化工设备长周期运行

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、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、分馏塔等）。挑战战与与机机遇遇（（III））3．．迫迫切切要要求求大大型型装装备备国国产产化化2001年上上半年，全国国成品油市场场消费柴汽比比为2.08，而炼油油企业生产柴柴汽比为1.71左右右。市场汽油油过剩，柴油油短缺。造成成柴汽比供需需矛盾的根本本原因是我国国炼油企业的的原油二次加加工以催化裂裂化为主，而而催化裂化以以生产汽油为为主。由此提出的重重要研究课题题：提高柴油收率率和改善柴油品质质的精炼设备备研究增产柴油油的工艺及设设备（目前已研究究成功的催化化剂有LRC-99，MLC-500、DMC、RGD-1等，可以提高高柴油收率4%左右））渣油催化裂化化的反应特点点及新工艺与与装置的动态机理模拟拟研究反应深度的控控制原理，建立氢转移移、异构化和烷基基化反应控制制技术研究多相反应过程程，开发清洁燃燃料生产的多多相反应器挑战与机遇（（IV）4.催化裂裂化装置的长长周期运行不不理想（安、稳、长、、满、优运行行）目前国内炼油油厂主要生产产装置一般大大修周期约为为“三年两修修”，而在国国外，大修期期一般为三年年，甚至可延延至五年以上上。由此提出的重重要研究课题题：目前国外石油油化工企业生生产的发展趋趋势是从向生生产装置优化化控制要效益益，转向发挥工厂厂资产运行最最大效益发展展，即从生产系系统的长周期期运行要效益益。过程状态控制制变量的调控控技术、过程变量非稳稳态、非线性性技术研究不停车条件下下设备现场无无损检测方法法及相关新技技术研究涉及的学科新新增长点西部大开发涉涉及学科新增增长点：工程装备的现现代制造技术术煤化工石油、天然气气化工盐化工煤化工的核心心技术及装备备煤的气化----煤的干干粉气化（Shell核心技术及装装备）、水煤煤浆气化（美美国德士古核核心技术）煤的液化----煤的直直接液化技术术挑战传统化工工和能源装备备制造业的发发展和升级的的关键技术和和系统集成技技术具有自主知识识产权的煤气气化及净化技技术及装备天然气化工核核心技术及装装备主要内容：合合成氨、甲醇醇、乙烯、二二甲醚、醋酸酸等核心技术：天天然气制合成成气、合成烃烃、制二甲醚醚、乙醇等。。相关的所有设设备几乎全部部依赖进口工程装备的现现代制造技术术现代集成制造造技术先进制造工艺艺、方法与装装备先进微型加工工技术先进机器人二、催化裂化化长周期安全全运行工程背背景装置长周期运运行，是指通通过挖掘装置置的生产潜力力，增加有效效生产时间，，从而减少修修理费用，减减少非计划停停工、延长设设备的使用寿寿命、提高企企业的经济效效益。装置的可靠度度＝（运行周期期日-非计划划停工日）/（运行周期期日）100%一般来讲，““二年一修””指连续运行行23个月（（运行周期日日为690天天），“三年一修””指连续运行行35个月（（运行周期日日为1050天），“四年一修””指连续运行行47个月（（运行周期日日为1410天）[2]。重催装置的可可靠度：“二二年一修”应应≥96%,“三年一修修”应≥96%,“四年年一修”应≥≥95.5%重油催化裂化化装置运行周周期考核目标标为2年。据统计，1998年中石石化系统催化化裂化装置全全年共发生停停工24次81.15天天，其中，因因设备、仪表表原因停工18次66.33天，分分别占总数的的75%和81.74%。因企业内内、外电网原原因停工3次次11.17天，分别占占总数的12.5%和13.76%。因操作失失误停工1次次2.69天天，分别占总总数的4.13%和3.31%。另另外，因工艺艺、技术和公公用工程原因因各停工1次次。