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基于符號有向圖分析的煉油廠中渣油催化裂化危險與可操作性

2015-08-19 06:48:08IFTIKARMaria翟持孫巍杜增智王健紅
化工進展 2015年4期
關(guān)鍵詞:渣油催化裂化反應器

IFTIKAR Maria,翟持,孫巍,杜增智,王健紅

(1北京化工大學化學工程學院膜分離過程與技術(shù)北京重點實驗室,北京 100029;2北京化工大學過程模擬優(yōu)化中心,北京 100029)

有許多方法可用于化工過程的危險識別和補 救[1],這其中包括危險與可操作性分析(HAZOP)、假設(shè)/驗證分析、故障樹形圖分析(FTA)、故障模式和影響分析(FMEA)。在上述方法中,HAZOP分析被認為是最有效的,也是在過程工業(yè)中應用最廣泛的方法[2]。HAZOP分析通常是由各專業(yè)工程師組成一個專家組完成,從而導致分析成本高、分析周期長。因此,這項技術(shù)要降低成本、時間和精力的需要是顯而易見的。

隨著現(xiàn)代計算機控制系統(tǒng)的出現(xiàn)及其在化工廠的廣泛運用,HAZOP分析的復雜性也增加了。近來發(fā)展出了大量計算機輔助人工HAZOP分析的工具,大致可以分為兩類,即基于知識的模式和基于模型的模式[3]?;谀P偷哪J绞墙⒁粋€現(xiàn)實問題的數(shù)學模型,然后改變操作變量,以得到系統(tǒng)的不同響應?;谥R的模式是將之前的HAZOP分析的結(jié)果和新一輪專家意見組織起來,形成知識庫,以供工廠實時調(diào)用。

渣油催化裂化(RFCC)是煉油工業(yè)的關(guān)鍵過程之一,因而成為關(guān)注和研究的重點。由于RFCC技術(shù)在過去幾十年持續(xù)改進,相應的HAZOP分析也需要不斷更新和改進,因此,這個過程被選為研究對象。此外,本文采用了渣油催化裂化仿真工廠數(shù)據(jù),實踐證明,該仿真工廠很好地還原了實際工藝過程。

許多研究者發(fā)展出各種HAZOP分析工具,McCoy等[4-8]對它們的缺點進行了討論,并提出了自己研發(fā)的危險源識別的工具,即危險識別審查(HAZID)系統(tǒng)。趙勁松等[9]開發(fā)出基于推理的HAZOP分析專家系統(tǒng),稱為PetroHAZOP,使用SDG關(guān)聯(lián)知識庫信息,并能對實際工況進行智能推理,是較之于McCoy的HAZID更為優(yōu)越的輔助工具。關(guān)于利用符號有向圖[10]和分層的符號有向圖[11]輔助HAZOP分析的研究,研究者已經(jīng)做了大量的工作,其中最全面的工作就是嘗試利用SDG對重油催化裂解過程的HAZOP分析進行研究[12-15]。

1 方 法

第一步是選擇工藝流程并劃定系統(tǒng)邊界,以及對特殊單元操作進行評估,第二步是研究操作變量的偏差操作引起控制變量波動,并記錄偏差傳播 路徑,最后一步是基于SDG的危險與可操作性 分析[13]。

隨后介紹渣油催化裂化過程并給出簡化的流程圖,緊接著是本研究中使用的SDG法推理工具的 簡介。

1.1 石油煉化

本文中所選定的煉油廠的生產(chǎn)能力是25萬桶/天。它采用兩種裂化技術(shù),一種是典型的催化裂化反應器(CCR),另一種是更先進的、更高效的渣油催化裂化裝置(RFCC)。本文的重點是RFCC裝置中的反應器和再生器。典型的工藝流程如圖1所示。

渣油催化裂化是高溫和適度的壓力下流態(tài)化催化劑粉末與原料油接觸,將高沸點長鏈烴類液體蒸發(fā)并斷裂成小的、短的分子的過程。如圖2所示是碳鏈長度變化的情況。

2.2 SDG推理工具

基于有向圖的因果模型已經(jīng)被廣泛應用于因果行為的建模過程中。SDG能有效捕捉過程因果關(guān)系的信息,有向符號用以表示影響關(guān)系的方向。SDG借助于一個正向或反向的弧線符號顯示兩個節(jié)點之間的關(guān)系。圖3所示為最簡單的SDG形式。

