田 鋒，朱中正，王 浩，陳翠翠

（蒲城清潔能源化工有限責任公司，陜西 蒲城715500）

蒲城清潔能源化工有限責任公司一期180萬t/a甲醇、70萬t/a聚烯烴項目中，甲醇合成裝置采用英國戴維（Davy）的工藝包，使用甲醇合成塔雙系列并聯(lián)的工藝流程，配套MTO精餾系統(tǒng)、AA級甲醇精餾系統(tǒng)、PSA變壓吸附制氫系統(tǒng)。自2014年11月開車以來，項目運行平穩(wěn)，2019年全年甲醇產(chǎn)量超過215萬t。

甲醇合成裝置中設(shè)計有工藝廢液罐，主要用于收集合成系統(tǒng)運行中多余的甲醇以及系統(tǒng)檢修時排放的廢液，屬于常壓設(shè)備。系統(tǒng)正常運行時，循環(huán)氣壓縮機入口積液包及PSA入口分離器分離出的甲醇液體必須排出系統(tǒng)，即送入工藝廢液罐中，排液時由現(xiàn)場操作工使用手動閥操作。如果操作不當，將壓縮機入口積液包及PSA入口分離器中的液體排空，就可能出現(xiàn)高壓合成氣竄入常壓工藝廢液罐的情況，使得工藝廢液罐發(fā)生泄漏甚至著火爆炸事故，威脅人員及設(shè)備安全。本文分析了甲醇裝置高壓系統(tǒng)排液的必要性及風險，在對多項解決思路的優(yōu)缺點進行分析的基礎(chǔ)上，通過增加緩沖罐，解決了工藝廢液罐超壓的問題。

1 甲醇合成及高壓系統(tǒng)排液工藝流程

1.1 甲醇合成裝置工藝流程

甲醇合成裝置工藝流程示意圖見圖1。

圖1 甲醇合成裝置工藝流程示意圖

從凈化工段來的原料氣（7.1 MPa、30℃）進入甲醇合成界區(qū)后，經(jīng)過原料氣預(yù)熱器及凈化槽后，進入預(yù)反應(yīng)器，進行絕熱反應(yīng)，然后進入甲醇合成塔，完成甲醇合成反應(yīng)。反應(yīng)后的合成氣經(jīng)過空冷器（粗甲醇冷凝器）及水冷器兩級冷卻，再經(jīng)過甲醇分離器進行氣液分離，液相粗甲醇進入MTO級甲醇精餾或者AA級甲醇精餾系統(tǒng)；大部分氣相進入循環(huán)氣壓縮機，返回預(yù)反應(yīng)器入口再循環(huán)反應(yīng)，少部分氣相作為弛放氣進入PSA變壓吸附制氫系統(tǒng)，回收的氫氣一部分送回合成系統(tǒng)繼續(xù)參與反應(yīng)，另一部分送入硫回收、聚丙烯、聚乙烯裝置。

1.2 高壓系統(tǒng)排液去工藝廢液罐流程

甲醇分離器出口氣體會帶有少量的液體（主要為甲醇），一部分會在循環(huán)氣壓縮機入口管線的積液包中逐漸累積，達到一定液位后，通過積液包底部導淋閥排入工藝廢液罐中；另一部分隨著弛放氣帶入PSA變壓吸附裝置，在PSA入口分離器中被分離出來，達到一定液位后，再通過分離器底部導淋閥排入工藝廢液罐中。高壓系統(tǒng)排液流程示意圖見圖2。

圖2 高壓系統(tǒng)排液流程示意圖

系統(tǒng)中還有很多高壓設(shè)備通過導淋閥排液至工藝廢液罐，但其在系統(tǒng)運行時并不使用，僅在系統(tǒng)停車卸壓后使用，無竄壓風險，因此本文不做論述。

