基于HIPS和夾點技術(shù)的芳烴聯(lián)合裝置火炬減排優(yōu)化與實施

遠戰(zhàn)紅，張建華，張方方，馬智超，高中金

(1.中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086；2.中國石化工程建設(shè)有限公司)

高完整性保護系統(tǒng)(HIPS)是廣義的高完整性壓力保護系統(tǒng)(HIPPS)[1],可防止目標設(shè)備或管道超壓,減少火炬排放。HIPS與其他控制系統(tǒng),如緊急停車系統(tǒng)(ESD)、分散控制系統(tǒng)(DCS)等互不干擾。而且,與ESD、DCS相比,HIPS具有更高的安全性和可靠性,但其相應投資和維護成本也會增加[2]。

API 521—2014附錄E對HIPS的應用場景、應用要點和使用程序進行了討論[3]。英國技術(shù)調(diào)查顧問公司Technavio評估認為,HIPPS全球應用市場在2021—2025年會有6%的年增長率,到2025年將達到8 660萬美元的市場規(guī)模,市場規(guī)模擴展的主要原因在于中游基礎(chǔ)設(shè)施的增加以及越來越嚴苛的法律法規(guī)標準。基于HIPS的特點,其多被用在火炬排放系統(tǒng)上,以在特殊情況時降低物料損失并減少對環(huán)境的影響。

作為煉化一體化企業(yè)的核心裝置,芳烴聯(lián)合裝置的火炬排放對全廠火炬系統(tǒng)有很大影響[4]。因此,以吸附法芳烴聯(lián)合裝置為例(下稱舉例裝置),針對其二甲苯塔、抽余液塔、抽出液塔、重整油分餾塔開展火炬減排優(yōu)化。舉例裝置為新建單系列1.5 Mt/a對二甲苯裝置,其公用工程依托企業(yè)原有設(shè)施。在全廠停電工況下(GPF),原有火炬的接收允許值為500 t/h,明顯不能滿足新建裝置的排放需求。因此,采用有效措施優(yōu)化設(shè)計方案,降低GPF火炬排放量勢在必行。

1 HIPS在舉例裝置中的應用

HIPS是一種主動防御系統(tǒng),一般由傳感器組、邏輯控制器和執(zhí)行元件等組成[5]。在裝置正常運行時,該系統(tǒng)處于監(jiān)控狀態(tài),不參與過程控制;當裝置達到臨界危險狀態(tài)時,HIPS會觸發(fā)保護動作[6]。根據(jù)實際需求,HIPS一般在設(shè)備塔的塔頂設(shè)置獨立的三取二聯(lián)鎖裝置。當該聯(lián)鎖裝置被觸發(fā)后,HIPS會切斷全塔的熱量輸入,以降低安全閥的開啟頻次或不啟動安全閥,從而減少了火炬排放或錯峰排放[7]?；贖IPS的特殊性,與安全儀表系統(tǒng)(SIS)相關(guān)的儀表安全完整性等級(SIL)需滿足相應的安全評估要求,如表1所示[3]。

表1 安全完整性等級和有效性[3]

舉例裝置屬大型芳烴聯(lián)合裝置,根據(jù)各精餾塔火炬排放量的大小及重要程度,分析了GPF時火炬排放特點,實施相應的減排措施。減排措施不考慮全廠裝置最大排放量的疊加,不考慮互不關(guān)聯(lián)的兩種事故同時發(fā)生[8]。此外,鑒于火災不是由這些塔的排放所致,因此也不考慮火災情況。

1.1 二甲苯塔排放的優(yōu)化

二甲苯塔是舉例裝置中的核心設(shè)備之一,塔頂和塔底分別與抽余液塔、抽出液塔等熱聯(lián)合集成,以提高熱利用效率[4]。二甲苯塔的設(shè)計對比見表2。從表2可以看出,不同芳烴聯(lián)合裝置二甲苯塔的設(shè)計理念不盡相同,其火炬減排方案也有差異;舉例裝置基于火炬減排的考慮,采用1臺二甲苯塔配置3臺塔底重沸爐的設(shè)計方案。

表3為常規(guī)設(shè)計時舉例裝置的火炬排放情況。由表3可以看出,采用常規(guī)設(shè)計時,3種故障工況下,二甲苯塔排放負荷對舉例裝置火炬負荷的貢獻均最大,且遠超原有火炬的承載能力。因此,首先要對二甲苯塔應用HIPS,以消減其火炬排放。

