基于動態模擬的安全風險分析在CO變換工藝中的應用

劉 芹 中石化寧波工程有限公司 寧波 315103

危險與可操作性分析(hazard and operability analysis,簡稱HAZOP)方法是20世紀70年代早期，由英國帝國化學公司(ICI)開發應用的專業化的安全分析技術。經過幾十年的改善和發展，該方法已成為廣泛應用于石油化工領域且行之有效的重要分析方法。

HAZOP是以系統工程為基礎的一種可用于定性分析的危險性評價方法。起初，對HAZOP 進行量化的方法主要是將HAZOP 分析與其他定量分析方法相結合，近年來開始使用將HAZOP 與動態模擬相結合的新型定量方法。相比穩態模擬，動態模擬可以分析化工過程的動態變化，被廣泛應用于動態特性的研究、開停車指導、動態仿真和設計先進控制系統。由于動態模擬采用嚴格的化工過程機理模型，可以較為真實地反映化工過程事故狀態下的內部特征，而且模型參數的可調節性可以用來設定HAZOP 中引導詞和工藝參數匹配得到的各種偏差，因此基于動態模擬的HAZOP 非常適合于安全分析方法的定量化，可以在確保風險與效益相當的基礎上,為工廠安全分析提供更讓人信服的安全分析報告。

本文將通過對變換單元入口分離器液位變化的動態模擬，分析液位變化對變換爐等后續系統的影響，為同類裝置提供參考。

1 變換入口氣液分離器液位分析

某煤制氫裝置制氫規模為20萬Nm3/h，氫氣產品送入全廠氫氣管網供煉油廠使用。來自氣化裝置的粗合成氣在進入變換單元時，首先進入變換單元入口處的變換氣進料分離器，工藝流程示意圖見圖1。

圖1 變換單元工藝流程示意圖

對進料分離器液位參數進行HAZOP分析，如果分離器底部排液閥出現故障關，且若此時粗合成氣帶液嚴重，則有可能產生液位高的偏差；當分離器滿罐時，凝液有可能通過粗合成氣管線竄入下游變換爐中，導致變換催化劑損壞。若不計氫氣停供對下游煉油裝置的影響，僅資產方面的直接損失就達數百萬元。為了對分離器液位進行監控，設備本體上通常設有就地液位計和遠傳液位計，并設置高液位報警。HAZOP分析專家給出的建議是通過增設液位高高聯鎖關小從上游氣化單元至變換單元界區閥至指定開度，以減少上游粗合成氣帶來的凝液量。

進料分離器液位升高至滿罐是一個動態過程，其影響的因素很多，比如上游氣化裝置洗滌塔液泛、環境溫度突然降低等，造成飽和態的粗合成氣中析出大量凝液，瞬間進入進料分離器。正常情況下通過分離器底部排液管線可以將凝液迅速排至下游低壓系統，若由于排液閥故障，無法將凝液排出，將出現滿罐的情況。在此過程中，若現場操作人員能及時發現并打開排液閥的旁路，將避免分離器滿罐對下游系統造成損害的事故發生。因此，若能獲取時間參數并與正常的巡檢時間對比，采取積極措施，如減少帶液量及打開排液閥，就能對該事故的發生情況有更直觀的了解。

2 動態模擬與結果分析

2.1 流程建模

采用Aspen Hysys軟件，對20萬Nm3/h水煤漿制氫配套變換單元進行動態模擬。該裝置設3臺6.5MPa(G)的氣化爐，2開1備；對應一套三段絕熱耐硫變換流程。從氣化單元來的粗合成氣進入進料分離器，分離出高壓工藝凝液，氣相經過粗合成氣/變換氣換熱器，與第一變換爐出口的變換氣換熱至280℃后，進入變換爐進行變換反應。粗合成氣進入第一變換爐進行反應，出口變換氣預熱粗合成氣后送入下游設備。建模完成后，利用動態模擬，分析由于粗合成氣溫度降低導致凝液析出對進料分離器液位和下游變換爐的影響，動態模擬流程簡圖見圖2。

圖2 動態模擬流程簡圖

2.2 結果分析

通常進料分離器中凝液量按照飽和態的粗合成氣溫降5℃考慮，停留時間為5min。在模型中設置一個傳遞函數作為干擾，粗合成氣在70min內溫度從237℃緩慢降低至230℃，分離器的液位從50%處開始上漲，液位百分比隨時間變化的關系見圖3。

圖3 進料分離器液位隨時間變化的關系

由圖3可以看出，隨著溫度緩慢下降，粗合成氣中的帶液量增加，液位上漲的速率越來越快。進料分離器大約在92min時候出現滿罐，而變換爐進水的時間是小于這個時間的。因為隨著分離器內液位的升高，氣液相的分離空間將越來越少，如果無法及時將粗合成氣中凝液分離出，凝液將夾帶至下游系統。因此，可通過粗合成氣進變換爐的溫度來判斷是否帶液。變換爐入口粗合成氣的溫度隨時間變化的關系見圖4。

圖4 變換爐入口粗合成氣溫度隨時間的變化關系

粗合成氣出進料分離器后進入粗合成氣加熱器，加熱至過熱狀態，約為280℃。由圖4可以看出，從大約82min時，變換爐入口粗合成氣溫度驟降至232℃，說明粗合成氣由于夾帶液量過大，造成變換爐進水及垮溫。

假設操作人員在約65min時，通過巡檢等方式發現分離器液位已經達到80%，并能及時采取措施，使粗合成氣溫度在約70min內均勻恢復至飽和溫度237℃，此時粗合成氣中帶液量將逐漸減少，及時打開DN80的排液閥旁路，將凝液排至下游低壓系統，此時進料分離器的液位與時間的模擬關系見圖5。

圖5 進料分離器的液位與時間的關系

從圖5可以看出，隨著粗合成氣溫度緩慢上升以及底部排液旁路閥打開，分離器液位停止上升并保持在80%,約10min后，液位開始逐漸下降，約6h后，分離器內液位恢復至50%。

由以上對變換爐進水事故定量動態模擬分析可以看出，在一個特定的粗合成氣帶液的工況分析中，進料分離器從50%液位到凝液從氣相管線竄入下游變換爐中，需要約92min。進料分離器高液位報警為70%，經動態模擬計算，從70%液位到凝液竄入下游變換爐中所需時間為59min，遠大于操作人員響應時間。若操作人員在此期間能及時發現液位異常并能采取合適的處理措施，完全可以避免事故發生。

此外，通過模擬還可以計算出分離器底部排液管線的管徑和相應的排液速度，如想要減少排液時間，迅速恢復液位，可以采取更大的管徑。如管徑擴大為DN150，根據計算可以節約一半時間。由上述分析可知，動態模擬計算為工藝設計提供了定量的依據。

3 結語

通過對CO變換單元粗合成氣帶液造成變換爐進水的事故工況進行動態模擬，介紹了基于動態模擬的新型HAZOP分析方法，并證明該方法行之有效且符合安全分析方法定量化趨勢。將動態模擬引入HAZOP 分析是安全評價技術的一個進步，是目前進行定量化HAZOP 頗具發展前景的方法。