田 峻

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

動態(tài)模擬可方便地用于工程設(shè)計與生產(chǎn)操作全過程分析，模擬實際裝置運行的動態(tài)特性，從而提高裝置的操作彈性、安全性，已成為提高工藝設(shè)計水平及提升裝置安全運行的一項重要技術(shù)手段［1］。異常工況分析是驗證裝置安全性的重要手段，是檢驗和提升裝置工藝設(shè)計水平及穩(wěn)定操作運行的重要方法［2］，將動態(tài)模擬技術(shù)應(yīng)用于異常工況分析，可對異常工況發(fā)生的全過程進行模擬跟蹤分析，預(yù)判可能產(chǎn)生的風(fēng)險和事故，驗證裝置控制及聯(lián)鎖策略以及事故應(yīng)急處理流程，從而減少或避免事故的發(fā)生，保證裝置平穩(wěn)運行［3-6］。

本工作針對丁二烯尾氣選擇加氫裝置建立了動態(tài)模型，對丁二烯尾氣選擇加氫裝置典型的異常工況進行了模擬，取得了異常工況全過程參數(shù)隨時間變化的動態(tài)響應(yīng)，分析了異常工況中系統(tǒng)狀態(tài)變量隨時間的變化趨勢、原因及可能導(dǎo)致的后果，并針對異常工況提出了改進和預(yù)防措施，以降低裝置運行風(fēng)險。

1 動態(tài)模型的建立

以某石化企業(yè)20 kt/a 丁二烯尾氣選擇加氫裝置為研究對象，該裝置以丁二烯液化尾氣為原料，在裝有催化劑的固定床反應(yīng)器中將原料中炔烴與二烯烴選擇性加氫生成單烯烴，產(chǎn)品中炔烴及二烯烴含量小于30×10-6（w），單烯烴收率大于96%。

本工作首先建立了穩(wěn)態(tài)模型，物性方法采用PENG-ROB 狀態(tài)方程，反應(yīng)器模型采用平推流模型，通過采集實際運行裝置原料及產(chǎn)品大量的分析數(shù)據(jù)和反應(yīng)系統(tǒng)相關(guān)操作參數(shù)進行回歸確定了碳四炔烴、二烯烴及單烯烴與氫氣反應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)，建立了碳四不飽和烴加氫反應(yīng)模型，反應(yīng)器穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果與裝置實際運行結(jié)果一致性較好。在該穩(wěn)態(tài)模型的基礎(chǔ)上通過補充設(shè)備、管道及閥門的尺寸和布置、儀表控制、安全聯(lián)鎖等詳細設(shè)計數(shù)據(jù)完成了動態(tài)模型的建立，通過相關(guān)控制單元對工藝參數(shù)進行調(diào)整，確保運行平穩(wěn)后的動態(tài)模擬結(jié)果與穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果吻合良好，使得動態(tài)模型能夠較好地反映實際裝置運行情況。

2 典型異常工況的模擬研究

2.1 一段氫氣進料量失控

異常工況發(fā)生前，一段反應(yīng)器氫氣進料量為50 kg/h，閥門開度為50%，裝置運行穩(wěn)定。因閥門故障導(dǎo)致閥門全開，一段氫氣進料量突然增加，反應(yīng)系統(tǒng)其余參數(shù)控制不變。圖1 為裝置溫度、組分含量、液位及壓力等參數(shù)隨時間的動態(tài)響應(yīng)曲線。由于進料閥門故障導(dǎo)致閥門全開后，氫氣進料量增加至133 kg/h。

圖1 溫度（a）、組分含量（b）、液位（c）及壓力（d）的響應(yīng)曲線Fig.1 Responsive curves of temperature(a)，component content(b)，liquid level(c) and pressure(d) against operating time.