总体上看，我我国装置运行行周期与国外外发达国家相相比，差距很很大。1997年底，，中国石化总总公司考核的的48套催化化裂化装置中中已有28套套实现二年一一修，15套套实现三年二二修。2002年尚未实实现全行业重重油催化裂化化装置的二年年一修目标。。从国外来看，，德国BASF公司的生产装装置，装置的的长周期运行行时间为5年；埃克森公公司炼油厂、、Phibro公司休斯顿炼炼油厂催化裂裂化运转4～5年；荷兰DSM和北欧化工公公司BOREALIS工厂装置是““四年一修””。发达国家家国外催化裂裂化装置一般般连续运转3～4年，甚至更长长。在原油涨价和和各种减利因因素增加的情情况下，催化化裂化装置实实现安全平稳稳的长周期运运行，既可以以减少检修费用用，增加开工天天数，又可以以可以节约修修理费，减少少不必要的开开支，使企业增加经经济效益。因此，如何使催化裂裂化装置实现现长周期运行行，是目前各个炼炼油厂面临的的一个重要课课题，受到炼油企业业领导和工程程技术人员的的高度重视。。该领域也是当当前我国最为为迫切需要研研究的领域之之一。我国在该领域域研究工作刚刚刚开始，目目前处于研究究活跃阶段。。三、化工装备备长周期安全全运行保障体体系目标：安、稳稳、长、满、、优运行=经经济效益制约化工装备备长周期安全全运行的因素素较为复杂，，归纳起来大大致可以分为为五个方面：：原料性质及工工艺操作设备故障电力及动力系系统企业管理及设设备管理人为误操作等等催化裂化装置置长周期安全全运行的保障障体系归纳起来大致致可以分为四四个方面：运行安全状态态监测及检测测关键设备的故故障预测及安安全评定生产系统的危危险性分析最佳运行周期期及检修方案案的优化几个重要概念念的定义及主主要研究成果果（1）危害度度及风险性危险度是指可可能产生潜在在损失的征兆兆，它由两部分组成：：一是危险事件件出现的概率率，二是一旦危险险出现，其后后果严重程度度和企业损失的的大小。因此，越是是已经知道的的故障、越容容易提前预防防、危险度及及风险性越低低。（2）最佳运运行周期综合分析经济济性、安全性性而获得的企企业经济效益益最大化的连连续运行周期期。用一般的的形式表示为为：化工企业经济性分析+设备风险性性分析=最佳佳经济点=最最佳运行周期期（3）系统可可靠性评定企业安全全生产可靠与与否的重要环环节，在于整整个生产过程程系统的可靠靠性如何，如如果只考虑某某个设备的可可靠性，而忽忽视了系统的的可靠性或者者处理不当，，都会带来巨巨大的消极后后果。在过程系统中中，装备的可可靠性有着较较为特殊的地地位，因为系系统的工艺一一旦确立，系系统的可靠性性在较大程度度上取决于装装备的可靠性性。系统的可靠性性直接和人员员、机器、物物料等各子系系统的可靠程程度相关联，，是这三者可可靠性的总体体反映。Rs=Rp*Ro*RmRp---装备（或机器器）子系统的的可靠度Ro---操作子系统的的可靠度Rm—物料供应子系系统可靠度（4）最弱环环模型Unit1unit2unit3unit5Unit4---weakestchain危险性分析方方法1安全检查查(Safetyreview)---对过程的设计计、装置条件件、实际操作作、维修等进进行详细检查查以识别所存存在的危险性性。2安全检查查表分析（SafetyChecklistAnalysis)---识别与一般工工艺设备有关关的已知类型型的危险、设设计缺陷以及及事故隐患。。3预危险性性分析（PreliminaryHazardAnalysisPHA)----项目发展初期期分析可能存存在危险性。。4故障假设设分析(What-ifanalysis)---对工艺过程或或操作进行假假设故障分析析。5危险与可可操作性分析析（HazardandOperabilityAnalysisHAZOP)----为新设计或新新技术进行危危险性分析，，适用项目的的初期阶段。。