蹇江海

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

0 前言

工程本質(zhì)安全設(shè)計取決于工程安全層的核心層——工藝設(shè)計。從影響裝置安全性的機(jī)會曲線[1](圖1)可以看到，在項(xiàng)目開展設(shè)計、施工和生產(chǎn)操作階段，設(shè)計階段對項(xiàng)目的本質(zhì)安全性影響最大，而在設(shè)計階段，工藝研究對設(shè)計過程的本質(zhì)安全設(shè)計影響最大。在工藝設(shè)計中，既要符合規(guī)范且正確執(zhí)行相關(guān)的政府法律法規(guī)，又要以過去的事故所提供的教訓(xùn)和資料來考慮安全措施，以防再次發(fā)生類似事故。但是用“事故的后補(bǔ)式”方法，很難杜絕新的事故發(fā)生。因此在目前石油化工設(shè)計中，越來越強(qiáng)調(diào)工藝的本質(zhì)安全設(shè)計，即提倡事前徹底研究裝置發(fā)生事故的潛在原因，采用所謂“問題發(fā)現(xiàn)式”的預(yù)測方法，尋求創(chuàng)造性的思維，進(jìn)行改革性的研究來消除危險，降低風(fēng)險，將裝置的安全運(yùn)行基于設(shè)計階段，實(shí)現(xiàn)設(shè)計安全[2,3]。

圖1 影響裝置安全性的機(jī)會曲線

1 工藝設(shè)計條件

某廠200×104t/a渣油加氫裝置原料油升壓部分流程見圖2。工藝流程及工藝設(shè)計條件如下。

原料緩沖罐入口為液位控制，正?？刂圃诰嚯x上下切線50%左右。罐頂設(shè)氮封，操作壓力穩(wěn)定在0.35 MPa。罐頂安全閥設(shè)定壓力為0.55 MPa，安全閥噴嘴選型為T(167 cm2)。原料油通過反應(yīng)進(jìn)料泵增壓經(jīng)過單向閥、流控閥和緊急切斷閥后，在19.5 MPa左右與混氫混合后進(jìn)入換熱器。泵出口最小流量調(diào)節(jié)閥在正常操作中處于自動狀態(tài)。泵出口緊急切斷閥在流量低低時聯(lián)鎖關(guān)閉。容器尺寸和調(diào)節(jié)閥Cv值等設(shè)備參數(shù)均按設(shè)計條件輸入。

2 串壓事故模擬假設(shè)條件

根據(jù)裝置詳細(xì)設(shè)計資料，采用SIMSCI公司的Dynsim V5.3.2動態(tài)模擬軟件進(jìn)行全流程建模。動態(tài)模型經(jīng)過長時間運(yùn)行穩(wěn)定后，各設(shè)備、管線計算結(jié)果與工藝設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以保證模型搭建和計算的準(zhǔn)確性，并檢測控制和聯(lián)鎖建立的正確性和有效性。在模擬裝置正常穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，進(jìn)行串壓事故模擬，即當(dāng)裝置正常運(yùn)行1 s后，突然發(fā)生停泵事故。為保守計算，原料罐頂2個氮封調(diào)節(jié)閥在事故發(fā)生時處于全關(guān)狀態(tài)，即壓力升高時不排氣。另外不考慮泵的轉(zhuǎn)動慣量，即泵瞬時停轉(zhuǎn)，高壓流體通過泵體向原料緩沖罐反串沒有延時，泵體流道假設(shè)成DN150的管道，可以100%返流。在停泵事故發(fā)生時，1個單向閥同時失效，如果泵出口只設(shè)1個單向閥，事故模擬時按閥門口徑的100%計算返流，如果泵出口設(shè)2道不同類型的單向閥，事故模擬時按閥門口徑的10%[4]計算返流。安全閥達(dá)到開啟壓力后1 s內(nèi)完全打開。

