第六十八讲：煤制甲醇工艺中功能安全评估的研究与应用.docx

1、【编者按本刊从2007年开始刊登“功能安全技术讲座”专题讲座，涉及了功能安全的概念、方法、认证、评估以及安全仪表系统的设计、分析及应用等内容.受到业内专家的肯定与广大读者的欢迎，成为本刊一项重要特色.2018年，本讲座将继续遂清功能安全技术方面的专家结合相关课题、应用案例深入、系统地阐述功能安全的技术与实践方法.5能宜全技术讲第n+Jiffl：膜制甲醇工艺EIU能豆至评估的佛许与应用Chapter68:TheResearchandApplicationofFunctionalSafetyAssessmentonCoal-to-MethanolTechnology施隋靖刘瑞(机械匚业仪器仪友综合

2、技术经济研究所，北京市100。55)ShiSuijingLiuYao(InstrumentationTechnology&EconomyInstitute,Beijing100055)【摘要】我国的煤炭资源储ht极其丰富,具和S大的应用前景利用先进的煤化工工艺将煤炭转化为高附加值产品.既能带的侦的经济效益.也能够避免煤炭的低级利川造成的环境问题煤化I：行业蓬勃发展的同时.I：之生产中的安全问题也M湘到足够而视本文主要介绍厂煤制甲醇工艺中功能安全评估的研究与应用【关键词】煤化I：凤险识别功能安全评估安仝仪&系统安全完祭性等级Abstract:Coalresourceshaveag

3、reatprospectofapplicationbecauseofgiantreserves.Wecanutilizeadvancedcoalchemicaltechnologytoconvertcoalsintohighvalue-addedproducts.Itwillcreatehugeeconomicbenefitsandavoidcnvironmenlproblemscausedbylowlevelutilizationofcoals.Withthevigorousdevelopmentofcoalchemicaiindustry,satetyproblemsandpotentia

4、ldangerintheprocessproductionshouldalsobeobtainedenoughattention.Thispapermainlyintroducestheresearchandapplicationoffunctionalsafetyassessmentincoalmethanolproductionprocess.Keywords:CoalChemicalIndustryRiskIdentificationFunctionalSafetyAssessmentSafetyInstrumentedSystemSafetyIntegrityLevel1前言我国的能源

5、结构分布总体I.为“富煤、贫油、收稿日期：2OI8-8-I5作者简介：胞隋M(1992-),毕业于中国石油大学(北京)化学工理硕士专业.毕业后一直在仪综所功能安会中心从事功能安全相关研究工作.冬与过几项大型煤化工企业的安会4义女系统功能安全评估项a"皿*'心T'I20186少气”，作为储量最多的煤炭资源占一次能源资源总fit的比例超过了94%,具有广阔的市场.随着我国石油和天然气需求址的不断增加.油气资源的进口成为作常棘乒的能源问题.因此可将价格低廉的煤炭资源通过煤制油、煤制气等新型煤化匚工艺补充对于油气资源的需求；此外资源效率高、技术清洁化的新型煤化匚艺还包括煤制甲

6、醇进而生产烯炷、芳炷等高附加值产品.这样不仅能够取得巨大的经济效益，也能够避免传统煤化r.（焦化、合成氛等）对煤炭的低级利用造成的环境问题。煤化行业蓬勃发展的同时也使其成为了重大、特别南大事故高发行业,除了化工生产的_般特点外,还具有高温高压、易燃易爆、有毒有害等,存在巨大的安全风险，一旦出现安全少故容易造成较大的人员伤亡、巨大的经济损失以及严页的环境污染因此煤化.艺生产中的安全问题也必须得到应有的币:视,本文主要研究煤制甲醇艺的功能安全评估2煤制甲醇工艺用以生产甲醇的原料有石脑油、煤炭以及天然气等，这些生产工艺的最终目标均是以翻气（H"和-W化碳（CO）为原料通过化学反应作用生成甲

