化工设备长周期运行

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1、 化工过程系统及装备长周期安全运行西安交通大学 程光旭主要内容一、西部大开发对我国过程装备技术带来的机 遇及面临的新挑战二、化工过程装备长周期安全运行工程背景三、化工过程装备长周期安全运行保障体系四、工程案例分析本项目研究涉及的学科 化学工程与工艺 过程装备与控制 材料科学 机械工程一、西部大开发对我国过程装备技术 带来的机遇及面临的新挑战西部大开发的四大支柱产业：煤炭、油 气、电力和化工。 涉及的三个重大工程：西煤东运、西电东 送、西气东输。目前存在四大挑战和机遇（I） 产品质量难以满足日益严格的国家 环保标准要求2002年1月1日，我国柴油执行新的国 标（GB252-2000），要求硫含量

2、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。催化裂化柴油， 特别是重油催化裂化柴油，不采取深度 精制措施难以达到新标准。 我国制定新的无铅汽油标准（ GB17930-1999），将于2003年1 月1日执行，规定汽油中芳烃含 量不大40%，烯烃含量不大于 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课题： 石油化工传统产业的提升，研制新型精 炼装备 重油裂化防催化剂污染的设备 降低汽油中硫含量的净化设备 降低汽油中烯烃含量的工艺及相应设备挑战及机遇（II）2传统装备能耗较高炼油企业综合能耗，既包括动力（电

3、、 蒸汽、水）和燃料（煤炭、天然气等） ，又包括加工过程中自用燃料（重油、 瓦斯）以及催化裂化烧焦。由此提出的重要研究课题： 先进合理的节能工艺流程是FCC节能的前提 ，采用新工艺对老装置进行改造，应采用高 活性、高选择性催化剂和低回炼比操作，降 低生焦。 高效的设备是实现节能降耗的基础，应降低 总输入能（烧焦放热、燃料消耗、外供蒸汽 和外供电），提高能量回收水平。研究开发 高效雾化喷嘴、高效旋风分离器、高效规整 填料等。 搞好装备“安、稳、长、满、优”运 行控制是节能降耗的保证。 全面考虑综合用能过程和全面优化 是节能降耗的根本，应优化换热网 络（外取热器、余热锅炉、油浆蒸 汽发生器、分馏塔

4、等）。挑战与机遇（III）3 迫切要求大型装备国产化2001年上半年，全国成品油市场消费柴 汽比为2.08 ，而炼油企业生产柴汽比为 1.71 左右。市场汽油过剩，柴油短缺。 造成柴汽比供需矛盾的根本原因是我国 炼油企业的原油二次加工以催化裂化为 主，而催化裂化以生产汽油为主。由此提出的重要研究课题： 提高柴油收率和改善柴油品质的精 炼设备 研究增产柴油的工艺及设备（目前 已研究成功的催化剂有LRC-99， MLC-500、DMC、RGD-1等，可 以提高柴油收率4%左右 ） 渣油催化裂化的反应特点及新工艺与 装置的动态机理模拟 研究反应深度的控制原理，建立氢转移 、异构化和烷基化反应控制技术

5、 研究多相反应过程，开发清洁燃料生产 的多相反应器挑战与机遇（IV）4. 催化裂化装置的长周期运行不理想 （安、稳、长、满、优运行）目前国内炼油厂主要生产装置一般大修 周期约为“三年两修”，而在国外，大修 期一般为三年，甚至可延至五年以上。 由此提出的重要研究课题： 目前国外石油化工企业生产的发展趋势是从 向生产装置优化控制要效益，转向发挥工厂 资产运行最大效益发展，即从生产系统的长 周期运行要效益。 过程状态控制变量的调控技术、过程变量非 稳态、非线性技术研究 不停车条件下设备现场无损检测方法及相关 新技术研究涉及的学科新增长点 西部大开发涉及学科新增长点： 工程装备的现代制造技术 煤化工

