煉油系統(tǒng)加氫裝置技術(shù)經(jīng)驗高壓串低壓風(fēng)險分析及解決方案

加氫裝置在提高原油加工深度，合理利用石油資源，改善產(chǎn)品品質(zhì)，提高輕質(zhì)油收率以減少大氣污染等方面都具有重要意義。加氫裝置操作處于高溫、高壓、臨氫環(huán)境中，需要從各個環(huán)節(jié)加強(qiáng)安全監(jiān)控，保證裝置長周期安穩(wěn)運(yùn)行。加氫工藝是指油品在高溫高壓氫氣環(huán)境下在加氫反應(yīng)器內(nèi)與催化劑作用，發(fā)生脫硫、脫氮、烯烴飽和以及裂化反應(yīng)，使產(chǎn)品達(dá)到性能要求的工藝技術(shù)總稱。加氫裝置中，通過逐級降壓的方式從油品中回收溶解氫氣，這種特殊的工藝流程存在較多的高壓介質(zhì)降壓至低壓的部位，因此存在較多的高壓串低壓的風(fēng)險部位，成為典型風(fēng)險分析對象。通過高壓加氫裝置HAOP/LOPA/SIL分析結(jié)果，圍繞著裝置風(fēng)險重要部位設(shè)計安裝SIS系統(tǒng)。另外，隨著裝置連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的周期逐步加長，從2~3年一次延長到4~5年一次。帶來的問題就是SIS（安全儀表系統(tǒng)）中的氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，例如緊急切斷閥，受高溫、腐蝕以及振動等環(huán)境影響，無法響應(yīng)來自SIS系統(tǒng)的安全保護(hù)動作指令，產(chǎn)生安全保護(hù)“拒動作”現(xiàn)象。這種情況會導(dǎo)致SIS系統(tǒng)失效，給安全生產(chǎn)帶來危害，其后果可能是災(zāi)難性的。高壓串低壓風(fēng)險分析高壓串低壓的風(fēng)險加氫裝置操作處于高溫、高壓、臨氫環(huán)境中，大多為放熱反應(yīng)，存在的風(fēng)險主要包括：火災(zāi)爆炸風(fēng)險、有毒氣體泄漏風(fēng)險和氫氣串入氮?dú)怙L(fēng)險等。1.火災(zāi)爆炸風(fēng)險（1）可燃?xì)怏w——?dú)錃庑孤┭b置運(yùn)行過程中，當(dāng)高壓氫氣串至低壓系統(tǒng)時，由于設(shè)備、管線的壓力差距較大（通常高壓部位在16MPa等級以上，低壓部分在2~5MPa），靜密封點、壓力容器在超壓情況下易出現(xiàn)氫氣泄漏，含氫氣體泄漏后，在一定范圍內(nèi)聚集，遇明火點燃源導(dǎo)致閃爆、火災(zāi)等重大事故發(fā)生。（2）設(shè)備物理爆炸當(dāng)?shù)蛪涸O(shè)備內(nèi)部介質(zhì)壓力超過設(shè)備最高承受強(qiáng)度時，設(shè)備本體發(fā)生損毀，內(nèi)部高壓氣體釋放能量，發(fā)生爆炸事故。（3）可燃液體泄漏著火高壓串低壓情況下，低壓設(shè)備側(cè)密封點或者設(shè)備本體的泄漏會導(dǎo)致大量油品溢出，油品溫度高且閃點較低情況下，容易發(fā)生著火。2.有毒氣體泄漏風(fēng)險加氫工藝反應(yīng)生成大量的硫化氫，未脫硫循環(huán)氫中硫化氫含量可高達(dá)1%,一旦因串壓而發(fā)生泄漏，富含硫化氫的氣體四處逸散，對現(xiàn)場事故應(yīng)急處置人員和逃生人員以及處于下風(fēng)向裝置的操作人員將是致命的威脅。3.氫氣串入氮?dú)怙L(fēng)險運(yùn)行期間，高壓系統(tǒng)中氮?dú)庵脫Q點均采用高壓盲板進(jìn)行隔離。停工、開工階段，操作人員未對系統(tǒng)有效隔離或者撤壓后向氫氣系統(tǒng)引入氮?dú)?，極容易發(fā)生高壓氫氣串入氮?dú)庀到y(tǒng)。高壓串低壓易發(fā)生部位1.高壓減壓部位（1）高壓分離器底部高壓分離器采用高壓減壓閥將高壓油品或者水減壓至中壓或者低壓后送至下游的中壓或者低壓分離器中。（2）循環(huán)氫脫硫塔底部高壓貧胺液脫出循環(huán)氫中硫化氫后，由塔底減壓閥將富胺液送至下游低壓閃蒸罐。這些部位通常的高壓壓力為裝置的設(shè)計操作壓力。下游系統(tǒng)通常維持在2～3MPa，從而形成明顯的串壓點。