由圖1 可知，氫氣大量進入反應(yīng)器與單烯烴發(fā)生加氫反應(yīng)，一段反應(yīng)器出口溫度快速上升超過90 ℃，實際生產(chǎn)中反應(yīng)器內(nèi)可能會出現(xiàn)溫度分布不均勻而產(chǎn)生局部熱點，存在觸發(fā)超溫聯(lián)鎖保護措施的可能，但一段反應(yīng)器出口整體溫度會在90 ℃附近。經(jīng)過長時間的反應(yīng)，由于氫氣過量，反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)碳四中的烯烴含量不斷下降，烷烴含量不斷上升，反應(yīng)器出口溫度緩慢降低，當(dāng)單烯烴含量降低到某個臨界點時，反應(yīng)器出口溫度將快速下降恢復(fù)至正常反應(yīng)狀態(tài)。二段反應(yīng)器溫度波動較小，主要是二段反應(yīng)器進料流量波動引起的。異常事故發(fā)生前，一段反應(yīng)器及二段反應(yīng)器液位均為完全浸泡狀態(tài)，氫氣進料量失控后，經(jīng)過一段時間的單烯烴加氫反應(yīng)，反應(yīng)系統(tǒng)中的烯烴含量不斷降低，進入反應(yīng)器的氫氣出現(xiàn)剩余，反應(yīng)器中的碳四被過量的氫氣吹掃至一段緩沖罐中，一段反應(yīng)器液位快速下降，一段緩沖罐、二段緩沖罐及穩(wěn)定塔塔釜液位先后升高，隨后在液位控制器的作用下逐漸恢復(fù)穩(wěn)定。由于氫氣進料調(diào)節(jié)閥失效全開，反應(yīng)系統(tǒng)壓力出現(xiàn)短暫升高，但在壓力控制器的作用下，經(jīng)一段緩沖罐頂向燃料氣系統(tǒng)進行了泄放，壓力逐漸恢復(fù)穩(wěn)定。而當(dāng)反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)單烯烴基本被加氫消耗完時，反應(yīng)系統(tǒng)氫氣大量過剩，反應(yīng)系統(tǒng)壓力突然快速升高，一段緩沖罐頂向燃料氣系統(tǒng)再次泄放，并很快達到了該泄放閥的最大通量，但仍然無法降低反應(yīng)系統(tǒng)壓力。當(dāng)反應(yīng)系統(tǒng)壓力達到了2.6 MPa（表壓，下同）時，碳四循環(huán)泵出口壓力達到了3.2 MPa，達到了碳四冷卻器的設(shè)計壓力，存在超壓的風(fēng)險。通過對一段氫氣進料失控工況進行動態(tài)模擬發(fā)現(xiàn)，該工況導(dǎo)致的后果比較嚴(yán)重，雖然反應(yīng)器出口溫度未達到聯(lián)鎖溫度，但反應(yīng)器內(nèi)的局部熱點可能會觸發(fā)反應(yīng)器的超溫聯(lián)鎖保護措施。同時，在氫氣進料調(diào)節(jié)閥失效全開時反應(yīng)系統(tǒng)極易出現(xiàn)局部超壓引起安全閥泄放的情況，需要提高相關(guān)設(shè)備的設(shè)計壓力，增加反應(yīng)系統(tǒng)壓力超高聯(lián)鎖，及時切斷氫氣及碳四進料。

2.2 碳四進料量失控

異常工況發(fā)生前，稀釋后的丁二烯尾氣原料正常進料量為4.5 t/h，進料閥門開度為50%，裝置運行穩(wěn)定。因閥門故障導(dǎo)致進料閥門全開，碳四進料量突然增加，反應(yīng)系統(tǒng)其余參數(shù)（包括氫氣進料量）控制不變。圖2 為裝置溫度及液位等參數(shù)隨時間的動態(tài)響應(yīng)曲線。由于進料閥門故障導(dǎo)致閥門全開后，進料量增加至10 t/h。由圖2 可知，當(dāng)碳四進料突然增加時，一段反應(yīng)器入口溫度會因為溫度自動控制滯后而略微下降，導(dǎo)致反應(yīng)器出口溫度也略微下降，隨著更多的炔烴及二烯烴進入反應(yīng)器發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)器出口溫度會逐漸升高，但由于氫氣量有限，一段反應(yīng)并不會很激烈，出口溫度最高僅達到59 ℃；由于大量的碳四原料進入一段反應(yīng)系統(tǒng)，在液位控制下，進入二段反應(yīng)器的碳四流量也增加，同樣受到氫氣量不足的限制，反應(yīng)器出口溫度反而下降。若考慮氫氣進料量會隨進料量自動調(diào)整，一段反應(yīng)器出口溫度將會達到70 ℃，仍處于設(shè)計范圍內(nèi)，不存在觸發(fā)超溫聯(lián)鎖的情況。異常工況發(fā)生后，碳四原料罐的液位將快速下降，10 min 后液位便被抽空，進入反應(yīng)系統(tǒng)的碳四原料將中斷，一段緩沖罐由于體積較大，液位變化不明顯，而二段緩沖罐體積較小，且出料量有限，液位將會較快上升，存在滿罐的風(fēng)險。通過對碳四進料失控工況進行動態(tài)模擬發(fā)現(xiàn)，該異常工況對反應(yīng)系統(tǒng)壓力基本無影響，不會觸發(fā)超溫聯(lián)鎖，不存在大的安全風(fēng)險，但進料量的突然增加會導(dǎo)致產(chǎn)品中的炔烴及二烯烴含量上升并超標(biāo)，需要對裝置操作參數(shù)（如配氫量）進行調(diào)整，避免對下游裝置產(chǎn)生影響。

