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1、第39卷 第9期 2005年9月 西 安 交 通 大 学 学 报 JOURNAL OF XIAN J IAOTON G UNIVERSITY Vol. 39 9 Sep. 2005 德士古煤气化工艺及装置的长周期安全运行分析 国 蓉,程光旭,郑宝祥,王 毅 (西安交通大学能源与动力工程学院, 710049 ,西安) 摘要:针对德士古煤气化系统运行周期短的问题,提出了危险与可操作性分析( HAZOP)方法,依据拟定的 引导词,选取6个分析节点,得到煤气化系统可能的故障原因及失效后果.与传统安全分析方法相比,所提方 法的优势在于:将HAZOP与失效模式、 效应和危害度分析(FMECA)方法结合起来
2、,建立了工艺与设备相 结合的综合分析方法.应用该方法,对煤气化操作工艺失常状态及设备的长周期运行可靠性进行了深入分 析,确定了引起煤气化装置非正常运行状态的关键因素和设备故障的危害度.研究表明,气化炉(燃烧室、 激 冷室)是整个系统易发生故障的薄弱环节. 关键词:德士古煤气化;危险与可操作性分析;安全分析;长周期运行 中图分类号: TQ54618 文献标识码: A 文章编号: 0253987X(2005)09099404 Long Period and Safety Running Analysis of Texaco Coal G asification Process and Units
3、Guo Rong , Cheng Guangxu ,Zheng B aoxiang , Wang Yi (School of Energy and Power Engineering , Xian Jiaotong University , Xian 710049 , China) Abstract: Hazard and operability analysis ( HAZOP) method was proposed to solve the short2period run2 ning problems of Texaco coal gasification system. Accord
4、ing to a set of guide words , six analysis nodes were chosen and some possible breakdown causes and consequences of each deviation were obtained. A new comprehensive assessment approach which combined HAZOP with failure modes , effects , and criticality a2 nalysis (FMECA) was established to analyze
5、safety status of process and unit , and then this approach was used to analyze the reliability and unusual operating process of the Texaco coal gasification system. The advantages of this approach are that the most important effect factors on operating process and criticality of the most dangerous e
6、quipment could be found out more easily and quickly. It is shown that the assessment principle is suitable for the long period and safety running analysis of other coal gasification process sys2 tems. The gasifier (consisting of an upper refractory2lined reaction chamber and a lower quench chamber)
