基于符號有向圖分析的煉油廠中渣油催化裂化危險與可操作性

IFTIKAR Maria，翟持，孫巍，杜增智，王健紅

（1北京化工大學化學工程學院膜分離過程與技術北京重點實驗室，北京 100029；2北京化工大學過程模擬優化中心，北京 100029）

有許多方法可用于化工過程的危險識別和補 救[1]，這其中包括危險與可操作性分析（HAZOP）、假設/驗證分析、故障樹形圖分析（FTA）、故障模式和影響分析（FMEA）。在上述方法中，HAZOP分析被認為是最有效的，也是在過程工業中應用最廣泛的方法[2]。HAZOP分析通常是由各專業工程師組成一個專家組完成，從而導致分析成本高、分析周期長。因此，這項技術要降低成本、時間和精力的需要是顯而易見的。

隨著現代計算機控制系統的出現及其在化工廠的廣泛運用，HAZOP分析的復雜性也增加了。近來發展出了大量計算機輔助人工HAZOP分析的工具，大致可以分為兩類，即基于知識的模式和基于模型的模式[3]。基于模型的模式是建立一個現實問題的數學模型，然后改變操作變量，以得到系統的不同響應。基于知識的模式是將之前的HAZOP分析的結果和新一輪專家意見組織起來，形成知識庫，以供工廠實時調用。

渣油催化裂化（RFCC）是煉油工業的關鍵過程之一，因而成為關注和研究的重點。由于RFCC技術在過去幾十年持續改進，相應的HAZOP分析也需要不斷更新和改進，因此，這個過程被選為研究對象。此外，本文采用了渣油催化裂化仿真工廠數據，實踐證明，該仿真工廠很好地還原了實際工藝過程。

許多研究者發展出各種HAZOP分析工具，McCoy等[4-8]對它們的缺點進行了討論，并提出了自己研發的危險源識別的工具，即危險識別審查（HAZID）系統。趙勁松等[9]開發出基于推理的HAZOP分析專家系統，稱為PetroHAZOP，使用SDG關聯知識庫信息，并能對實際工況進行智能推理，是較之于McCoy的HAZID更為優越的輔助工具。關于利用符號有向圖[10]和分層的符號有向圖[11]輔助HAZOP分析的研究，研究者已經做了大量的工作，其中最全面的工作就是嘗試利用SDG對重油催化裂解過程的HAZOP分析進行研究[12-15]。

1 方 法

第一步是選擇工藝流程并劃定系統邊界，以及對特殊單元操作進行評估，第二步是研究操作變量的偏差操作引起控制變量波動，并記錄偏差傳播 路徑，最后一步是基于SDG的危險與可操作性 分析[13]。

隨后介紹渣油催化裂化過程并給出簡化的流程圖，緊接著是本研究中使用的SDG法推理工具的 簡介。

1.1 石油煉化

本文中所選定的煉油廠的生產能力是25萬桶/天。它采用兩種裂化技術，一種是典型的催化裂化反應器（CCR），另一種是更先進的、更高效的渣油催化裂化裝置（RFCC）。本文的重點是RFCC裝置中的反應器和再生器。典型的工藝流程如圖1所示。

渣油催化裂化是高溫和適度的壓力下流態化催化劑粉末與原料油接觸，將高沸點長鏈烴類液體蒸發并斷裂成小的、短的分子的過程。如圖2所示是碳鏈長度變化的情況。

2.2 SDG推理工具

基于有向圖的因果模型已經被廣泛應用于因果行為的建模過程中。SDG能有效捕捉過程因果關系的信息，有向符號用以表示影響關系的方向。SDG借助于一個正向或反向的弧線符號顯示兩個節點之間的關系。圖3所示為最簡單的SDG形式。

