w吨甲醇合成工艺仿真

新疆广汇新能源有限公司年产120万吨甲醇合成装置仿真系统仿真培训系统操作手册（教师/学员）编写:审核:______北京东方仿真软件技术有限公司二零零九年七月十三日正文第44页/共47页目录仿真培训系统操作手册 1目录 11 仿真培训系统简介 11.1 仿真培训的目的 11.2 仿真培训的范围 12 甲醇合成工段简介 22.1 甲醇合成工段工艺说明 22.1.1 合成回路工艺说明 22.1.2 氢回收装置工艺说明 43 关键设备简介 53.1 压缩机系统 53.2 合成塔 53.3 反应方程式 53.3.1 反应的主要影响因素 63.3.2 反应的特点 73.3.3 理解几个重要概念 73.4 膜分离装置 83.4.1 原理 83.4.2 渗透系数的定义 83.4.3 渗透系数的影响因素 94 自动控制 94.1 复杂控制回路说明 94.2 联锁说明 94.2.1 联锁旋扭的使用说明 94.2.2 联锁系统 105 工艺指标 135.1 主要控制指标 135.2 显示仪表 145.3 分析仪表 145.4 现场阀 145.5 物料平衡表 145.6 蒸汽压力和饱和温度对应表 145.7 设备一览表 145.8 工艺卡片 156 操作规程 156.1 开车准备 156.2 催化剂活化后冷态开车 156.3 氢回收装置开车 166.4 计划内停车 166.5 计划外停车（循环泵J400A01跳车） 167 评分细则 167.1 ESST评分系统的使用说明 167.2 冷态开车评分系统 167.3 停车操作评分系统 178 下位机画面设计 178.1 DCS用户画面设计 178.2 现场操作画面设计 178.2.1 现场操作画面设计说明 178.2.2 画面图 179 附表 18仿真培训系统简介仿真培训的目的本仿真系统的目的是：对工艺流程进行仿真，模拟各种生产状况；对中控室的人机界面（DCS系统）进行仿真；将自动化系统的各种逻辑关系（ESD及联锁系统），结合进操作流程中进行模拟；对整个工艺流程以及各环节设备的启动、停止（多种工况）以及各种故障情况的应急处理（安全预案）进行模拟；通过在线操作指导（包含工艺操作规程和指导说明），满足工人冷态开车、技能实训、技能鉴定中有关设备故障、装置操作、工艺调控方面的培训、考核的需要，满足针对操作进行技能鉴定的需要。仿真培训的范围由于本仿真系统主要以仿DCS操作为主，因而，在不影响操作的前提下，对一些不很重要的现场操作进行简化，简化主要内容为：不重要的间歇操作，部分现场手阀，现场盲板拆装，现场分析及现场临时管线拆装等等。另外，根据实际操作需要，对一些重要的现场操作也进行了模拟，并根据DCS画面设计一些现场图，在此操作画面上进行部分重要现场阀的开关和泵的启动停止。对DCS的模拟，以化工厂提供的DCS画面和操作规程为依据，并对重要回路和关键设备在现场图上进行补充。甲醇合成工段简介甲醇合成工段工艺说明合成回路工艺说明来自前端净化工序的新鲜补充气和氢回收装置回收甲醇回路弛放气所得到的氢气及前端工序来的CO2经过压缩机入口分离器F630A01后，进入甲醇合成气压缩机J630A01/1。来自合成气压缩机J630A01/1的气体经保护床预热器C630A01加热后进入保护床D630A01。气体通过第一床除去无机硫。氧气在第二床的除氧催化剂上和氢气及一氧化碳反应，主要产物是水蒸汽。气体中的COS和水蒸汽在第三床的水解催化剂上生成H2S。然后气体进入最后一床的脱硫催化剂，硫化物在此被脱除。出保护床D630A01的游离氧小于300ppmv，总硫小于20ppbv。出保护床D630A01的气体进入压缩机段间水冷器C630A02中冷却并在压缩机段间分离器F630A03中分离出可能的冷凝液。分离了冷凝液的气体进入合成气压缩机J630A01/2。出合成气压缩J630A01/2的气体和来自循环机入口分离器F630A02的循环气混合后（缸内混合）进入合成气压缩机J630A01/2的循环段。来自甲醇合成气循环机的8.84MPag（G,EOR）的气体在72.6℃（EOR）下送入进出口换热器C400A01壳侧。