高畢亞

（中石化上海工程公司，上海 200120）

對丙烯管網(wǎng)中大流量用戶事故工況下的分析及動態(tài)模擬

高畢亞

（中石化上海工程公司，上海 200120）

以乙烯裂解裝置為龍頭的特大型石油化工廠，丙烯管網(wǎng)是最復(fù)雜和最重要的管網(wǎng)系統(tǒng)之一，須確保其安全可靠地運(yùn)行。針對某大型乙烯化工廠因下游大流量用戶裝置進(jìn)料切斷閥關(guān)閉出現(xiàn)了管網(wǎng)壓力快速升高導(dǎo)致全廠緊急停車的事件，在工況分析的基礎(chǔ)上，采用靜態(tài)和動態(tài)流程模擬研究各種事故工況下的泄放情況，找到了存在的問題，提出了解決方案和復(fù)雜管網(wǎng)系統(tǒng)安全設(shè)計的建議。

丙烯管網(wǎng)；工況分析；安全泄放；動態(tài)模擬

對大型一體化石油化工企業(yè)，丙烯作為最廣泛和重要的中間化學(xué)品，需要設(shè)計和建造丙烯管網(wǎng)系統(tǒng)，接收上游裝置產(chǎn)出的同時將丙烯送往各用戶使用，此外，作為調(diào)節(jié)手段將過剩的丙烯送儲罐或由儲罐向管網(wǎng)補(bǔ)充丙烯。通常存在裝置既為產(chǎn)出端又是用戶端、不同類型儲罐共存、管網(wǎng)調(diào)節(jié)方式各異等特點，因此丙烯管網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行和事故工況下的安全泄放對整個工廠的安全平穩(wěn)生產(chǎn)尤為關(guān)鍵[1]。丙烯管網(wǎng)復(fù)雜常見，但是關(guān)于如何進(jìn)行安全分析和設(shè)計的報道比較少，對其動態(tài)模擬研究更是少之又少[2]。

由于石油化工項目多分期建設(shè)，隨著裝置數(shù)量和產(chǎn)能的變化，操作方式的調(diào)整，不斷在原管網(wǎng)上實施變更，為管網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來了隱患，導(dǎo)致非計劃停車時有發(fā)生。本文基于國內(nèi)某大型石油化工企業(yè)丙烯管網(wǎng)及相關(guān)裝置和儲罐的運(yùn)行數(shù)據(jù)、事故報告和歷次改造的設(shè)計資料，對全廠丙烯管網(wǎng)進(jìn)行全面梳理和事故工況及安全泄放分析，為管網(wǎng)改造提供設(shè)計依據(jù)。

1 管網(wǎng)現(xiàn)狀

1.1 流程簡圖

該丙烯管網(wǎng)產(chǎn)出單元有：烯烴和烯烴轉(zhuǎn)化（OCU）、低溫儲罐、壓力球罐；用戶單元有： 丙烯腈（AN）、聚丙烯（PP）、低溫儲罐、壓力球罐、界外工廠GC和罐區(qū)等。丙烯自烯烴和OCU裝置產(chǎn)出，經(jīng)管網(wǎng)送AN、PP、低溫罐、球罐、界外GC和罐區(qū)，同時丙烯也可自界外罐區(qū)送管網(wǎng)或儲罐，管網(wǎng)流程見圖1。

如圖1所示，正常運(yùn)行時，烯烴和烯烴轉(zhuǎn)化（OCU）產(chǎn)出丙烯通過管網(wǎng)送往PP、AN 和GC。管網(wǎng)流量由FC-01調(diào)節(jié)FV-01開度控制；管網(wǎng)壓力由烯烴裂解輸送泵維持在3.2 MPa。當(dāng)管網(wǎng)壓力高于3.65 MPa時，由PZT-01調(diào)節(jié)FV-01開度控制壓力；當(dāng)由低溫罐供管網(wǎng)丙烯時，管網(wǎng)壓力由PC-02調(diào)節(jié)FV-03開度控制。