6失效模式式与效应分析析（FailureModesandEffectsAnalysisFEMA)----分析设备故障障发生的方式式，以及这些些失效模式对对工艺过程导导致的结果。。7故障树分分析（FaultTreeAnalysisFTA)---把系统可能发发生或已经发发生的事故作作为分析起点点，将事故原原因事件按逻逻辑关系建立立树型图。8人的可靠靠性分析主要研究结果果（I）建立了化工装装置及工艺系系统FTA模型和FMECA分析方法（下面来看理理论的核心思思想）故障树分析方方法（I）故障树分析方方法（简称FTA）是进行可靠性性分析的重要要方法之一。。它把系统最最不希望发生生的失效状态态用相应的代代表符号及逻逻辑门用顶事件、中间事件、底事件联结成故障树树，找出导致致这一故障状状态所有可能能发生的直接接原因，从而而对系统的失失效进行定性性分析及定量量计算。FEMCA方方法（II））失效模式、效效应和危害度度分析方法危险顺序数（（RPN）排序法排序法不但考考虑故障模式式的危害程度度，而且考虑虑其发生的概概率及查明的的难易程度。。故障造成的的后果越严重重，发生的概概率越高而且且发生之前难难以检测到的的系数越高，，则其危险就就越大。危险险顺序数的数数学定义为：：RPN=S××O×DS—失效模式发生生后果的严重重程度O—失效可能发生生的频率D—发生失效的产产品查明难度度危害度（S）推荐评价准则则发生概率可能能性（O）推荐评价准则则失效查明难度度（D）推荐评价准则则四、工程案例例分析1催化裂化化系统及装置置（中国石油化化工集团公司司攻关项目））2化工厂聚聚氯乙烯生产产装置（企业合作项项目）3化肥厂煤煤气化装置（陕西省科技技攻关项目））1催化裂裂化装置（兰炼原则工艺艺流程图）催化裂化长周周期安全运行行主要分析内内容冷原料带水催化剂的金属属污染分馏塔结盐沉降器、大油油气管线等结结焦催化剂跑损烟道衬里滑阀等U型波纹管膨胀胀节腐蚀穿孔高温取热炉管束泄漏仪表控制系统统仪表失灵腐蚀开裂情况况重催大机组（（烟机、主风机组、增增压机组和气气压机组。催化裂化装置置系统催化裂化装置置系统通常可可以分为四大大部分来分析析，即，反应应再生系统、、分馏系统、、吸收稳定系系统和能量回回收系统，反反应再生系统统是催化裂化化的核心。反应-再生系系统工艺流程程图分馏系统工艺艺流程图吸收-稳定系系统工艺流程程图主风机组简图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模型能量回收系统统反应再生单元元分馏单元吸收稳定单元元1-提升管反反应器2-再生器3-沉降器4-分馏塔塔5-三旋旋6-烟机机7-风机机8-余热热锅炉9-双动滑阀10-待生塞阀阀11-再再生滑阀12-主风机机13-增增压机14-原料油泵泵15-回炼炼油泵16换热器17换热炉炉原料及半成品品工艺流程链链：催化剂循环链链：关键设备的关关系链：反应-再生系系统的操作工工艺失常状态态简化的六个顶顶事件（1）提升管管出口温度大大幅度波动（2）沉降器器压力大幅度度波动（3）再生压压力大幅度波波动（4）再生器器与沉降器的的差压大幅波波动（5）催化剂剂循环中断（6）油浆固固体含量大副副上升反应-再生系系统操作工艺艺失常状态故故障树催化剂循环中中断故障树FTA模型分分析结论：（1）由FTA可知,导致致反应-再生生失常工艺状状态发生共有有23种可能能的途径，从从底事件相对对概率重要度度的结果来看看，原料油泵,回炼油泵,烟机，尤其是烟机较较其他设备更更容易发生故故障,也即薄薄弱环节。所所以，要重点点监测其“健健康”状态。。