耿淑遠(yuǎn)，劉瑩，黃帥

(1. 中石化寧波工程有限公司 上海分公司，上海 200030；2. 天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730060)

竄壓是指由于某種原因?qū)е赂邏喝萜髦械囊后w走空使得高壓容器內(nèi)的氣體竄入低壓容器，而低壓容器上設(shè)置的如安全閥、爆破片等安全泄放裝置的排放能力小于高壓氣體的泄放量，從而導(dǎo)致低壓容器損壞甚至發(fā)生爆炸[1]。竄壓是石化高低壓分離系統(tǒng)的典型安全問(wèn)題，竄壓在極短的時(shí)間內(nèi)若處置不當(dāng)會(huì)使低壓容器超壓，甚至爆炸，可造成人員傷亡與巨大財(cái)產(chǎn)損失。目前，高低壓分離系統(tǒng)普遍存在于加氫、高壓聚乙烯、合成氨等裝置，具有重大失效的危險(xiǎn)性。例如1987年英國(guó)Grangemouth工廠發(fā)生的加氫裂化裝置低壓分離器爆炸事件，2018年4月某石化柴油加氫裝置事故處置不當(dāng)造成的高壓氫氣竄入低壓原料罐引起火災(zāi)爆炸事故，均為竄壓事故。

為保證化工裝置在高壓竄低壓狀況時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行，必須對(duì)石化裝置高壓竄低壓部位進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，在工藝流程設(shè)置、儀表選型及聯(lián)鎖設(shè)置上采取相應(yīng)安全防范措施。本文以合成氨裝置為例對(duì)竄壓風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。

1 高壓竄低壓風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1 易發(fā)生竄壓的典型工藝流程

高壓竄低壓常見(jiàn)于高壓分離器底部，如加氫裂化、合成氨、甲醇合成等工藝裝置中的產(chǎn)品分離器底部。合成氨是典型的高壓生產(chǎn)裝置，合成氨高壓部分產(chǎn)品分離流程如圖1所示。由圖1可以看出： 一級(jí)氨分離器和二級(jí)氨分離器分離液氨產(chǎn)品，操作壓力達(dá)到12.9 MPa，出分離器后利用調(diào)節(jié)閥減壓到1.5 MPa，產(chǎn)品氨經(jīng)液氨中間罐去凈氨塔進(jìn)行吸附凈化，在此過(guò)程中分離器底部調(diào)節(jié)閥壓降約11.4 MPa，如果調(diào)節(jié)閥失效，高壓容器中的液體走空，高壓合成氣將會(huì)竄入設(shè)計(jì)壓力僅為2.2 MPa的低壓液氨中間罐，將會(huì)引起中間罐爆裂等多種風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 典型的合成氨裝置產(chǎn)品分離流程示意

1.2 竄壓風(fēng)險(xiǎn)分析

由圖1可以看出，竄壓事故通常存在以下幾個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素：

1)易燃?xì)怏w泄漏。當(dāng)高壓氨合成氣由于調(diào)節(jié)閥失效等事故，未經(jīng)減壓竄至低壓系統(tǒng)時(shí)，由于高低壓設(shè)備、管線的壓力等級(jí)差距較大，低壓設(shè)備、管線遭到破壞，高壓氨合成氣泄漏后，在一定范圍內(nèi)集聚，遇明火會(huì)導(dǎo)致閃爆、火災(zāi)等重大事故[2]。

2)設(shè)備、管道爆炸。當(dāng)高壓氣體竄進(jìn)低壓設(shè)備和管道內(nèi)部，壓力超過(guò)設(shè)備和管道材質(zhì)最高承受強(qiáng)度時(shí)，設(shè)備和管道發(fā)生損壞，內(nèi)部高壓氨合成氣能量釋放，甚至發(fā)生爆炸事故[3]。

3)有毒氣體風(fēng)險(xiǎn)。低壓設(shè)備液氨中間罐儲(chǔ)存大量的液氨，設(shè)備一旦破壞發(fā)生泄漏，氨氣為毒性介質(zhì)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)事故應(yīng)急處置人員和逃生人員以及處于下風(fēng)向裝置的人員造成極大的風(fēng)險(xiǎn)。