圖1 渣油催化裂化裝置的簡化流程

圖2 碳鏈在渣油催化裂化過程中的長度變

圖3 簡單SDG示例

圖4 渣油催化裂化反應器和再生器簡化流程

有向弧線從“原因”節(jié)點傳遞至“效果”節(jié)點,而每個節(jié)點代表指定過程變量與正常狀態(tài)的偏差。在 節(jié)點表示系統(tǒng)中的元素,弧線代表系統(tǒng)元素間的關(guān)系。通常符號“+”意味著兩個連接的節(jié)點具有相同的變化趨勢,而符號“-”意味著兩個連接的節(jié)點變化趨勢相反。有時,用一條有向?qū)嵕€取代含有符號“+”的有向弧,而用有向虛線取代含有符號“-”的有向弧。

根據(jù)上述畫圖規(guī)則[12],可以獲得一個流程的SDG圖,并且能給出描述不同節(jié)點關(guān)系的鄰接矩陣。然而,這要求偏差傳播路徑必須先被確定。煉油工藝史上最具災難性的Jaipur (2009)[16]事件、Puerto Rico (2009)事件、Buncefield (2005)[17-18]事件和最近的Amuay(2012)[19]事件,均是由于閥門、泵和管道等設(shè)備出現(xiàn)故障以致?lián)]發(fā)性汽油泄漏或揮發(fā)引起的蒸氣云爆炸所造成的。這些災難事件的發(fā)生都突顯了合適的安全措施與適時的設(shè)備維護的重要性。因此,本文的研究重點集中于可能引起氣、液體泄漏的設(shè)備故障或人為操作誤差的過程參數(shù)偏差上。

2 結(jié)果與討論

圖5 渣油催化裂化反應器和再生器的有向模型圖

石油煉化是一個多裝置相互連接,以達到最終目標的集成系統(tǒng)。然而,煉化的重點核心是渣油催 化裂化裝置,本文的重點也是渣油催化裂化裝置的反應器和再生器單元。圖4是這兩個反應器的簡 化圖。

2.1 基于SDG的危險與可操作性分析

圖5給出偏差傳遞路徑,并且研究和記錄信號間相互影響,實線表示傳播路徑中的正向影響,虛線表示反向影響。在這種情況下,限制開始節(jié)點作為可操作的閥門,將末端節(jié)點作為有毒氣體的流量,這很可能造成運行中的事故。如果起始節(jié)點和結(jié)束節(jié)點任意抽取的話,計算結(jié)果將代表所有類型的每兩個節(jié) 點之間的影響。

圖6 有向模型圖的鄰接矩陣和節(jié)點列表

表1 部分危險與可操作性分析

圖6用一個鄰接矩陣顯示節(jié)點之間的關(guān)系,1表示有影響,0表示沒有影響。

2.2 創(chuàng)新點

表1顯示了在上一節(jié)中利用SDG得出的部分危險與可操作性分析的結(jié)果。利用SDG可以容易地診斷出所有潛在的過程故障,HAZOP分析結(jié)果表明,附著碳焦的催化劑控制閥打開太多會導致更多的焦 炭燃燒,然后再生器中產(chǎn)生的熱量會增加,結(jié)果導致裂解需要更多的熱量,從而導致更多氣體的產(chǎn)生。這反過來會成為一個安全隱患。

這種復雜的路徑幾乎完全不可能由傳統(tǒng)的專家經(jīng)驗定性的分析給出。本文運用基于機理模型的動態(tài)仿真系統(tǒng)對實際的RFCC裝置進行仿真,通過該裝置的操作獲得專家經(jīng)驗(圖5),再運用SDG分析工具對過程變量因果關(guān)系進行推理,推理過程的本質(zhì)是對其所代表的鄰接矩陣操作的過程,形成事故傳播序列,通過篩選后得到HAZOP分析報告(表1)。該過程省去專家會議部分,同時分析結(jié)果的人為失誤也得到避免,極大縮短分析周期,分析結(jié)果便于管理。

3 結(jié) 論

本文首次使用仿真工廠數(shù)據(jù),用SDG推理工具對渣油催化裂化單元裝置的危險與可操作性進行了研究。大量的可用數(shù)據(jù)給危險與可操作性量化研究提供了及時的幫助。然而,本文的討論范圍主要集中在裂化過程中產(chǎn)生的可燃性氣體泄漏引發(fā)的災難性事件的路徑上。隨后,進一步的基于同樣的SDG分析工具對整個裝置進行詳盡的危險與可操作性定量研究將會展開。與專家系統(tǒng)HAZOP相比,本文所用方法在得到更為全面完整結(jié)果的同時,還減少了相當?shù)墓ぷ鲿r間[12-13]。這將使HAZOP研究更為有用地為工廠操作員提供一個定量基準,從而使災難事件的預防工作更為容易。

致謝:特別鳴謝清華大學的趙勁松教授提供了由他的團隊開發(fā)的SDG Inference Engine[10,15,20],為本文構(gòu)建基于SDG的危險與可操作性研究提供了寶貴的支持。

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