2.3 進料溫度失控

異常工況發(fā)生前，一段反應(yīng)器進料溫度由循環(huán)碳四冷卻器使用循環(huán)水冷卻控制在40 ℃，裝置運行穩(wěn)定。因碳四冷卻器控制閥門故障導(dǎo)致冷卻水全關(guān)，碳四進料溫度突然升高，反應(yīng)系統(tǒng)其余參數(shù)（包括氫氣進料量）控制不變。

圖2 溫度（a）及液位（b）的響應(yīng)曲線Fig.2 Responsive curves of temperature(a) and liquid level(b) against operating time.

圖3 為裝置溫度參數(shù)隨時間的動態(tài)響應(yīng)曲線。由圖3 可知，異常工況發(fā)生后，一段反應(yīng)器入口及出口溫度均快速上升，長時間運行穩(wěn)定后，入口溫度達到78 ℃，出口溫度達到88 ℃。二段反應(yīng)器入口溫度在二段入口冷卻器的控制下基本穩(wěn)定，但出口溫度降低。經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一段反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)整體溫度升高后，一段反應(yīng)系統(tǒng)中炔烴及二烯烴含量上升，原因是反應(yīng)系統(tǒng)溫度升高后，導(dǎo)致隨循環(huán)碳四進入反應(yīng)器內(nèi)的氫氣量減少，從而造成選擇加氫反應(yīng)氫氣量不足。同理，二段反應(yīng)器出口溫度降低也是由于進入反應(yīng)器的氫氣量減少導(dǎo)致有效反應(yīng)變少引起的。通過對進料溫度失控工況進行動態(tài)模擬發(fā)現(xiàn)，該異常工況發(fā)生過程中反應(yīng)系統(tǒng)壓力能夠保持平穩(wěn)，但一段反應(yīng)器反應(yīng)溫度升高幅度較大，存在觸發(fā)超溫聯(lián)鎖保護措施的可能，同時產(chǎn)品中的炔烴及二烯烴含量會上升并超標(biāo)，需要及時切換不合格產(chǎn)品去向，避免對下游裝置產(chǎn)生影響。

圖3 溫度響應(yīng)曲線Fig.3 Responsive curves of temperature against operating time.

2.4 循環(huán)碳四中斷

異常工況發(fā)生前，用于稀釋反應(yīng)器原料及撤走反應(yīng)熱的循環(huán)碳四流量為40 t/h，進料閥門開度為50%，裝置運行穩(wěn)定。因碳四循環(huán)泵故障或碳四循環(huán)流量調(diào)節(jié)閥誤關(guān)閉導(dǎo)致循環(huán)碳四中斷，反應(yīng)系統(tǒng)其余參數(shù)（包括氫氣進料量）控制不變。圖4 為裝置溫度參數(shù)隨時間的動態(tài)響應(yīng)曲線。由圖4 可知，異常工況發(fā)生后，反應(yīng)器入口溫度會逐漸降低至碳四原料罐中碳四進料溫度，但反應(yīng)器出口溫度會快速上升至84 ℃，考慮到循環(huán)碳四中斷后，進入一段反應(yīng)器的碳四量驟減，實際生產(chǎn)中可能會出現(xiàn)溫度分布不均勻從而導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生局部熱點，存在觸發(fā)超溫聯(lián)鎖保護措施的可能，但反應(yīng)器出口整體溫度會在84 ℃附近。二段反應(yīng)器入口溫度在二段入口冷卻器的控制下基本穩(wěn)定，但出口溫度降低。經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一段反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)整體溫度升高后，一段反應(yīng)系統(tǒng)中炔烴及二烯烴含量快速上升，這是因為隨循環(huán)碳四進入反應(yīng)器的氫氣中斷，造成選擇加氫反應(yīng)氫氣量不足。同理，二段反應(yīng)器出口溫度降低也是由于進入反應(yīng)器的氫氣量減少導(dǎo)致的。通過對循環(huán)碳四中斷工況進行動態(tài)模擬發(fā)現(xiàn)，該異常工況導(dǎo)致的后果與進料溫度失控相似，反應(yīng)系統(tǒng)壓力能夠保持平穩(wěn)，一段反應(yīng)器反應(yīng)溫度升高幅度較大，存在觸發(fā)超溫聯(lián)鎖保護措施的可能，產(chǎn)品中的炔烴及二烯烴含量也會上升并超標(biāo)，但該工況中炔烴和二烯烴超標(biāo)的速度和程度會遠高于進料溫度失控工況，需要更及時地切換不合格產(chǎn)品去向，避免對下游裝置產(chǎn)生影響。