6、石油、天然气化工 盐化工煤化工的核心技术及装备 煤的气化-煤的干粉气化（Shell核心技术及 装备）、水煤浆气化（美国德士古核心技术 ） 煤的液化-煤的直接液化技术挑战传统化工和能源装备制造业的发展和升级 的关键技术和系统集成技术 具有自主知识产权的煤气化及净化技术及装备天然气化工核心技术及装备 主要内容：合成氨、甲醇、乙 烯、二甲醚、醋酸等 核心技术：天然气制合成气、 合成烃、制二甲醚、乙醇等。 相关的所有设备几乎全部依赖进口工程装备的现代制造技术 现代集成制造技术 先进制造工艺、方法与装备 先进微型加工技术 先进机器人二、催化裂化长周期安全运行工程背景 装置长周期运行，是指通过挖掘装置的

7、生产潜力，增加有效生产时间，从而减 少修理费用，减少非计划停工、延长设 备的使用寿命、提高企业的经济效益。 装置的可靠度 （运行周期日-非计划停工日）/（运行周期日）100% 一般来讲，“二年一修”指连续运行23个月（ 运行周期日为690天）， “三年一修”指连续运行35个月（运行周期日 为1050天）， “四年一修”指连续运行47个月（运行周期日 为1410天）2。 重催装置的可靠度：“二年一修”应96%,“三 年一修”应96%,“四年一修”应95.5% 重油催化裂化装置运行周期考核目标为2年。 据统计，1998年中石化系统催化裂化装 置全年共发生停工24次81.15天，其中 ，因设备、仪表

8、原因停工18次66.33天 ，分别占总数的75%和81.74%。因企业 内、外电网原因停工3次11.17天，分别 占总数的12.5%和13.76%。因操作失误 停工1次2.69天，分别占总数的4.13%和 3.31%。另外，因工艺、技术和公用工 程原因各停工1次。 总体上看，我国装置运行周期与国外发达国 家相比，差距很大。 1997年底，中国石化总 公司考核的48套催化裂化装置中已有28套实 现二年一修，15套实现三年二修。2002年尚 未实现全行业重油催化裂化装置的二年一修 目标。 从国外来看，德国BASF公司的生产装置，装 置的长周期运行时间为5年；埃克森公司炼油 厂、Phibro公司休斯

9、顿炼油厂催化裂化运转4 5年；荷兰DSM和北欧化工公司BOREALIS工 厂装置是“四年一修”。发达国家国外催化裂 化装置一般连续运转34年，甚至更长。 在原油涨价和各种减利因素增加的情况 下，催化裂化装置实现安全平稳的长周 期运行，既可以减少检修费用，增加开 工天数，又可以可以节约修理费，减少 不必要的开支，使企业增加经济效益。 因此，如何使催化裂化装置实现长周期 运行，是目前各个炼油厂面临的一个重 要课题，受到炼油企业领导和工程技术 人员的高度重视。该领域也是当前我国 最为迫切需要研究的领域之一。 我国在该领域研究工作刚刚开始，目前 处于研究活跃阶段。 三、化工装备长周期安全运行保障体系目

10、标：安、稳、长、满、优运行=经济效益制约化工装备长周期安全运行的因素较为复杂 ，归纳起来大致可以分为五个方面： 原料性质及工艺操作 设备故障 电力及动力系统 企业管理及设备管理 人为误操作等 催化裂化装置长周期安全运行的保障体系归纳起来大致可以分为四个方面： 运行安全状态监测及检测 关键设备的故障预测及安全评定 生产系统的危险性分析 最佳运行周期及检修方案的优化 几个重要概念的定义及主要研 究成果（1）危害度及风险性危险度是指可能产生潜在损失的征兆， 它由两部分组成：一是危险事件出现的 概率，二是一旦危险出现，其后果严重 程度和企业损失的大小。因此，越是已 经知道的故障、越容易提前预防、危险

11、度及风险性越低。（2）最佳运行周期综合分析经济性、安全性而获得的企业 经济效益最大化的连续运行周期。用一 般的形式表示为：化工企业经济性分析+设备风险性分析= 最佳经济点=最佳运行周期（3）系统可靠性评定企业安全生产可靠与否的重要环节 ，在于整个生产过程系统的可靠性如何 ，如果只考虑某个设备的可靠性，而忽 视了系统的可靠性或者处理不当，都会 带来巨大的消极后果。在过程系统中，装备的可靠性有着较为 特殊的地位，因为系统的工艺一旦确立 ，系统的可靠性在较大程度上取决于装 备的可靠性。系统的可靠性直接和人员、机器、物料 等各子系统的可靠程度相关联，是这三 者可靠性的总体反映。 Rs= Rp* Ro*