7、醇（CHQH）.基本工艺流程如下图1所示E丁体生产，体弁化图1甲醇生产基本工艺示意图煤制甲醇艺中，是将煤炭气化为合成气（主要为足和CO）.经净化并压缩后送去合成反应器.在高温高压、催化剂作用下发生化学反应含成甲醇，再经分离提纯后送去储罐.同时将净化过程中脱除的含硫酸性气mi收利用得到硫磺典型的煤化匚工艺流程如卜图2所示间2.1气化工艺由煤炭转化为合成气是煤制甲醇匚艺燃核心的技术环节，煤气化技术主要石块煤气化、水煤浆气化以及干煤粉气化等，目前采用较多的是水煤浆气化技术水煤浆气化艺主要包括煤浆制备、煤浆气化以及渣水处理：煤浆制备口芋主要是为下游反应生成合成气提供性质优良的煤浆：浓度高、稳定性好、流

8、动性好、粒度分布均匀等，煤浆气化序是利用气化炉使得煤浆和氧气发生部分氧化反应，产物是以H：和CO为主的粗合成气.并对其进行除尘降温等预处理渣水处理匚序的目的是初步处理和再利用气化工序产生的煤渣黑水2.2净化工艺净化艺是连接煤气化、甲醇合成以及硫回收的纽带其主要任务是处理来门上游气化匚艺的粗合成气脱除酸性气组分g和等），将氢碳比（H/C）调整到适合下游甲醇合成艺的比例；并将h提浓后送至硫mi收艺净化工艺*要包括变换热P1收、低温甲酵洗以及冷冻站。变换热回收匚序是在变换炉中利用催化剂作用将粗合成气中过多的CO与HQ进行变换反应生成凡和CO,从而提高合成气'I%的»以得到合适的H/

9、C（ft低温甲醇洗序是将变换序得到的气体净化处理成合格的合成气，同时m收脱除的酸性y冷冻站序属于净化艺配套设施，为低温甲醇洗工序提供冷冻剂以制造低温环境有利于碱液吸收酸性气。2.3硫回收工艺硫回收工艺用于处理上游含硫酸性气.通过-定反应将酸性气中硫化物转化为合格的单质硫.反应尾气经处理达标后可排放。2.4甲醇工艺甲醇工艺是在高温、高压的M醇合成反应器中利用催化剂作用将净化后的合成气反应生成粗甲醇.再经冷却、分离等单元操作后得到精甲醇,合格产品经泵送至罐区储罐,该精甲醇可以直接销售,也可以作为煤制烯炷等艺的原料,甲醉艺主要包括合成气压缩、甲醇合成以及甲醇精御等。合成气通过压缩机增压到适合反应的条

10、件，经换热升温后进入甲酵合成反应器，合成气中的H?和CO在催化剂作用F反应生成CHQH,再经过精禅.序（一般包括预精孺塔、加压塔和常压塔）得到合格甲醇。2.5储运工艺储运T.艺的罐区用来储存由上游精循装置.送来的成品精甲醇.这些精甲醇或作为产品输送到市场去销传,或作为下游煤制烯炷等匚艺的原料。3功能安全评估煤制甲醇工艺风险及安全隐患主要表现为：T.艺介质中大部分是易燃易爆的，发生火灾和爆炸的风险较大；部分气体为有毒有传气体.容易造成人员窒息和中祥.严重危及操作人员生命安全；生产过程中的机械操作和用电设备繁多，人员操作不'，会遭受机械损伤，容易发生触电少故风险总是存在的.在IEC6150

11、8中安全的含义是“没有不可接受的风险”从这个角度来说安全具4相对性风险是出现伤害事件的僵率以及事件后果的严页程度.因此安全问题可以转化为凹量化的风险问题对生产企业来说绝大多数安全小故是可以避免的.M中市要的一个环节就是实现功能安全评估.这一丁.作主要包括以卜？个步骤：风险识别（危险与风险分析）、风险评估（安全完整性等级定级）以及风险控制（安全完整性等级验证）P，O3.1风险识别风险识别是指在风险事故发生之前,人们运用各种方法系统地、连续地辨识出所而临的各种风险以及分析导致风险小故发牛.的可能原因和后果II前在国内外程项II应用最为广泛的艺风险识别分析方法是危险与可操作性（HAZOP,Hazar