2 高壓竄低壓的防范設(shè)計(jì)

為了避免上述風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，高低壓分離系統(tǒng)必須在工藝流程、儀表選型和安全聯(lián)鎖上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 工藝流程設(shè)計(jì)

為最大化降低高壓竄低壓風(fēng)險(xiǎn)，工藝系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合各種工況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體措施如下：

1)高壓分離器上設(shè)置“2oo3”液位信號(hào)，并與調(diào)節(jié)閥聯(lián)鎖，增加聯(lián)鎖信號(hào)的可靠性。氨分離器屬高壓設(shè)備，一旦液位檢測(cè)出現(xiàn)失誤，發(fā)生竄氣，緊急切斷閥可能出現(xiàn)無(wú)法及時(shí)阻止高壓氣體流向后續(xù)的低壓設(shè)備。因此，高壓氨分離器的液位控制十分重要，通常設(shè)置3臺(tái)液位檢測(cè)儀表，采取“2oo3”的聯(lián)鎖控制方式，即3臺(tái)液位檢測(cè)儀表中的2臺(tái)達(dá)到了聯(lián)鎖設(shè)定值，便觸發(fā)聯(lián)鎖動(dòng)作關(guān)閉緊急切斷閥。該種設(shè)計(jì)方式提高了設(shè)備液位檢測(cè)的可靠性，同時(shí)避免了單臺(tái)液位檢測(cè)儀表發(fā)生故障而直接導(dǎo)致聯(lián)鎖停車(chē)的后果。

2)氨分離器液位調(diào)節(jié)閥出口設(shè)置壓力表，設(shè)置高報(bào)警和高高聯(lián)鎖關(guān)切斷閥。液氨管路發(fā)生高壓竄低壓事故時(shí)，調(diào)節(jié)閥后壓力表示值會(huì)急速上升，壓力高報(bào)警，達(dá)到設(shè)定值進(jìn)一步啟動(dòng)聯(lián)鎖，關(guān)斷緊急切斷閥，切斷管路。

3)氨分離器液位調(diào)節(jié)閥前設(shè)置緊急切斷閥，一旦發(fā)生竄壓事故，能夠及時(shí)隔斷管路。為保證該安全聯(lián)鎖的安全完整性等級(jí)(SIL)，在液位調(diào)節(jié)閥前單獨(dú)設(shè)置了開(kāi)關(guān)閥作為緊急隔離切斷閥，一旦發(fā)生竄壓事故，分離器液位低低或調(diào)節(jié)閥后壓力高高聯(lián)鎖關(guān)閉緊急切斷閥，聯(lián)鎖切斷管路。

4)調(diào)節(jié)閥控制。氨分離器底部設(shè)置液位控制閥，當(dāng)液位偏離設(shè)定的正常值時(shí)，控制閥自動(dòng)調(diào)控開(kāi)度，保證分離器內(nèi)液位維持在安全范圍。分離器頂部設(shè)置壓力調(diào)節(jié)閥，當(dāng)氣相壓力高于設(shè)定值時(shí)，通過(guò)降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，將氣相壓力維持在安全范圍。

5)氨分離器液位調(diào)節(jié)閥后設(shè)置限流孔板。在不影響液相流通的基礎(chǔ)上，一旦發(fā)生竄壓，對(duì)高壓氣體限流。限流孔板是調(diào)節(jié)閥降壓失效時(shí)的一種補(bǔ)償措施，竄壓工況氣相流量決定孔板孔徑，同時(shí)核算正常工況液相壓降，用于調(diào)節(jié)閥閥后壓力的設(shè)置依據(jù)。限流孔板也可用于改造項(xiàng)目，在下游安全閥排量不夠的情況下作為補(bǔ)充措施。

6)委托專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)聯(lián)鎖回路進(jìn)行安全完整性等級(jí)分析，提出SIL等級(jí)要求。工藝專(zhuān)業(yè)連同儀表專(zhuān)業(yè)一起，配合專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行SIL等級(jí)分析計(jì)算，在該過(guò)程中，進(jìn)一步完善流程和控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)詳細(xì)安全完整性等級(jí)分析，結(jié)合現(xiàn)有的安全閥、儀表的設(shè)置，合成氨分離器下部的緊急切斷回路定級(jí)為SIL1，最終滿足安全完整性要求。

