化工過程系統(tǒng)及裝備長周期安全運(yùn)行

1、主要內(nèi)容一、西部大開發(fā)對(duì)我國過程裝備技術(shù)帶來的機(jī)遇及面臨的新挑戰(zhàn)二、化工過程裝備長周期安全運(yùn)行工程背景三、化工過程裝備長周期安全運(yùn)行保障體系四、工程案例分析本項(xiàng)目研究涉及的學(xué)科化學(xué)工程與工藝過程裝備與控制材料科學(xué)機(jī)械工程一、西部大開發(fā)對(duì)我國過程裝備技術(shù)帶來的機(jī)遇及面臨的新挑戰(zhàn) 西部大開發(fā)的四大支柱產(chǎn)業(yè)：煤炭、油氣、電力和化工。涉及的三個(gè)重大工程：西煤東運(yùn)、西電東送、西氣東輸。目前存在四大挑戰(zhàn)和機(jī)遇（I）產(chǎn)品質(zhì)量難以滿足日益嚴(yán)格的國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求 2002年1月1日，我國柴油執(zhí)行新的國標(biāo)（GB252-2000），要求硫含量不大于0.2%，氧化沉渣不大于2.5毫克/100毫升，色度不大于3.5。催

2、化裂化柴油，特別是重油催化裂化柴油，不采取深度精制措施難以達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)。 我國制定新的無鉛汽油標(biāo)準(zhǔn)（GB17930-1999），將于2003年1月1日執(zhí)行，規(guī)定汽油中芳烴含量不大40%，烯烴含量不大于35%（v/v），硫含量不大于0.08%（800ppm），笨含量小于2.5%。 由此提出的重要研究課題：石油化工傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的提升，研制新型精煉裝備 重油裂化防催化劑污染的設(shè)備降低汽油中硫含量的凈化設(shè)備降低汽油中烯烴含量的工藝及相應(yīng)設(shè)備挑戰(zhàn)及機(jī)遇（II）2傳統(tǒng)裝備能耗較高 煉油企業(yè)綜合能耗，既包括動(dòng)力（電、蒸汽、水）和燃料（煤炭、天然氣等），又包括加工過程中自用燃料（重油、瓦斯）以及催化裂化燒焦。由此提

3、出的重要研究課題：先進(jìn)合理的節(jié)能工藝流程是FCC節(jié)能的前提，采用新工藝對(duì)老裝置進(jìn)行改造，應(yīng)采用高活性、高選擇性催化劑和低回?zé)挶炔僮?，降低生焦。高效的設(shè)備是實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的基礎(chǔ)，應(yīng)降低總輸入能（燒焦放熱、燃料消耗、外供蒸汽和外供電），提高能量回收水平。研究開發(fā)高效霧化噴嘴、高效旋風(fēng)分離器、高效規(guī)整填料等。搞好裝備“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運(yùn)行控制是節(jié)能降耗的保證。全面考慮綜合用能過程和全面優(yōu)化是節(jié)能降耗的根本，應(yīng)優(yōu)化換熱網(wǎng)絡(luò)（外取熱器、余熱鍋爐、油漿蒸汽發(fā)生器、分餾塔等）。挑戰(zhàn)與機(jī)遇（III）3 迫切要求大型裝備國產(chǎn)化 2001年上半年，全國成品油市場消費(fèi)柴汽比為2.08 ，而煉油企業(yè)生產(chǎn)柴汽比為1.

4、71 左右。市場汽油過剩，柴油短缺。造成柴汽比供需矛盾的根本原因是我國煉油企業(yè)的原油二次加工以催化裂化為主，而催化裂化以生產(chǎn)汽油為主。由此提出的重要研究課題：提高柴油收率和改善柴油品質(zhì)的精煉設(shè)備研究增產(chǎn)柴油的工藝及設(shè)備（目前已研究成功的催化劑有LRC-99，MLC-500、DMC、RGD-1等，可以提高柴油收率4%左右 ） 渣油催化裂化的反應(yīng)特點(diǎn)及新工藝與裝置的動(dòng)態(tài)機(jī)理模擬研究反應(yīng)深度的控制原理，建立氫轉(zhuǎn)移、異構(gòu)化和烷基化反應(yīng)控制技術(shù)研究多相反應(yīng)過程，開發(fā)清潔燃料生產(chǎn)的多相反應(yīng)器挑戰(zhàn)與機(jī)遇（IV）4. 催化裂化裝置的長周期運(yùn)行不理想（安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運(yùn)行） 目前國內(nèi)煉油廠主要生產(chǎn)裝置一般大修

