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1、 化工过程系统及装备长周期安全运行化工过程系统及装备长周期安全运行西安交通大学西安交通大学程光旭程光旭主要内容一一、西西部部大大开开发发对对我我国国过过程程装装备备技技术术带带来来的的机机遇遇及面临的新挑战及面临的新挑战二、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
2、挑战和机遇（I）1.产品质量难以满足日益严格的国家产品质量难以满足日益严格的国家环保标准要求环保标准要求2.2002年1月1日，我国柴油执行新的国标（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
3、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传统装备能耗较高传统装备能耗较高炼油企业综合能耗，既包括动力（电、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，采采用用新新工工艺艺对对老老装装置置进进行行改改造造，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。研研究究开开发发高高效效雾雾化喷嘴、化喷嘴、高效旋风分离器、
4、高效旋风分离器、高效规整填料等。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、分馏塔等）。挑战与机遇（III）3 迫切要求大型装备国产化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：提提高高柴柴油油收收率率和和改改善善柴柴油油品品质质的的精精炼设备炼设备研研究究
5、增增产产柴柴油油的的工工艺艺及及设设备备（目目前前已已研研究究成成功功的的催催化化剂剂有有LRC-99，MLC-500、DMC、RGD-1等等，可可以以提高柴油收率提高柴油收率4%左右左右 ）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. 催催化化裂裂化化装装置置的的长长周周期期运运行行不不理理想想（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
6、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
7、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14
8、10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2
9、8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公司休斯顿炼油厂催化裂化运转45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
10、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几个重要概念的定义及主要研究成果究成果（1）危害度及风险性）危害
11、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、危险度及风险性越低。（2）最佳运行周期）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： 化化工工企企业业经济性分析+设备风险性分析=最佳经济点=最佳运行周期（3）系统可靠性）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
12、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。 系系统统的的可可靠靠性性直直接接和和人人员员、机机器器、物物料料等等各各子子系系统统的的可可靠靠程程度度相相关关联联，是是这这三三者可靠性的总体反映。者可靠性的总体反映。Rs= Rp* Ro* Rm Rp-装备（或机器）子系统的可靠度装备（或机器）子系统的可靠度 Ro-操作子系统的可靠度操作子系统的可靠度 Rm物料供应子系统可靠度物料供应子系统可靠度（4）最弱环模型）最弱环模型Unit1unit2unit3unit5Unit 4-weakest chain危险性分析方法1安全检查(Safetyreview)-对
13、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（SafetyChecklistAnalysis)-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（PreliminaryHazardAnalysisPHA)-项目发展初期分析可能存在危险性。4故障假设分析(What-ifanalysis)-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（HazardandOperabilityAnalysisHAZOP)-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（FailureModesandEffec
14、tsAnalysisFEMA)-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（FaultTreeAnalysisFTA)-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 主要研究结果（主要研究结果（I）1.建立了化工装置及工艺系统建立了化工装置及工艺系统FTA模型和模型和FMECA分析方法分析方法2.（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
15、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，则其危险就越大。危险顺序数的数学定义为：RPN=SODS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