表3 采用常規(guī)設(shè)計時各設(shè)備塔的排放負荷

當發(fā)生超壓故障時,二甲苯塔HIPS的聯(lián)鎖動作是切斷塔的進料、關(guān)閉重沸器熱源或切斷重沸介質(zhì)、停止重沸爐泵。不同安全設(shè)施的風險降低系數(shù)如表4所示。

表4 不同安全設(shè)施的風險降低系數(shù)[9]

由表4可以看出,SIL2的風險降低系數(shù)和壓力泄放設(shè)施(安全閥)的風險降低系數(shù)相當,而SIL3風險降低系數(shù)顯著高于安全閥的風險降低系數(shù)?；谌哂嘣瓌t,應優(yōu)先選擇使用SIL3等級安全設(shè)施,而不是SIL2[8]。

二甲苯塔應用HIPS時需要假定的前提條件為:

①應用HIPS前的3種故障只單獨發(fā)生1次。

②應用HIPS后只發(fā)生“單一SIS的一次故障”,即SIS不會同時發(fā)生多點故障。

③單臺重沸爐停止運行后仍有20%的余熱繼續(xù)釋放。

為保證儀表獨立可靠性,SIS信號不允許多點共用或多點輸出,因此需在二甲苯塔塔頂設(shè)置3套獨立的壓力監(jiān)測儀表(2oo3),分別聯(lián)鎖3臺加熱爐,互相不交叉和干擾,見圖1和圖2。

圖1 二甲苯塔塔頂壓力高高(超高)報警聯(lián)鎖配置2oo3—三取二聯(lián)鎖; PT—壓力變送器; IS—邏輯判斷is-stop(如果是,則輸出停車信號)

圖2 二甲苯塔塔頂壓力高高報警聯(lián)鎖塔底再沸爐

二甲苯塔的供熱系統(tǒng)龐大且復雜,當HIPS發(fā)出聯(lián)鎖指令后,加熱爐立即停止運行,但加熱爐爐膛溫度不能快速下降,仍有20%余熱繼續(xù)釋放(假定前提條件③),導致二甲苯塔的壓力繼續(xù)升高。經(jīng)計算,二甲苯加熱爐爐管總?cè)莘e約為550 m3,加熱爐聯(lián)鎖停止運行后,余熱釋放最高可使二甲苯塔的壓力升到1.40 MPa。如果塔頂安全閥的設(shè)定值大于該值,則安全閥不會起跳?；谶@一結(jié)果和單一SIS故障風險,二甲苯塔實施HIPS后還要考慮如下兩點:

(1)二甲苯塔的操作壓力、HIPS聯(lián)鎖設(shè)定值、安全閥的設(shè)定值應依次拉開差距,同時將安全閥設(shè)定為分級起跳(一級起跳2臺,二級起跳3臺),由此形成梯度控制,以實現(xiàn)錯峰排放。具體為,可設(shè)定為二甲苯塔正常操作壓力(1.23 MPa)

表5 優(yōu)化后故障時二甲苯塔的排放負荷

(2)二甲苯塔回流泵、抽余液塔回流泵、以及除氧水泵增加應急電源。舉例裝置中,這3個泵為一級負荷,但未達到特別重要負荷的程度[10]。考慮到應急設(shè)施有增強裝置風險控制能力的作用,因而擬選擇2種應急方案進行研究:設(shè)置應急柴油機組或3.5 MPa蒸汽驅(qū)動;但由于設(shè)備響應速率、投資、維護成本以及可靠性等問題,最終并未得到投資委員會的批準。進一步研究認為,應急措施雖能規(guī)避GPF工況,但其與HIPS目標一致、功能重疊,所以經(jīng)ALARP(As Low As Reasonably Practicable)進一步評估,不再設(shè)置。

1.2 抽出液塔排放的優(yōu)化

二甲苯塔設(shè)置HIPS后,抽出液塔成為火炬排放的主要貢獻者,最大負荷為280 t/h(表3),因而也需要對抽出液塔應用HIPS,并聯(lián)鎖關(guān)閉塔底再沸器的熱源(來自二甲苯塔塔頂?shù)臒嵊蜌?,以切斷塔的熱輸入。抽出液塔應用HIPS情況見圖3,應用HIPS后的抽出液塔負荷見表6。

圖3 抽出液塔應用HIPS示意UV—切斷閥門; FC—故障關(guān)閉

表6 抽出液塔應用HIPS后的負荷

2 全廠停電工況優(yōu)化

GPF為全廠性問題,且全廠有同時向火炬排放的可能。舉例裝置依托原有火炬系統(tǒng),雖然二甲苯塔、抽出液塔已進行了HIPS優(yōu)化,但仍不能滿足GPF情況全廠原有火炬系統(tǒng)接收允許值500 t/h的要求,所以需要進一步對抽余液塔和重整油分餾塔進行優(yōu)化。