2 高壓系統(tǒng)排液的必要性

壓縮機入口氣及PSA入口氣（統(tǒng)稱為循環(huán)氣）中帶液對系統(tǒng)的影響是非常大的：

（1）循環(huán)氣壓縮機入口積液包如果液位過高，會造成壓縮機入口帶液嚴重，對壓縮機葉輪產(chǎn)生沖擊，進而引起壓縮機振動值升高、軸瓦溫度升高等參數(shù)異常，極大地縮短壓縮機的使用壽命。

（2）甲醇隨壓縮機帶入合成系統(tǒng)后，會抑制甲醇合成反應(yīng)，增加副反應(yīng)，甚至可能造成催化劑粉化，導致合成系統(tǒng)工況惡化，縮短催化劑使用壽命。

（3）PSA入口分離器如果液位過高，氣體將液態(tài)甲醇帶入吸附塔中，會使吸附劑中毒，吸附效果變差，長時間運行，甲醇會穿透吸附劑床層，從而使氫氣產(chǎn)品中攜帶甲醇，造成氫氣質(zhì)量不合格，影響聚烯烴裝置運行。

由此可見，必須盡可能地將壓縮機入口積液包及PSA入口分離器中液體分離出去，并使其長期維持在較低液位，以減少氣體帶液。

3 高壓系統(tǒng)排液風險分析

高壓系統(tǒng)排液相關(guān)設(shè)備操作壓力見表1。由表1可以看出，壓縮機入口積液包及PSA入口分離器運行壓力很高，而工藝廢液罐正常為常壓運行，罐內(nèi)通入低低壓氮氣（即0.38 MPa氮氣），維持罐內(nèi)氮氣環(huán)境，多余的氣體從頂部放空管線排出。在壓縮機入口積液包及PSA入口分離器排液過程中，一旦液體排凈，高壓氣體會瞬間竄入工藝廢液罐中，導致廢液罐壓力急劇上升，罐內(nèi)氣體攜帶大量甲醇等液體從高點排氣處噴出，從而發(fā)生人員中毒或著火爆炸事故。

表1 高壓系統(tǒng)排液相關(guān)設(shè)備操作壓力

甲醇合成催化劑從運行初期到末期，系統(tǒng)的副反應(yīng)會逐漸增多，副反應(yīng)產(chǎn)生的石蠟會使甲醇水冷器換熱效果變差，導致甲醇分離器的分離效率降低，循環(huán)氣溫度升高，氣體中攜帶的甲醇越來越多，壓縮機入口積液包及PSA入口分離器的排液頻次也會逐漸增多，因此發(fā)生事故的概率亦會增加。

4 解決思路及措施

4.1 改善排液操作

壓縮機入口積液包及PSA入口分離器導淋均為兩道手動閥，在排液操作時，雙閥輪流打開，每次最大開1/5圈：先開第一道閥1/5圈，再開第二道閥1/5圈，如此循環(huán)直至開度合適，發(fā)現(xiàn)液位下降后立即停止開閥，并密切觀察液位高度，到達低限后立即關(guān)閉手動閥。排液時可通過管道聲音及閥門前后溫度來判斷液位是否排空（管道中有氣體通過時聲音會明顯變大，且閥后的溫度會明顯降低）。

此方法對操作工的技術(shù)要求較高，尺度較難把握，只能作為臨時措施使用。

4.2 增加限流孔板

為防止閥門開度過大使得排液過快、反應(yīng)不及時而導致高壓氣體竄入低壓系統(tǒng)，可在排液導淋手閥后加入限流孔板，將管線流量限定在一個可控的范圍內(nèi)。限流孔板的孔徑可通過系統(tǒng)壓力、排液時間、管徑等進行模擬計算，并參考之前正常排液時的手閥開度，得出一個較適宜的孔徑。

此方法較為簡單，可以降低操作工的操作難度，但要求對限流孔板的孔徑計算和選取必須準確合適，孔徑太大無法起到安全保護的作用，孔徑太小則可能會出現(xiàn)排液速度過慢、管道堵塞等情況。