據(jù)業(yè)主介紹，曾發(fā)生由于PP裝置界區(qū)內(nèi)切斷閥XV-01關(guān)閉導(dǎo)致管網(wǎng)超壓，使PP裝置界區(qū)內(nèi)安全閥PSV-03和管網(wǎng)安全閥PSV-02起跳并全廠緊急停車；同時在操作中發(fā)現(xiàn)原有管網(wǎng)設(shè)計的控制方案投入使用后壓力控制不穩(wěn)定。

1.2 管網(wǎng)現(xiàn)有安全保護(hù)措施

管網(wǎng)操作壓力為3.2 MPa，設(shè)計壓力為3.85 MPa。管網(wǎng)現(xiàn)有保護(hù)措施分二層：管網(wǎng)壓力等于3.85 MPa時，PZT-01通過SIS聯(lián)鎖停XV-01；管網(wǎng)安全閥PSV-01和PSV-02在管網(wǎng)超壓時泄放多余丙烯。

1.2.1 管網(wǎng)壓力、流量調(diào)節(jié)閥和聯(lián)鎖

管網(wǎng)調(diào)節(jié)閥現(xiàn)況和調(diào)節(jié)閥失效時下游的保護(hù)措施如表1所示。

由表1可知，烯烴區(qū)和低溫罐區(qū)無針對調(diào)節(jié)閥失效工況下的安全閥配置。烯烴區(qū)FV-01和FV-02故障全開時，將通過壓力聯(lián)鎖PZT-01切斷開關(guān)閥

XV-01的方式防止下游超壓。低溫罐區(qū)FV-03和FV-04故障全開時，因壓力聯(lián)鎖PZT-02未投用，下游無聯(lián)鎖保護(hù)。球罐區(qū)FV-05故障全開時，下游無聯(lián)鎖保護(hù)，但有安全閥PSV-01泄放保護(hù)。

1.2.2 管網(wǎng)安全閥設(shè)置

管網(wǎng)安全閥現(xiàn)況及額定排量見表2。

如表2所示，安全閥PSV-01、PSV-02、PSV-03、PSV-04整定壓力為管網(wǎng)設(shè)計壓力3.85 MPa，與管網(wǎng)連通時能保護(hù)丙烯管網(wǎng)，當(dāng)上游/下游故障等導(dǎo)致管網(wǎng)超壓時，安全閥將起跳。管網(wǎng)最大共有176 t/h的泄放能力。

圖1 管網(wǎng)流程Fig.1 Propylene reticulation flow diagram

表1 管網(wǎng)調(diào)節(jié)閥現(xiàn)況Tab.1 Reticulation control valve conditions

表2 安全閥現(xiàn)況Tab.2 Reticulation satefy valve conditions

2 計算及討論

2.1 大流量用戶故障下工況分析

2.1.1 各裝置正常運(yùn)行

正常操作時，丙烯由烯烴和OCU裝置以3.2 MPa的操作壓力送管網(wǎng)，用戶有PP、AN 和界區(qū)外裝置。上游烯烴裝置停車/降負(fù)荷導(dǎo)致丙烯不足時，優(yōu)先從低溫罐通過管網(wǎng)供各用戶。下游裝置停車/降負(fù)荷導(dǎo)致丙烯過量時，管網(wǎng)繼續(xù)向有需求的用戶供給，過剩的丙烯，將送往儲罐。正常運(yùn)行工況為穩(wěn)態(tài)模擬的輸入條件。

2.1.2 大流量用戶故障

以PP裝置故障為例，管網(wǎng)將瞬間富裕35 t/h丙烯。當(dāng)管網(wǎng)上游烯烴界區(qū)內(nèi)PC-01檢測到壓力升高，將通過減小FV-01開度以減少丙烯輸出，若壓力繼續(xù)升高至3.85 MPa，PZT-01聯(lián)鎖回路開始啟動以停止丙烯輸出。由于管網(wǎng)壓力響應(yīng)時間滯后，因此需要做動態(tài)分析以確定管網(wǎng)壓力和流量的變化。本文采用Aspentech HYSYS V.7.3對丙烯管網(wǎng)在PP故障時的變化趨勢進(jìn)行動態(tài)模擬分析。