5、周期約為“三年兩修”，而在國外，大修期一般為三年，甚至可延至五年以上。 由此提出的重要研究課題：目前國外石油化工企業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展趨勢是從向生產(chǎn)裝置優(yōu)化控制要效益，轉(zhuǎn)向發(fā)揮工廠資產(chǎn)運(yùn)行最大效益發(fā)展，即從生產(chǎn)系統(tǒng)的長周期運(yùn)行要效益。過程狀態(tài)控制變量的調(diào)控技術(shù)、過程變量非穩(wěn)態(tài)、非線性技術(shù)研究不停車條件下設(shè)備現(xiàn)場無損檢測方法及相關(guān)新技術(shù)研究 涉及的學(xué)科新增長點(diǎn)西部大開發(fā)涉及學(xué)科新增長點(diǎn)：工程裝備的現(xiàn)代制造技術(shù)煤化工石油、天然氣化工鹽化工煤化工的核心技術(shù)及裝備煤的氣化-煤的干粉氣化（Shell核心技術(shù)及裝備）、水煤漿氣化（美國德士古核心技術(shù)）煤的液化-煤的直接液化技術(shù)挑戰(zhàn)傳統(tǒng)化工和能源裝備制造業(yè)的發(fā)展和升

6、級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤氣化及凈化技術(shù)及裝備天然氣化工核心技術(shù)及裝備主要內(nèi)容：合成氨、甲醇、乙烯、二甲醚、醋酸等核心技術(shù)：天然氣制合成氣、合成烴、制二甲醚、乙醇等。相關(guān)的所有設(shè)備幾乎全部依賴進(jìn)口工程裝備的現(xiàn)代制造技術(shù)現(xiàn)代集成制造技術(shù)先進(jìn)制造工藝、方法與裝備先進(jìn)微型加工技術(shù)先進(jìn)機(jī)器人二、催化裂化長周期安全運(yùn)行工程背景裝置長周期運(yùn)行，是指通過挖掘裝置的生產(chǎn)潛力，增加有效生產(chǎn)時(shí)間，從而減少修理費(fèi)用，減少非計(jì)劃停工、延長設(shè)備的使用壽命、提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。裝置的可靠度（運(yùn)行周期日-非計(jì)劃停工日）/（運(yùn)行周期日）100%一般來講，“二年一修”指連續(xù)運(yùn)行23個(gè)月（運(yùn)行周期日為690天

7、），“三年一修”指連續(xù)運(yùn)行35個(gè)月（運(yùn)行周期日為1050天），“四年一修”指連續(xù)運(yùn)行47個(gè)月（運(yùn)行周期日為1410天）2。重催裝置的可靠度：“二年一修”應(yīng)96%,“三年一修”應(yīng)96%,“四年一修”應(yīng)95.5%重油催化裂化裝置運(yùn)行周期考核目標(biāo)為2年。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1998年中石化系統(tǒng)催化裂化裝置全年共發(fā)生停工24次81.15天，其中，因設(shè)備、儀表原因停工18次66.33天，分別占總數(shù)的75%和81.74%。因企業(yè)內(nèi)、外電網(wǎng)原因停工3次11.17天，分別占總數(shù)的12.5%和13.76%。因操作失誤停工1次2.69天，分別占總數(shù)的4.13%和3.31%。另外，因工藝、技術(shù)和公用工程原因各停工1次?？傮w上看

8、，我國裝置運(yùn)行周期與國外發(fā)達(dá)國家相比，差距很大。 1997年底，中國石化總公司考核的48套催化裂化裝置中已有28套實(shí)現(xiàn)二年一修，15套實(shí)現(xiàn)三年二修。2002年尚未實(shí)現(xiàn)全行業(yè)重油催化裂化裝置的二年一修目標(biāo)。從國外來看，德國BASF公司的生產(chǎn)裝置，裝置的長周期運(yùn)行時(shí)間為5年；?？松緹捰蛷S、Phibro公司休斯頓煉油廠催化裂化運(yùn)轉(zhuǎn)45年；荷蘭DSM和北歐化工公司BOREALIS工廠裝置是“四年一修”。發(fā)達(dá)國家國外催化裂化裝置一般連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)34年，甚至更長。在原油漲價(jià)和各種減利因素增加的情況下，催化裂化裝置實(shí)現(xiàn)安全平穩(wěn)的長周期運(yùn)行，既可以減少檢修費(fèi)用，增加開工天數(shù)，又可以可以節(jié)約修理費(fèi)，減少不必要的