圖1 渣油催化裂化裝置的簡化流程

圖2 碳鏈在渣油催化裂化過程中的長度變

圖3 簡單SDG示例

圖4 渣油催化裂化反應器和再生器簡化流程

有向弧線從“原因”節點傳遞至“效果”節點，而每個節點代表指定過程變量與正常狀態的偏差。在 節點表示系統中的元素，弧線代表系統元素間的關系。通常符號“+”意味著兩個連接的節點具有相同的變化趨勢，而符號“-”意味著兩個連接的節點變化趨勢相反。有時，用一條有向實線取代含有符號“+”的有向弧，而用有向虛線取代含有符號“-”的有向弧。

根據上述畫圖規則[12]，可以獲得一個流程的SDG圖，并且能給出描述不同節點關系的鄰接矩陣。然而，這要求偏差傳播路徑必須先被確定。煉油工藝史上最具災難性的Jaipur （2009）[16]事件、Puerto Rico （2009）事件、Buncefield （2005）[17-18]事件和最近的Amuay（2012）[19]事件，均是由于閥門、泵和管道等設備出現故障以致揮發性汽油泄漏或揮發引起的蒸氣云爆炸所造成的。這些災難事件的發生都突顯了合適的安全措施與適時的設備維護的重要性。因此，本文的研究重點集中于可能引起氣、液體泄漏的設備故障或人為操作誤差的過程參數偏差上。

2 結果與討論

圖5 渣油催化裂化反應器和再生器的有向模型圖

石油煉化是一個多裝置相互連接，以達到最終目標的集成系統。然而，煉化的重點核心是渣油催 化裂化裝置，本文的重點也是渣油催化裂化裝置的反應器和再生器單元。圖4是這兩個反應器的簡 化圖。

2.1 基于SDG的危險與可操作性分析

圖5給出偏差傳遞路徑，并且研究和記錄信號間相互影響，實線表示傳播路徑中的正向影響，虛線表示反向影響。在這種情況下，限制開始節點作為可操作的閥門，將末端節點作為有毒氣體的流量，這很可能造成運行中的事故。如果起始節點和結束節點任意抽取的話，計算結果將代表所有類型的每兩個節 點之間的影響。

圖6 有向模型圖的鄰接矩陣和節點列表

表1 部分危險與可操作性分析

圖6用一個鄰接矩陣顯示節點之間的關系，1表示有影響，0表示沒有影響。

2.2 創新點

表1顯示了在上一節中利用SDG得出的部分危險與可操作性分析的結果。利用SDG可以容易地診斷出所有潛在的過程故障，HAZOP分析結果表明，附著碳焦的催化劑控制閥打開太多會導致更多的焦 炭燃燒，然后再生器中產生的熱量會增加，結果導致裂解需要更多的熱量，從而導致更多氣體的產生。這反過來會成為一個安全隱患。

這種復雜的路徑幾乎完全不可能由傳統的專家經驗定性的分析給出。本文運用基于機理模型的動態仿真系統對實際的RFCC裝置進行仿真，通過該裝置的操作獲得專家經驗（圖5），再運用SDG分析工具對過程變量因果關系進行推理，推理過程的本質是對其所代表的鄰接矩陣操作的過程，形成事故傳播序列，通過篩選后得到HAZOP分析報告（表1）。該過程省去專家會議部分，同時分析結果的人為失誤也得到避免，極大縮短分析周期，分析結果便于管理。

3 結 論

本文首次使用仿真工廠數據，用SDG推理工具對渣油催化裂化單元裝置的危險與可操作性進行了研究。大量的可用數據給危險與可操作性量化研究提供了及時的幫助。然而，本文的討論范圍主要集中在裂化過程中產生的可燃性氣體泄漏引發的災難性事件的路徑上。隨后，進一步的基于同樣的SDG分析工具對整個裝置進行詳盡的危險與可操作性定量研究將會展開。與專家系統HAZOP相比，本文所用方法在得到更為全面完整結果的同時，還減少了相當的工作時間[12-13]。這將使HAZOP研究更為有用地為工廠操作員提供一個定量基準，從而使災難事件的預防工作更為容易。

致謝：特別鳴謝清華大學的趙勁松教授提供了由他的團隊開發的SDG Inference Engine[10，15，20]，為本文構建基于SDG的危險與可操作性研究提供了寶貴的支持。

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