圖4 溫度響應(yīng)曲線Fig.4 Responsive curves of temperature against operating time.

2.5 冷卻水中斷

異常工況發(fā)生前，裝置運行穩(wěn)定。因發(fā)生全裝置停水事故，所有使用循環(huán)水的換熱器將失效，主要有碳四冷卻器、二段冷卻器、穩(wěn)定塔塔頂冷凝器等，反應(yīng)系統(tǒng)其余參數(shù)（包括氫氣進料量）控制不變。圖5 為裝置溫度、壓力、進料流量等參數(shù)隨時間的動態(tài)響應(yīng)曲線。由圖5 可知，異常工況發(fā)生后，對于一段反應(yīng)系統(tǒng)，發(fā)生停水事故時與進料溫度失控相似；對于二段反應(yīng)系統(tǒng)，發(fā)生停水事故后一段反應(yīng)產(chǎn)物未經(jīng)冷卻直接進入二段反應(yīng)器，二段反應(yīng)器出口溫度出現(xiàn)較大幅度上升，長時間運行最終觸發(fā)超溫聯(lián)鎖保護措施。發(fā)生停水事故后反應(yīng)系統(tǒng)壓力能夠保持平穩(wěn)，但對于穩(wěn)定塔單元，穩(wěn)定塔塔頂冷凝器無法將塔頂氣相冷凝，產(chǎn)品冷卻器無法將塔側(cè)線采出的氣體冷凝，受限于回流罐頂和產(chǎn)品罐頂壓力調(diào)節(jié)閥排放量的限制，穩(wěn)定塔壓力將快速上升導(dǎo)致穩(wěn)定塔塔頂安全閥起跳泄放，最終穩(wěn)定塔壓力維持在1.2 MPa。異常工況發(fā)生后，裝置排放燃料氣系統(tǒng)的流量最高達到1.2 t/h，裝置內(nèi)安全閥火炬排放量最高達到了3.0 t/h。通過對冷卻水中斷工況進行動態(tài)模擬發(fā)現(xiàn)，該異常工況導(dǎo)致的后果比較嚴(yán)重，反應(yīng)單元兩段反應(yīng)器均存在觸發(fā)超溫聯(lián)鎖保護措施的可能。對于穩(wěn)定塔單元，會出現(xiàn)超壓而引起安全閥起跳的事故，需要增加穩(wěn)定塔壓力超高聯(lián)鎖保護措施，及時切斷塔釜加熱蒸汽，避免超壓。

圖5 溫度（a）、壓力（b）及流量（c）的響應(yīng)曲線Fig.5 Responsive curves of temperature(a)，pressure(b) and flowrate(c) against operating time.

2.6 電力中斷

異常工況發(fā)生前，裝置運行穩(wěn)定。因發(fā)生全裝置停電事故，所有用電設(shè)備將停止運轉(zhuǎn)，即進料泵、循環(huán)泵、穩(wěn)定塔回流泵都將停止運轉(zhuǎn)，反應(yīng)系統(tǒng)其余參數(shù)（包括氫氣進料量）控制不變。圖6 為裝置溫度、液位、壓力、流量等參數(shù)隨時間的動態(tài)響應(yīng)曲線。

圖6 溫度（a）、液位 （b）、壓力（c）及流量（d）的響應(yīng)曲線Fig.6 Responsive curves of temperature(a)，liquid level(b)，pressure(c) and flowrate(d) against operating time.