9、開支，使企業(yè)增加經(jīng)濟(jì)效益。因此，如何使催化裂化裝置實(shí)現(xiàn)長周期運(yùn)行，是目前各個(gè)煉油廠面臨的一個(gè)重要課題，受到煉油企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)和工程技術(shù)人員的高度重視。該領(lǐng)域也是當(dāng)前我國最為迫切需要研究的領(lǐng)域之一。 我國在該領(lǐng)域研究工作剛剛開始，目前處于研究活躍階段。 三、化工裝備長周期安全運(yùn)行保障體系目標(biāo)：安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運(yùn)行=經(jīng)濟(jì)效益制約化工裝備長周期安全運(yùn)行的因素較為復(fù)雜，歸納起來大致可以分為五個(gè)方面：原料性質(zhì)及工藝操作設(shè)備故障電力及動(dòng)力系統(tǒng)企業(yè)管理及設(shè)備管理人為誤操作等 催化裂化裝置長周期安全運(yùn)行的保障體系 歸納起來大致可以分為四個(gè)方面：運(yùn)行安全狀態(tài)監(jiān)測及檢測關(guān)鍵設(shè)備的故障預(yù)測及安全評(píng)定生產(chǎn)系統(tǒng)的危險(xiǎn)性分析

10、最佳運(yùn)行周期及檢修方案的優(yōu)化 幾個(gè)重要概念的定義及主要研究成果（1）危害度及風(fēng)險(xiǎn)性 危險(xiǎn)度是指可能產(chǎn)生潛在損失的征兆，它由兩部分組成：一是危險(xiǎn)事件出現(xiàn)的概率，二是一旦危險(xiǎn)出現(xiàn)，其后果嚴(yán)重程度和企業(yè)損失的大小。因此，越是已經(jīng)知道的故障、越容易提前預(yù)防、危險(xiǎn)度及風(fēng)險(xiǎn)性越低。（2）最佳運(yùn)行周期 綜合分析經(jīng)濟(jì)性、安全性而獲得的企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化的連續(xù)運(yùn)行周期。用一般的形式表示為： 化工企業(yè)經(jīng)濟(jì)性分析+設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)性分析=最佳經(jīng)濟(jì)點(diǎn)=最佳運(yùn)行周期（3）系統(tǒng)可靠性 評(píng)定企業(yè)安全生產(chǎn)可靠與否的重要環(huán)節(jié)，在于整個(gè)生產(chǎn)過程系統(tǒng)的可靠性如何，如果只考慮某個(gè)設(shè)備的可靠性，而忽視了系統(tǒng)的可靠性或者處理不當(dāng)，都會(huì)帶來巨大的

11、消極后果。 在過程系統(tǒng)中，裝備的可靠性有著較為特殊的地位，因?yàn)橄到y(tǒng)的工藝一旦確立，系統(tǒng)的可靠性在較大程度上取決于裝備的可靠性。 系統(tǒng)的可靠性直接和人員、機(jī)器、物料等各子系統(tǒng)的可靠程度相關(guān)聯(lián)，是這三者可靠性的總體反映。Rs= Rp* Ro* Rm Rp-裝備（或機(jī)器）子系統(tǒng)的可靠度 Ro-操作子系統(tǒng)的可靠度 Rm物料供應(yīng)子系統(tǒng)可靠度（4）最弱環(huán)模型Unit 1 unit 2 unit 3 unit 5Unit 4-weakest chain危險(xiǎn)性分析方法1 安全檢查(Safety review)-對(duì)過程的設(shè)計(jì)、裝置條件、實(shí)際操作、維修等進(jìn)行詳細(xì)檢查以識(shí)別所存在的危險(xiǎn)性。2 安全檢查表分析（Saf

12、ety Checklist Analysis)-識(shí)別與一般工藝設(shè)備有關(guān)的已知類型的危險(xiǎn)、設(shè)計(jì)缺陷以及事故隱患。3 預(yù)危險(xiǎn)性分析（Preliminary Hazard Analysis PHA)-項(xiàng)目發(fā)展初期分析可能存在危險(xiǎn)性。4 故障假設(shè)分析(What-if analysis)-對(duì)工藝過程或操作進(jìn)行假設(shè)故障分析。5 危險(xiǎn)與可操作性分析（Hazard and Operability Analysis HAZOP)-為新設(shè)計(jì)或新技術(shù)進(jìn)行危險(xiǎn)性分析，適用項(xiàng)目的初期階段。6 失效模式與效應(yīng)分析（Failure Modes and Effects Analysis FEMA)-分析設(shè)備故障發(fā)生的方式，以

