(液化空氣(遼陽)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

殼牌煤氣化工藝的可靠性分析和設計

劉偉

(液化空氣(遼陽)有限公司，遼寧 遼陽 111003)

從系統(tǒng)角度對典型的殼牌煤氣化工藝流程進行可靠性分析，并基于不同的配置，討論了在預算一定的條件下，如何設計獲得最大的可靠性。結(jié)果表明：單爐進行對比，殼牌煤氣化工藝遠高于GE水煤漿工藝；采用2×50%的殼牌氣化爐配置時，整體可靠性較之單爐下降，采用3×50%的氣化爐配置時，氣化島可靠性較之單爐提高10.4%。應用可靠性優(yōu)化模型，對氣化爐及其內(nèi)部輔助單元的配置設計有借鑒意義。

殼牌煤氣化；可靠性設計；可靠性分析；可用度；可靠性優(yōu)化模型

殼牌煤氣化工藝(簡稱SCGP)是一種具代表性的煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化技術(shù)，是發(fā)展煤基化學品合成(氨、甲醇、乙醇、烯烴等)、液體燃料合成(二甲醚、汽油、柴油等)、IGCC發(fā)電、多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、制氫等過程工業(yè)的基礎。

自2001年湖北雙環(huán)科技股份有限公司(以下簡稱雙環(huán)科技)引進第1套氣化爐至今，殼牌已經(jīng)轉(zhuǎn)讓20多個技術(shù)專利，分別應用于合成氨、甲醇、制氫以及費托油品等的生產(chǎn)中，單爐處理煤量為1 000～3200 t/d不等。盡管SCGP的清潔、高效、煤種適應性強、環(huán)保等優(yōu)點顯著，但其高投資、低可靠性在業(yè)界備受質(zhì)疑。

在可靠性的研究方面，國外相關研究機構(gòu)，如美國能源部能源實驗室(DOE/NETL)、美國電力研究所很早就對煤氣化聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的可靠性進行相關研究，得出很多有價值的結(jié)論，對指導煤氣化聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的進一步可靠性設計和優(yōu)化提供借鑒，但是這些研究成果涉及很多工業(yè)數(shù)據(jù)，研究成果也是保密的[1]。

我國對煤氣化工藝可靠性研究較少，清華大學的李政從系統(tǒng)角度對GE水煤漿在煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電中的應用進行研究[6]，并對單列煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)進行可靠性設計。煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)分成2個模塊，分別是氣化模塊和發(fā)電模塊。可靠性分析發(fā)現(xiàn)，沒有冗余配置的氣化爐，全廠等效可用度僅為70%，如果采用2×50%+2×50%的耦合設計時，系統(tǒng)等效可用度可以提高至82%；如果采用1臺備用氣化爐設計時，系統(tǒng)的可用度可以提高10%。和GE水煤漿的設計思路不同的是，在SCGP的流程設計中，單爐較為常見。筆者從系統(tǒng)角度對其進行可靠性研究，對其固有可靠性不做討論。目的是探索如何優(yōu)化SCGP的配置、選型原則來提高SCGP系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)可靠性工程的基本概念及公式

通常用可用度A(可用系數(shù)，可用率)來度量可靠性，對于不可修復系統(tǒng)，廣義可靠性和狹義可靠性是一樣的，而對于可修復系統(tǒng)，則會有較大的區(qū)別。對生產(chǎn)企業(yè)而言，可靠性不僅是其固有的，還與使用條件、人員素質(zhì)、維修水平有關，因此，本文的研究是從使用可靠性出發(fā)的。

可靠性的計算公式如下：

R=λ

A=e-λt，當λt非常小，A=1-λt；

式中，R(Reliability)是可靠性；λ是故障率(它通常表達為單位時間的故障次數(shù))；A是可用度(Availability)；t是平均停機時間；EAF(Equivalent Availability Factor)是等效可用度。

對系統(tǒng)進行可靠性分析時，基本的失效邏輯關系包括并聯(lián)、串聯(lián)和表決系統(tǒng)。

(3) 表決系統(tǒng)：系統(tǒng)由n個單元構(gòu)成，k/n(G)是由n個單元所組成的系統(tǒng)。當可用單元的數(shù)量≥k(1≤k≤n)，系統(tǒng)不會失效。對所有組成單元一樣的特殊表決系統(tǒng)，有公式：