7、is easier to break down than other equipment. Keywords:Texaco coal gasif ication; HA ZO P; saf ety analysis; long2period running 德士古( Texaco)水煤浆气化技术是国内外成 功应用的煤气化技术之一,但是统计国内外现有 Texaco煤气化装置的投料和停炉次数以及两次停 车之间的平均运行寿命等几项数据发现,国内装置 的整体运行水平比国际水平落后,尤其是两次停车 之间的平均运行寿命低50 %左右.由于煤气化工艺 及装置长周期安全运行是确保企业安全生产和提高 经济效益的
8、基本条件,煤气化工艺及装置的长周期 安全运行受到了高度重视,因此实现装置安、 稳、 长、 满、 优运行是企业迫切需要达到的目标,也是目前化 学工程与技术领域的热点研究课题.笔者已经从工 艺侧面或设备失效角度研究了煤气化系统的可靠性 收稿日期: 20041118. 作者简介:国 蓉(1972 ) , 女,博士生;程光旭(联系人 ) , 男,教授,博士生导师. 基金项目: 陕西省科学技术研究发展计划资助项目(2002K08G17) . 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 问题1 ,2,但尚未
9、把工艺波动及设备失效与长周期 安全运行结合起来考虑. 危险与可操作性分析( HAZOP)是分析工艺失 常的有效方法,失效模式、 效应和危害度分析 (FMECA)也是国内外行之有效的设备可靠性分析 方法之一.本文将HAZOP方法与FMECA方法结 合起来,建立了综合分析方法,并针对Texaco煤气 化工艺及设备的失效模式及故障分析,找出了其薄 弱环节和潜在的危险源及造成的后果,为确保煤气 化系统长周期安全运行提供了新的理论方法. 1 Texaco煤气化系统的工艺流程和 运行现状 111 工艺流程 Texaco水煤浆气化过程包括煤浆制备、 煤浆气 化、 灰水处理等工序:将煤、 石灰石(助熔剂)、
10、添加剂 和NaOH称量后加入到磨煤机中,与一定量的水混 合后磨成一定粒度的水煤浆;煤浆由高压给料泵与 空分装置来的氧气一起进入气化炉,在1 3001 400 下送入气化炉工艺喷嘴进行部分氧化生成粗 煤气;粗煤气经喷嘴洗涤器进入碳洗塔,冷却除尘后 进入CO变换工序;气化炉出口灰水经灰水处理工 段4级闪蒸处理后,一部分灰水返回碳洗塔作洗涤 水,经泵进入气化炉,另一部分灰水作废水处理1. 112 运行现状 国内某企业Texaco煤气化装置的运行情况见 表1. 1996年开工时,气化装置的单炉平均连续运行 时间仅为3139 d ,即使在情况最好的2001年,也只 有22 d.由停车原因分析可知,大约有
11、4818 %的非 计划停车是因气化炉出现了问题. 2 Texaco煤气化系统的HAZOP方 法与流程 HAZOP即是通过一系列的分析会议对工艺图 纸和操作规程进行分析.在这个过程中,由各专业人 员组成的分析组按照规定的方式系统地分析偏离设 计工艺条件的偏差,以确定是否会导致不希望的后 果.在分析过程中,通过分析 “分析节点”,分析组将 列出引起偏差的原因、 后果,以及针对这些偏差及后 果已使用的安全装置,当分析组确信对这些偏差的 保护措施不当时,将提出相应的改进措施3 5 . HAZOP中最关键的步骤就是将工艺参数与引 导词组合成偏差,但只有组合后有意义的偏差才是 值得分析的,例如:工艺参数
12、“压力” 适用的引导词是 “More , Less , None”;“温 度” 适 用 的 引 导 词 是 “More ,Less”;“流量” 适用的引导词是 “More ,Less , None ,Reverse”;“液位” 适用的引导词是 “More , Less ,None”. 在HAZOP研究中,笔者将需要审查的P 激冷水管 堵塞; 激冷水源失效; 控制器失效, 阀门关闭;泵设计的气蚀余量小; 泵入口破旋板坏;泵电机断电; 泵 连节轴断;泵叶轮脱落; 过滤器堵 死 工艺气出口处温 度过高 安装备用控制阀或手动旁路 阀;设置备用激冷水源;安 装备用控制器; 安装高温报警 器,警告操作者;