圖2 原料油升壓部分流程

研究以下6種設(shè)計方案在停泵串壓事故發(fā)生后對原料緩沖罐產(chǎn)生的影響：①情景a:反應(yīng)進(jìn)料泵出口只設(shè)1道單向閥，泵出口不設(shè)切斷閥(或相當(dāng)于切斷閥低低流量聯(lián)鎖沒投用)；②情景b:反應(yīng)進(jìn)料泵出口設(shè)2道不同類型的單向閥，泵出口不設(shè)切斷閥(或相當(dāng)于切斷閥低低流量聯(lián)鎖沒投用)；③情景c:反應(yīng)進(jìn)料泵出口設(shè)2道不同類型的單向閥，泵出口設(shè)切斷閥，切斷閥30 s內(nèi)完全關(guān)閉；④情景d:反應(yīng)進(jìn)料泵出口只設(shè)1道單向閥，同時泵出口設(shè)切斷閥，切斷閥30 s內(nèi)完全關(guān)閉；⑤情景e:反應(yīng)進(jìn)料泵出口只設(shè)1道單向閥，同時泵出口設(shè)切斷閥，切斷閥10 s內(nèi)完全關(guān)閉；⑥情景f:反應(yīng)進(jìn)料泵出口只設(shè)1道單向閥，泵出口設(shè)切斷閥，切斷閥5 s內(nèi)完全關(guān)閉。

3 模擬研究結(jié)果

3.1 情景a

泵出口只設(shè)1道單向閥，不設(shè)緊急切斷閥。在泵故障緊急停后，1個單向閥同時失效，高壓向低壓串壓事故發(fā)生，原料緩沖罐壓力和罐頂安全閥泄放量隨時間變化見圖3。事故發(fā)生8 s后，原料罐壓力升到安全閥開啟壓力0.55 MPa。由于安全閥的選型是按雙單向閥串壓工況設(shè)計，泄放量不滿足該事故情景，因此安全閥完全開啟后原料罐壓力繼續(xù)上升，在事故發(fā)生約24 s時原料罐壓力升到峰值3.6 MPa，此后隨著大量氣體的釋放反應(yīng)系統(tǒng)壓力下降，安全泄放量和原料罐壓力逐漸降低。如果容器設(shè)計壓力僅為0.55 MPa，在該事故情景中，容器會因承受不了串壓帶來的壓力急速上升超過設(shè)計壓力而爆裂，進(jìn)而產(chǎn)生爆炸的危險。

圖3 事故情景a原料緩沖罐壓力和安全泄放量隨時間變化

3.2 情景b

泵出口不設(shè)緊急切斷閥，但泵出口設(shè)2道不同類型的單向閥。在泵故障緊急停后，其中1個單向閥失效，高壓向低壓串壓事故發(fā)生，原料緩沖罐壓力和罐頂安全閥泄放量隨時間變化見圖4。由于單向閥的作用，反串量比事故情景a小很多，事故發(fā)生74 s后原料罐壓力達(dá)到安全閥定壓，在170 s左右最大泄放量約為23 t/h，安全閥的選型滿足該事故情景要求。對比情景a和情景b可以看到，2道單向閥比2道單向閥在提高設(shè)計安全性上有一定幫助(在不考慮雙單向閥同時失效的條件下)。

圖4 事故情景b原料緩沖罐壓力和安全泄放量隨時間變化

3.3 情景c

泵出口設(shè)緊急切斷閥，泵出口流量低低時切斷閥30 s完全關(guān)閉；泵出口設(shè)2道單向閥。在泵故障緊急停后，其中1個單向閥失效，高壓向低壓串壓事故發(fā)生，原料緩沖罐壓力和罐頂安全閥泄放量隨時間變化見圖5。由于雙單向閥和切斷閥的雙重作用，原料緩沖罐壓力最高只上升到0.51 MPa，沒有達(dá)到安全閥定壓，安全閥不泄放。

圖5 事故情景c原料緩沖罐壓力和安全泄放量隨時間變化

3.4 情景d

泵出口設(shè)緊急切斷閥，泵出口流量低低時切斷閥30 s完全關(guān)閉；泵出口只設(shè)1道單向閥。在泵故障緊急停后，1個單向閥失效，高壓向低壓串壓事故發(fā)生，原料緩沖罐壓力和罐頂安全閥泄放量隨時間變化見圖6。由于串壓速度快，而切斷閥關(guān)閉時間較長，因此關(guān)閉前的事故狀態(tài)與事故情景a相似，在事故發(fā)生24 s左右原料罐壓力升到峰值約3.6 MPa，安全閥排量達(dá)到峰值約124 t/h，但隨著切斷閥關(guān)閉，反串量降低直至完全截止，原料罐壓力降到0.55 MPa，安全閥關(guān)閉。該事故情景同樣存在原料罐爆裂的危險，因此泵出口設(shè)1道單向閥并且切斷閥關(guān)閉時間長不能降低串壓事故帶來的危險。

