李偉

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

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加氫裝置中緊急放空環(huán)節(jié)氣動(dòng)切斷閥的應(yīng)用

李偉

(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

摘要：加氫反應(yīng)是在高溫、高壓環(huán)境下進(jìn)行，并且有易燃易爆氣體參與的過(guò)程，所以安全措施至關(guān)重要。緊急放空是加氫裝置安全措施中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)在著火、泄漏、超溫等緊急情況下，或者在循環(huán)氫壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)，為了降低系統(tǒng)內(nèi)溫度并且減緩或停止反應(yīng)，需要開啟緊急放空裝置。從工程角度系統(tǒng)地分析了緊急放空氣動(dòng)切斷閥選型、雙電磁閥實(shí)現(xiàn)形式以及在緊急放空情況下的聯(lián)鎖邏輯和操作。

關(guān)鍵詞：加氫反應(yīng)緊急放空氣動(dòng)切斷閥雙電磁閥

Application of Pneumatic On-off Valve in Emergency Blow-down of Hydrogenation InstallationLi Wei

(Sinopec Engineering Co. Ltd., Beijing, 100101, China)

Abstract：Hydrogenation reaction is conducted under high temperature and high pressure with inflammable and explosive gas in the process. Safety countermeasures are very important. Emergency blow-down plays a very important role in safety system of hydrogenation reaction. Emergency blow-down installation needs to be started when the reaction is in dangerous situation such as catching fire, leaking, over temperature, or recycle hydrogen compressor shutdown to slow down or stop reaction and make sure that temperature is under control. Selection of pneumatic on-off valve type, realization form of double solenoid valve, interlock logic and operation under emergency blow-down condition are analyzed systematically from the point of engineering.

Key word： hydrogenation reaction; emergency blow-down; pneumatic on-off valve; double solenoid valve

1緊急放空重要性

常規(guī)加氫裝置，如圖1所示，原料油在高溫高壓環(huán)境下，經(jīng)過(guò)催化劑的作用使得反應(yīng)過(guò)程非常劇烈，在反應(yīng)器中不斷進(jìn)行著放熱反應(yīng)，要求在工程設(shè)計(jì)及操作方面需要較高的安全等級(jí)。通常進(jìn)行緊急泄壓的地方一般會(huì)選在循環(huán)氫壓縮機(jī)入口分液罐頂，見圖1中的A處；也會(huì)選在冷高壓分離器頂?shù)膱?chǎng)合，見圖1的B處。以某加氫裂化裝置為例，緊急泄壓的環(huán)節(jié)選在循環(huán)氫入口分液罐頂。

加氫反應(yīng)是在高溫、高壓環(huán)境下進(jìn)行的，并且不斷放熱，為了讓反應(yīng)維持在一個(gè)可控的范圍內(nèi)，需要不斷地通過(guò)循環(huán)氫壓縮機(jī)引入冷氫，這樣才不至于讓反應(yīng)過(guò)于劇烈以致超溫。然而，在很多情況下，出于安全因素或者保護(hù)機(jī)組本身考慮，循環(huán)氫壓縮機(jī)會(huì)被聯(lián)鎖停機(jī)，反應(yīng)系統(tǒng)就會(huì)失去冷氫，會(huì)造成反應(yīng)超溫，使得反應(yīng)失控，這時(shí)需要打開緊急放空閥，使系統(tǒng)的壓力降下來(lái)，確保生產(chǎn)安全。另一方面，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)著火、泄漏或者系統(tǒng)溫壓失控時(shí)，使得生產(chǎn)中存在著非常大的安全隱患，從安全角度出發(fā)，此時(shí)一定要手動(dòng)觸發(fā)緊急泄壓，使得反應(yīng)壓力降到可控，從而消除安全隱患。

2緊急放空的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

圖1　加氫裝置示意

圖2　緊急放空示意

高壓加氫裝置反應(yīng)系統(tǒng)的緊急泄壓是確保裝置安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，通常通過(guò)切斷閥和限流孔板串聯(lián)實(shí)現(xiàn)[1]。同樣地，以該加氫裂化裝置為例，如圖2所示，在切斷閥XV-001和XV-002下游均設(shè)有1個(gè)限流孔板RO-001和RO-002，該限流孔板通過(guò)加工孔徑的大小，分別可以實(shí)現(xiàn)0.7MPa/min和1.4MPa/min緊急泄壓，總量可以達(dá)到2.1MPa/min的泄壓速率。該泄壓速率是參考工藝包要求，即在一定時(shí)間內(nèi)將壓力降至冷高壓分離器操作壓力的25%。在控制室和現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)置1個(gè)0.7MPa/min泄壓按鈕，控制室的按鈕安裝在輔助操作臺(tái)上。該緊急泄壓聯(lián)鎖開關(guān)為兩位式開關(guān)，2個(gè)位置設(shè)定為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。在0.7MPa/min泄壓開關(guān)不能有效控制緊急情況時(shí)，需要手動(dòng)打開1.4MPa/min的泄壓開關(guān)，共同實(shí)現(xiàn)2.1MPa/min的泄壓速率。泄壓過(guò)程中可以在控制室實(shí)現(xiàn)停止泄壓和繼續(xù)再泄壓。2路泄壓均打開時(shí)，10min能滿足從21MPa降至常壓。