2.1 GPF時火炬排放量優(yōu)化的假設(shè)前提條件

(1)依賴電力系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)失效(空冷系統(tǒng))。

(2)蒸汽系統(tǒng)能穩(wěn)定使用一段時間。

(3)對于再沸器,應考慮實際壓力的提高會產(chǎn)生夾點逼近效應。

(4)對于重沸爐,電力驅(qū)動的重沸爐泵將跳閘,加熱爐停運后仍有20%余熱繼續(xù)釋放。

(5)基于熱聯(lián)合,假定在線的水基冷凝器都能正常運行。

(6)電力驅(qū)動的進料泵和回流泵跳閘停運。

(7)生產(chǎn)負荷不增加。

2.2 抽余液塔火炬排放的優(yōu)化

采用夾點技術(shù)對抽余液塔的排放進行優(yōu)化。夾點技術(shù)是計算化工過程熱交換的有效方法,主要通過冷、熱物流的溫-焓復合曲線(T-H)來找到夾點[11],其核心在于計算兩種流體在傳熱過程中的對數(shù)平均溫差(LMTD),LMTD越大,換熱效果越差。

分析發(fā)現(xiàn),抽余液塔的再沸熱源有一股來自二甲苯塔塔頂熱油氣,其依靠壓力輸送,停電時不會中斷。當GPF發(fā)生時,為維持二甲苯塔塔頂?shù)恼＠淠?抽余液塔需要吸收上述熱流股的熱量,因而不允許HIPS切斷此熱流股。在此熱流股加熱下,抽余液塔壓力會升高,致使塔內(nèi)各物料泡點均升高,隨著壓力持續(xù)升高,泡點較高的對二乙基苯首先停止汽化(夾點逼近),此時火炬排放量降低到27 t/h。經(jīng)核算,操作壓力達到0.23 MPa即可滿足要求?？梢?通過夾點設(shè)計,既保證抽余液塔能繼續(xù)吸收來自二甲苯塔塔頂?shù)臒崃?又降低了抽余液塔的火炬排放量。

2.3 重整油分餾塔排放優(yōu)化

在GPF發(fā)生時,重整油分餾塔回流中斷,分餾塔溫度和壓力會在二甲苯塔塔頂熱油氣(壓力輸送)的加熱下升高,因此需要對重整油分餾塔應用HIPS,即在其塔頂配置壓力三取二聯(lián)鎖回路,聯(lián)鎖關(guān)閉進料換熱器熱源和塔底再沸器熱源,如圖4～圖6所示。應用HIPS后,重整油分餾塔壓力實現(xiàn)前饋控制,安全閥無動作,因而沒有排放。

圖4 重整油分餾塔塔頂壓力高高三取二聯(lián)鎖

圖5 聯(lián)鎖動作一:切斷重整油分餾塔進料換熱器熱源

圖6 聯(lián)鎖動作二:切斷重整油分餾塔塔底再沸器熱源

重整油分餾塔的排放負荷見表7。由表7可知,當SIS發(fā)生故障時重整油分餾塔的排放量為335 t/h。因此,當GPF發(fā)生時,二甲苯塔的最大排放量為282 t/h(表5),抽出液塔的排放量為0(表6),重整油分餾塔的排放量為335 t/h。根據(jù)假定前提條件②,不同的塔不同時發(fā)生多點故障,選取3塔排放負荷的最大值335 t/h。此時,舉例裝置的總火炬排放量降低到438 t/h,滿足了GPF時火炬排放量不高于500 t/h的要求。

表7 GPF時重整油分餾塔優(yōu)化前后的裝置排放負荷

3 結(jié)束語

通過對舉例裝置的二甲苯塔、抽出液塔、重整油分餾塔應用HIPS系統(tǒng),以及對抽余液塔采用夾點技術(shù)逼近設(shè)計,最終將全廠停電情況下的火炬總排放量由3 790 t/h降到438 t/h,滿足了火炬的接收允許要求。

由優(yōu)化結(jié)果可以看出,HIPS系統(tǒng)是主動式防御,比被動式安全措施具有更高的實用性[12],對GPF工況下降低物料損失和減少環(huán)境影響起到重要作用,對類似裝置的設(shè)計優(yōu)化和安全運行具有參考意義。