祝磊晶

(上海作本化工科技有限公司，上海 201199)

危險(xiǎn)與可操作性分析(即HAZOP分析)是英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工程公司(ICI)于20世紀(jì)60年代開(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)分析方法。HAZOP分析由各個(gè)專業(yè)具有不同知識(shí)背景的人員所組成的分析組一起進(jìn)行,這樣的工作模式比他們獨(dú)自工作更具有創(chuàng)造性和系統(tǒng)性，能識(shí)別更多的問(wèn)題[1]。Aspen Plus軟件可以對(duì)單個(gè)設(shè)備進(jìn)行模擬，也可以對(duì)一整套工藝流程進(jìn)行模擬計(jì)算。開(kāi)展流程模擬的方法包括輸入物料組分、搭建工藝流程模型、選擇合適的物性方程、模擬流程計(jì)算、模擬錯(cuò)誤修復(fù)、結(jié)果查詢等一系列操作[2]，其自帶的各種物質(zhì)的物性數(shù)據(jù)庫(kù)較全，可滿足絕大多數(shù)工藝過(guò)程的模擬要求[3]。某企業(yè)乙二醇(以下簡(jiǎn)稱EG)裝置的HAZOP分析團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行場(chǎng)景分析討論過(guò)程中，分析成員無(wú)法直觀分析出EG反應(yīng)器安全閥的起跳工況。因此HAZOP分析團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用Aspen Plus進(jìn)行場(chǎng)景模擬計(jì)算與HAZOP分析相結(jié)合，來(lái)定量分析危險(xiǎn)場(chǎng)景。

1 EG裝置簡(jiǎn)介及工藝描述

1.1 EG裝置簡(jiǎn)介

我國(guó)從1970年開(kāi)始引進(jìn)EG生產(chǎn)裝置。EG生產(chǎn)裝置采用氧氣法，乙烯直接氧化生產(chǎn)環(huán)氧乙烷(以下簡(jiǎn)稱EO)，EO再經(jīng)水合生產(chǎn)EG。EG裝置的原料和中間產(chǎn)品易燃易爆、有毒有害。因此，企業(yè)對(duì)該類裝置的運(yùn)行安全十分重視，普遍推行現(xiàn)代安全管理模式，對(duì)裝置采用多種系統(tǒng)安全分析評(píng)價(jià)方法，分析裝置潛在的安全隱患和發(fā)生事故的危害程度[4]。

1.2 EG裝置工藝描述

EG反應(yīng)是在液相中發(fā)生的。工藝?yán)淠杭尤隕O水溶液，混合后至反應(yīng)器預(yù)熱器，此時(shí)混合后的EO水溶液中，水與EO的質(zhì)量比為11.5∶1，已經(jīng)開(kāi)始了反應(yīng)，但溫度較低，反應(yīng)緩慢。柱塞流反應(yīng)器提供所需的停留時(shí)間，以完成EO的水解反應(yīng)。反應(yīng)器中，EO和水在絕熱條件下進(jìn)行反應(yīng)。通過(guò)使用第一、第二和第三水合反應(yīng)預(yù)熱器，反應(yīng)器入口溫度可以達(dá)到190 ℃，在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間超過(guò)3 min，在此過(guò)程中，超過(guò)99.999%的EO將被水解。為了避免湍流，物料需要保證柱塞流流過(guò)反應(yīng)器，以避免返混而導(dǎo)致二乙二醇(DEG)、三乙二醇(TEG)等副產(chǎn)物生成。反應(yīng)器產(chǎn)物分布取決于反應(yīng)器進(jìn)料中 EO、EG、DEG 等的濃度。該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，含有過(guò)量水和EG的產(chǎn)物在約221 ℃時(shí)離開(kāi)反應(yīng)器。反應(yīng)過(guò)程中，壓力始終保持在3.3 MPa以上，在該壓力及190 ℃的溫度下，EO水溶液處于液相。要避免在反應(yīng)器中出現(xiàn)氣相，因?yàn)镋O蒸汽會(huì)穿過(guò)反應(yīng)器而基本不發(fā)生反應(yīng)(見(jiàn)圖1)。

圖1 EG反應(yīng)單元示意

2 HAZOP分析

該裝置HAZOP分析的其中一個(gè)偏離是“EG反應(yīng)器壓力高”，由于EG反應(yīng)器出口的安全閥整定壓力為5.2 MPa，該壓力較操作壓力(3.3 MPa)高出約2 MPa。為了研究該安全閥的作用，在分析“EG反應(yīng)器壓力高”這個(gè)場(chǎng)景的原因時(shí)，討論出以下兩種危險(xiǎn)場(chǎng)景：(1)EG反應(yīng)器出口壓控閥關(guān)?。?2)反應(yīng)系統(tǒng)溫度過(guò)高。HAZOP分析小組針對(duì)這兩個(gè)危險(xiǎn)場(chǎng)景，引導(dǎo)裝置的工藝、生產(chǎn)、設(shè)備、儀表、安全等HAZOP分析小組成員，開(kāi)展了全面的分析，對(duì)“EG反應(yīng)器出口壓控閥關(guān)小”、“系統(tǒng)溫度過(guò)高”這兩種危險(xiǎn)場(chǎng)景，提出了4種具體場(chǎng)景發(fā)生的可能，并一一列舉、推演、計(jì)算、討論。