當(dāng)系統(tǒng)泄壓至0.7MPa時(shí)，自動(dòng)停止泄壓。泄壓狀態(tài)可以通過(guò)觀察閥門的閥位來(lái)確認(rèn)。在DCS畫面上XZOI-001和XZOI-002分別代表對(duì)應(yīng)的切斷閥的打開狀態(tài)，即進(jìn)行泄壓；XZCI-001和XZCI-002分別代表對(duì)應(yīng)的切斷閥的關(guān)閉狀態(tài)，即停止泄壓。

如圖3邏輯所示，當(dāng)循環(huán)氫壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)，會(huì)觸發(fā)0.7MPa/min的泄壓開關(guān)，該動(dòng)作為自動(dòng)完成。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)很多不確定因素，造成反應(yīng)過(guò)程的溫度壓力參數(shù)達(dá)到“危險(xiǎn)狀態(tài)”，需要操作工判斷是否存在較大的安全隱患，如果必要的話，需要在控制室或者現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)打開緊急泄壓，所以在邏輯中分別設(shè)置了0.7MPa/min和1.4MPa/min按鈕，來(lái)實(shí)現(xiàn)緊急泄壓的發(fā)生。為了將泄壓狀態(tài)直觀地讓操作工知道，控制室的操作臺(tái)上方設(shè)置燈屏指示，分別表明2路泄壓是否正在進(jìn)行。邏輯中的每路開閥命令都涉及了2個(gè)電磁閥共同完成。

當(dāng)泄壓完成，檢測(cè)泄壓系統(tǒng)壓力信號(hào)小于0.7MPa時(shí)，停止緊急泄壓，2路的放空閥均自動(dòng)關(guān)閉，反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。

圖3　緊急泄壓邏輯示意

3安全放空閥

3.1安全放空閥的選型要求

目前很多裝置的設(shè)計(jì)中增加了工廠危害和可操作性研究HAZOP(hazard and operability study)和儀表保護(hù)功能研究IPF Study(instrumented protective function study)，其中包括安全完整性等級(jí)SIL(safety integrity level)評(píng)級(jí)等。這使得儀表安全保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加科學(xué)與完善，有助于避免在設(shè)計(jì)中發(fā)生安全性能達(dá)不到要求或采取了過(guò)多的安全保護(hù)[2]。

緊急放空系統(tǒng)是加氫類裝置中非常關(guān)鍵的安全措施之一，而在緊急放空環(huán)節(jié)，緊急放空切斷閥又是最關(guān)鍵的因素。所以，對(duì)緊急放空閥的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)等因素的選型要求顯得非常重要。

緊急放空切斷閥在加氫裝置的緊急放空環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)快速排放的操作要求，擔(dān)任著保護(hù)生產(chǎn)安全和系統(tǒng)安全的兩位式開關(guān)閥的角色[3]。

放空系統(tǒng)的2臺(tái)閥門泄漏等級(jí)均為Ⅵ級(jí)，為了保證閥門泄漏等級(jí)達(dá)到要求，選擇了平行雙閘板閥，從結(jié)構(gòu)上來(lái)講，平行雙閘板閥更有利于閥門的密封，并且在響應(yīng)時(shí)間方面也可以滿足10s以內(nèi)。最主要的是，在緊急放空環(huán)節(jié)，一定要盡量避免閥門“卡死”，平行雙閘板閥的平衡結(jié)構(gòu)，不受介質(zhì)熱脹冷縮影響，不會(huì)出現(xiàn)卡住的現(xiàn)象。閥內(nèi)件均堆焊了司太萊合金，增加了閥體臨介質(zhì)部分的硬度，提升了抗沖刷的能力。在循環(huán)氫壓縮機(jī)入口分液罐頂，介質(zhì)成分比較復(fù)雜，包含氫氣、含硫油品以及濕硫化氫等，腐蝕性很強(qiáng)。所以緊急放空閥中的閥內(nèi)件均需要做抗硫化氫處理(NACE)處理。