合成氨竄壓流程SIL分析結(jié)果見(jiàn)表1所列。

表1 合成氨竄壓流程SIL分析結(jié)果

7)設(shè)置安全閥爆破片，安全閥排量需滿足閥門(mén)CV值要求。安裝在液氨中間罐入口的控制閥，發(fā)生故障時(shí)若處于全開(kāi)位置時(shí)，對(duì)于氣相管道，滿足低壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力小于高壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力的67%，則安全閥的泄放量應(yīng)滿足高壓氣體竄入低壓設(shè)備的排放量要求，根據(jù)HG/T 20570.2—1995《安全閥的設(shè)置和選用》，一般按下式計(jì)算：

qm=3 171.3×(CV1-CV2)ph(ρ氣相/T)1/2

(1)

式中：qm——泄放介質(zhì)質(zhì)量流量，kg/h；CV1——控制閥的流量系數(shù)；CV2——控制閥最小流量下的CV值；ph——高壓側(cè)工作壓力，MPa；ρ氣相——?dú)庀嗝芏?，kg/m3；T——泄放溫度，K。

CV值與閥門(mén)結(jié)構(gòu)、閥前后壓差、入口流體密度和流體特性有關(guān)，對(duì)除阻塞流以外的一般流體，可按以下常規(guī)方法計(jì)算[4]：

(2)

式中：qm1——經(jīng)過(guò)氨分離器液位調(diào)節(jié)閥的質(zhì)量流量，kg/h；d——工作溫度下液體的密度與60 ℉下水的密度的比值，量綱1的量；N——工程單位系數(shù)，量綱1的量；Δp——控制閥前后壓差，kPa，Δp越大，CV值越小，CV值一般由控制閥廠家提供。

8)分離器氣相空間壓力控制。氨分離器氣相憋壓也會(huì)導(dǎo)致高壓氣體竄向低壓罐，因此，氣相出口設(shè)置壓力檢測(cè)及壓力控制器，也可防范高壓竄低壓。

9)設(shè)置可燃有毒氣體檢測(cè)點(diǎn)。氨是《高毒物品目錄》(2003年版)中確定的31種氣體和蒸氣之一，為了保障現(xiàn)場(chǎng)操作工的人身安全，根據(jù)GB 50493—2009《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，設(shè)置多處有毒氣體檢測(cè)點(diǎn)，一旦現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生有毒氣體泄漏，提醒現(xiàn)場(chǎng)工作人員及時(shí)撤離。

2.2 儀表選型設(shè)計(jì)

2.2.1液位調(diào)節(jié)閥的選型

氨分離器的工藝介質(zhì)經(jīng)液位調(diào)節(jié)閥減壓后去低壓設(shè)備液氨中間罐，對(duì)合成氨裝置的安全以及穩(wěn)定運(yùn)行有重要影響，因而氨分離器液位調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)為冗余設(shè)計(jì)。

氨分離器液位調(diào)節(jié)閥的操作壓降為11.4 MPa， 流體經(jīng)過(guò)閥門(mén)時(shí)壓力會(huì)低于飽和蒸氣壓而發(fā)生閃蒸，因此在閥門(mén)選型時(shí)必須注意高壓差、閃蒸的特點(diǎn)。

1)閥門(mén)結(jié)構(gòu)型式。液位調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)型式選用適用于閃蒸工況的套筒式高壓角閥，流體從套筒一定數(shù)量的對(duì)稱(chēng)小孔中進(jìn)入套筒中而變?yōu)闅庖簝上嗔黧w，流體中心相互撞擊，產(chǎn)生極大的擾動(dòng)，大量的擾動(dòng)使絕大多數(shù)高速度液滴失去了動(dòng)能，使流體失去了破壞力，被流體的摩擦阻力轉(zhuǎn)換為熱能。另一方面噴射的液滴在套筒中心才能達(dá)到高速度，才有破壞力。這時(shí)即使能夠穿越中心的液滴和撞擊后仍具有二次速度的液滴要到達(dá)對(duì)面的筒壁會(huì)受到滯留筒腔內(nèi)的液體的阻擋，液體自行緩沖消能。該種結(jié)構(gòu)可以減輕流體對(duì)于閥芯及套筒的沖刷破壞，保護(hù)了閥門(mén)密封面，同時(shí)也降低了閥門(mén)的噪音[5]。

