遠(yuǎn)戰(zhàn)紅，張建華，張方方，馬智超，高中金

(1.中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086；2.中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司)

高完整性保護(hù)系統(tǒng)(HIPS)是廣義的高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)(HIPPS)[1],可防止目標(biāo)設(shè)備或管道超壓,減少火炬排放。HIPS與其他控制系統(tǒng),如緊急停車系統(tǒng)(ESD)、分散控制系統(tǒng)(DCS)等互不干擾。而且,與ESD、DCS相比,HIPS具有更高的安全性和可靠性,但其相應(yīng)投資和維護(hù)成本也會(huì)增加[2]。

API 521—2014附錄E對(duì)HIPS的應(yīng)用場(chǎng)景、應(yīng)用要點(diǎn)和使用程序進(jìn)行了討論[3]。英國(guó)技術(shù)調(diào)查顧問(wèn)公司Technavio評(píng)估認(rèn)為,HIPPS全球應(yīng)用市場(chǎng)在2021—2025年會(huì)有6%的年增長(zhǎng)率,到2025年將達(dá)到8 660萬(wàn)美元的市場(chǎng)規(guī)模,市場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)展的主要原因在于中游基礎(chǔ)設(shè)施的增加以及越來(lái)越嚴(yán)苛的法律法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。基于HIPS的特點(diǎn),其多被用在火炬排放系統(tǒng)上,以在特殊情況時(shí)降低物料損失并減少對(duì)環(huán)境的影響。

作為煉化一體化企業(yè)的核心裝置,芳烴聯(lián)合裝置的火炬排放對(duì)全廠火炬系統(tǒng)有很大影響[4]。因此,以吸附法芳烴聯(lián)合裝置為例(下稱舉例裝置),針對(duì)其二甲苯塔、抽余液塔、抽出液塔、重整油分餾塔開(kāi)展火炬減排優(yōu)化。舉例裝置為新建單系列1.5 Mt/a對(duì)二甲苯裝置,其公用工程依托企業(yè)原有設(shè)施。在全廠停電工況下(GPF),原有火炬的接收允許值為500 t/h,明顯不能滿足新建裝置的排放需求。因此,采用有效措施優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,降低GPF火炬排放量勢(shì)在必行。

1 HIPS在舉例裝置中的應(yīng)用

HIPS是一種主動(dòng)防御系統(tǒng),一般由傳感器組、邏輯控制器和執(zhí)行元件等組成[5]。在裝置正常運(yùn)行時(shí),該系統(tǒng)處于監(jiān)控狀態(tài),不參與過(guò)程控制;當(dāng)裝置達(dá)到臨界危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí),HIPS會(huì)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作[6]。根據(jù)實(shí)際需求,HIPS一般在設(shè)備塔的塔頂設(shè)置獨(dú)立的三取二聯(lián)鎖裝置。當(dāng)該聯(lián)鎖裝置被觸發(fā)后,HIPS會(huì)切斷全塔的熱量輸入,以降低安全閥的開(kāi)啟頻次或不啟動(dòng)安全閥,從而減少了火炬排放或錯(cuò)峰排放[7]。基于HIPS的特殊性,與安全儀表系統(tǒng)(SIS)相關(guān)的儀表安全完整性等級(jí)(SIL)需滿足相應(yīng)的安全評(píng)估要求,如表1所示[3]。

表1 安全完整性等級(jí)和有效性[3]

舉例裝置屬大型芳烴聯(lián)合裝置,根據(jù)各精餾塔火炬排放量的大小及重要程度,分析了GPF時(shí)火炬排放特點(diǎn),實(shí)施相應(yīng)的減排措施。減排措施不考慮全廠裝置最大排放量的疊加,不考慮互不關(guān)聯(lián)的兩種事故同時(shí)發(fā)生[8]。此外,鑒于火災(zāi)不是由這些塔的排放所致,因此也不考慮火災(zāi)情況。

