对丙烯管网中大流量用户事故工况下的分析及动态模拟

高毕亚

（中石化上海工程公司，上海 200120）

对丙烯管网中大流量用户事故工况下的分析及动态模拟

高毕亚

（中石化上海工程公司，上海 200120）

以乙烯裂解装置为龙头的特大型石油化工厂，丙烯管网是最复杂和最重要的管网系统之一，须确保其安全可靠地运行。针对某大型乙烯化工厂因下游大流量用户装置进料切断阀关闭出现了管网压力快速升高导致全厂紧急停车的事件，在工况分析的基础上，采用静态和动态流程模拟研究各种事故工况下的泄放情况，找到了存在的问题，提出了解决方案和复杂管网系统安全设计的建议。

丙烯管网；工况分析；安全泄放；动态模拟

对大型一体化石油化工企业，丙烯作为最广泛和重要的中间化学品，需要设计和建造丙烯管网系统，接收上游装置产出的同时将丙烯送往各用户使用，此外，作为调节手段将过剩的丙烯送储罐或由储罐向管网补充丙烯。通常存在装置既为产出端又是用户端、不同类型储罐共存、管网调节方式各异等特点，因此丙烯管网平稳运行和事故工况下的安全泄放对整个工厂的安全平稳生产尤为关键[1]。丙烯管网复杂常见，但是关于如何进行安全分析和设计的报道比较少，对其动态模拟研究更是少之又少[2]。

由于石油化工项目多分期建设，随着装置数量和产能的变化，操作方式的调整，不断在原管网上实施变更，为管网的安全运行带来了隐患，导致非计划停车时有发生。本文基于国内某大型石油化工企业丙烯管网及相关装置和储罐的运行数据、事故报告和历次改造的设计资料，对全厂丙烯管网进行全面梳理和事故工况及安全泄放分析，为管网改造提供设计依据。

1 管网现状

1.1 流程简图

该丙烯管网产出单元有：烯烃和烯烃转化（OCU）、低温储罐、压力球罐；用户单元有： 丙烯腈（AN）、聚丙烯（PP）、低温储罐、压力球罐、界外工厂GC和罐区等。丙烯自烯烃和OCU装置产出，经管网送AN、PP、低温罐、球罐、界外GC和罐区，同时丙烯也可自界外罐区送管网或储罐，管网流程见图1。

如图1所示，正常运行时，烯烃和烯烃转化（OCU）产出丙烯通过管网送往PP、AN 和GC。管网流量由FC-01调节FV-01开度控制；管网压力由烯烃裂解输送泵维持在3.2 MPa。当管网压力高于3.65 MPa时，由PZT-01调节FV-01开度控制压力；当由低温罐供管网丙烯时，管网压力由PC-02调节FV-03开度控制。

据业主介绍，曾发生由于PP装置界区内切断阀XV-01关闭导致管网超压，使PP装置界区内安全阀PSV-03和管网安全阀PSV-02起跳并全厂紧急停车；同时在操作中发现原有管网设计的控制方案投入使用后压力控制不稳定。

1.2 管网现有安全保护措施

管网操作压力为3.2 MPa，设计压力为3.85 MPa。管网现有保护措施分二层：管网压力等于3.85 MPa时，PZT-01通过SIS联锁停XV-01；管网安全阀PSV-01和PSV-02在管网超压时泄放多余丙烯。

1.2.1 管网压力、流量调节阀和联锁

管网调节阀现况和调节阀失效时下游的保护措施如表1所示。

由表1可知，烯烃区和低温罐区无针对调节阀失效工况下的安全阀配置。烯烃区FV-01和FV-02故障全开时，将通过压力联锁PZT-01切断开关阀

XV-01的方式防止下游超压。低温罐区FV-03和FV-04故障全开时，因压力联锁PZT-02未投用，下游无联锁保护。球罐区FV-05故障全开时，下游无联锁保护，但有安全阀PSV-01泄放保护。