13、安装高温紧 急关闭系统;安装激冷水流量 计和低流量报警器;更换或修 复压缩泵; 清理过滤器 More 激冷水流 量偏高 控制阀失效,开度过大;控制器失 效,阀门开度过大 气化炉激冷室液 位过高,工艺气含 水量增加,保温失 控 更换控制阀、 控制器;教育 操作者执行操作规程 Less 激冷水流 量偏低 控制阀失效而关小阀门; 激冷水管 部分堵塞;激冷水管线泄漏;水源 部分失效;控制器失效而关小阀门; 泵入口阀开得太小; 泵出口阀开得 太小; 泵叶轮磨蚀过;泵入口管线 结垢,流通面积变小;泵出口管线结 垢,流通面积变小;? 过滤器部分堵塞 工艺气出口处温 度过高 安装备用控制阀或手动旁路 阀;清理
14、过滤器;设置备用 激冷水源;安装备用控制器; 安装高温报警器,警告操作 者;安装高温紧急关闭系统; 安装激冷水流量计和低流量 报警器; 修复损坏的压缩泵 As Well As 激冷室液 位过高 激冷水流量过高; 激冷水输送管线 泄漏;液位计故障 信号强;黑 水流量异常 激冷室内部黑水 循环量急剧增大, 工艺气将严重带 灰、 带水 检修并更换故障液位计;检 查并维修输送管线;检修并确 保高液位报警装置动作正常 Other Than 激冷水中 含杂质 水源被污染; 污水倒流 工艺气冷却能力 下降,有可能引起 反应失控 在激冷水管上安装备用止逆 阀;安装高温报警装置,以警 告操作者 泵启动 过载 出
15、口阀开得大;泵出口管线断开; 电机过载保护故障; 电机绝缘不好 工艺气无法激冷 检查并修复故障电机; 安装 备用泵 激冷室压 差异常 激冷环压差异常;导气管压差异 常; 工艺气出口接管压差异常;气 化炉压差异常 系统工艺参数偏 离正常,可能造成 系统停车 降低系统负荷,密切观察温 度、 压力等工艺参数的变化; 必要时停车检修 3 Texaco煤气化装置的FMECA 虽然通过HAZOP可得知气化炉的各种故障 模式、 原因及后果,但是诸如 “各种故障模式对整个 系统的具体危害度是多少?”“系统危险预防的关键 部位是什么?” 这类涉及到定量分析的问题,却无法 用HAZOP技术得到答案.这是因为HAZ
16、OP是一 种定性分析技术,虽然现在已有“半定量HAZOP 技术” 等的出现,但都处于尝试阶段,未能实际应用 于具体系统.比较HAZOP与FMECA方法可以发 现,HAZOP的目的等价于FMECA的功能定义,偏 差相当于功能故障, HAZOP的原因相当于故障类 型,后果相当于故障影响,因此HAZOP与FMECA 这两种分析方法具有相当的一致性,可结合起来用 于系统的危险与可靠性分析3.下面,笔者运用 FMECA技术与HAZOP相结合来做定量分析,得 到了各种故障模式的危害度大小,为利用HAZOP 和FMECA综合分析Texaco煤气化系统做了有益 的尝试. 311 FMECA方法与步骤 FMEC
17、A方法的定量分析是基于对故障模式的 危害度所进行的评估,可采用危害度等级评定法或 危害度定量计算法.当不知道历史运行数据、 故障发 生概率时,可采用危害度等级评定法,具体方法包括 危险顺序数排序法等 6 .当搜集到确切的故障数据 时,可以采用定量计算的方法 7 :首先,将所研究的 699西 安 交 通 大 学 学 报 第39卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 对象划分为具有一定功能的子系统,设子系统i以 故障模式j发生故障,致使该子系统发生故障的危 害度为Cij,计算公式为 Cij=
18、ijiji (1) 子系统i对整个系统的危害度为Ci,计算公式为 Ci= n j =1 Cij(2) 将式(1)代入式(2 ) , 得到 Ci= n j =1 ijiji (3) ij= nj ni (4) 式中:n为子系统i出现的故障模式的种类数;ij为 子系统i以故障模式j而引起该子系统发生故障的 故障模式概率; nj为子系统i第j种故障模式出现 的次数; ni为子系统i全部故障模式发生的次数;ij 为子系统i以故障模式j发生故障造成该子系统损 伤的概率,国标将此称为丧失功能的条件概率,ij= 1表示该子系统肯定发生损伤,ij= 015表示该子系 统可能发生损伤,ij= 011表示对该子系