12、dandOperability）分析.通过HAZOP分析可以系统地识别工艺装置或设施中潜在的风险,并通过提出合理可行的措施降低小故发生的可能性以及减轻业故后果.从而保证生产企业安全稳定地运行HAZOP分析通过分析生产艺状态参数的变动、操作控制中可能出现的偏;S以及这些变动与偏差对系统的影响，找出导致变动或偏差的原因,分析可能造成的后果,审查当前保护措施,并针对不满足可接受水平的变动与偏差的风险点提出合理可行的建议措施的HAZOP分析步骤见图3V或Q令玺图3危险与可操作性分析流程图在煤制甲酵丁.艺中使用HAZOP分析方法开展风险识别，主要风险点分析情况下表1,3.2风险评估工艺主要风险点原因后果

13、当前保护措施气化工艺煤浆制备磨煤机煤粉流量低1. 煤储斗加料不及时；2. 煤称址给料机故障停；3. 煤称妆给料机堵塞；煤浆浓度较低.导致气化炉过仗超温.潜在的火灾爆炸、人员伤亡1. 煤储斗料位低报警；2. 煤称虽给料机故障报警;3. 流缺低报警及低低联摘；浆化气化炉氧煤比高1.气化炉煤浆流M低；2.气化炉氧气流ht高；气化炉过复超温,潜在的火灾爆炸、人员伤亡。1. 煤浆流址低报警及低低联锁;2. 氧气流址高报警;3. 氧煤比高、高高联锁;4. 气化炉温度高报警；5. 合成气出口温度高高联锁；渣水处理灰水加热器内漏1. 振动过大；2. 物料腐浊；3. 热冲击；高压灰水泄漏至壳程.导致壳程超压损坏

14、，闪蒸气泄漏，造成人员中毒。1. 壳程受安全阀保护；2. 定期检修灰水加热器，确保及时发现泄漏情况；净化工艺变换热回收变换炉床层温度高1.合成气中com分含合思2. 水蒸'（与合成'（比例低；3. 水煤气进料温度高；变换炉超温损坏.水煤'（泄漏.潜在的火灾爆炸、人员中毒伤亡1. 定期取样分析；2. 温度岛报警及高高联锁；低温甲醇洗甲醇/水分离塔液位低1.分离塔进料流技低；2.分离塔出料流面高；再沸器干烧.塔设备超温损坏，潜在的火灾爆炸、人员伤亡。1. 塔底出料流蚯高报警;2. 液位低报警及低低联锁；冷冻站制冷剂压缩机出口压力高1.出口阀误关闭；2.制冷剂流最高;压缩机及

15、出口管线超压损坏.制冷剂（可燃时）泄漏.潜在的火灾爆炸、人员伤亡。1. 出口设有防喘阀；2. 出口压力高报警;3. 受安全阀保护；4. 压缩机轴振动、轴位移商联锁；硫回收工艺主燃烧炉炉膛压力高1. 气相出口管线堵塞；2. 酸性气流litA;F游液硫封破坏'（体泄漏，潜在的火灾爆炸、人员中毒伤亡1.压力高报警及高高联锁；甲醇工艺合成气压缩合成气分离器液位高1.进料带液咏大；2.排液不及时；液相沿气相管线进入压缩机致用员坏.合成气泄漏，潜在的火灾爆炸、人员中毒伤亡1. 液位高报警及商高联锁；2. 压缩机轴振动、轴位移高联锁；甲醇合成甲醇合成反应器温度高1.进料合成气温度高；2. 合成气组分

