，如圖4所示，其失效概率計(jì)算公式見(jiàn)式(2)～式(8)。

λDU=λD(1-C)

(2)

λDD=λD×C

(3)

(4)

D2oo2avg=2λDtCE

(5)

λDUC=λDUβ

(6)

λDUN=λDU(1-β)

(7)

(8)

DSYS=DS+DL+DFE

(9)

式中：C為診斷覆蓋率，%；β為具有共同原因的、沒(méi)有被檢測(cè)到的失效分?jǐn)?shù)；λD為子系統(tǒng)中一個(gè)通道的危險(xiǎn)失效率，h-1；λDD為子系統(tǒng)中一個(gè)通道的被檢測(cè)到的危險(xiǎn)失效率，h-1；λDU為子系統(tǒng)中一個(gè)通道的未檢測(cè)到的危險(xiǎn)失效率，h-1；tCE為子系統(tǒng)中一個(gè)通道等效停止工作時(shí)間，h；λDUC為未檢測(cè)到的共因危險(xiǎn)失效率，h-1；λDUN為未檢測(cè)到的非共因危險(xiǎn)失效率，h-1；Tr為平均恢復(fù)時(shí)間，h；Tc為平均修理時(shí)間，h；TI為檢驗(yàn)測(cè)試時(shí)間間隔，h；DSYS為系統(tǒng)的安全功能在要求時(shí)的平均失效概率；DS為傳感器子系統(tǒng)的平均失效概率；DL為邏輯子系統(tǒng)的平均失效概率；DFE為最終元件子系統(tǒng)的平均失效概率。

各元件數(shù)據(jù)及驗(yàn)算結(jié)果如表4所列。

從表4可以得到：DS=1.49×10-2，DL=1.05×10-4+3.17×10-4+1.05×10-4=5.27×10-4，DFE=4.44×10-3。由式(9)可得，DSYS=1.99×10-2。經(jīng)驗(yàn)算，該回路SIF等級(jí)為SIL1，如果要滿足風(fēng)險(xiǎn)降低值的要求，其SIF等級(jí)應(yīng)≥SIL2。

表4 數(shù)據(jù)及驗(yàn)算結(jié)果表

從圖2可以知道，目前LIA-0951具有遠(yuǎn)程顯示和報(bào)警作用，如果將其與LALL-0952/0959整合，形成2oo3的表決機(jī)制，其計(jì)算公式見(jiàn)式(10)。經(jīng)計(jì)算，DSYS=7.73×10-3，SIF等級(jí)大于SIL2，滿足風(fēng)險(xiǎn)降低值的要求。

3(λDUN×Tc)2+(λDUN×TI)2+

3λDUN×Tc×λDUN×TI

(10)

降低風(fēng)險(xiǎn)可以從獨(dú)立保護(hù)層的8個(gè)方面去找到適用的方法，但一定要從安全性、經(jīng)濟(jì)性和可操作性入手。從廠里的實(shí)際情況考慮，既可以對(duì)泵采用雙端面機(jī)械密封來(lái)解決(其失效概率為6×10-3，<1×10-2，滿足降低風(fēng)險(xiǎn)的要求[22-23]，而單端面機(jī)械密封的失效概率為6×10-2)，也可以從提高該SIF的SIL等級(jí)來(lái)解決。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前，凈化廠使用單端面機(jī)械密封的泵共計(jì)52臺(tái)，主要用于主裝置急冷水泵、冷凝液泵、鍋爐房開(kāi)工鍋爐給水泵等。自2020年至今，故障率較高，累計(jì)80次，主要表現(xiàn)為摩擦副磨損、破裂，O型圈老化，彈簧疲勞失效、彈簧卡死等。共有42臺(tái)雙端面機(jī)械密封泵，主要用于胺液高壓泵、半貧胺液泵等。雙端面機(jī)械密封故障檢修累計(jì)26次，主要表現(xiàn)為雙端面機(jī)械密封中的次級(jí)密封隔離液泄漏導(dǎo)致隔離液壓力降低引起報(bào)警。通過(guò)雙端面機(jī)械密封故障結(jié)果來(lái)看，較單端面機(jī)械密封而言，雙端面機(jī)械密封的使用壽命更長(zhǎng)，穩(wěn)定性更好，檢修頻率低；26次故障中未發(fā)生一起泵送危險(xiǎn)介質(zhì)泄漏，密封穩(wěn)定性、安全性高；通過(guò)隔離液壓力、溫度報(bào)警設(shè)定，能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)機(jī)械密封故障，及時(shí)進(jìn)行維修處理，有效地避免了機(jī)械密封故障進(jìn)一步擴(kuò)大造成運(yùn)行設(shè)備故障而引起裝置停產(chǎn)和人員傷害。

經(jīng)過(guò)評(píng)估，天然氣凈化廠采納了泵采用雙端面機(jī)械密封的方式來(lái)達(dá)到本質(zhì)安全，保證裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行的措施。

其單、雙面機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)如圖5所示，性能對(duì)比如表5所列。

表5 單、雙端面機(jī)械密封對(duì)比

2020年12月，技改完成，商品氣總硫和尾氣SO2排放質(zhì)量濃度均達(dá)到新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。貧胺液泵P-0952改造為雙密封后運(yùn)行至今，未發(fā)生過(guò)一次故障，有力地保障了裝置的安全運(yùn)行。

4 結(jié)論

對(duì)達(dá)標(biāo)改造的高含硫天然氣凈化裝置進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并用案例呈現(xiàn)了HAZOP、LOPA和SIL聯(lián)合分析法在天然氣凈化廠中的應(yīng)用過(guò)程，以此說(shuō)明天然氣凈化廠可以通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)查找長(zhǎng)周期運(yùn)行中的風(fēng)險(xiǎn)及限制條件，從而為實(shí)現(xiàn)凈化裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行提供解決方案。

(1)通過(guò)HAZOP分析，找到再生塔液位低工藝偏差下的危害后果。

(2)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)矩陣和廠內(nèi)8個(gè)方面獨(dú)立保護(hù)層管理要求進(jìn)行LOPA分析，定量評(píng)價(jià)場(chǎng)景減緩后的后果頻率。

(3)利用可靠性方框圖和故障樹(shù)方法對(duì)再生塔液位聯(lián)鎖回路進(jìn)行SIL驗(yàn)證和計(jì)算，保證定量評(píng)價(jià)場(chǎng)景減緩后的后果頻率滿足風(fēng)險(xiǎn)容忍標(biāo)準(zhǔn)。

(4)提供了從SIS層面提高SIL等級(jí)和從本質(zhì)安全層面對(duì)泵采用雙端面機(jī)械密封兩個(gè)解決措施。廠內(nèi)根據(jù)雙端面機(jī)械密封泵的使用現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)估，采用雙端面機(jī)械密封泵的方式以實(shí)現(xiàn)裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)使用效果良好。該工藝系統(tǒng)的安全評(píng)估和設(shè)備選型可為其他凈化廠提供借鑒。