16、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）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冷原料带水v催化剂的金属污染催化剂的金属污染v分馏塔结盐分馏塔结盐v沉降器、大油气管线等结焦沉降器、大油气管线等结焦v催化剂跑损催化剂跑损v烟道衬里烟道衬里v滑阀等滑阀等vU U型波纹管膨胀节型波纹管膨胀节腐蚀穿孔v高温取热炉高温取热炉管束泄漏v仪表控制系统仪表控制系统仪表失灵v腐蚀开裂情况腐蚀开裂情况v重重催催大大机机组组（烟烟机机、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
17、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11-再生滑阀12-主风机13-增压机14-原料油泵15-回炼油泵16换热器17换热炉原料及半成品工艺流程链：催化剂循环链：关键设备的关系链：反应-再生系统的操作工艺失常状态简化的六个顶事件（1）提升管出口温度大
18、幅度波动（2）沉降器压力大幅度波动（3）再生压力大幅度波动（4）再生器与沉降器的差压大幅波动（5）催化剂循环中断（6）油浆固体含量大副上升反应-再生系统操作工艺失常状态故障树催化剂循环中断故障树FTA模型分析结论：（1）由FTA可知,导致反应-再生失常工艺状态发生共有23种可能的途径，从底事件相对概率重要度的结果来看，原料油泵,回炼油泵,烟机，尤其是烟机较其他设备更容易发生故障,也即薄弱环节。所以，要重点监测其“健康”状态。主要研究结果（主要研究结果（II）2 反应反应-再生系统的失效模式、效应和再生系统的失效模式、效应和危害度分析危害度分析FTA的特点是：找出容易产生事故的关键部件和导致这一
19、故障状态所有可能发生的直接原因，不知道危害程度。失效模式、效应和危害度分析（FMECA）的特点是：不仅能找出失效概率较大的关键部件，而且给出关键因素的危害程度。反应-再生系统危害度评估为了评价故障模式的危害度，主要有危害度等级评定法和危险顺序数（RPN）排序法等两种方法。危害度等级评定法根据故障后果的严重程度、可能的经济损失等对故障进行分类，我们建议炼油企业故障的危害度分为4级：类-致命故障（事故导致设备破坏和人员伤亡）类-严重故障（事故导致装置被迫非计划停车）类-一般故障（发现事故，可在设备运行过程中排除故障）类-轻度故障（发现轻微事故，可到下次检修时再修理）分析重催装置考虑的主要检测仪器分
20、析重催装置考虑的主要检测仪器FMECA分析结论：（1）烟机、泵、三旋分离器的危险顺序数较大，是反应-再生系统的关键设备，也是薄弱的环节，应重点监测其安全状态。（2）其次，再生和待生阀的卡涩，风机的振动也是较危险的，应及时的采取措施，消除其潜在故障的发生。（3）另外，沉降器和反应器的结焦也是值得注意的问题，不仅影响裂解的程度和分离的效果，影响产品的质量，结焦严重时会造成装置的非正常停车。将FMECA与FTA综合可知：（1）反应-再生系统及设备最危险的部位是：烟机、三旋、回炼油泵、再生滑阀和待生滑阀等。比较危险的失效模式是：烟机振动、三旋的露点腐蚀、烟机的冲蚀、再生滑阀或待生滑阀的堵塞、再生器的腐
21、蚀等。（2）从国内几十家炼油厂的调查来看，再生器的失效模式主要有：露点腐蚀、化学腐蚀、疲劳失效、硫化物腐蚀、料腿断裂、结焦和应力腐蚀开裂等。反应器的失效模式主要有膨胀节裂开、喷嘴结焦等。(3) 研究了催化裂化工艺操作条件对研究了催化裂化工艺操作条件对装置长周期运行的影响、装置长周期运行的影响、通过操作通过操作工艺条件的分析，找出影响催化裂工艺条件的分析，找出影响催化裂化长周期运行的关键工艺因素和防化长周期运行的关键工艺因素和防止措施。止措施。重点研究了分馏塔结盐、提升管和旋分器结焦、 催化剂跑损和冷原料带水等工艺因素。研究结论可知：关键设备、仪表、参数研究结论可知：关键设备、仪表、参数（4）提
22、出的模型可以找出影响反应-再生系统操作工艺失常状态的失效模式和关键因素，科学合理地制定检修计划、缩短检修时间、降低维修成本，从而实现企业生产质量成本的最优化。主要研究结果（主要研究结果（III）3. 建建立立了了设设备备“健健康康”档档案案和和长长周期运行安全保障系统周期运行安全保障系统开发相应的安全运行保障软件包软件包的主要功能：（1）能够及时地鉴别设备的运行状态是否正确、确定故障的性质、发现故障的部位、分析故障的起因、提出排除故障的相应措施。（2）按早、中、晚“健康”状况提出个各设备不同的保养措施。（3）能够对非正常状态失效进行预报，避免发生事故。（4）发展连续生产过程，实现从原料输入到产
23、品输出最优化生产和管理。工程案例分析II（煤气化装置）工程案例分析III（聚氯乙烯合成装置）简化工艺流程介绍1-1-乙炔泵乙炔泵2-2-碟阀碟阀3-3-砂封砂封4-4-乙炔欲冷器乙炔欲冷器5-5-氯化氢泵氯化氢泵6-6-氯化氢吸附器氯化氢吸附器7-7-气动阀气动阀8-8-气动阀气动阀9-9-混合混合器器 10-10-混合气欲冷器混合气欲冷器11-11-混合器冷却器混合器冷却器12-12-旋液分离器旋液分离器13-13-除雾器除雾器14-14-预热器预热器15-15-隔膜阀隔膜阀16-16-隔膜阀隔膜阀17-17-氯化氢冷却器氯化氢冷却器18-18-小旋液分离器小旋液分离器19-19-小除雾器小
24、除雾器20-20-隔膜阀隔膜阀21-21-转化器转化器 主要设备链的关系主要失常状态混合器温度、突然升高流量的瓶颈问题转化器中的转化率较低乙炔和氯化氢管道发生反串现象转化器中的列管发生泄露合成氯乙烯系统操作工艺失常状态故障树E1 E1 混合器温度突然升高混合器温度突然升高 E2 E2 流量的瓶颈问题流量的瓶颈问题 E3 E3 转化器中转化率较低转化器中转化率较低 E4 E4 管道发生反串管道发生反串 E5 E5 转化器中的列管发生泄露转化器中的列管发生泄露 E6 E6 混合气中氯含量较混合气中氯含量较高高混合器温度突然升高的故障树流量的瓶颈问题故障树转化器中的转化率较低的故障树谢谢大家！谢谢大家！