16、/负荷波动；3. 冷却水流最低;反应器超温损坏.催化剂损坏.合成气泄漏，潜在的火灾爆炸、人员中毒伤亡。1.反应器温度高报警及高高联锁；2. 进料气体组分在线分析；3. 冷却水流他低报警及低低联锁；甲醇精ts塔压力高1.再沸器负荷高；设备憋/K损坏.丁.艺气泄漏.潜何的火灾给炸、人员中族伤亡1.受安全阀保护；储运工艺精甲醇储擢液位高1. 甲醇进料流量高；2. 人员操作失误.向高液位罐持续进甲醇；甲醇冒WL损坏内浮顶，甲醇泄漏.潜在的火灾爆炸、人员中毒伤亡，1. 液位高报警及商商联锁；2. 防火堤以及排放管线；表1煤制甲醇工艺主要风险点HAZOP分析情况风险评估是指对风险事件发生的可能性以及对生产

17、企业在人员伤亡、财产损失、生产影响、环境污染、声誉影响等各个方面造成的后果严重程度的技化评估保护层分析（LOPA,LayerofProtectionAnalysis）是种半定最的风险评估方法通常使用初始事fi率、后果严重程度和独保护层（IPLs）失效频率的数ht级大小来近似表征场景的风险其目的是在定性危险分析（例如HAZOP分析）的基础上，进一步对体的风险进行相对扯化（准确到数ht级）的研究,包括对场景的准确表述及识别已有的独旻保护层,从而判定该场景发生时系统所处的风险水乎是否达到可容忍风险标准的要求,并根据需要增加适当的保护层以将风险降低至可容忍风险标准所要求的水平啊保护层分析步骤见图4ft

18、*'iR*ft*'iR*liWMM认图4保护层分析流程图包括煤化I：在内的过程行业典型的保护层如图5所示，识别其中的独、7.保护层、评估每个独立保护层要求时的失效1%率（PFD.ProbabilityofFailureonDemand）是LOPA作的核心内容独B保护层中最币:要的就是能够执行多种安全功能的电*/电'（./可编程电子安全相关系统（E/E/PE.Elcctrical/Elcctronic/PrograminablcElectronicSafety-RelatedSystems）.过程行业中11要表现为安全仪&系统（SIS.SafetyInstrume

19、ntedSystem）,紧急停乍系统（ESD.EmergencyShutdown）等.安全仪发系统（SIS）由多个安全仪表功能（S【F）组成SIS的作用在检测、监视生产过程中与安全相关的参在危险条件出现时采取相应措施,防止危险事件发生.避免因小故导致的人身财产伤害与环境灾难.nr心“安仝仪农功（SIF）图5过程行业典型的保护层生产企业应制定适合自己的风险可容忍标准确定可容忍风险水平后,依据ALARP（AsLowAsReasonablyPracticable.最低合理可行.即安全风险处在最低合理可行状态）原则进行风险评估和决策将风险劣件的后果等级以及发生概率与风险可容忍水平进行比较，确定'

20、;*1前保护措施是否将'*1前过程风险降低到允许风险之下.独立保护层SIS是否需要实现额外的风险降低能力风险降低示意图见图6（必。的风险降低七1实际的风&降低-11伸护欢达，的风m图6风险降低示意图在煤制甲醇匚艺中使用LOPA分析方法开展风险评估，主要风险点分析情况见表23.3风险控制凤险控制是指企业管理苫采取各柑昔施和方法.消灭或降低风险书件发生的各种仰能件或减少风险书件发生时造成的损失llilEC61508可知能够通过实现功能安全来满足风险控制的要求IEC61508还强调功能安全的关键在E/E/PE安全相关系统等措施止确执行JI：功能对于安全仪农系统来说.能否实现风I佥评估