1.1 二甲苯塔排放的優(yōu)化

二甲苯塔是舉例裝置中的核心設(shè)備之一,塔頂和塔底分別與抽余液塔、抽出液塔等熱聯(lián)合集成,以提高熱利用效率[4]。二甲苯塔的設(shè)計(jì)對(duì)比見(jiàn)表2。從表2可以看出,不同芳烴聯(lián)合裝置二甲苯塔的設(shè)計(jì)理念不盡相同,其火炬減排方案也有差異;舉例裝置基于火炬減排的考慮,采用1臺(tái)二甲苯塔配置3臺(tái)塔底重沸爐的設(shè)計(jì)方案。

表3為常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)舉例裝置的火炬排放情況。由表3可以看出,采用常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí),3種故障工況下,二甲苯塔排放負(fù)荷對(duì)舉例裝置火炬負(fù)荷的貢獻(xiàn)均最大,且遠(yuǎn)超原有火炬的承載能力。因此,首先要對(duì)二甲苯塔應(yīng)用HIPS,以消減其火炬排放。

表3 采用常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)各設(shè)備塔的排放負(fù)荷

當(dāng)發(fā)生超壓故障時(shí),二甲苯塔HIPS的聯(lián)鎖動(dòng)作是切斷塔的進(jìn)料、關(guān)閉重沸器熱源或切斷重沸介質(zhì)、停止重沸爐泵。不同安全設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)降低系數(shù)如表4所示。

表4 不同安全設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)降低系數(shù)[9]

由表4可以看出,SIL2的風(fēng)險(xiǎn)降低系數(shù)和壓力泄放設(shè)施(安全閥)的風(fēng)險(xiǎn)降低系數(shù)相當(dāng),而SIL3風(fēng)險(xiǎn)降低系數(shù)顯著高于安全閥的風(fēng)險(xiǎn)降低系數(shù)?；谌哂嘣瓌t,應(yīng)優(yōu)先選擇使用SIL3等級(jí)安全設(shè)施,而不是SIL2[8]。

二甲苯塔應(yīng)用HIPS時(shí)需要假定的前提條件為:

①應(yīng)用HIPS前的3種故障只單獨(dú)發(fā)生1次。

②應(yīng)用HIPS后只發(fā)生“單一SIS的一次故障”,即SIS不會(huì)同時(shí)發(fā)生多點(diǎn)故障。

③單臺(tái)重沸爐停止運(yùn)行后仍有20%的余熱繼續(xù)釋放。

為保證儀表獨(dú)立可靠性,SIS信號(hào)不允許多點(diǎn)共用或多點(diǎn)輸出,因此需在二甲苯塔塔頂設(shè)置3套獨(dú)立的壓力監(jiān)測(cè)儀表(2oo3),分別聯(lián)鎖3臺(tái)加熱爐,互相不交叉和干擾,見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 二甲苯塔塔頂壓力高高(超高)報(bào)警聯(lián)鎖配置2oo3—三取二聯(lián)鎖; PT—壓力變送器; IS—邏輯判斷is-stop(如果是,則輸出停車信號(hào))

圖2 二甲苯塔塔頂壓力高高報(bào)警聯(lián)鎖塔底再沸爐

二甲苯塔的供熱系統(tǒng)龐大且復(fù)雜,當(dāng)HIPS發(fā)出聯(lián)鎖指令后,加熱爐立即停止運(yùn)行,但加熱爐爐膛溫度不能快速下降,仍有20%余熱繼續(xù)釋放(假定前提條件③),導(dǎo)致二甲苯塔的壓力繼續(xù)升高。經(jīng)計(jì)算,二甲苯加熱爐爐管總?cè)莘e約為550 m3,加熱爐聯(lián)鎖停止運(yùn)行后,余熱釋放最高可使二甲苯塔的壓力升到1.40 MPa。如果塔頂安全閥的設(shè)定值大于該值,則安全閥不會(huì)起跳?；谶@一結(jié)果和單一SIS故障風(fēng)險(xiǎn),二甲苯塔實(shí)施HIPS后還要考慮如下兩點(diǎn):