2.1 EG反應(yīng)器出口壓控閥關(guān)小

在HAZOP分析過(guò)程中，生產(chǎn)專家提出，如果該系統(tǒng)超壓，可能由于反應(yīng)器壓力控制回路故障，使出口壓力控制閥門關(guān)小或全關(guān)，反應(yīng)器出口到下游分離系統(tǒng)只有這一條通道，因此會(huì)造成反應(yīng)系統(tǒng)憋壓。在這種場(chǎng)景下，上游輸送泵最大出口壓力就是反應(yīng)系統(tǒng)的最高壓力。針對(duì)這一場(chǎng)景，查閱了反應(yīng)系統(tǒng)上游兩臺(tái)泵的設(shè)備資料，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)上游的兩臺(tái)泵的出口壓力(設(shè)計(jì)出口壓力)均為5.0 MPa，反應(yīng)器的設(shè)計(jì)壓力為5.2 MPa。如果反應(yīng)器壓力控制回路故障，使出口壓力控制閥門關(guān)小或全關(guān)造成系統(tǒng)憋壓，根據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)文件判斷，這兩臺(tái)泵無(wú)法將該系統(tǒng)的壓力提升至反應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力以上。因此，對(duì)于EG反應(yīng)器出口壓控閥關(guān)小這一初始原因來(lái)說(shuō)，該設(shè)計(jì)為本質(zhì)安全設(shè)計(jì)。

2.2 反應(yīng)系統(tǒng)溫度過(guò)高

在HAZOP分析中，工藝、生產(chǎn)人員判斷，若EG反應(yīng)器系統(tǒng)溫度過(guò)高，超過(guò)了混合介質(zhì)在實(shí)際壓力下的氣化溫度，則系統(tǒng)內(nèi)未反應(yīng)的EO水溶液會(huì)迅速氣化，使反應(yīng)系統(tǒng)壓力快速上升，造成系統(tǒng)超壓的危險(xiǎn)場(chǎng)景。經(jīng)團(tuán)隊(duì)討論，可能造成反應(yīng)系統(tǒng)溫度過(guò)高的場(chǎng)景，有以下3個(gè)原因：(1)EO水溶液預(yù)熱蒸汽流量過(guò)大；(2)預(yù)熱蒸汽的高壓蒸汽減溫減壓器故障開(kāi)大；(3)工藝凝液泵故障停泵。HAZOP分析團(tuán)隊(duì)成員就上述3種可能造成反應(yīng)系統(tǒng)溫度過(guò)高的危險(xiǎn)場(chǎng)景，開(kāi)展了相關(guān)討論和分析，并結(jié)合Aspen Plus軟件進(jìn)行相應(yīng)的模擬計(jì)算，得到以下3個(gè)場(chǎng)景的分析結(jié)果。

2.2.1 EO水溶液預(yù)熱蒸汽流量過(guò)大

在針對(duì)該危險(xiǎn)場(chǎng)景的HAZOP分析過(guò)程中，工藝工程師在描述該反應(yīng)工藝原理的時(shí)候，表明該反應(yīng)需要作為原料的EO水溶液在進(jìn)入反應(yīng)器前，必須處于液相，因?yàn)镋O和水只有全部處于液相時(shí)，才能進(jìn)行反應(yīng)，故將EG反應(yīng)器的反應(yīng)壓力控制在3.3～3.6 MPa，此時(shí)對(duì)應(yīng)的混合物在190 ℃時(shí)為純液相。為了了解在這個(gè)壓力范圍內(nèi)，EO水溶液的混合組分氣化溫度，利用Aspen Plus軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，得知該EO水溶液的混合組分要達(dá)到220 ℃才會(huì)氣化(參見(jiàn)圖2溶液氣化率曲線圖，該圖表示的是水和EO的質(zhì)量比為11.5∶1時(shí)的溶液氣化率曲線)。

圖2 溶液氣化率曲線

根據(jù)設(shè)計(jì)文件以及分散控制系統(tǒng)(DCS)操作數(shù)據(jù)分析，3臺(tái)預(yù)熱器中，加熱介質(zhì)溫度最高的為2.5 MPa的中壓蒸汽，該蒸汽的溫度為226 ℃，即便是與EO水溶液進(jìn)行完全換熱，也只能使水溶液剛剛開(kāi)始?xì)饣?，無(wú)法達(dá)到超壓工況。