由圖6 可知，發(fā)生全裝置停電事故后，一段反應(yīng)器液相進料停止，僅氫氣原料進入反應(yīng)器與反應(yīng)器內(nèi)剩余的碳四烯烴發(fā)生加氫反應(yīng)，反應(yīng)器出口溫度迅速升高至接近80 ℃，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)剩余碳四烯烴因反應(yīng)消耗完后，反應(yīng)器出口溫度逐漸降低至氫氣來源溫度25 ℃。由于二段反應(yīng)器為鼓泡床反應(yīng)器，碳四原料從反應(yīng)器底部進入，進料中斷后氫氣繼續(xù)進入反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)繼續(xù)發(fā)生加氫反應(yīng)但熱量無法轉(zhuǎn)移出去，反應(yīng)器出口溫度持續(xù)緩慢上升，最終將觸發(fā)超溫聯(lián)鎖保護措施。發(fā)生全裝置停電事故后，由于從反應(yīng)系統(tǒng)去碳四原料罐的稀釋碳四并未中斷（采用壓差輸送），一段緩沖罐的液位持續(xù)下降，碳四原料罐的液位不斷上升至滿罐導(dǎo)致安全閥起跳，當(dāng)一段緩沖罐液位降低至0 后發(fā)生從反應(yīng)系統(tǒng)向碳四原料罐的氫氣高壓串低壓事故，再次導(dǎo)致碳四原料罐頂安全閥起跳，泄放量達到5.5 t/h。裝置發(fā)生全裝置停電事故一段時間內(nèi)，反應(yīng)系統(tǒng)壓力及碳四原料罐壓力基本穩(wěn)定，穩(wěn)定塔壓力逐漸降低至與產(chǎn)品罐壓力一致。當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)剩余的碳四烯烴反應(yīng)完后氫氣量開始過剩，在反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)累積造成反應(yīng)系統(tǒng)壓力上升，當(dāng)一段緩沖罐液位變空，串壓至碳四原料罐，反應(yīng)系統(tǒng)壓力開始降低。碳四原料罐在發(fā)生滿罐和串壓后壓力均出現(xiàn)超壓引起安全閥起跳泄放。通過對停電工況進行動態(tài)模擬發(fā)現(xiàn)，該工況導(dǎo)致的后果較為嚴(yán)重，二段反應(yīng)器存在觸發(fā)超溫聯(lián)鎖保護措施的可能，且可能會發(fā)生高壓串低壓事故，存在較大的安全隱患。為降低裝置運行風(fēng)險，在裝置設(shè)計方面需要增加一段緩沖罐液位低聯(lián)鎖保護措施，當(dāng)一段緩沖罐液位低時及時切斷去碳四原料罐的稀釋碳四，停止氫氣及碳四進料，做到從根源上保護裝置安全運行，避免高壓串低壓事故的發(fā)生。同時，碳四原料罐安全閥設(shè)計應(yīng)考慮該工況的發(fā)生，確保安全閥額定泄放量能夠滿足泄放要求。

3 結(jié)論

1）建立了丁二烯尾氣選擇加氫裝置動態(tài)模型，模擬了典型的六種異常工況，獲得了異常工況全過程中裝置主要操作參數(shù)隨時間變化的響應(yīng)曲線，分析了異常工況發(fā)生的過程、產(chǎn)生的風(fēng)險和影響。

2）模擬結(jié)果表明，六種異常工況發(fā)生均會對裝置運行產(chǎn)生較大影響，其中氫氣進料量失控工況、冷卻水中斷工況及電力中斷工況對裝置運行影響相對較大，存在超溫或超壓的風(fēng)險，需要完善裝置設(shè)計以提高裝置抵抗異常工況的能力，降低運行風(fēng)險。

3）針對典型的異常工況可能發(fā)生的風(fēng)險和影響，從裝置設(shè)計及運行方面提出了優(yōu)化改進措施，避免裝置超溫或超壓情況的發(fā)生，有效提高了裝置抵抗異常工況的能力，降低了裝置運行風(fēng)險。

4）采用動態(tài)模擬技術(shù)對異常工況進行模擬研究，可驗證、指導(dǎo)和優(yōu)化裝置設(shè)計和生產(chǎn)運行，是檢驗和提升裝置設(shè)計及安全運行的一項重要技術(shù)手段，對工藝技術(shù)開發(fā)和生產(chǎn)運行方案的制定具有較好的指導(dǎo)意義。