1.2.2 管网安全阀设置

管网安全阀现况及额定排量见表2。

如表2所示，安全阀PSV-01、PSV-02、PSV-03、PSV-04整定压力为管网设计压力3.85 MPa，与管网连通时能保护丙烯管网，当上游/下游故障等导致管网超压时，安全阀将起跳。管网最大共有176 t/h的泄放能力。

图1 管网流程Fig.1 Propylene reticulation flow diagram

表1 管网调节阀现况Tab.1 Reticulation control valve conditions

表2 安全阀现况Tab.2 Reticulation satefy valve conditions

2 计算及讨论

2.1 大流量用户故障下工况分析

2.1.1 各装置正常运行

正常操作时，丙烯由烯烃和OCU装置以3.2 MPa的操作压力送管网，用户有PP、AN 和界区外装置。上游烯烃装置停车/降负荷导致丙烯不足时，优先从低温罐通过管网供各用户。下游装置停车/降负荷导致丙烯过量时，管网继续向有需求的用户供给，过剩的丙烯，将送往储罐。正常运行工况为稳态模拟的输入条件。

2.1.2 大流量用户故障

以PP装置故障为例，管网将瞬间富裕35 t/h丙烯。当管网上游烯烃界区内PC-01检测到压力升高，将通过减小FV-01开度以减少丙烯输出，若压力继续升高至3.85 MPa，PZT-01联锁回路开始启动以停止丙烯输出。由于管网压力响应时间滞后，因此需要做动态分析以确定管网压力和流量的变化。本文采用Aspentech HYSYS V.7.3对丙烯管网在PP故障时的变化趋势进行动态模拟分析。

2.2 动态模拟

动态模拟可以预测当系统在某一阶段阶跃扰动时，随着时间的变化，装置中的工艺条件和工艺参数随其变化的趋势[3]。相比稳态模拟，动态模拟同时具有微分方程和代数方程，有水力学限制，并包含各个控制回路。

本文采用的Aspentech HYSYS是将稳态和动态模拟合二为一的著名商业软件[4]，具有功能强大、使用方便、界面友好等特点。该软件广泛用于监测系统运行情况和控制装置无法在线测定的产品质量指标[5]，能帮助辨识过程的机理和估计系统性能的参数，甚至作为诊断系统运行故障的手段，从而在设计、改造管网时提出有效的防备性预案。

2.2.1 计算原理

本次管网动态模拟需用到物料衡算、热量衡算、动量衡算、音速计算及PID控制回路计算。

物料衡算

上式中，M为摩尔流量，t为时间，F为流量，H为焓，u为流速，g为加速度，h为高度，P为压力，V为体积，Q为热负荷，A为管道截面积，ρ为密度，Frict为动量损失，X为质量， Bias为置偏值，Gain为增益，e为偏差。

2.2.2 输入条件设定

采用业主提供的实际生产数据作为初始值，经过多次调整，对参数进行了拟合，分别从管网流量、压力及温度三方面，将模型预测值与实际数据比较，最大偏差控制在5 %的可接受范围内，从而使结果较好的用于模拟。模型初始边界条件和控制器参数见表3和表4。

表3 模型初始边界条件Tab.3 Model initial boundary conditions

图2 XV-02阀位趋势Fig.2 Position trend of XV-02

2.2.3 结果与讨论

假定自t = 0至t = 60 s装置平稳运行；t = 60 s时，XZV-02失效，聚丙烯装置丙烯进料切断阀在3 s内关闭。

PP界区切断阀XV-02阀位趋势如图2所示，压力控制器PC-01趋势如图3所示，管网安全阀PSV-01泄放趋势如图4所示， PC-01现场监测趋势如图5所示。

由图2可见，阀门XV-02在t = 60 s时失效关闭。

由图3可见，随着阀门XV-02关闭，管网压力升高，并在18 s后达到峰值3.83 MPa，与 PZT-01的联锁设定值（3.85MPa） 非常接近。当压力超过3.65 MPa时，PC-01 将超驰FC-01的流量比值控制来调节PV-01开度以控制管网压力。当t = 43 min后管网进入新的稳定状态，此时压力维持在3.65 MPa ，比PZT-01的高高联锁（3.85 MPa）低5.2 %。