在此换热器中，经过与甲醇合成塔D400A01中的出口气换热，壳侧的工艺气被加热到235℃（EOR）。甲醇合成塔D400A01入口工艺气的温度由换热器C400A01的旁路气来控制。工艺气经C400A01壳侧进入甲醇合成塔D400A01后，在甲醇催化剂上发生反应，甲醇浓度增加到10.862%（体积，EOR）。通过汽包F400A01的压力来控制甲醇合成塔D400A01内催化剂床层的温度。汽包F400A01带有排污系统（排污罐，F400A04）和排污管线。进出口换热器C400A01冷侧的旁路也用于开车和停车时合成塔的温度控制。出甲醇合成塔D400A01的反应气体进入进出口换热器C400A01的管侧，通过预热上面提到的合成塔进口气，出口反应气冷却到121℃（EOR）。甲醇开始冷凝。气体离开C400A01后进入空冷器C400A04，工艺气被冷却到大约70℃（EOR）。大部分甲醇在此冷凝。气体离开C400A04后，进入水冷器C400A02，在此气体被进一步冷却到40℃（EOR）。小部分甲醇在此冷凝。液体甲醇在甲醇高压分离器F400A02中分离出来。从甲醇高压分离器F400A02出来的大部分循环气被送至循环缸入口分离器F630A02入口后，随后进入J630A01/2循环缸。从甲醇高压分离器F400A02出来的另一部分循环气作为弛放气被送至弛放气水洗塔，随后送至氢回收装置Y620A01-Y620A07。甲醇高压分离器F400A02出来的液体甲醇经过粗甲醇过滤器F400A05A/B后在甲醇闪蒸槽F400A03中减压至0.5MPag（EOR），44℃（EOR）、0.5MPag的粗甲醇被送至界区。来自甲醇闪蒸槽F400A03的闪蒸气用氢回收水洗塔来的甲醇溶液洗涤后送出界区用作燃料气。弛放气中的甲醇经过氢回收装置回收后作为甲醇溶液送去甲醇闪蒸槽F400A03的顶部。氢回收装置的返氢和新鲜补充气及CO2混合后进入合成气压缩机入口分离器F630A01.氢回收装置的尾气被送出界区作为燃料气。界区外来的锅炉给水和汽包F400A01的循环水混合后进入锅炉给水泵J400A01A/B，再甲醇合成塔D400A01冷侧锅炉给水部分汽化，实时地将换热板工艺侧产生的热量移走。两相的汽水混合物从合成塔D400A01冷侧的顶部流出，在汽包F400A01中得到分离。饱和蒸汽被送出界外。氢回收装置工艺说明本装置采用膜分离技术，从弛放气中提取回收率大于85%的氢气。装置按照预处理量为20518Nm3/h来设计，操作弹性为50%~10%。本装置主要分两大部分：一是原料气的预处理。驰放气首先进入水洗塔，洗去其中的甲醇，然后经气液分离器将雾沫夹带中的液体分离后，进入套管加热器，预热到47ºC左右（目的是达到膜分离的最佳温度，并使之远离露点，防止入膜后在膜表面凝结出水）。二是气体的分离。经水洗、气液分离和预热后的原料气即可进入膜分离器，经分离后便可得到所要求性能指标的氢气（即渗透气），回收率85%以上。来自合成系统的弛放气由H2、CO、CO2、N2、CH4、H2O、Ar、CH3OH、C2H6气组成，其末期表压为8.07MPa（初期表压为7.7MPa）,通过膜分离装置将其中的氢气分离出来。弛放气首先经薄膜调节阀HV-620A01，然后进入洗甲醇塔，气体在洗甲醇塔E620A01中与高压水泵打进的脱盐水在填料层中逆流接触，气相中的甲醇气（CH3OH）被水吸收后变成甲醇水，由塔底排出。脱甲醇后的气体（原料气）由塔顶排出后进入气液分离器，使水洗过程中产生的雾沫夹带得到分离。水洗目的主要是净化弛放气，除掉其中的甲醇，水洗后气体的甲醇含量应低于200ppm。由于水洗过程气液两相平衡，使得塔顶出来的原料气中水含量处于饱和状态。在气液分离器F620A01以后的管路及膜分离器中遇冷降温会出现水雾，进入膜分离器后会造成膜分离器性能下降。因此，气液分离器排出来的气体必须经过加热处理。加热器C620A01为一列管式换热器，热源为0.5MPa饱和蒸汽。原料气在换热器中被加热到（正常/最大）45/60℃左右，此时原料气中的水含量远离饱和点，可防止原料气进入膜分离器后产生水雾，影响分离性能。