19、统很少发 生损伤,ij= 0表示对该子系统无影响;i为子系统 i的基本故障率. 进行FMECA时,若能搜集到所分析对象的历 史运行数据并加以分析、 提炼,就可以应用上述的定 量计算方法确切地计算出故障的危害度,从而采取 有效措施,确保装置的高效、 稳定、 长周期运行. 312 Texaco煤气化装置的FMECA 由表1的历史运行数据可知,气化炉是Texaco 气化系统的关键设备,也是故障多发部位,它的非计 划停车是影响整个系统长周期运行的主要因素,因 此本文对煤气化炉建立FMECA模型,并进行了 分析. 依据FMECA的流程与步骤,首先将气化系统 划分为6个子系统:气化炉燃烧室;气化炉激冷室;
20、 工艺烧嘴;O2输送管线;水煤浆输送管线;工艺气输 送管线.然后,针对HAZOP的结果 各子系统 的每种故障模式,计算ij 和 i,定义ij,得到Cij,进 一步求和,可计算出Ci,进而得到每种失效模式的 危害度及部位失效危害度,分析结果见表3(限于篇 幅,表中仅列出激冷室的分析结果 ) , 表中所列出的 是针对气化炉激冷室所做的FMECA结果,此部位 的主要功能是工艺气降温,其基本故障率i为 1112710 - 4 h - 1 ,由表中数据及式(2)计算得到其 部位危害度为10133510 - 4 h - 1 . 表3 Texaco煤气化炉激冷室的FMECA结果 故障现象ijij 模式危害度
21、/ 10 - 4 h - 1 激冷水流量为0010551.001620 激冷水流量偏高0111101501625 激冷水流量偏低011391.011567 激冷室液位过高013331.031753 激冷水中含杂质0105501501310 泵启动过载011411.011589 激冷室压差异常011661.011871 FMECA的结果如下: (1)气化炉燃烧室和激冷室的部位危害度都较 大,应重点监测其安全状态. (2)物流进出管线的磨损与腐蚀也是危险的失 效模式,应及时采取措施消除其潜在故障,从而确保 系统的正常运转. (3)原料煤中含砷使变换触媒失活和激冷室灰 水呈酸性等问题,也是值得注意的
22、,虽然这些问题不 至于造成装置的非正常停车,但前者会降低反应活 性,从而减缓反应的进行,后者会造成环境污染,因 此应采取措施改善工艺条件,有效降低这些问题的 不利影响. HAZOP发现,气化炉是煤气化系统的薄弱环 节,而这一结论通过FMECA的定量计算得到了验 证. 4 结 论 (1)针对Texaco煤气化系统,运用HAZOP技 术得到了系统可能的失效原因及后果,并提出了改 进措施.从分析结果来看,气化炉(燃烧室、 激冷室) 较其他设备更容易发生故障,也即为薄弱环节,气化 炉燃烧室最主要的失效模式是温度过高和进料 (O 2 和水煤浆)不足,而激冷室的失效形式是液位过高、 激冷水流量不足和压差异
23、常,所以要重点监测其 “健 康” 状态. (2)基于FMECA方法,建立了Texaco煤气化 系统失效分析的一般方法和步骤,认为采用FME2 CA不仅可以确定煤气化系统的薄弱环节或潜在的 危险部位,而且可以提前制定设备检修计划和应采 取的措施,从而提高装置运行的可靠性. (3)与单独使用HAZOP或FMECA的方法相 (下转第1002页) 799 第9期 国 蓉,等:德士古煤气化工艺及装置的长周期安全运行分析 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 3 Xu Yide , Lin Liwu.
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30、epared by microwave heating J . Catal Today , 2004 , 98(4) : 639645. 14金钦汉,戴树珊,黄卡玛.微波化学M.北京:科学 出版社, 1999. 1011. (编辑 荆树蓉) (上接第997页) 比,本文将两种方法结合起来,能够有效地将工艺与 设备的可靠性结合起来,可考虑到化工系统的各种 复杂因素,从而使得分析结果更加准确,分析速度更 快,依据分析结果所提出的建议能够确保更好、 更完 全地解决单元级和系统级等各个级别上的问题. 参考文献: 1 国 蓉,程光旭,王 毅. Texaco煤气化装置长周期运 行影响因素分析J .现代化工
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