21、（如LOPA分析）结果中耍求M实现的风险降低能力.即给出SIL定级要求供jsi谁杏正确执彳rJWjfjg.是需皴空过脸证计算的SIL验证常见的方法有故障树法，马尔可夫模型以及驴莅性枢图法安全仪&系统是由传感单元、逻辑单元以及执彳亍单元组成的.可旅性框图可以很好地反映出各个单元的正常或失效状态对系统状态的影响通过可靠性建模对安仝仪表功能开展S以证的过程包括（如图7）:调研各条SIFI可路的结构配置、操作模式、检验测试间隔等信息,根据国际上的可信数据库并参照现场调研情况分析确定出各器件失效率数据瑚、*、特）、虹，画出对应的可靠性框图,分析计算出PFD值、安全失效分数、硬件故障裕度，并结合诊

22、断设置、维检修方案等确定该安全功能实际达到的水平（即S1L等级）最终得出安全仪表系统网佥控制水平的结论1叫。IsilWftttMIfifl（HKT）登个*J#分（SFF）传触元遂*单元Mfr*元+（MTTR）试何创<T1）*2失筑SIL、+诊崔率（DC）图7可靠性框图SIL验证计算示意图注：MooN为结构配置、。为共因失效因子、入DD为检测到的危险失效率、为未检测到的危险失效率、Nd为检测到的安全失效率、Xsu为未检测到的安全失效率在煤制甲醇艺中进行安全仪表功能的SIL验证工作，主要风险点分析情况见表3。此外，在正常生产过程中，安全仪表系统也可能出现误动作的情况.例如压力变送器显示压力A

23、但实际压力正常虽然SIS误动作不涉及安全问题.但是会影响生产的稳定运行，给企业造成经济损失,因此也应於M避免误动作的发生网误停车率（STR.SpuriousTripRate）表示SIF回路发生误动作的概率，具体计算方法本文不详细介绍。4结语煤化行业的蓬勃发展为社会带来巨大经济效益的同时，因K同样属F高温高压、易燃易爆体系，也存Sl&l>表2煤制甲醇工艺主要风险点LOPA分析情况艺主要风险点SIF减缓后的后果频率（未考虑SIF）风险诃容忍标准S1F的S1L耍求确定煤浆制备磨煤机煤粉流妆低流ht低低联锁；率生独时率使修频发有求僵虑件的件所要效号条果事以层失需或后始乘护险时件景初率保危

24、有事>场为频立的能正业矩无借业用矩可险.正企险若号行适险和风晞据风参本遍风，受平依的阵可鉴普的阵接水将后果慨率与风险可容忍水平进彳亍比较：若计算风险大于诃容忍风险.应建议满足可容忍风险标准所需采取的措施.并确定SIF的PFD.即安全仪表系统的安全完整性等级（SIL）.以将风险降低到可容忍风险之卜.：煤浆'（化气化炉轼煤比高I.枝煤比高、高高联锁；2.合成气出口温度高高联锁；渣水处理灰水加热器内漏无变换热回收变换炉床层温度高温度商商联锁；安全完整性等级（SIL）在要求时完成其设计功能的平均失效率PFD（低要求操作模式）低温甲醇洗甲醇/水分离塔液位低液位低低联锁；冷冻站制冷剂压缩机出

25、口压力高压缩机轴振动、轴位移高联锁；4习0'到<10“硫mi收T.之主燃烧炉炉膛压力高压力高高联锁；3>10J<103合成气压缩合成气分离器液位高1. 液位高高联锁；2. 压缩机仙振动、轴位移商联锁；2N10到I。-'甲醇合成甲醇合成反应器温度高温度高高联锁；1N10'到<10"甲醇精储常陶塔压力高无0>104储运艺精甲精储雄液位高液位高高联锁；安全完整性等级越高，表明安全仪表功能发生危险失效的概率也就越低表3煤制甲醇工艺主要风险点SIL验证分析情况工艺主要风险点S1F各组成单元主要结构要:求实际的SIL的SIL传感单元逝辑单元执