13、及這些失效模式對(duì)工藝過程導(dǎo)致的結(jié)果。7 故障樹分析（Fault Tree Analysis FTA)-把系統(tǒng)可能發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生的事故作為分析起點(diǎn)，將事故原因事件按邏輯關(guān)系建立樹型圖。8 人的可靠性分析 主要研究結(jié)果（I）建立了化工裝置及工藝系統(tǒng)FTA模型和FMECA分析方法（下面來看理論的核心思想）故障樹分析方法（I）故障樹分析方法（簡稱FTA）是進(jìn)行可靠性分析的重要方法之一。它把系統(tǒng)最不希望發(fā)生的失效狀態(tài)用相應(yīng)的代表符號(hào)及邏輯門用頂事件、中間事件、底事件聯(lián)結(jié)成故障樹，找出導(dǎo)致這一故障狀態(tài)所有可能發(fā)生的直接原因，從而對(duì)系統(tǒng)的失效進(jìn)行定性分析及定量計(jì)算。FEMCA方法（II）失效模式、效應(yīng)和危害

14、度分析方法危險(xiǎn)順序數(shù)（RPN）排序法排序法不但考慮故障模式的危害程度，而且考慮其發(fā)生的概率及查明的難易程度。故障造成的后果越嚴(yán)重，發(fā)生的概率越高而且發(fā)生之前難以檢測到的系數(shù)越高，則其危險(xiǎn)就越大。危險(xiǎn)順序數(shù)的數(shù)學(xué)定義為： RPN=SOD S失效模式發(fā)生后果的嚴(yán)重程度O失效可能發(fā)生的頻率D發(fā)生失效的產(chǎn)品查明難度危害度（S）推薦評(píng)價(jià)準(zhǔn)則 發(fā)生概率可能性（O）推薦評(píng)價(jià)準(zhǔn)則失效查明難度（D）推薦評(píng)價(jià)準(zhǔn)則四、工程案例分析1 催化裂化系統(tǒng)及裝置（中國石油化工集團(tuán)公司攻關(guān)項(xiàng)目）2 化工廠聚氯乙烯生產(chǎn)裝置（企業(yè)合作項(xiàng)目）3 化肥廠煤氣化裝置（陜西省科技攻關(guān)項(xiàng)目）1 催化裂化裝置 （蘭煉原則工藝流程圖）催化裂化長

15、周期安全運(yùn)行主要分析內(nèi)容冷原料帶水催化劑的金屬污染分餾塔結(jié)鹽沉降器、大油氣管線等結(jié)焦催化劑跑損煙道襯里滑閥等 U型波紋管膨脹節(jié)腐蝕穿孔高溫取熱爐管束泄漏儀表控制系統(tǒng)儀表失靈腐蝕開裂情況重催大機(jī)組（煙機(jī)、主風(fēng)機(jī)組、增壓機(jī)組和氣壓機(jī)組。催化裂化裝置系統(tǒng)催化裂化裝置系統(tǒng)通?？梢苑譃樗拇蟛糠謥矸治?，即，反應(yīng)再生系統(tǒng)、分餾系統(tǒng)、吸收穩(wěn)定系統(tǒng)和能量回收系統(tǒng)，反應(yīng)再生系統(tǒng)是催化裂化的核心。反應(yīng)-再生系統(tǒng)工藝流程圖分餾系統(tǒng)工藝流程圖吸收-穩(wěn)定系統(tǒng)工藝流程圖主風(fēng)機(jī)組簡圖電動(dòng)機(jī)電動(dòng)盤車器齒輪箱軸流主風(fēng)機(jī)煙氣輪機(jī)單元最弱環(huán)模型能量回收系統(tǒng)反應(yīng)再生單元分餾單元吸收穩(wěn)定單元1-提升管反應(yīng)器 2-再生器 3-沉降器 4-

16、分餾塔 5-三旋 6-煙機(jī) 7-風(fēng)機(jī) 8-余熱鍋爐 9-雙動(dòng)滑閥 10-待生塞閥 11-再生滑閥 12-主風(fēng)機(jī) 13-增壓機(jī) 14-原料油泵15-回?zé)捰捅?16換熱器 17 換熱爐原料及半成品工藝流程鏈：催化劑循環(huán)鏈：關(guān)鍵設(shè)備的關(guān)系鏈：反應(yīng)-再生系統(tǒng)的操作工藝失常狀態(tài) 簡化的六個(gè)頂事件（1）提升管出口溫度大幅度波動(dòng) （2）沉降器壓力大幅度波動(dòng)（3）再生壓力大幅度波動(dòng)（4）再生器與沉降器的差壓大幅波動(dòng)（5）催化劑循環(huán)中斷 （6）油漿固體含量大副上升反應(yīng)-再生系統(tǒng)操作工藝失常狀態(tài)故障樹催化劑循環(huán)中斷故障樹FTA模型分析結(jié)論：（1）由FTA可知, 導(dǎo)致反應(yīng)-再生失常工藝狀態(tài)發(fā)生共有23種可能的途徑，