2.2 動態(tài)模擬

動態(tài)模擬可以預(yù)測當(dāng)系統(tǒng)在某一階段階躍擾動時，隨著時間的變化，裝置中的工藝條件和工藝參數(shù)隨其變化的趨勢[3]。相比穩(wěn)態(tài)模擬，動態(tài)模擬同時具有微分方程和代數(shù)方程，有水力學(xué)限制，并包含各個控制回路。

本文采用的Aspentech HYSYS是將穩(wěn)態(tài)和動態(tài)模擬合二為一的著名商業(yè)軟件[4]，具有功能強(qiáng)大、使用方便、界面友好等特點。該軟件廣泛用于監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行情況和控制裝置無法在線測定的產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)[5]，能幫助辨識過程的機(jī)理和估計系統(tǒng)性能的參數(shù)，甚至作為診斷系統(tǒng)運(yùn)行故障的手段，從而在設(shè)計、改造管網(wǎng)時提出有效的防備性預(yù)案。

2.2.1 計算原理

本次管網(wǎng)動態(tài)模擬需用到物料衡算、熱量衡算、動量衡算、音速計算及PID控制回路計算。

物料衡算

上式中，M為摩爾流量，t為時間，F(xiàn)為流量，H為焓，u為流速，g為加速度，h為高度，P為壓力，V為體積，Q為熱負(fù)荷，A為管道截面積，ρ為密度，F(xiàn)rict為動量損失，X為質(zhì)量， Bias為置偏值，Gain為增益，e為偏差。

2.2.2 輸入條件設(shè)定

采用業(yè)主提供的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)作為初始值，經(jīng)過多次調(diào)整，對參數(shù)進(jìn)行了擬合，分別從管網(wǎng)流量、壓力及溫度三方面，將模型預(yù)測值與實際數(shù)據(jù)比較，最大偏差控制在5 %的可接受范圍內(nèi)，從而使結(jié)果較好的用于模擬。模型初始邊界條件和控制器參數(shù)見表3和表4。

表3 模型初始邊界條件Tab.3 Model initial boundary conditions

圖2 XV-02閥位趨勢Fig.2 Position trend of XV-02

2.2.3 結(jié)果與討論

假定自t = 0至t = 60 s裝置平穩(wěn)運(yùn)行；t = 60 s時，XZV-02失效，聚丙烯裝置丙烯進(jìn)料切斷閥在3 s內(nèi)關(guān)閉。

PP界區(qū)切斷閥XV-02閥位趨勢如圖2所示，壓力控制器PC-01趨勢如圖3所示，管網(wǎng)安全閥PSV-01泄放趨勢如圖4所示， PC-01現(xiàn)場監(jiān)測趨勢如圖5所示。

由圖2可見，閥門XV-02在t = 60 s時失效關(guān)閉。

由圖3可見，隨著閥門XV-02關(guān)閉，管網(wǎng)壓力升高，并在18 s后達(dá)到峰值3.83 MPa，與 PZT-01的聯(lián)鎖設(shè)定值（3.85MPa） 非常接近。當(dāng)壓力超過3.65 MPa時，PC-01 將超馳FC-01的流量比值控制來調(diào)節(jié)PV-01開度以控制管網(wǎng)壓力。當(dāng)t = 43 min后管網(wǎng)進(jìn)入新的穩(wěn)定狀態(tài)，此時壓力維持在3.65 MPa ，比PZT-01的高高聯(lián)鎖（3.85 MPa）低5.2 %。

表4 控制器參數(shù)Tab.4 Parameters of relevant controllers

圖3 壓力控制器PC-01趨勢Fig.3 Pressure controller trend of PC-01

圖4 安全閥PSV-01泄放趨勢Fig.4 Safety valve trend of PSV-01

由圖4可見，在t = 76.8 s時PSV-01開至最大，泄放多余丙烯至球罐。通過PSV的最大流量為7.1 t / h，此時假定的球罐壓力為最大操作壓力（2.1 MPa）。運(yùn)行結(jié)果表明，現(xiàn)有孔徑（531 mm2，H代碼）的安全閥能夠防止管網(wǎng)壓力繼續(xù)升高至管網(wǎng)聯(lián)鎖壓力。然而，由于管網(wǎng)峰值壓力非常接近的（3.83 MPa）聯(lián)鎖值，因此實際運(yùn)行時很可能發(fā)生停車聯(lián)鎖。增加PSV-01的孔徑不能解決此問題，因為它的設(shè)定壓力等于管網(wǎng)的聯(lián)鎖壓力。