表4 控制器参数Tab.4 Parameters of relevant controllers

图3 压力控制器PC-01趋势Fig.3 Pressure controller trend of PC-01

图4 安全阀PSV-01泄放趋势Fig.4 Safety valve trend of PSV-01

由图4可见，在t = 76.8 s时PSV-01开至最大，泄放多余丙烯至球罐。通过PSV的最大流量为7.1 t / h，此时假定的球罐压力为最大操作压力（2.1 MPa）。运行结果表明，现有孔径（531 mm2，H代码）的安全阀能够防止管网压力继续升高至管网联锁压力。然而，由于管网峰值压力非常接近的（3.83 MPa）联锁值，因此实际运行时很可能发生停车联锁。增加PSV-01的孔径不能解决此问题，因为它的设定压力等于管网的联锁压力。

如图5所示，现场监测的2013年6月13日早晨5点12分左右， 管网压力控制PC-01出现峰值，反映了与模型预测的相同的压力变化趋势；现场管网安全阀 PSV-01起跳也与图4模型预测的结果一致。

图5 现场监测PC-01趋势Fig.5 Local monitor controller trend of PC-01

3 结论

管网研究，应首先分析其运行工况，工况分析的关键是找出各种运行模式下的最大不利影响因素；以此为基准，检查已有的控制方案和保护措施是否能保证管网平稳运行及事故状态下能否安全泄放；同时如有必要，需进行动态模拟，以预测某工况下管网的变化趋势。

本次动态模拟，对大流量用户PP装置故障时管网压力和流量变化趋势进行分析。结果表明， PP界区阀门XV-02关闭，管网压力升高，并在18 s后达到峰值3.83 MPa，当t = 43 min后管网进入新的稳定状态，压力维持在3.65 MPa；在t = 76.8 s时PSV-01

开至最大。

现有的管网控制策略能够阻止管网进一步发生联锁跳停，现有管网安全阀排量能满足事故工况下管网的泄放要求。但由于模型运行管网压力峰值（3.83 MPa）非常接近联锁值（3.85 MPa），在实际运行时有可能发生联锁，因此建议降低PC-01的压力设定值至3.5 MPa，同时建议降低PSV-01的设定值至3.6 MPa，以在紧急状况发生时能给出更长的响应时间。

[1]金萍. 化工装置安全排放系统研究与设计[D]. 大连：大连理工，2015.

[2]李健. 管网设计与输运集成优化[D]. 大连：大连理工，2015.

[3]游存芳. 聚丙烯过程稳态、动态建模及分析[D] . 天津：天津大学，2006.

[4]刘晓婧，周伟国，王海. 燃气管网中大流量用户事故工况下动态模拟及分析 [J]，同济大学学报，2010，38（8）：1-5.

[5]历伟，黄杏冰，王靖岱，等. 乙烯气相聚合过程中氢气振荡操作制备双峰聚乙烯[J]. 化工学报，2009，60（2）：3-7.

Analysis of Accidents Occurred in Propylene Pipeline System under Large Flow Condition and Dynamic Simulation

Gao Biya
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

In extra large petrochemical plant with ethylene cracking equipment as its main construction, propylene pipeline system is one of the most important and complicated pipeline systems. It shall be ensured in safe and reliable operation. With respect to the accident of urgent shut-down for whole plant which was resulted from closing of cut-off valves used in downstream large flow user, various accident conditions were simulated by using static and dynamic processes. The problems were fixed, and the solving measures for safety design of complicated pipeline system were proposed. The method used in this article and the results may be used in diagnosis for complicated in-service pipeline system and also be used for guide of its safety design.

propylene pipeline system; condition analysis; safe relief; dynamic simulation

TQ 221.21+2

A

2095-817X（2016）05-0011-005

2016-06-24

高毕亚（1983—），女，注册化工工程师，主要从事石油化工装置工艺设计。