2.2.2 高壓蒸汽減溫減壓器故障開(kāi)大

在HAZOP分析過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)2.5 MPa中壓蒸汽為高壓蒸汽減溫減壓而來(lái)，高壓蒸汽溫度為375 ℃。根據(jù)Aspen Plus軟件計(jì)算得出，該EO水溶液在245 ℃下，全部氣化(見(jiàn)圖2)，且壓力可以達(dá)到5.14 MPa(見(jiàn)圖3，該圖表示的是水和EO的質(zhì)量比為11.5∶1時(shí)飽和蒸氣壓隨溫度變化的曲線)。查看安全閥整定記錄清單后，得知該安全閥整定壓力為5.2 MPa。在高壓蒸汽減溫減壓器故障開(kāi)大時(shí)，會(huì)使系統(tǒng)內(nèi)EO水溶液溫度過(guò)高，造成水溶液大量氣化超壓的場(chǎng)景。此時(shí)，安全閥可以起到相應(yīng)的保護(hù)作用。

圖3 不同溫度下EO水溶液飽和蒸氣壓變化曲線

2.2.3 工藝凝液泵故障停

該反應(yīng)過(guò)程的原料有兩路：一路是EO水溶液，流量為71 t/h；另一路是工藝凝液(水)，進(jìn)料流量為444 t/h。兩路物料混合后，進(jìn)入3臺(tái)預(yù)熱器進(jìn)行加熱。根據(jù)設(shè)計(jì)工況，確認(rèn)混合后EO水溶液中水與EO的質(zhì)量比為11.5∶1，計(jì)算得出水的質(zhì)量流量為473 t/h，EO的質(zhì)量流量為42 t/h。在HAZOP分析時(shí)，分析小組對(duì)工藝凝液泵故障停的場(chǎng)景進(jìn)行探討，發(fā)現(xiàn)此時(shí)EO水溶液中水與EO的質(zhì)量比瞬間從11.5∶1降低到0.69∶1，也就是從水過(guò)量的工況轉(zhuǎn)變?yōu)镋O過(guò)量的工況。利用Aspen Plus軟件進(jìn)行計(jì)算，HAZOP分析團(tuán)隊(duì)得知在180 ℃下，水與EO比值為0.69的水溶液的飽和蒸氣壓已達(dá)到5.2 MPa,具體見(jiàn)表1(水與EO質(zhì)量比為7∶10(即0.69∶1)時(shí)不同溫度下的飽和蒸氣壓對(duì)照表)，而中壓蒸汽溫度高達(dá)226 ℃。因此，HAZOP分析小組判斷EG反應(yīng)器的安全閥，在工藝凝液泵故障停止而造成EO水溶液急劇氣化超壓的場(chǎng)景下，可以起到保護(hù)作用。

表1 EO水溶液不同溫度下的飽和蒸氣壓

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)EG反應(yīng)器出口壓控閥關(guān)小、EO水溶液預(yù)熱蒸汽流量過(guò)大、預(yù)熱蒸汽的高壓蒸汽減溫減壓器故障開(kāi)大、工藝凝液泵故障停泵這4種場(chǎng)景的分析，以及對(duì)上述場(chǎng)景的模擬計(jì)算，HAZOP分析成員一致認(rèn)為EG反應(yīng)器的安全閥，主要在以下場(chǎng)景中可以起到保護(hù)作用：(1)高壓蒸汽減溫減壓器故障開(kāi)大，原料加熱蒸汽溫度上升，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)EO水溶液溫度過(guò)高，造成水溶液大量氣化超壓的場(chǎng)景；(2)工藝凝液泵故障停止而造成EO水溶液急劇氣化超壓的場(chǎng)景。

另外，值得注意的是，在進(jìn)行在役裝置的HAZOP分析時(shí)，大部分情況下，獨(dú)立保護(hù)層的目的較為明顯，但在一些看似風(fēng)險(xiǎn)較低的場(chǎng)景中，設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的獨(dú)立保護(hù)層往往被工藝生產(chǎn)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，誤以為是依據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)的過(guò)度保護(hù)，起不到作用。但從該案例來(lái)看，在HAZOP分析過(guò)程中，無(wú)法直觀判斷某個(gè)獨(dú)立保護(hù)層的設(shè)計(jì)目的時(shí)，應(yīng)該通過(guò)各種途徑來(lái)研究出獨(dú)立保護(hù)層的設(shè)計(jì)意圖，如場(chǎng)景推演、理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，或咨詢工藝專利商和設(shè)計(jì)院等方法，防止在日常運(yùn)行過(guò)程中，忽略某些獨(dú)立保護(hù)層的重要作用，減少對(duì)于這類保護(hù)層的維護(hù)頻率和關(guān)注程度，從而引發(fā)不可預(yù)計(jì)的嚴(yán)重事故。