該裝置中，依據(jù)放空速率要求，選擇的管道口徑為0.7MPa/min對(duì)應(yīng)20.32cm(8in)，1.4MPa/min對(duì)應(yīng)25.4cm(10in)。設(shè)計(jì)壓力為16.2MPa，設(shè)計(jì)溫度為240 ℃。這樣，在計(jì)算關(guān)閉壓差時(shí)，按最大值16.2MPa來(lái)考慮，即關(guān)閉壓差等于設(shè)計(jì)壓力。設(shè)計(jì)壓力在250 ℃以內(nèi)，故選擇標(biāo)準(zhǔn)型上閥蓋即可[3]，填料選用柔性石墨(P6610CL+P6710CL)。根據(jù)關(guān)閉壓差和填料材質(zhì)，計(jì)算出關(guān)閉閥門需要的總的力，然后乘以安全系數(shù)1.25，作為選定執(zhí)行機(jī)構(gòu)大小的最終依據(jù)。氣罐的選擇，根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣缸的大小，滿足在氣源斷氣時(shí)，還能保證在10min內(nèi)完成3個(gè)往復(fù)行程。這樣，結(jié)合以上因素，口徑為20.32cm閥門的氣缸容量為1000L，口徑為25.4cm閥門的氣缸容量為2000L。

3.2閥門故障位置

由于停電、儀表和閥門的故障及工藝操作異常因素，需要緊急停車，為此，需要把閥門放到安全位置，即事故關(guān)閥，事故開閥[3]。工程中需要考慮到的“事故”狀態(tài)一般為閥門供氣不足，即“失氣狀態(tài)”和電信號(hào)中斷。以下簡(jiǎn)稱事故關(guān)閥為FC，事故開閥為FO。

閥門的FO與FC狀態(tài)主要是從安全生產(chǎn)的角度出發(fā)的，當(dāng)“事故”時(shí)，閥門處于非可控狀態(tài)，為了避免此時(shí)出現(xiàn)緊急泄壓聯(lián)鎖而閥門不動(dòng)作的情況，需要將至少1路緊急泄壓閥設(shè)置成開狀態(tài)，即FO。

然而，考慮到如果同時(shí)打開2路泄壓，即2.1MPa/min泄壓，大量高壓氣體突然泄放，對(duì)下游管線的沖擊會(huì)比較大，并且當(dāng)大量的氫氣夾雜著復(fù)雜的反應(yīng)中間物涌向火炬系統(tǒng)時(shí)，對(duì)火炬系統(tǒng)中的分液罐和水封罐的作用力也很大，使得水封失效。所以當(dāng)閥門“事故”時(shí)，僅把0.7MPa/min 1路的放空閥門打開，即FO。另一路1.4MPa/min的放空閥門出于關(guān)閉狀態(tài)，即FC。

從故障安全型的設(shè)計(jì)角度出發(fā)，需要首先確定何為故障狀態(tài)，在可能發(fā)生多種故障的場(chǎng)合，什么故障的發(fā)生概率最大[4]。結(jié)合加氫裝置的特點(diǎn)，對(duì)“氣”和“電”兩個(gè)方面的故障進(jìn)行權(quán)衡，考慮電磁閥的供電正常，故障時(shí)即為“失氣狀態(tài)”。

當(dāng)氣源供氣不足時(shí)，即“失氣”時(shí)，需要采用氣路組件結(jié)合電磁閥的組合實(shí)現(xiàn)工藝要求的FC或者FO。

3.3電磁閥的氣路連接形式

電磁閥主要用在控制各種單向、雙向動(dòng)作氣缸式氣動(dòng)控制閥或其他氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)[3]。在該加氫裂化裝置中討論的電磁閥為兩位三通型。

電磁閥在緊急放空系統(tǒng)中處于非常重要的執(zhí)行環(huán)節(jié)，在很大程度上決定了裝置的SIL等級(jí)。為了達(dá)到一定SIL等級(jí)要求的平均危險(xiǎn)故障率PFD(probability of failure on demand)，通常采用的手段之一就是“1oo2”，“2oo3”等配置[5]。雙電磁閥配置，基于以上考慮，當(dāng)一個(gè)電磁閥被觸發(fā)動(dòng)作，安全放空閥即實(shí)現(xiàn)開閥，從而避免了因?yàn)閱蝹€(gè)電磁閥故障影響整個(gè)放空系統(tǒng)工作。