(1)二甲苯塔的操作壓力、HIPS聯(lián)鎖設(shè)定值、安全閥的設(shè)定值應(yīng)依次拉開(kāi)差距,同時(shí)將安全閥設(shè)定為分級(jí)起跳(一級(jí)起跳2臺(tái),二級(jí)起跳3臺(tái)),由此形成梯度控制,以實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰排放。具體為,可設(shè)定為二甲苯塔正常操作壓力(1.23 MPa)

表5 優(yōu)化后故障時(shí)二甲苯塔的排放負(fù)荷

(2)二甲苯塔回流泵、抽余液塔回流泵、以及除氧水泵增加應(yīng)急電源。舉例裝置中,這3個(gè)泵為一級(jí)負(fù)荷,但未達(dá)到特別重要負(fù)荷的程度[10]?？紤]到應(yīng)急設(shè)施有增強(qiáng)裝置風(fēng)險(xiǎn)控制能力的作用,因而擬選擇2種應(yīng)急方案進(jìn)行研究:設(shè)置應(yīng)急柴油機(jī)組或3.5 MPa蒸汽驅(qū)動(dòng);但由于設(shè)備響應(yīng)速率、投資、維護(hù)成本以及可靠性等問(wèn)題,最終并未得到投資委員會(huì)的批準(zhǔn)。進(jìn)一步研究認(rèn)為,應(yīng)急措施雖能規(guī)避GPF工況,但其與HIPS目標(biāo)一致、功能重疊,所以經(jīng)ALARP(As Low As Reasonably Practicable)進(jìn)一步評(píng)估,不再設(shè)置。

1.2 抽出液塔排放的優(yōu)化

二甲苯塔設(shè)置HIPS后,抽出液塔成為火炬排放的主要貢獻(xiàn)者,最大負(fù)荷為280 t/h(表3),因而也需要對(duì)抽出液塔應(yīng)用HIPS,并聯(lián)鎖關(guān)閉塔底再沸器的熱源(來(lái)自二甲苯塔塔頂?shù)臒嵊蜌?,以切斷塔的熱輸入。抽出液塔應(yīng)用HIPS情況見(jiàn)圖3,應(yīng)用HIPS后的抽出液塔負(fù)荷見(jiàn)表6。

圖3 抽出液塔應(yīng)用HIPS示意UV—切斷閥門; FC—故障關(guān)閉

表6 抽出液塔應(yīng)用HIPS后的負(fù)荷

2 全廠停電工況優(yōu)化

GPF為全廠性問(wèn)題,且全廠有同時(shí)向火炬排放的可能。舉例裝置依托原有火炬系統(tǒng),雖然二甲苯塔、抽出液塔已進(jìn)行了HIPS優(yōu)化,但仍不能滿足GPF情況全廠原有火炬系統(tǒng)接收允許值500 t/h的要求,所以需要進(jìn)一步對(duì)抽余液塔和重整油分餾塔進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 GPF時(shí)火炬排放量?jī)?yōu)化的假設(shè)前提條件

(1)依賴電力系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)失效(空冷系統(tǒng))。

(2)蒸汽系統(tǒng)能穩(wěn)定使用一段時(shí)間。

(3)對(duì)于再沸器,應(yīng)考慮實(shí)際壓力的提高會(huì)產(chǎn)生夾點(diǎn)逼近效應(yīng)。

(4)對(duì)于重沸爐,電力驅(qū)動(dòng)的重沸爐泵將跳閘,加熱爐停運(yùn)后仍有20%余熱繼續(xù)釋放。

(5)基于熱聯(lián)合,假定在線的水基冷凝器都能正常運(yùn)行。

(6)電力驅(qū)動(dòng)的進(jìn)料泵和回流泵跳閘停運(yùn)。

(7)生產(chǎn)負(fù)荷不增加。

2.2 抽余液塔火炬排放的優(yōu)化

采用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)抽余液塔的排放進(jìn)行優(yōu)化。夾點(diǎn)技術(shù)是計(jì)算化工過(guò)程熱交換的有效方法,主要通過(guò)冷、熱物流的溫-焓復(fù)合曲線(T-H)來(lái)找到夾點(diǎn)[11],其核心在于計(jì)算兩種流體在傳熱過(guò)程中的對(duì)數(shù)平均溫差(LMTD),LMTD越大,換熱效果越差。

