基于HIPS和夹点技术的芳烃联合装置火炬减排优化与实施.pdf
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1、石油炼制与化工节能减排PETROLEUM PROCESSING AND PETROCHEMICALS2023年10 月第5 4卷第10 期基于HIPS和夹点技术的芳烃联合装置火炬减排优化与实施远战红,张建华,张方方,马智超,高中金(1.中海油惠州石化有限公司,广东惠州5 16 0 8 6;2.中国石化工程建设有限公司)摘要:以某采用吸附法模拟移动床技术新建的单系列1.5 Mt/a对二甲苯芳烃联合装置(其公用工程依托企业原有设施)为举例装置,针对全厂事故停电时,原有火炬系统的接收能力仅有5 0 0 t/h,不能满足需求的问题,分别对装置中二甲苯塔、抽出液塔、重整油分馏塔实施高完整性保护系统(HI
2、PS)措施,并对抽余液塔采用夹点设计优化,从而大幅度降低装置的火炬排放量。结果表明,应用HIPS和夹点技术后,装置火炬排放量从常规时的37 9 0 t/h降低到438 t/h,满足了项目全厂事故停电时的火炬排放要求。关键词:芳烃联合装置全厂停电火炬减排HIPS夹点技术优化实施高完整性保护系统(HIPS)是广义的高完整性压力保护系统(HIPPS),可防止目标设备或管道超压,减少火炬排放。HIPS与其他控制系统,如紧急停车系统(ESD)、分散控制系统(DCS)等互不干扰。而且,与ESD、D C S相比,HIPS具有更高的安全性和可靠性,但其相应投资和维护成本也会增加2 。API521一2 0 14
3、附录E对HIPS的应用场景、应用要点和使用程序进行了讨论3。英国技术调查顾问公司Technavio评估认为,HIPPS全球应用市场在2 0 2 1一2 0 2 5 年会有6%的年增长率,到2025年将达到8 6 6 0 万美元的市场规模,市场规模扩展的主要原因在于中游基础设施的增加以及越来越严苟的法律法规标准。基于HIPS的特点,其多被用在火炬排放系统上,以在特殊情况时降低物料损失并减少对环境的影响。作为炼化一体化企业的核心装置,芳烃联合装置的火炬排放对全厂火炬系统有很大影响4。因此,以吸附法芳烃联合装置为例(下称举例装置),针对其二甲苯塔、抽余液塔、抽出液塔、重整油分馏塔开展火炬减排优化。举
4、例装置为新建单系列1.5 Mt/a对二甲苯装置,其公用工程依托企业原有设施。在全厂停电工况下(G PF),原有火炬的接收允许值为5 0 0 t/h,明显不能满足新建装置的排放需求。因此,采用有效措施优化设计方案,降低GPF火炬排放量势在必行。1HIPS 在举例装置中的应用HIPS是一种主动防御系统,一般由传感器组、逻辑控制器和执行元件等组成5 。在装置正常运行时,该系统处于监控状态,不参与过程控制;当装置达到临界危险状态时,HIPS会触发保护动作6 。根据实际需求,HIPS一般在设备塔的塔顶设置独立的三取二联锁装置。当该联锁装置被触发后,HIPS会切断全塔的热量输人,以降低安全阀的开启频次或不
5、启动安全阀,从而减少了火炬排放或错峰排放7 。基于HIPS的特殊性,与安全仪表系统(SIS)相关的仪表安全完整性等级(SIL)需满足相应的安全评估要求,如表1所示3。表1安全完整性等级和有效性3不同标准的SILISAIECDINV19250安全可用性,平均故障率,S84.0161508(TUV级别)1122334举例装置属大型芳烃联合装置,根据各精馏收稿日期:2 0 2 3-0 3-10;修改稿收到日期:2 0 2 3-0 5-2 4。作者简介:远战红,高级工程师,主要从事石化设备技术与管理工作。通讯联系人:远战红,E-mail:。SIS性能需求%1290.0099.003499.0099.9
6、05699.9099.99799.990899.9991100.11.00.010.10.010.001118塔火炬排放量的大小及重要程度,分析了GPF时火炬排放特点,实施相应的减排措施。减排措施不考虑全厂装置最大排放量的叠加,不考虑互不关联的两种事故同时发生8 。此外,鉴于火灾不是由这些塔的排放所致,因此也不考虑火灾情况。1.1二甲苯塔排放的优化二甲苯塔是举例装置中的核心设备之一,塔顶和塔底分别与抽余液塔、抽出液塔等热联合集成,以提高热利用效率4。二甲苯塔的设计对比见表2。从表2 可以看出,不同芳烃联合装置二甲苯塔的设计理念不尽相同,其火炬减排方案也有差异;举例装置基于火炬减排的考虑,采用1