在化工系統(tǒng)中常見的3×50%設計，就是典型的2/3(G)系統(tǒng)，也叫2開1備系統(tǒng)。

2 單列SCGP和GE水煤漿流程可靠性對比

早期的SCGP都是廢鍋流程(見圖1)。該流程的特點是干粉進料，合成氣上行激冷，回收廢熱產(chǎn)生高品質(zhì)的中壓蒸汽，合成氣直接脫除干灰，進入洗滌塔洗滌，然后合成氣送去變換。通常情況下，氣化島的設計都是單爐配置，主要原因是氣化爐投資大，體積大。一旦氣化爐停車，下游裝置都將受其影響。截止到2012年，經(jīng)過10年的摸索，多家殼牌煤氣化裝置全年累計運行時間超過300 d，最長341 d，連續(xù)4年超過330 d。

圖1 典型的SCGP工藝流程簡圖1—氣化爐；2—膜式蒸發(fā)器；3—合成氣冷卻器；4—蒸發(fā)器1；5—蒸發(fā)器2；6—中壓汽包；7—循環(huán)氣壓縮機；8—高溫高壓飛灰過濾器

和SCGP不同的，GE水煤漿氣化爐是水煤漿進料(見圖2)，氣化爐爐體為爐磚，合成氣下行水激冷，然后到洗滌塔洗滌，然后合成氣送去變換。由于燒嘴和爐磚的壽命較短，大多運行40～60 d就必須停爐更換燒嘴。如神華包頭氣化島設計為5開2備，平均每月需檢修2臺氣化爐，而且備爐的檢修質(zhì)量也直接影響氣化爐的運行周期。

顯然，SCGP單臺氣化爐的可靠性要遠高于GE水煤漿氣化爐，然而GE水煤漿通過優(yōu)化氣化爐的組合配置，如3備1、4備1、5備1、5備2等各種不同的備用配置，使其氣化裝置的綜合可靠性接近100%。

圖2 典型的單列GE水煤漿工藝流程簡圖1—棒磨機；2—出料槽；3—煤漿槽；4—氣化爐；5—碳洗塔；6—高閃罐；7—低閃罐；8—真空閃罐1；9—真空閃罐2；10—沉降槽；11—壓濾機；12—灰水槽；13—除氧器；14—灰水加熱器；15—渣鎖斗；16—撈渣機

SCGP和GE水煤漿的各單元可靠性參數(shù)見表1，其中SCGP的各設備研究數(shù)據(jù)較少，采用部分假設的方法。對單爐的SCGP和3備1的GE水煤漿進行可靠性計算。

表1 煤制氫系統(tǒng)中各設備的可靠性參數(shù)

經(jīng)過計算，單列SCGP的氣化綜合可用度為87.2%。而采用3備1的GE水煤漿氣化爐的氣化綜合可用度按照表決系統(tǒng)計算，3備1的設計等于4×33%的設計，可用度為91.1%。采用備爐的配置以后，氣化島的可靠性較之單爐設計增加，如2016年齊魯石化GE氣化島連續(xù)運行550 d。

因此，SCGP的單爐設計是其可靠性低的根本原因。在氣化裝置的設計和選型時，應根據(jù)工藝條件和需求，選擇備爐的設計才是首選。

3 幾種不同配置的SCGP設計的可靠性分析

對典型的煤制氫流程，筆者分別按照SCGP氣化部分1×100%配置(見圖3)、2×50%配置(見圖4)和3×50%配置(見圖5)進行對比。

圖3 配置1：單系列的SCGP配置

圖4 配置2：氣化爐2×50%的SCGP配置

圖5 配置3：氣化爐3×50%的SCGP配置

經(jīng)過計算，不同配置的SCGP的可靠性計算結(jié)果見表2。SCGP下行激冷與GE水煤漿的投資/運行成本比較見表3。

表2 SCGP系統(tǒng)不同配置可靠度計算表

表3 SCGP下行激冷和GE水煤漿的投資/運行成本比較

從表2可以看出，2×50%配置的SCGP氣化島設計，等效100%負荷的可用度比單爐設計可靠性低。3×50%配置的SCGP氣化島設計，可用度高達96%。因此，SCGP設計備爐可有效提高氣化島的可靠性。值得注意的是，2×50%的氣化島設計，等效50%可用度達到97.4%，這是因為此時等價于氣化爐備爐設計，但這對化工裝置也有實際意義，因為當氣化島停機導致下游全系列裝置停車時，一次裝置重新啟動也要花費100萬～200萬元。

2013年，Shell推出2種新的SCGP工藝，分別是上行水激冷流程和下行水激冷流程。這2種工藝的投資較廢鍋流程下降很多，在南京惠生、金新化工都有應用。殼牌近年也在國內(nèi)認證了很多國產(chǎn)設備，因此，隨著國產(chǎn)設備的普及，氣化爐的投資還可以大幅度下降。