高壓角閥采用側(cè)進(jìn)底出，使流體經(jīng)過(guò)閥門(mén)后改變了流體的方向，進(jìn)一步減輕流體經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)閥時(shí)對(duì)閥內(nèi)件及閥體的沖擊力。

2)閥內(nèi)件選型。綜合考慮到閥門(mén)的高壓工況、高壓差及閃蒸，閥芯的密封面及套筒都必須經(jīng)過(guò)硬化處理，閥座堆焊Stellit合金。該種方式既能滿足高壓工況，又可以更好地抵抗高壓及高壓差介質(zhì)以及閃蒸對(duì)閥內(nèi)件的沖刷磨蝕。

氨屬于有毒介質(zhì)，閥桿處的填料密封結(jié)構(gòu)等需要符合德國(guó)潔凈空氣標(biāo)準(zhǔn)(TA-LUFT)或ISO 15848Industrialvalves—Measurement，TestandQualificationProceduresforFugitiveEmissions。

綜上所述，液位調(diào)節(jié)閥的冗余設(shè)計(jì)，套筒式高壓角閥的結(jié)構(gòu)型式，均有效地保證了合成氨裝置穩(wěn)定及安全運(yùn)行。

2.2.2SIL定級(jí)對(duì)閥門(mén)選型的影響

調(diào)節(jié)閥前主路上設(shè)置了開(kāi)關(guān)閥作為緊急切斷閥，緊急切斷閥包括閥體、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等所有附件須整體滿足SIL1的認(rèn)證要求。氨分離器的緊急切斷聯(lián)鎖在安全聯(lián)鎖系統(tǒng)中執(zhí)行，保障工藝操作安全可靠執(zhí)行。

2.3 安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1)SIS由傳感器、邏輯控制器、執(zhí)行器等構(gòu)成，是廣泛應(yīng)用于油品、化工等流程工業(yè)的一類(lèi)安全系統(tǒng)[6]，它可以持續(xù)監(jiān)視工廠的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)，在危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)可采取提前設(shè)定的措施，盡可能減少或避免人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[7]。

2)聯(lián)鎖設(shè)置：

a)氨分離器液位失控，即3臺(tái)液位檢測(cè)儀表中有2臺(tái)達(dá)到液位聯(lián)鎖低低設(shè)定值，則觸發(fā)保護(hù)聯(lián)鎖，關(guān)閉緊急切斷閥，同時(shí)將液位調(diào)節(jié)閥置為關(guān)位。

b)液位調(diào)節(jié)閥后壓力儀表檢測(cè)到超壓后，高高聯(lián)鎖關(guān)閉緊急切斷閥。

c)氨分離器氣相壓力失控，達(dá)到高高聯(lián)鎖設(shè)定值，開(kāi)啟氣相緊急泄放閥。

d)設(shè)置全廠緊急停車(chē)按鈕，高壓竄低壓事故一旦發(fā)生，上述措施需全部失效后，全廠緊急停車(chē)，阻止事故危害的擴(kuò)大。

以上的安全聯(lián)鎖均在SIS中執(zhí)行，有效提高安全聯(lián)鎖的可靠性，保障氨分離器及其下游裝置的安全可靠執(zhí)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

合成氨裝置因其獨(dú)特的工藝技術(shù)要求，合成反應(yīng)在高壓環(huán)境下進(jìn)行，在裝置正常運(yùn)行、停工、開(kāi)工階段都容易發(fā)生高壓竄低壓的事故。從設(shè)計(jì)的源頭進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)防范是最根本的解決方式。本文通過(guò)對(duì)氨合成工藝易發(fā)生高壓竄低壓部位的工藝流程、儀表選型和聯(lián)鎖設(shè)計(jì)上的優(yōu)化和改造，提高了系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。