17、從底事件相對(duì)概率重要度的結(jié)果來看，原料油泵,回?zé)捰捅?煙機(jī)，尤其是煙機(jī)較其他設(shè)備更容易發(fā)生故障,也即薄弱環(huán)節(jié)。所以，要重點(diǎn)監(jiān)測其“健康”狀態(tài)。主要研究結(jié)果（II）2 反應(yīng)-再生系統(tǒng)的失效模式、效應(yīng)和危害度分析 FTA的特點(diǎn)是：找出容易產(chǎn)生事故的關(guān)鍵部件和導(dǎo)致這一故障狀態(tài)所有可能發(fā)生的直接原因，不知道危害程度。 失效模式、效應(yīng)和危害度分析（FMECA）的特點(diǎn)是：不僅能找出失效概率較大的關(guān)鍵部件，而且給出關(guān)鍵因素的危害程度 。 反應(yīng)-再生系統(tǒng)危害度評(píng)估 為了評(píng)價(jià)故障模式的危害度，主要有危害度等級(jí)評(píng)定法和危險(xiǎn)順序數(shù)（RPN）排序法等兩種方法。 危害度等級(jí)評(píng)定法 根據(jù)故障后果的嚴(yán)重程度、可能的經(jīng)濟(jì)損失

18、等對(duì)故障進(jìn)行分類，我們建議煉油企業(yè)故障的危害度分為4級(jí)：類-致命故障（事故導(dǎo)致設(shè)備破壞和人員傷亡）類-嚴(yán)重故障（事故導(dǎo)致裝置被迫非計(jì)劃停車）類-一般故障（發(fā)現(xiàn)事故，可在設(shè)備運(yùn)行過程中排除故障）類-輕度故障（發(fā)現(xiàn)輕微事故，可到下次檢修時(shí)再修理）分析重催裝置考慮的主要檢測儀器FMECA分析結(jié)論：（1）煙機(jī)、泵、三旋分離器的危險(xiǎn)順序數(shù)較大，是反應(yīng)-再生系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，也是薄弱的環(huán)節(jié)，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)測其安全狀態(tài)。 （2）其次，再生和待生閥的卡澀，風(fēng)機(jī)的振動(dòng)也是較危險(xiǎn)的，應(yīng)及時(shí)的采取措施，消除其潛在故障的發(fā)生。（3）另外，沉降器和反應(yīng)器的結(jié)焦也是值得注意的問題，不僅影響裂解的程度和分離的效果，影響產(chǎn)品的質(zhì)量，

19、結(jié)焦嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成裝置的非正常停車。將FMECA與FTA綜合可知： （1）反應(yīng)-再生系統(tǒng)及設(shè)備最危險(xiǎn)的部位是：煙機(jī)、三旋、回?zé)捰捅?、再生滑閥和待生滑閥等。比較危險(xiǎn)的失效模式是：煙機(jī)振動(dòng)、三旋的露點(diǎn)腐蝕、煙機(jī)的沖蝕、再生滑閥或待生滑閥的堵塞、再生器的腐蝕等。 （2）從國內(nèi)幾十家煉油廠的調(diào)查來看，再生器的失效模式主要有：露點(diǎn)腐蝕、化學(xué)腐蝕、疲勞失效、硫化物腐蝕、料腿斷裂、結(jié)焦和應(yīng)力腐蝕開裂等。反應(yīng)器的失效模式主要有膨脹節(jié)裂開、噴嘴結(jié)焦等。 (3) 研究了催化裂化工藝操作條件對(duì)裝置長周期運(yùn)行的影響、通過操作工藝條件的分析，找出影響催化裂化長周期運(yùn)行的關(guān)鍵工藝因素和防止措施。 重點(diǎn)研究了分餾塔結(jié)鹽、提升管和旋分器結(jié)焦、 催化劑跑損和 冷原料帶水等工藝因素。研究結(jié)論可知：關(guān)鍵設(shè)備、儀表、參數(shù)（4）提出的模型可以找出影響反應(yīng)-再生系統(tǒng)操作工藝失常狀態(tài)的失效模式和關(guān)鍵因素，科學(xué)合理地制