通常情況下，在裝置設(shè)計階段考慮裝置的串壓風(fēng)險，下游系統(tǒng)（低壓容器）上的安全閥應(yīng)能夠滿足串壓工況的泄放要求。2.中壓減壓部位（1）低壓分離器底部低壓分離器采用節(jié)流控制手段將中壓壓力降低，然后送至低壓分餾系統(tǒng)。（2）富胺液閃蒸罐底部富胺液閃蒸罐設(shè)置為中壓壓力，其作用是進(jìn)一步回收溶解在富胺液中的氫氣。此部位中壓壓力為2～3MPa，下游裝置的控壓能力一般在0.1MPa以下。高壓容器液位（界位）空罐導(dǎo)致高壓氣相串入低壓系統(tǒng)，造成低壓系統(tǒng)超壓泄漏，引發(fā)火災(zāi)爆炸，人員中毒?？赡茉驗橐何粌x表出現(xiàn)假液位，液位調(diào)節(jié)閥不斷打開，造成液位持續(xù)下降，當(dāng)高壓容器液位低于10%時，高壓氣相極易串入低壓系統(tǒng)。另外開停工期間，物料不平衡，高亞容器液位波動較大，調(diào)節(jié)閥打開幅度隨之增大，也極易出現(xiàn)高壓氣相極易串入低壓系統(tǒng)的現(xiàn)象。3.高壓機(jī)泵出口部位加氫工藝設(shè)置高壓反應(yīng)進(jìn)料泵、高壓貧胺液泵、高壓注水泵的入口部位是低壓（通常為1MPa），機(jī)泵出口則是高壓系統(tǒng)，為高壓串低壓易發(fā)生部位。4.檢修停工期間檢修停工期間設(shè)備用氮?dú)庵脫Q，由于設(shè)備內(nèi)殘存高壓氫氣，在泄壓不完全的情況下，通入氮?dú)猓瑯O易造成高壓氫氣串入氮?dú)?；另外檢修期間，盲板管理混亂，導(dǎo)致氫氣、氮?dú)飧綦x盲板操作失誤，可能造成高壓氫氣串入氮?dú)狻?.高壓系統(tǒng)氣密裝置高壓系統(tǒng)開工前必須進(jìn)行高壓氣密，高低壓系統(tǒng)間未有效隔離，容易造成高壓串入低壓。高壓串低壓HAZOP分析應(yīng)用舉例下面以具體HAZOP分析實例進(jìn)行高壓串低壓風(fēng)險分析說明。分析記錄表，如圖1所示。分析結(jié)果：目前裝置冷低壓分離器界位LIC-3108及水包界位LIC-3110為單點控制，一旦出現(xiàn)故障，會造成界位降低，水相帶油對下游三廢裝置污水汽提單元造成影響，嚴(yán)重時空罐，富含高濃度硫化氫的低分氣（操作壓力2.4MPa）沿含硫污水出裝置線竄至三廢裝置酸性水閃蒸罐（操作壓力0.03MPa），造成設(shè)備超壓損壞，密封點泄漏，引發(fā)火災(zāi)爆炸，人員中毒傷亡。建議措施：裝置實現(xiàn)分離器，增加另一個液位遠(yuǎn)傳，并實現(xiàn)液位低低二取二聯(lián)鎖切斷外送污水設(shè)計（增加聯(lián)鎖切斷閥）。措施落實后，風(fēng)險可由D4降至D2，風(fēng)險可控。D3106界位控制流程圖，如圖2所示。圖2D3106界位控制流程圖高壓串低壓問題的解決方案針對加氫裝置高壓串低壓風(fēng)險存在火災(zāi)、爆炸、人員中毒或死亡安全事故災(zāi)難性的損失，我們該如何降低風(fēng)險頻率和事故的嚴(yán)重后果呢？HAZOP分析提出的建議措施很好地將風(fēng)險能降低到企業(yè)可接受水平。上述案例即通過增加另一個液位遠(yuǎn)傳實現(xiàn)液位低低二取二聯(lián)鎖切斷外送污水來完成，那么又是如何實現(xiàn)的呢？因此需要在SIS中實現(xiàn)安全儀表功能，采取如下的風(fēng)險降低策略如圖3所示。安全儀表系統(tǒng)（SIS）根據(jù)GB/T32857—2016《保護(hù)層分析(LOPA)應(yīng)用指南》有關(guān)要求，安全儀表系統(tǒng)應(yīng)符合獨(dú)立性原則。獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)，如圖4所示。安全儀表系統(tǒng)（SafetyInstrumentedSystem-SIS）包括傳感器（Sensor）、邏輯運(yùn)算器（Logic?solver）和最終執(zhí)行元件（Final?element）。高壓串低壓案例中提出的建議措施：增加一個液位遠(yuǎn)傳，并實現(xiàn)液位低低二取二聯(lián)鎖切斷外送污水設(shè)計（增加聯(lián)鎖切斷閥），就是考慮到系統(tǒng)的可用性。