12、 RmRp-装备（或机器）子系统的可靠度Ro-操作子系统的可靠度Rm物料供应子系统可靠度 （4）最弱环模型 Unit 1 unit 2 unit 3 unit 5Unit 4-weakest chain危险性分析方法1 安全检查(Safety review)-对过程的设计 、装置条件、实际操作、维修等进行详 细检查以识别所存在的危险性。2 安全检查表分析（Safety Checklist Analysis)-识别与一般工艺设备有关的 已知类型的危险、设计缺陷以及事故隐 患。 3 预危险性分析（Preliminary Hazard Analysis PHA)-项目发展初期分析可能存在危险性 。

13、4 故障假设分析(What-if analysis)-对工艺过 程或操作进行假设故障分析。 5 危险与可操作性分析（Hazard and Operability Analysis HAZOP)-为新设计或 新技术进行危险性分析，适用项目的初期阶 段。 6 失效模式与效应分析（Failure Modes and Effects Analysis FEMA)-分析设备故障发生 的方式，以及这些失效模式对工艺过程导致 的结果。 7 故障树分析（Fault Tree Analysis FTA)-把 系统可能发生或已经发生的事故作为分析起 点，将事故原因事件按逻辑关系建立树型图 。 8 人的可靠性分析主

14、要研究结果（I） 建立了化工装置及工艺系统 FTA模型和FMECA分析方法（下面来看理论的核心思想）故障树分析方法（I） 故障树分析方法（简称FTA）是进行可 靠性分析的重要方法之一。它把系统最 不希望发生的失效状态用相应的代表符 号及逻辑门用顶事件、中间事件、底事 件联结成故障树，找出导致这一故障状 态所有可能发生的直接原因，从而对系 统的失效进行定性分析及定量计算。FEMCA方法（II）失效模式、效应和危害度分析方法 危险顺序数（RPN）排序法 排序法不但考虑故障模式的危害程度，而且 考虑其发生的概率及查明的难易程度。故障 造成的后果越严重，发生的概率越高而且发 生之前难以检测到的系数越高

15、，则其危险就 越大。危险顺序数的数学定义为：RPN=SOD S失效模式发生后果的严重程度 O失效可能发生的频率 D发生失效的产品查明难度危害度（S）推荐评价准则 发生概率可能性（O）推荐评价准则失效查明难度（D）推荐评价准则四、工程案例分析1 催化裂化系统及装置 （中国石油化工集团公司攻关项目）2 化工厂聚氯乙烯生产装置 （企业合作项目）3 化肥厂煤气化装置 （陕西省科技攻关项目）1 催化裂化装置 （兰炼原则工艺流程图）催化裂化长周期安全运行主要分析内容 冷原料带水 v催化剂的金属污染 v分馏塔结盐 v沉降器、大油气管线等结焦 v催化剂跑损 v烟道衬里 v滑阀等vU型波纹管膨胀节腐蚀穿孔 v高温取热炉管束泄漏 v仪表控制系统仪表失灵 v腐蚀开裂情况 v重催大机组（烟机、主风机组、增压机 组和气压机组。催化裂化装置系统 催化裂化装置系统通常可以分为四大部 分来分析，即，反应再生系统、分馏系 统、吸收稳定系统和能量回收系统，反 应再生系统是催化裂化的核心。反应-再生系统工艺流程图分馏系统工艺流程图吸收-稳定系统工艺流程图主风机组简图电动机电动盘车器齿轮箱轴流主风机烟气轮机单元最弱环模型能量回收系统反应再生单元分馏单元吸收稳定单元1-提升管反应器 2-再生器 3-沉降器 4-分馏塔 5-三旋 6-烟机 7-风机 8-余热锅 炉 9-双动滑阀 10-待生塞阀