4.3 增加遠程減壓閥

將導淋手閥改為遠程控制的減壓閥，實現(xiàn)遠程液位自動控制。

此方法是對前兩種方法的結(jié)合改進，既可以解放現(xiàn)場勞動力，又可以通過減壓閥降低排液壓力，保護工藝廢液罐。但當調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障或人為全開時，仍會出現(xiàn)高壓竄低壓導致的工藝廢液罐超壓情況。

4.4 工藝廢液罐的保護

工藝廢液罐設(shè)計為常壓設(shè)備，但其設(shè)計壓力可以達到0.3 MPa，若將其高點放空管線改成安全閥或者單呼閥并卸放至火炬，既可以解決現(xiàn)場放空可能造成的環(huán)境污染，又可以保護設(shè)備不超壓。但是此方法有3個缺陷：一是火炬管線的壓力較高，可能會造成排液導淋排不凈，甚至往回返竄的現(xiàn)象；二是當系統(tǒng)內(nèi)高壓氣體大量放空至火炬時，工藝廢液罐的壓力會隨著火炬管線壓力的升高而升高，仍然有超壓風險；三是工藝廢液罐頂部的廢液泵與罐體的密封形式為填料密封，需要人工壓緊且無固定螺栓，當壓力達到0.1 MPa時，廢液泵填料處會出現(xiàn)微量滲漏，因此工藝廢液罐實際能夠承受的壓力小于0.1 MPa，并不適宜接入火炬。綜合以上所述，此方法并不可行。

可以考慮在工藝廢液罐上增加遠傳壓力表（原設(shè)計僅有現(xiàn)場壓力表），并設(shè)置高報警值，當高壓氣體竄入廢液罐時，其壓力會明顯上升，中央控制室發(fā)現(xiàn)壓力升高或壓力高報警時，可以迅速排查原因，及時關(guān)閉排液閥門，從而防止廢液罐超壓。

4.5 增加緩沖罐

在工藝廢液罐之前增加1個低壓緩沖罐，壓縮機入口積液包及PSA入口分離器導淋排液先進入該緩沖罐，降低壓力，然后再進入工藝廢液罐。改造后排液流程示意圖見圖3。此方法對前幾種解決思路進行了融合及優(yōu)化。在實際應(yīng)用中，當高壓氣體進入緩沖罐時，緩沖罐可以將壓力卸至火炬，使其操作壓力維持在0.03 MPa～0.05 MPa，所有液位均為遠程自動調(diào)節(jié)，降低人為誤操作的概率，從而保證工藝廢液罐的壓力處于安全范圍內(nèi)，實現(xiàn)設(shè)備的本質(zhì)安全。

圖3 改造后排液流程示意圖

5 結(jié) 語

高壓氣體竄入工藝廢液罐并不是其壓力升高的唯一原因，若廢液罐放空管的阻火器堵塞或者低低壓氮氣流量過大，也會造成廢液罐壓力升高，但由于低低壓氮氣最高壓力僅為0.38 MPa，不考慮高壓氣體竄入的情況下，廢液罐壓力最高也僅能達到0.38 MPa，且需要較長的升壓時間（因為阻火器的堵塞是一個緩慢的過程，且低低壓氮氣管線上有限流孔板），因此其后果是可控且較輕的。但如果有高壓氣體竄入，廢液罐壓力會迅速升高，且可能超過設(shè)計壓力，存在物理爆炸的風險，后續(xù)還可能引發(fā)化學爆炸，威脅相鄰裝置，因此必須提前防范。

嚴格來說，從高壓設(shè)備向常壓設(shè)備直接排液應(yīng)屬于一種異常操作，其風險性是非常高的，并不適用于系統(tǒng)運行時的正常操作。此問題出現(xiàn)的主要原因是在原始設(shè)計中未考慮到系統(tǒng)運行時壓縮機入口積液包及PSA入口分離器向工藝廢液罐排液所存在的高壓竄低壓的風險。因此，在新的工藝設(shè)計中，可以結(jié)合HAZOP分析等多種風險分析方法，對工藝流程及操作步驟進行詳細的風險分析，排除所有可能存在的安全風險，從而保證人員及設(shè)備達到本質(zhì)安全。