SIS系統(tǒng)可靠性和安全性的評價標(biāo)準(zhǔn)就是要求時危險失效概率PFD。其SIL等級應(yīng)該通過計算PFDavg來確定。SIL驗證方法及程序SIL驗證的目的是通過可靠性建模來證實在役或初步設(shè)計完成的安全儀表系統(tǒng)（SIS）的每個回路安全完整性等級（SIL）是否滿足在設(shè)計中提出的目標(biāo)，若未滿足則提出相應(yīng)的意見與建議，并加以改進(jìn)，以此保證生產(chǎn)裝置和設(shè)備的安全運(yùn)行。建模方法目前主要有可靠性框圖、故障樹和馬爾科夫等幾種方法，在此不做詳述。SIL驗證具體方法及程序，如圖5所示。SIL驗證是評估每一個SIF回路的結(jié)構(gòu)約束與要求時失效概率（PFDavg）是否滿足目標(biāo)SIL的等級要求，是否滿足相關(guān)規(guī)范要求。根據(jù)SIF回路的結(jié)構(gòu)組成，對每一個SIF回路的PFDavg、RRF和結(jié)構(gòu)約束進(jìn)行評估，同時，對MTTFS進(jìn)行計算，以評估SIF是否能夠達(dá)到目標(biāo)SIL等級要求。1.PFDavg對于低要求模式，安全儀表系統(tǒng)中每一個SIF的PFDavg計算是將該SIF分解為傳感器、邏輯控制器、執(zhí)行器等子系統(tǒng)，然后各子系統(tǒng)的PFDavg相加，根據(jù)表1判斷其結(jié)果滿足的相應(yīng)SIL級別。對于故障安全（失電關(guān)停）的安全儀表功能，其PFDavg可以表示為：PFDAVG=∑PFDSE+∑PFDLS+∑PFDFE式中PFDAVG——E/E/PE安全相關(guān)系統(tǒng)的安全功能在要求時的危險失效平均概率；PFDSE——傳感器子系統(tǒng)要求時的危險失效平均概率；PFDLS——邏輯子系統(tǒng)要求時的危險失效平均概率；PFDFE——最終元件子系統(tǒng)要求時的危險失效平均概率。對于每一個子系統(tǒng)，其PFDAVG為：PFDAVG=f(λD,MooN,TI,MTTR,β，PTC)式中：λD——元件的危險失效率，該值與元件類型、服役條件、診斷覆蓋率以及現(xiàn)場管理水平等因素密切相關(guān)；MooN——各部分的表決方式；TI——檢測測試周期；MTTR——平均恢復(fù)時間；β——共因因子；PTC——檢測測試覆蓋率。2.共因失效因子（β）SIF回路共因失效分為兩種場景：硬件隨機(jī)失效、系統(tǒng)隨機(jī)失效。SIS應(yīng)用中，利用多樣性方法可有效降低共因失效率，如現(xiàn)場檢測同一液位信號，一路采用差壓變送器，另一路采用液位開關(guān)，這屬于多樣性冗余。共因失效一般采用β因子方法考慮，對于共因?qū)е碌奈ｋU失效率采用下式計算：λCD=βλDλCS=βλS3.硬件結(jié)構(gòu)約束結(jié)構(gòu)約束的安全完整性由儀表類型（邏輯控制器、傳感器、最終執(zhí)行元件、非邏輯控制器）安全失效分?jǐn)?shù)（SafeFailureFraction,SFF）和硬件故障裕度（HardwareFaultTolerance,HFT）共同決定，其中安全失效分?jǐn)?shù)計算公式：SFF=（λSD+λSU+λDD）/（λSD+λSU+λDD+λDU）根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T20438-2017，不同安全失效分?jǐn)?shù)的A類/B類子系統(tǒng)所對應(yīng)的最低硬件故障裕度見表2和3。IEC61511-2016定義了最低硬件故障裕度要求，見表4。某液位聯(lián)鎖的結(jié)構(gòu)約束見表5（見圖6）。4.敏感性分析敏感性分析是針對不滿足目標(biāo)SIL要求的SIF回路進(jìn)行的優(yōu)化方案分析?？