经过水洗、加热后的原料气送入膜分离器中进行分离，分离器组由7根Φ200×3000mm原料气进入膜分离器后，中空纤维膜对氢气有较高的选择性。靠中空纤维膜内、外两侧分压差为推动力，通过渗透、溶解、扩散、解吸等步骤而实现分离。使中空纤维膜内侧形成富氢区气流，而外侧形成了隋性气流。前者称为渗透气，后者称为尾气。渗透气经压缩重返合成系统，尾气供合成氨工区使用。原料气压力为末期表压为8.07MPa（初期表压为7.7MPa）。渗透气表压为2.35MPa。原料气与渗透气之间的压差需保持在9MPa以下，压差是膜分离器重要操作指标之一，压差过大会使中空纤维膜遭到破坏。在本装置中，由于原料气与渗透气的压差不会超过9MPa，故可不考虑由于压差过大造成中空纤维膜的破坏。原料气经过七根膜分离后，其中85％以上氢气被分离出来，剩余尾气中氢气含量较少，通过膜分离器的尾部薄膜调节阀HV-620A03排出，供合成甲醇工区使用。关键设备简介压缩机系统合成塔反应方程式合成塔是将含H2、CO、CO2的原料气（235℃，EOR），在一定压力（8.07MPag，EOR）、温度（220~260℃，EOR）、催化剂（铜基催化剂，火花组份ZnO，Al2O3等）作用下，合成粗甲醇，并利用其反应热副产3.0~3.35Mpag的中压蒸汽，并入蒸汽管网。从合成气(CO、CO2和H2)为原料合成甲醇的主要方程式：（1）CO+2H2=CH3OH+ΔH1ΔH1(298℃（2）CO2+3H2=CH3OH+H2O+ΔH2ΔH2(298℃反应的主要影响因素催化剂便于运输、储存，一般出合成触媒厂的触媒是以氧化铜的形态存在的。氧化态的催化剂并不具备催化活性，使用前必须经过还原活化处理，将氧化铜转化为具有活性单质铜。化学反应还原式为：（1）CUO+H2=CU+H2O+ΔH3（2）CUO+CO=CU+CO2+ΔH4催化剂上甲醇的生成速率取决于压力、催化剂温度，循环量和合成气组分。压力甲醇合成速率和压力成正比，例如，压力增加10%将使甲醇产量增加10%。温度合成塔中的催化剂温度升高对反应动力学有提高作用。然而，催化剂最高温度应一直保持在280~285℃当已经达到平衡，催化剂活性没有受到限制，升高温度将降低甲醇产量。循环量提高循环量可以增加甲醇产量。在低循环流量下，甲醇产量大致与循环量成正比；而当非常高的循环量时，随着循环量的增加，甲醇产量增加很少。气体组成甲醇合成速率取决于合成气组成。表示合成气特性的一种方法是计算计量比(H2-CO)/(CO+CO2)，越接近2.05~2.10，对反应越有利。反应的特点放热反应甲醇合成是一个可逆放热反应，为了使反应过程能够向着有利于生成甲醇的方向进行、适应最佳温度曲线的要求，以达到较好的产量，要求采取措施移走热量。体积缩小反应从化学反应可以看出，无论是CO还是CO2分别与H2合成CH3OH，都是体积缩小的反应，因此压力增高，有利于反应向着生成CH3OH的方向进行。可逆反应即在CO、CO2和H2合成生成CH3OH的同时，甲醇也分解为CO2、CO和H2，合成反应的转化率与压力，温度和(H2-CO2)/(CO+CO2)有关。催化反应在有催化剂时，合成反应才能较快进行，没有催化剂时，即使在较高的温度和压力下，反应仍极慢地进行。理解几个重要概念转化率反应物A的反应物质的量(ΔnA)与其初态物质的量nA0之比称为转化率，用符号xA(%)表示，即：单程转化率某种反应物参与反应量（一次反应）与原料反应物量的百分比称为单程转化率。回收率膜分离装置原理膜分离系统的工作原理就是利用一种高分子聚合物（膜材料通常是聚酰亚胺或聚砜）薄膜来选择“过滤”进料气，从而达到分离的目的。当两种或两种以上的气体混合物通过聚合物薄膜时，各气体组分在聚合物中的溶解扩散系数的差异，导致其渗透通过膜壁的速率不同。由此，可将气体分为“快气”（如H2O、H2、He等）和“慢气”（如N2、CH4及其它烃类等）。当混合气体在驱动力—膜两侧相应组分分压差的作用下，渗透速率相对较快的气体优先透过膜壁而在低压渗透侧被富集，而渗透速率相对较慢的气体则在高压滞留侧被富集。