從表3可以看出，SCGP下行激冷流程在設計備爐的條件下，考慮投資和維護成本，較之GE水煤漿也有優(yōu)勢。

4 優(yōu)化SCGP配置獲得最大可靠性的設計

在SCGP的設計中，磨煤屬于可靠性較低的單元，需配合氣化爐的設計以獲得最大的可靠性。理論上，在每一級并聯(lián)上100%的設備，綜合可靠性肯定增加，但是增加備用設備的同時，必然導致投資的增加，因此，在工程上經(jīng)常面臨的困難就是如何用有限的預算，獲得最大的可靠性。

為簡化數(shù)學模型，假設磨煤模塊1、氣化模塊2、凈化及變壓吸附模塊3，各模塊之間互相獨立，就是說各單元不會相互影響可靠性，同時維修也是獨立的，式中Rs為系統(tǒng)可靠性。

全廠的可靠性模型為：

投煤量1 000 t/d的SCGP下行激冷流程的單爐投資為2億元，可用度為0.87，單套煤粉制備系統(tǒng)的投資為0.4億元，可用度為0.9，下游變換、低溫甲醇洗及變壓吸附的總投資為8億元，等效可用度為0.95，全廠的總投資預算為15億元，則煤粉制備單元為A1=0.9，失效概率為q1=0.1，氣化爐為A2=0.87，失效概率為q2=0.13，下游系統(tǒng)為A3=0.95，q3=0.05。各單元的費用為：c1=0.4，c2=3，c3=8。

由模型得到：

Max(1-q1n1)(1-q2n2)(1-q3n3)=(1-0.1n1)(1-0.13n2)(1-0.05n3)，且n10.4+n23+n38≤15。

通過試湊法計算的結(jié)果見表4。

表4 計算結(jié)果

因此，當2套磨煤并聯(lián)，并與2套氣化爐并聯(lián)時，設備的可靠性最高，綜合可靠性為0.973，總的投資14.8億元。該模型可以應用于氣化爐及其內(nèi)部系統(tǒng)配置的優(yōu)化設計。

需注意的是，額外的多余度并不能使可靠性得到大幅提高，但是設備的投資會增加較多。氣化爐增加一個系列后不但要增加投資，同時場地和土建等投資也應相應地增加，這些也是設計時應該考慮的。

5 結(jié)語

依據(jù)SCGP各組件的可靠性來優(yōu)化氣化爐的配置，獲得理想的氣化島可靠性，在化工項目的初期設計選型尤其重要。依據(jù)本文的分析，采用備爐3×50%的SCGP設計，可靠性較單爐設計提高10.4%?，F(xiàn)在，國內(nèi)大部分SCGP單爐的全年累計運行已經(jīng)可以超過300 d，如果有備爐設計，氣化島的運行時間還可以提高。但是考慮到設備的投資，如何設計備爐數(shù)量，也應在投資預算和可靠性之間進行平衡。另外，Shell推出的下行激冷流程，在投資方面大幅度下降，也為設計備爐提供便利。

SCGP的部件研究數(shù)據(jù)較為缺乏，除對系統(tǒng)可靠性研究之外，利用可靠性的思路和方法，今后也應加強SCGP部件可靠性設計的研究，這也是所有從業(yè)者今后努力的方向。

[1]宋保維.系統(tǒng)可靠性設計與分析[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2000.

[2] 鄭振安.對應用殼牌煤氣化工藝的工廠配置和設計的建議[J].化肥設計，2004，42(4)：3-6.

[3] 閆國富.淺析GE水煤漿氣化裝置檢修要點[J].化肥設計，2012，50(3)：40-42.

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修改稿日期：2017-07-27

ReliabilityAnalysisandDesignofShell’sCoalGasificationProcess

LIU Wei

(AirLiquide(Liaoyang)Co.，Ltd.，LiaoyangLiaoning111003，China)

This paper analyses the reliability of the typical Shell coal gasification process from a perspective of system. Based on different configurations and given budget，this paper also discusses what kind of design can maximize the reliability. The results show that for single gasifier，the reliability of Shell coal gasification process is much higher than that of GE coal water slurry process：using 2 ×50% Shell gasifier configuration，the overall reliability is lower than single gasifier；using 3 ×50% gasifiers configuration，however，the reliability is 10.4% higher. The application of reliability model which has been optimized can be used for reference in the design of gasifier and its internal auxiliary units.

Shell coal gasification process，reliability design，reliability analysis，availability，reliability optimization model

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.05.008

TQ546

A

1004-8901(2017)05-0029-05

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.05.008

劉偉(1984—)男，云南曲靖人，2006年畢業(yè)于廈門大學化學工程與工藝專業(yè)，助理工程師，現(xiàn)主要從事煤氣化、制氫技術(shù)管理工作。