如圖5所示，現(xiàn)場監(jiān)測的2013年6月13日早晨5點12分左右， 管網(wǎng)壓力控制PC-01出現(xiàn)峰值，反映了與模型預(yù)測的相同的壓力變化趨勢；現(xiàn)場管網(wǎng)安全閥 PSV-01起跳也與圖4模型預(yù)測的結(jié)果一致。

圖5 現(xiàn)場監(jiān)測PC-01趨勢Fig.5 Local monitor controller trend of PC-01

3 結(jié)論

管網(wǎng)研究，應(yīng)首先分析其運(yùn)行工況，工況分析的關(guān)鍵是找出各種運(yùn)行模式下的最大不利影響因素；以此為基準(zhǔn)，檢查已有的控制方案和保護(hù)措施是否能保證管網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行及事故狀態(tài)下能否安全泄放；同時如有必要，需進(jìn)行動態(tài)模擬，以預(yù)測某工況下管網(wǎng)的變化趨勢。

本次動態(tài)模擬，對大流量用戶PP裝置故障時管網(wǎng)壓力和流量變化趨勢進(jìn)行分析。結(jié)果表明， PP界區(qū)閥門XV-02關(guān)閉，管網(wǎng)壓力升高，并在18 s后達(dá)到峰值3.83 MPa，當(dāng)t = 43 min后管網(wǎng)進(jìn)入新的穩(wěn)定狀態(tài)，壓力維持在3.65 MPa；在t = 76.8 s時PSV-01

開至最大。

現(xiàn)有的管網(wǎng)控制策略能夠阻止管網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)生聯(lián)鎖跳停，現(xiàn)有管網(wǎng)安全閥排量能滿足事故工況下管網(wǎng)的泄放要求。但由于模型運(yùn)行管網(wǎng)壓力峰值（3.83 MPa）非常接近聯(lián)鎖值（3.85 MPa），在實際運(yùn)行時有可能發(fā)生聯(lián)鎖，因此建議降低PC-01的壓力設(shè)定值至3.5 MPa，同時建議降低PSV-01的設(shè)定值至3.6 MPa，以在緊急狀況發(fā)生時能給出更長的響應(yīng)時間。

[1]金萍. 化工裝置安全排放系統(tǒng)研究與設(shè)計[D]. 大連：大連理工，2015.

[2]李健. 管網(wǎng)設(shè)計與輸運(yùn)集成優(yōu)化[D]. 大連：大連理工，2015.

[3]游存芳. 聚丙烯過程穩(wěn)態(tài)、動態(tài)建模及分析[D] . 天津：天津大學(xué)，2006.

[4]劉曉婧，周偉國，王海. 燃?xì)夤芫W(wǎng)中大流量用戶事故工況下動態(tài)模擬及分析 [J]，同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，2010，38（8）：1-5.

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Analysis of Accidents Occurred in Propylene Pipeline System under Large Flow Condition and Dynamic Simulation

Gao Biya
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

In extra large petrochemical plant with ethylene cracking equipment as its main construction, propylene pipeline system is one of the most important and complicated pipeline systems. It shall be ensured in safe and reliable operation. With respect to the accident of urgent shut-down for whole plant which was resulted from closing of cut-off valves used in downstream large flow user, various accident conditions were simulated by using static and dynamic processes. The problems were fixed, and the solving measures for safety design of complicated pipeline system were proposed. The method used in this article and the results may be used in diagnosis for complicated in-service pipeline system and also be used for guide of its safety design.

propylene pipeline system; condition analysis; safe relief; dynamic simulation

TQ 221.21+2

A

2095-817X（2016）05-0011-005

2016-06-24

高畢亞（1983—），女，注冊化工工程師，主要從事石油化工裝置工藝設(shè)計。