渗透系数的定义其中，Pi为气体组分i的渗透系数；q为气体总渗透量(Kmol/h)；PH为原料气（膜高压侧）压力(MPag)；PL为渗透气（膜低压侧）压力(MPag)；xi为入膜的组分i的体积分数；yi为渗透气中组分i的体积分数；A为膜的有效面积（m2）；qyi表示气体组分i的渗透量。渗透系数的影响因素从膜的渗透系数定义可以看出：膜的分离选择性（各气体组分渗透系数的差异）、膜面积和膜两侧的分压差构成了膜分离的三要素。其中，膜分离的选择性取决于制造商选用的膜材料及制备工艺，是决定膜分离系统性能和效率的关键因素。此外，渗透系数对温度是敏感的。渗透系数随着温度的升高而增大。因此，提高温度是提高膜分离器渗透性能的重要因素。但是，过高的温度会对膜造成破坏，因此，膜分离必须有一个最佳温度。在本项目中，膜分离的最佳温度47℃左右。自动控制复杂控制回路说明联锁说明联锁的目的是在装置区保持安全可靠的工作环境，保护人身、设备及催化剂的安全，避免其由于控制系统的故障或人为的失误而受到的损害。联锁旋扭的使用说明联锁旋扭位于甲醇合成工段“连锁图”中，共有IMC合成回路停车联锁(E101)、循环泵出口流量超低连锁、合成塔内温度高连锁、锅炉给水循环泵停车连锁(E102)、锅炉给水循环泵自启动连锁(I101)和氢回收系统连锁。如图所示，该旋扭为两相旋扭：AUTO、B.P.（bypass缩写）。其中AUTO表示该相应联锁程序投用；B.P.DEFAULT为切除相应联锁程序（旁路），同时有复位功能。其操作为：将鼠标移到相应的字母说明位置上按一下鼠标左键即可。联锁系统E101IMC合成主回路停车原因：汽包低低液位；IMC催化剂床层温度高高(3)；IMC工艺侧和蒸汽侧压差高高(6)；按停车控制台上停车开关；F400A02的高高液位；来自循环机J630A01停车的装置停车信号(1)；锅炉给水循环流量超低(4)；装置上游工段S/D信号；F630A01高高液位；F630A02高高液位；压缩机吸入口低低压力；F630A03高高液位；动作：到合成气压缩机的S/D信号；根据压缩机控制逻辑代开防喘振阀FV630A141和FV630A142(1)(2)；关合成气至C400A01阀UV400A03(1)(2);关合成气循环管线上阀UV400A04(1)(2);关新鲜气阀UV400A01(1)(2)；开压缩机放空阀UV400A02(1)；关粗甲醇减压阀LV400A07A/B，将相关控制器输出置零；关闭弛放气去氢回收装置阀FV400A10；开放空阀PV400A05(5)；通过作用于PIC400A29，以5%（可调）的开度打开IMC回路放空阀PV400A29。一旦PT400A29达到10barg，关闭该阀门，使控制器置于自动模式，设定值为10barg。关闭压缩机吸入缸底部阀UV400A05、UV400A06。注意：(1)压缩机停车信号来自机组控制回路，阀UV400A01、UV400A03、UV400A04关，UV400A02开。(2)由机组控制逻辑打开防喘振阀门FV630A141和FV630A142，而不是ESD（由压缩机供应商确认）。(3)应当给每个温度开关配一个维护旁路开关，使信号置零。(4)延时30秒（可调），开车时采用过程旁路开关。(5)阀PV400A05开在一个预设值（如60%），5秒（可调）后它再由PIC400A05控制。(6)6.1MPa时报警，6.6MPa时跳车。E102停电动锅炉给水循环泵J400A01A/B原因：F400A01超低低液位；DCS停车控制盘上手动停车；就地手动停车；动作：挺电动泵J400A01A和B；电动泵J400A01A和/或B停车报警（控制台）；电动泵J400A01A和/或B停车报警（DCS）；关闭阀FV400A16；I101开电动锅炉给水循环泵J400A01B或A原因：低低锅炉给水循环出口压力；低低锅炉给水循环流量；动作：打开备用泵J400A01B或A(1)；在DCS中备用泵运转指示(2)；从DCS手动复位；注意：(1)自启动系统由就地的三位开关控制：手动-停止-自动。