圖6 事故情景d原料緩沖罐壓力和安全泄放量隨時間變化

3.5 情景e

泵出口設(shè)緊急切斷閥，泵出口流量低低時切斷閥10 s完全關(guān)閉；泵出口只設(shè)1道單向閥。在泵故障緊急停后，1個單向閥失效，高壓向低壓串壓事故發(fā)生，原料緩沖罐壓力和罐頂安全閥泄放量隨時間變化見圖7。對比情景d，由于切斷閥關(guān)閉時間由30 s降到10 s，使串壓量減少，在事故反生11 s左右原料罐壓力升到最高值0.66 MPa，安全閥瞬間有大約60 t/h的泄放量，此后由于切斷閥完全關(guān)閉，原料緩沖罐壓力降到安全閥定壓。

圖7 事故情景e原料緩沖罐壓力和安全泄放量隨時間變化

3.6 情景f

泵出口設(shè)緊急切斷閥，泵出口流量低低時切斷閥5 s完全關(guān)閉；泵出口只設(shè)1道單向閥。在泵故障緊急停后，1個單向閥失效，高壓向低壓串壓事故發(fā)生，原料緩沖罐壓力和罐頂安全閥泄放量隨時間變化見圖8。由于切斷閥5 s關(guān)閉，因此前5 s，由于高壓氣串壓，原料罐壓力上升較快，從0.35 MPa升到0.39 MPa。此后，隨著原料罐液位緩慢升高，壓力緩慢增加，直至罐入口液位調(diào)節(jié)閥完全關(guān)閉，液位不再增加，壓力穩(wěn)定在0.51 MPa左右，沒有達(dá)到安全閥起跳壓力。對比情景d和e可以看到，緊急切斷閥的關(guān)閉時間短對于降低串壓事故風(fēng)險效果明顯，即使在雙單向閥同時失效的特例下，也能對低壓原料緩沖罐起到一定的保護(hù)作用。緊急切斷閥最短關(guān)閉時間與下游反應(yīng)系統(tǒng)壓力、氣相體積容量等工藝設(shè)計參數(shù)有關(guān)，需要具體裝置具體模擬分析。

圖8 事故情景f原料緩沖罐壓力和安全泄放量隨時間變化

4 結(jié)論

通過以上6種串壓事故情景動態(tài)模擬分析可知：高壓泵出口雙單向閥設(shè)計比單個單向閥設(shè)計提高設(shè)計安全性；緊急切斷閥切斷時間越短，越能夠降低原料緩沖罐超壓的危險事故；雙單向閥和緊急切斷閥的雙重設(shè)計，對提高裝置本質(zhì)安全設(shè)計有利。此外，原料緩沖罐的設(shè)計壓力、安全閥的選型設(shè)計要與單向閥的設(shè)計數(shù)量、緊急切斷閥的關(guān)閉時間等設(shè)計條件結(jié)合起來考慮，確保在事故發(fā)生時安全閥有足夠的排放量以及保障低壓原料緩沖罐在事故下達(dá)到的最高壓力不超過其最高承受壓力，保證裝置設(shè)計的本質(zhì)安全。

此外，通過流程動態(tài)模擬仿真技術(shù)，可以在不增加試驗(yàn)建設(shè)費(fèi)用的前提下，解決工程設(shè)計問題，解決靜態(tài)模擬和直觀判斷無法完成的難題，不僅推動設(shè)計優(yōu)化，促進(jìn)工程技術(shù)的進(jìn)步，而且通過仿真模擬工藝事故研究解決措施，從工藝設(shè)計源頭消除安全隱患，提高工程的本質(zhì)安全設(shè)計水平。