電磁閥的復(fù)位環(huán)節(jié)對(duì)保證整個(gè)反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行有著非常重要的意義，電磁閥可以在現(xiàn)場(chǎng)復(fù)位，也可以在邏輯中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程復(fù)位。儀表工程師在決定電磁閥選為手動(dòng)復(fù)位還是自動(dòng)復(fù)位時(shí)必須慎重，應(yīng)結(jié)合工藝流程和操作要求與工藝工程師詳細(xì)討論，如有工藝包專利商還應(yīng)征求專利商的意見[6]。既要考慮現(xiàn)場(chǎng)安全因素，也要同時(shí)考慮操作的可實(shí)施性與實(shí)時(shí)性因素。

該緊急泄壓環(huán)節(jié)的安全放空閥選用的是KOSO的400H-6111LA系列。以雙電磁閥(“1oo2”)及各種氣控組件等實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)工作的故障狀態(tài)要求和電磁閥復(fù)位要求。

如圖4所示，當(dāng)氣源壓力正常時(shí)，氣罐壓力也備壓正常，閥門供氣通過(guò)克服鎖止閥彈簧壓力，作用于2臺(tái)空氣換向閥上。此時(shí)，空氣通過(guò)過(guò)濾器，一方面接入空氣換向閥，另一方面接入串聯(lián)的電磁閥上。電磁閥為勵(lì)磁關(guān)閥(EC)，即帶電情況下，電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)聯(lián)鎖發(fā)生時(shí)斷電，電磁閥打開。當(dāng)電磁閥同時(shí)勵(lì)磁，氣路接通，空氣通過(guò)兩位五通空氣換向器，作用于閥門氣缸上部，閥門關(guān)。當(dāng)其中任1個(gè)電磁閥失電時(shí)，即發(fā)生聯(lián)鎖，空氣通過(guò)兩位五通空氣換向器，作用于閥門氣缸下部，安全閥打開，實(shí)現(xiàn)一次泄壓。

圖4　FC氣路連接示意

當(dāng)氣源壓力供氣不足時(shí)(即失氣狀態(tài))，氣罐VT的備壓還能保證閥門的3個(gè)行程動(dòng)作。當(dāng)氣罐壓力持續(xù)降低，以至于不足以克服鎖止閥的彈簧壓力時(shí)，只有閥門氣缸上部氣路的空氣換向閥將空氣接入，閥門關(guān)，即實(shí)現(xiàn)了失氣關(guān)。

同理，如圖5所示，當(dāng)氣源供氣壓力正常時(shí)，閥門工作過(guò)程與FC情況一致。即任何1電磁閥失電，就會(huì)發(fā)生聯(lián)鎖，閥門打開。當(dāng)氣源壓力不足時(shí)(即失氣狀態(tài))，氣壓不足以克服鎖止閥彈簧壓力，該路氣路無(wú)法作用在閥門的氣缸上。此時(shí)，氣罐中的空氣會(huì)通過(guò)閥門氣缸下部氣路的空氣換向器作用在閥門氣缸上，使得閥門打開，實(shí)現(xiàn)了FO。

圖5　FO氣路連接示意

4結(jié)束語(yǔ)

由于不同的工藝包要求不盡相同，因而緊急放空的形式與實(shí)現(xiàn)手段也多種多樣。有2路雙速放空的方案，如本文所提；也有平行放空的方案，即2路放空速率一樣，并且閥門故障狀態(tài)均為FO，在生產(chǎn)中，2路放空中僅有1路在運(yùn)行，另外1路作為備用。有通過(guò)切斷閥結(jié)合限流孔板實(shí)現(xiàn)的放空，如本文所提；也有用調(diào)節(jié)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的放空。雖然形式多樣，但其目的都是為了提高生產(chǎn)的安全等級(jí)。筆者僅以一套加氫裂化裝置為例，介紹了其原理、控制邏輯、閥門選型以及閥門實(shí)現(xiàn)形式。石化現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜，對(duì)于緊急放空的判斷，還需要經(jīng)驗(yàn)豐富的操作員快速給予反應(yīng)。除了聯(lián)鎖觸發(fā)的自動(dòng)泄壓，人為判斷手動(dòng)泄壓環(huán)節(jié)也非常重要，該環(huán)節(jié)的判斷因人而異，因當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)情況而異，需要具體問(wèn)題具體分析。

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中圖分類號(hào)：TP214

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2015)03-0017-05

作者簡(jiǎn)介：李偉(1983—)，男，2008年畢業(yè)于天津大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)工作于中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司儀表自控室，從事石油化工自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-02-10，修改稿收到日期： 2015-04-10。