仅当开关在自动的位置，泵才能够启动；(2)DCS中显示备用泵在联锁动作后运行（备用泵在DCS上运行显示）；(3)如果主泵没有停止运转，操作员在现场检查后应手动停止；(4)开车时连锁动作原因应有过程旁路开关。I102汽包F400A01高高液位原因：F400A01高高液位；动作：通过FIC400A13置零关闭锅炉给水进口阀FV400A13；DCS中报警；注意：(1)当F400A01液位高高报警不再激活时，逻辑自动复位。氢回收系统HRU原因：按停车控制台上停车开关；洗氨塔高高液位≥85%；洗氨塔低低液位≤15%；分离器高高液位≥50%；入膜高高温度值≥60℃软化水低低流量值≤500L/h；软水储槽低低液位≤10%。动作：触发联锁时系统操作画面出现报警提示、报警喇叭响；停泵J620A01；停泵J620A02。注意：(1)所有的联锁条件原因有一个过程旁路开关。工艺指标主要控制指标主要控制指标见HYPERLINK附表2。分析仪表分析仪表见HYPERLINK附表3。蒸汽压力和饱和温度对应表蒸汽压力-饱和温度对应表见HYPERLINK附表4。设备液位(DCS和现场)显示报警连锁汇总表设备液位(DCS和现场)显示报警连锁汇总表见HYPERLINK附件一。冷态开车评分系统步骤评分：2400质量评分：扣分：停车操作评分系统下位机画面设计DCS用户画面设计DCS画面的颜色、显示及操作方法均与真实DCS系统保持一致；一般调节阀的流通能力按正常开度为50%设计。现场操作画面设计现场操作画面设计说明现场操作画面是在DCS画面的基础上改进而完成的，大多数现场操作画面都有与之对应的DCS流程图画面；现场画面上光标变为手形处为可操作点；现场画面上的模拟量（如手操阀）、开关量（如开关阀和泵）的操作方法与DCS画面上的操作方法相同；一般现场画面上红色的阀门、泵及工艺管线表示这些设备处于“关闭”状态，绿色表示设备处于“开启”状态；单工段运行时，对换热器另一侧物流的控制通过在现场画面上操作该换热器来实现；全流程运行时，换热器另一侧的物流由在其他工段进行的操作来控制。冷却水及蒸汽量的控制在各种情况下均在现场画面上完成。画面图甲醇合成工段DCS和现场图见HYPERLINK附图附图1甲醇合成工段DCS总图附图2甲醇合成工段_压缩机系统_DCS图附图3甲醇合成工段_压缩机系统_现场图附图4甲醇合成工段_合成塔-汽包系统_DCS图附图5甲醇合成工段_合成塔-汽包系统_现场图附图6甲醇合成工段_分离系统_DCS图附图7甲醇合成工段_分离系统_现场图附图8甲醇合成工段_氢回收系统_DCS图附图9甲醇合成工段_氢回收系统_现场图附件附件一、过程仿真系统平台PISP-2000评分系统使用说明启动STS系统进入操作平台，同时也就启动了过程仿真系统平台PISP-2000评分系统，评分系统界面如HYPERLINK附图1所示：附图1评分系统界面过程仿真系统平台PISP-2000评分系统是智能操作指导、诊断、评测软件(以下简称智能软件)，它通过对用户的操作过程进行跟踪，在线为用户提供如下功能：1．操作状态指示：对当前操作步骤和操作质量所进行的状态以不同的图标表示出来（HYPERLINK附图2所示为本操作系统中所用的光标说明）。（1）操作步骤状态图标及提示：图标：表示此过程的起始条件没有满足，该过程不参与评分。图标：表示此过程的起始条件满足，开始对过程中的步骤进行评分。图标：为普通步骤，表示本步还没有开始操作,也就是说,还没有满足此步的起始条件。图标：表示本步已经开始操作，但还没有操作完，也就是说,已满足此步的起始条件，但此操作步骤还没有完成。图标：表示本步操作已经结束，并且操作完全正确（得分等于100％）。图标：表示本步操作已经结束，但操作不正确（得分为0）。图标：表示过程终止条件已满足，本步操作无论是否完成都被强迫结束。（2）操作质量图标及提示：图标：表示这条质量指标还没有开始评判，即起始条件未满足。图标：表示起始条件满足，本步骤已经开始参与评分，若本步评分没有终止条件，则会一直处于评分状态。图标：表示过程终止条件已满足，本步操作无论是否完成都被强迫结束。图标：在PISP-2000的评分系统中包括了扣分步骤，主要是当操作严重不当，可能引起重大事故时，从已得分数中扣