分析發(fā)現(xiàn),抽余液塔的再沸熱源有一股來(lái)自二甲苯塔塔頂熱油氣,其依靠壓力輸送,停電時(shí)不會(huì)中斷。當(dāng)GPF發(fā)生時(shí),為維持二甲苯塔塔頂?shù)恼＠淠?抽余液塔需要吸收上述熱流股的熱量,因而不允許HIPS切斷此熱流股。在此熱流股加熱下,抽余液塔壓力會(huì)升高,致使塔內(nèi)各物料泡點(diǎn)均升高,隨著壓力持續(xù)升高,泡點(diǎn)較高的對(duì)二乙基苯首先停止汽化(夾點(diǎn)逼近),此時(shí)火炬排放量降低到27 t/h。經(jīng)核算,操作壓力達(dá)到0.23 MPa即可滿足要求。可見(jiàn),通過(guò)夾點(diǎn)設(shè)計(jì),既保證抽余液塔能繼續(xù)吸收來(lái)自二甲苯塔塔頂?shù)臒崃?又降低了抽余液塔的火炬排放量。

2.3 重整油分餾塔排放優(yōu)化

在GPF發(fā)生時(shí),重整油分餾塔回流中斷,分餾塔溫度和壓力會(huì)在二甲苯塔塔頂熱油氣(壓力輸送)的加熱下升高,因此需要對(duì)重整油分餾塔應(yīng)用HIPS,即在其塔頂配置壓力三取二聯(lián)鎖回路,聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)料換熱器熱源和塔底再沸器熱源,如圖4～圖6所示。應(yīng)用HIPS后,重整油分餾塔壓力實(shí)現(xiàn)前饋控制,安全閥無(wú)動(dòng)作,因而沒(méi)有排放。

圖4 重整油分餾塔塔頂壓力高高三取二聯(lián)鎖

圖5 聯(lián)鎖動(dòng)作一:切斷重整油分餾塔進(jìn)料換熱器熱源

圖6 聯(lián)鎖動(dòng)作二:切斷重整油分餾塔塔底再沸器熱源

重整油分餾塔的排放負(fù)荷見(jiàn)表7。由表7可知,當(dāng)SIS發(fā)生故障時(shí)重整油分餾塔的排放量為335 t/h。因此,當(dāng)GPF發(fā)生時(shí),二甲苯塔的最大排放量為282 t/h(表5),抽出液塔的排放量為0(表6),重整油分餾塔的排放量為335 t/h。根據(jù)假定前提條件②,不同的塔不同時(shí)發(fā)生多點(diǎn)故障,選取3塔排放負(fù)荷的最大值335 t/h。此時(shí),舉例裝置的總火炬排放量降低到438 t/h,滿足了GPF時(shí)火炬排放量不高于500 t/h的要求。

表7 GPF時(shí)重整油分餾塔優(yōu)化前后的裝置排放負(fù)荷

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)舉例裝置的二甲苯塔、抽出液塔、重整油分餾塔應(yīng)用HIPS系統(tǒng),以及對(duì)抽余液塔采用夾點(diǎn)技術(shù)逼近設(shè)計(jì),最終將全廠停電情況下的火炬總排放量由3 790 t/h降到438 t/h,滿足了火炬的接收允許要求。

由優(yōu)化結(jié)果可以看出,HIPS系統(tǒng)是主動(dòng)式防御,比被動(dòng)式安全措施具有更高的實(shí)用性[12],對(duì)GPF工況下降低物料損失和減少環(huán)境影響起到重要作用,對(duì)類似裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化和安全運(yùn)行具有參考意義。