梢哉{(diào)整優(yōu)化其中部分參數(shù)，例如縮短檢驗測試間隔（TI）；完善測試方法，提高診斷覆蓋率和檢驗測試覆蓋率；增加最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)（關(guān)斷閥）的部分行程測試功能PST；對SIF回路重新進(jìn)行冗余配置；或選擇可靠性高的硬件，基于優(yōu)化后的參數(shù)，再次驗算是否滿足SIL等級的要求，這些參數(shù)，將成為SIS系統(tǒng)未來運(yùn)行中測試、校驗、維護(hù)的依據(jù)。驗證結(jié)果舉例脫氣槽204-F液位聯(lián)鎖PFDavg情況（見圖7）見表6、表7。SIS系統(tǒng)中執(zhí)行結(jié)構(gòu)“拒動作”解決方案SIS中的氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，無法響應(yīng)來自SIS系統(tǒng)的安全保護(hù)動作指令，同時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)又無副線，產(chǎn)生安全保護(hù)“拒動作”現(xiàn)象，這種情況會導(dǎo)致SIS系統(tǒng)失效，給安全生產(chǎn)帶來危害，其后果可能是災(zāi)難性的。目前國內(nèi)石油化工裝置已按國家安全監(jiān)管總局下發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見》（安監(jiān)總管三【2014】116號），完成SIL定級和驗算工作，但在驗算過程中檢驗測試周期不滿足實際運(yùn)行周期。需要按照實際運(yùn)轉(zhuǎn)周期重新進(jìn)行SIL驗算，針對不符合的情況，可采用部分行程測試（PST-PaitialStrokeTesting）方法，對閥門進(jìn)行診斷，避免安全保護(hù)“拒動作”。1.部分行程測試所謂ESD閥的部分行程測試（PST-PaitialStrokeTesting）是作為一種緊急切斷（ESD-EmergencyShutdown）閥的一種安全措施，在ESD閥系統(tǒng)中檢測故障的方法，就是讓ESD閥做周期性的部分行程動作。例如：ESD閥從全開位置部分關(guān)閉10%～30%行程，按一定的時間間隔設(shè)定周期性的動作，以便更好地檢查其閥桿移動情況，判斷其功能的工作狀態(tài)是否正常。PST是一種不影響ESD閥正常運(yùn)行的可靠的檢測方法。IEC61511標(biāo)準(zhǔn)中要求對SIS整個系統(tǒng)，其中當(dāng)然包括最終執(zhí)行元件ESD閥，進(jìn)行定期的檢驗測試，以便發(fā)現(xiàn)未檢測到的故障，這些故障會妨礙SIS按安全要求規(guī)范動作。2.SIL驗算結(jié)合部分行程測試的應(yīng)用實例某化工裝置，原設(shè)計檢驗測試周期為24個月，隨著該企業(yè)管理水平的提高，工藝裝置的檢修周期計劃延長至48個月，現(xiàn)在需驗證此裝置所配的SIS能否滿足檢驗測試周期同步延長至48個月。下面通過其中一個設(shè)備的液位SIF回路LT-01-658（SIL1等級）來進(jìn)行驗證計算。當(dāng)設(shè)備液位高時聯(lián)鎖關(guān)閉蒸汽閥組（FCV-01-681和EV-01-656）和PCV-01-616，以避免設(shè)備內(nèi)部高壓導(dǎo)致事故發(fā)生，造成人員傷亡和設(shè)備損壞。工藝簡圖如圖8所示。液位SIF回路的輸入輸出結(jié)構(gòu)見表8，回路可靠性數(shù)據(jù)見表9，液位SIF回路SIL計算結(jié)果，見表10。通過SIF回路PFDavg結(jié)果，并結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)約束和系統(tǒng)完整性，可以得出液位SIF回路在檢驗測試周期延長至48個月，仍無法滿足SIL1的安全等級要求?？赏ㄟ^增加部分行程測試功能，實現(xiàn)在線診斷。通過每年一次部分行程測試，TI變?yōu)?2個月，符合實際要求。但要注意的是，部分行程測試只是可以將切斷閥的功能部分恢復(fù)，不能夠?qū)崿F(xiàn)徹底解決，也不能替代閥門周期性大檢修。結(jié)語高壓加氫裝置因其獨(dú)特的工藝技術(shù)要求，存在高壓氫氣特殊反應(yīng)環(huán)境，需要裝置在正常生產(chǎn)運(yùn)