7、台二甲苯塔配置3台塔底重沸炉的设计方案。表2 不同的二甲苯塔设计条件二甲苯塔对比装置对二甲苯产量/(Mta-1)1.6塔顶操作压力/MPa0.78塔底温度/300回流比(按产品计)1.68塔底热负荷/MW316.9火炬减排措施二甲苯塔设计HIPS安全阀分级起跳设计表3为常规设计时举例装置的火炬排放情况。由表3可以看出,采用常规设计时,3种故障工况下,二甲苯塔排放负荷对举例装置火炬负荷的贡献均最大,且远超原有火炬的承载能力。因此,首先要对二甲苯塔应用HIPS,以消减其火炬排放。表3采用常规设计时各设备塔的排放负荷回流中断/设备名称(t h-1)二甲苯塔2000抽余液塔130抽出液塔250重整油分
8、馏塔220其他精馏塔(7 台)340合计2.940当发生超压故障时,二甲苯塔HIPS的联锁动作是切断塔的进料、关闭重沸器热源或切断重沸介质、停止重沸炉泵。不同安全设施的风险降低系数如表4所示。石油炼制与化工表4不同安全设施的风险降低系数9独立保护层风险降低系数SIS-SIL110SIS-SIL2100SIS-SIL31 000压力泄放设施100内部机械联锁10100单向止回阀0有危险情况下的双止回阀10由表4可以看出,SIL2的风险降低系数和压力泄放设施(安全阀)的风险降低系数相当,而SIL3风险降低系数显著高于安全阀的风险降低系数。基于穴余原则,应优先选择使用SIL3等级安举例装置全设施,而
9、不是SIL28。二甲苯塔应用HIPS时需要假定的前提条1.5件为:1.23应用HIPS前的3种故障只单独发生1次。3161.50293.62台二甲苯塔并1台二甲苯塔配置联操作3台塔底重沸炉应用应用应用应用冷凝故障/非正常热输人/(t h-1)(t h-1)173026401302802502804011024048023903.7902023年第5 4卷应用HIPS后只发生“单一SIS的一次故障”,即SIS不会同时发生多点故障。单台重沸炉停止运行后仍有2 0%的余热继续释放。为保证仪表独立可靠性,SIS信号不允许多点共用或多点输出,因此需在二甲苯塔塔顶设置3套独立的压力监测仪表(2 oo3),
10、分别联锁3台加热炉,互相不交叉和干扰,见图1和图2。三取二联锁三取二联锁三取二联锁2003/2003/ISA/B/C压力变送器:压力变送器:压力变送器:A/B/CPTA/B/CPTA/B/CPT二甲苯(气相)二甲苯塔二甲苯(液相)HKL5图1二甲苯塔塔顶压力高高(超高)报警联锁配置2003一三取二联锁;PT一压力变送器;IS一逻辑判断is-stop(如果是,则输出停车信号)2003/ISA/B/CA/B/C第10 期图2 二甲苯塔塔顶压力高高报警联锁塔底再沸炉二甲苯塔的供热系统庞大且复杂,当HIPS发出联锁指令后,加热炉立即停止运行,但加热炉炉膛温度不能快速下降,仍有2 0%余热继续释放(假定
11、前提条件),导致二甲苯塔的压力继续升高。经计算,二甲苯加热炉炉管总容积约为5 5 0 m,加热炉联锁停止运行后,余热释放最高可使二甲苯塔的压力升到1.40 MPa。如果塔顶安全阀的设定值大于该值,则安全阀不会起跳。基于这一结果和单一SIS故障风险,二甲苯塔实施HIPS后还要考虑如下两点:(1)二甲苯塔的操作压力、HIPS联锁设定值、安全阀的设定值应依次拉开差距,同时将安全阀设定为分级起跳(一级起跳2 台,二级起跳3台),由此形成梯度控制,以实现错峰排放。具体为,可设定为二甲苯塔正常操作压力(1.2 3MPa)HIPS压力高高(超高)报警联锁设定值(1.33MPa)20%余热升压值(1.40 M
12、Pa)一级安全阀整定值(1.45 M Pa)二级安全阀整定值(1.5 2 MPa)。经核算,该方案在单一SIS故障时(当工艺参数达到联锁值时,本应该3台加热炉一起联锁,但其中1台因SIS回路故障未停炉),可能触发一级安全阀起跳,此时火炬排放量降为2 8 2 t/h,远小于常规设计的2 6 40 t/h,减排效果显著,见表5。表5 优化后故障时二甲苯塔的排放负荷排放负荷/(t h-1)设备名称回流中断二甲苯塔0(2)二甲苯塔回流泵、抽余液塔回流泵、以及除氧水泵增加应急电源。举例装置中,这3个泵为一级负荷,但未达到特别重要负荷的程度10 。考虑到应急设施有增强装置风险控制能力的作用,因而拟选择2
13、种应急方案进行研究:设置应急柴油机组或3.5 MPa蒸汽驱动;但由于设备响应速率、远战红,等.基于HIPS和夹点技术的芳烃联合装置火炬减排优化与实施二甲苯塔加热炉A/B/CISIS冷凝故障0119投资、维护成本以及可靠性等问题,最终并未得到投资委员会的批准。进一步研究认为,应急措施虽能规避GPF工况,但其与HIPS目标一致、功能重叠,所以经ALARP(A s L o w A s R e a s o n a b lyPracticable)进一步评估,不再设置。1.2抽出液塔排放的优化二甲苯塔设置HIPS后,抽出液塔成为火炬排IS放的主要贡献者,最大负荷为2 8 0 t/h(表3),因而也需要对
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