26、行照元煤浆制务晒煤机煤粉流址低I.流蚯低低联锁；流量计控制器继电器+磨煤机断路器设备1.计算出实际的SIL能够满足要求的SILH-t.保持SIF现状即可；2.若不能满足.号察是随即失效还是结构约束或二者同时限制rmi路的S【L能力，针对计算涉及的各项参数依据IEC61508和【EC61511相关条技HI.illnil|fir煤浆气化气化炉氧煤比高1.轼煤比高、高高联锁；差压变送器控制器继电器+氧气切断阀2.合成气出口温度高高联锁；温度变送器控制器继电器+轼气切断阀渣水处理灰水加热器内漏无.-变换热1“1收变换炉床层温度高1.温度高高联锁；热电阻控制器继电器+进料切断阀低温甲醇洗甲醇/水分离塔液

27、位低1.液位低低联锁；液位计控制器继电器+菜断路器设备冷冻站制冷制压缩机出口压力高1.压缩机轴振动、轴位移高联锁；趋近式传感器控制器继电器+压缩机断路器设备硫回收1.之主燃烧炉炉膛压力高1.压力高高联锁；压力变送器控制器继电器+进料切断阀合成气压缩合成气分离器液位高1.液位高高联锁；是压变送器控制器继电器+压缩机断路器设备2.压缩机轴振动、轴位移高联锁;趋近式传感器控制器继电器+压缩机断路器设备甲醇合成甲醇合成反应器温度高1.温度高高联锁;热电偶控制器继电器+进料切断阀hiri理,J1J建议甲醇精储精储塔压力高无-储运工艺精甲醇储雄液位高1.液位高高联锁；液位开关控制器继电器+进料切断阀（下转

28、第29页）图6双输入双输出无模型变参数阶跃响应曲线第一，针对单mi路无模型控制，分别对线性系统和彬线性系统进行仿真，分析了参数变化对系统动态性能的影响.单mi路无模型变参数控制仿仃结果表明,系统输出的动态性能提高第二,将单间路无模型控制律设计方法推广到多输入多输出系统的无模型控制律设计中,给出r详细的双输入双输出系统控制律的推导过程针对制冷系统双mi路控制方案.采用辨识模型产生输入输出数据进行双网路无模型控制仿真验证仿真结果表明,过热度和蒸发温度控制稳定.通过变参数控制动态较好参考文献1 JIANGY.Chinesebuildingenergyconsumption(上接第16页)在一定的安全

29、隐患.企业和社食对于潜在的风险邪件应投入足够的爪视.将功能安全评估的理念和万法贯彻始终.一U发现隐患要对症卜,药及时解决对于在生产安全保障方面起到关键作川的安全仪浪系统.要确保其设计的合理性和运行的可靠性，特别是在出现危险事件时能够按照预期实现与功能安全效果(在正常生产运行时S1S应处挣止休眠状态).尽ht避免安全步故的发生。参考文献|钱伯章.我国煤化I.发展前景J.上海化.2015.40(01)：33-382 张祖刚.齐K玲,李明.现代大型煤化匚项II安全管理探iftJ.化学匚程与装备,2017(12)：321-3233 吴宏伟.煤制甲醇生产艺技术研究J.化学.程与装备,2017(09)：5

30、0-524 LiC,BaiH,LuY,etal.Life-cycleassessmentR)rcoal-basedmethanolproductioninChinaJ.JournalofCleanerProduction.2018situationandenergyefficiencystrategy!J|.NewArchitecture.2008.(2):4-72 FALLAIISOHIH,CHANGENETC,PLACES.etal.Predictivefunctionalcontrolofanexpansionvalveforminimizingthesuperheatofanevaporator|J.Int.J.Refrigeration.2010,33:409-4183 SHANGYJ.WUAG.FANGX.AstudyonthemodelingoftheminimalstablesuperlieatforavariablespeedrefrigerationsystemJ.Int.J.Refrigeration,2015,59:1X2-1894 LiH.S.K.You.S.S.Feedforwardcontrolofcapacityandsuperheatfbravariablespee