主要研究结果果（II）2反应-再生系统的失失效模式、效效应和危害度度分析FTA的特点是：找出容易产生生事故的关键键部件和导致致这一故障状状态所有可能能发生的直接接原因，不知知道危害程度度。失效模式、效效应和危害度度分析（FMECA））的特点是：不仅能找出失失效概率较大大的关键部件件，而且给出出关键因素的的危害程度。。反应-再生生系统统危害害度评评估为了评评价故故障模模式的的危害害度，，主要要有危害度度等级级评定定法和危险顺顺序数数（RPN）排序法法等两两种方方法。。危害度度等级级评定定法根据故故障后后果的的严重重程度度、可可能的的经济济损失失等对对故障障进行行分类类，我我们建建议炼炼油企企业故故障的的危害害度分分为4级：：Ⅰ类---致命命故障障（事故故导致致设备备破坏坏和人人员伤伤亡））Ⅱ类---严重重故障障（事故故导致致装置置被迫迫非计计划停停车））Ⅲ类---一般般故障障（发现现事故故，可可在设设备运运行过过程中中排除除故障障）Ⅳ类---轻度度故障障（发现现轻微微事故故，可可到下下次检检修时时再修修理））分析重重催装装置考考虑的的主要要检测测仪器器FMECA分析结结论：：（1））烟机、、泵、、三旋旋分离离器的的危险险顺序序数较较大，是反反应-再生生系统统的关关键设设备，，也是是薄弱弱的环环节，，应重重点监监测其其安全全状态态。（2））其次次，再生和和待生生阀的的卡涩涩，风风机的的振动动也是较较危险险的，，应及及时的的采取取措施施，消消除其其潜在在故障障的发发生。。（3））另外外，沉降器器和反反应器器的结结焦也是值值得注注意的的问题题，不不仅影影响裂裂解的的程度度和分分离的的效果果，影影响产产品的的质量量，结结焦严严重时时会造造成装装置的的非正正常停停车。。将FMECA与FTA综合可可知：：（1））反应应-再再生系系统及及设备备最危危险的的部位位是：：烟机、三旋、回炼油油泵、再生滑滑阀和和待生生滑阀阀等。比比较危危险的的失效效模式式是：：烟机机振动动、三三旋的的露点点腐蚀蚀、烟烟机的的冲蚀蚀、再再生滑滑阀或或待生生滑阀阀的堵堵塞、、再生器器的腐腐蚀等。（2））从国国内几几十家家炼油油厂的的调查查来看看，再再生器器的失失效模模式主主要有有：露点腐腐蚀、化学学腐蚀蚀、疲疲劳失失效、、硫化物物腐蚀蚀、料腿腿断裂裂、结结焦和和应力腐腐蚀开开裂等。反反应器器的失失效模模式主主要有有膨胀胀节裂裂开、、喷嘴嘴结焦焦等。。(3)研究了了催化化裂化化工艺艺操作作条件件对装装置长长周期期运行行的影影响、、通过操操作工工艺条条件的的分析析，找找出影影响催催化裂裂化长长周期期运行行的关关键工工艺因因素和和防止止措施施。重点研研究了了分馏塔塔结盐盐、提升管管和旋旋分器器结焦焦、催化剂剂跑损损和冷原料料带水水等工艺艺因素素。研究结结论可可知：：关键键设备备、仪仪表、、参数数（4））提出出的模模型可可以找找出影影响反反应-再生生系统统操作作工艺艺失常常状态态的失失效模模式和和关键键因素素，科学合合理地地制定定检修修计划划、缩短检检修时时间、、降低维维修成成本，，从而实实现企企业生生产质质量成成本的的最优优化。。主要研研究结结果（（III）3.建建立立了设设备““健康康”档档案和和长周周期运运行安安全保保障系系统开发相相应的的安全全运行行保障障软件件包软件包包的主主要功功能：：（1））能够够及时时地鉴鉴别设设备的的运行行状态态是否否正确确、确确定故故障的的性质质、发发现故故障的的部位位、分分析故故障的的起因因、提提出排排除故故障的的相应应措施施。（2））按早早、中中、晚晚“健健康””状况况提出出个各各设备备不同同的保保养措措施。。（3））能够够对非非正常常状态态失效效进行行预报报，避避免发发生事事故。。（4））发展展连续续生产产过程程，实实现从从原料料输入入到产产品输输出最最优化化生产产和管管理。。工程案案例分分析II（煤气化