杜 娟 劉 艷 韓青飛 李玉鳳

中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

由于對(duì)化工原料和石油戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備的需求不斷增加[1],以及能源結(jié)構(gòu)上低碳節(jié)能理念的倡導(dǎo)[2],中國(guó)已經(jīng)成為全球液化石油氣進(jìn)口大國(guó)[3]。液化烴儲(chǔ)罐區(qū)是天然氣、石油及化工廠(chǎng)的重要組分部分[4]。液化烴易燃易爆,易汽化,壓力隨氣溫變化大,爆炸下限低,燃燒熱值高[5],因此液化烴儲(chǔ)罐區(qū)一旦發(fā)生泄漏,會(huì)迅速吸收環(huán)境熱量,引發(fā)蒸汽云,形成爆炸性氣體[6],遇到明火后會(huì)引起火災(zāi)爆炸事故,波及范圍廣,后果影響大[7]。為保證儲(chǔ)罐區(qū)的安全運(yùn)行,近年來(lái)中國(guó)對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品罐區(qū)安全儀表系統(tǒng)(SIS)的要求越來(lái)越高[8],因此緊急切斷閥設(shè)置方案在危險(xiǎn)化學(xué)品罐區(qū)中顯得尤為重要[9],尤其在大型儲(chǔ)備庫(kù)儲(chǔ)罐數(shù)量多、容積大的情況下,儲(chǔ)罐進(jìn)出口緊急切斷閥的合理設(shè)置非常關(guān)鍵。為了儲(chǔ)罐區(qū)的安全運(yùn)行,必須嚴(yán)格把控緊急切斷閥的設(shè)計(jì)和選型。

液化烴通常儲(chǔ)存在設(shè)計(jì)壓力大于或者等于0.1 MPa(罐頂表壓)的壓力球罐[10]或壓力臥罐中,儲(chǔ)存方法分為地上和地下[11]。地上儲(chǔ)存有常溫壓力儲(chǔ)存和低溫常壓儲(chǔ)存兩種方式,地下儲(chǔ)存大多指在洞庫(kù)等儲(chǔ)存[12]。本文主要以常溫壓力儲(chǔ)存中的大型全壓力式液化烴球罐為例進(jìn)行研究。

1 設(shè)計(jì)方案研究

某項(xiàng)目有6座3 000 m3全壓力式液化烴球罐,直徑18 m,安全間距根據(jù)GB 50183-2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》布置[13],6座球罐布置在同一座防護(hù)墻內(nèi),防護(hù)墻尺寸114 m×83 m×0.6 m,根據(jù)安監(jiān)總管三〔2014〕68號(hào)《進(jìn)一步加強(qiáng)化學(xué)品罐區(qū)安全管理通知》第六條的要求,在防護(hù)墻內(nèi)部采取單罐單隔堤的布置方式,平面布置見(jiàn)圖1。該項(xiàng)目中,每臺(tái)球罐設(shè)置雷達(dá)液位計(jì)和伺服液位計(jì),罐頂設(shè)置就地壓力表和遠(yuǎn)傳壓力表,罐底設(shè)置就地溫度計(jì)和遠(yuǎn)傳溫度計(jì)[14],同時(shí)在整個(gè)罐區(qū)設(shè)置完善的FGS系統(tǒng)及時(shí)提醒操作人員采取安全措施[15]。如何對(duì)此大型全壓力式液化烴球罐設(shè)置緊急切斷閥成為該項(xiàng)目面臨的技術(shù)難題,本文根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家法律法規(guī)、行政命令、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及行業(yè)規(guī)定的要求,開(kāi)展大型全壓力式液化烴球罐緊急切斷閥設(shè)置依據(jù)分析。

圖1 6座3 000 m3全壓力式液化烴球罐平面布置圖Fig.1 Layout of 6 fully pressurized liquefied hydrocarbon spherical tanks(3 000 m3)

1.1 設(shè)置依據(jù)

緊急切斷閥的設(shè)置在中華人民共和國(guó)應(yīng)急管理部、中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、GB 12337-2014《鋼制球形儲(chǔ)罐》、GB 50183-2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、GB 50160-2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(2018版)、SH 3136-2003《液化烴球形儲(chǔ)罐安全設(shè)計(jì)規(guī)范》及API STD 2510Design and Construction of LPG Installations等多項(xiàng)法律法規(guī)、行政命令、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及行業(yè)規(guī)定中有明確規(guī)定[9]。

1.2 布置分析

對(duì)各項(xiàng)法律法規(guī)、行政命令、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及行業(yè)規(guī)定中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析,將緊急切斷閥的布置要求分為三類(lèi),見(jiàn)表1。

綜上,全壓力式液化烴球罐進(jìn)出口管線(xiàn)必須設(shè)置緊急切斷閥,且根據(jù)表1的布置分析,從安全角度出發(fā),提出以下優(yōu)化建議:建議大型全壓力式液化烴球罐進(jìn)出口管線(xiàn)采用雙閥布置,靠近球罐側(cè)采用緊急切斷閥[8],設(shè)置獨(dú)立的SIS系統(tǒng)[16],同時(shí)增設(shè)遠(yuǎn)程操作閥,可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)關(guān)閉功能。

1.3 雙閥布置方案

儲(chǔ)罐進(jìn)出口管線(xiàn)采用雙閥后面臨的問(wèn)題是布置和選型,因法律法規(guī)和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范未明確要求儲(chǔ)罐的緊急切斷閥布置在防護(hù)墻內(nèi)部還是外部,且連接形式有焊接和法蘭兩種選擇,故提出四種布置方案,見(jiàn)圖2。

對(duì)上述四種布置方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較,見(jiàn)表2。

表1 全壓力式液化烴球罐進(jìn)出口緊急切斷閥布置要求分析表

圖2 緊急切斷閥布置方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of emergency shut-off valve layout

表2 緊急切斷閥布置方案對(duì)比表

結(jié)合圖2和表2,推薦采用方案一:對(duì)大型全壓力式液化烴球罐進(jìn)行雙閥布置;緊急切斷閥作為球罐的根部閥,布置在防護(hù)墻內(nèi),設(shè)置獨(dú)立SIS聯(lián)鎖系統(tǒng);遠(yuǎn)程操作閥布置在防護(hù)墻外,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程關(guān)閉功能。

2 緊急切斷閥的選型

2.1 緊急切斷閥閥體選型原則

緊急切斷閥作為在泄漏和火災(zāi)時(shí)隔離可燃介質(zhì)的一種方式,閥門(mén)的類(lèi)型選擇取決于距離泄漏源的遠(yuǎn)近,在火災(zāi)區(qū)域的任何閥門(mén)均應(yīng)為防火安全閥、閘閥或金屬密封球閥,高性能蝶閥均可作為防火安全閥[17]。

2.2 緊急切斷閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2.2.1 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、齒輪減速器、聯(lián)軸器、限位開(kāi)關(guān)、扭矩限制開(kāi)關(guān)、手輪、手輪自動(dòng)斷開(kāi)裝置、就地閥位顯示以及安全平穩(wěn)運(yùn)行所需的其它部件。由于目前僅有較少?gòu)S家能對(duì)配套DN 80以上閥門(mén)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)做到故障安全型,因此大多數(shù)情況下,電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)不作為緊急切斷閥使用,僅作為過(guò)程操作,無(wú)關(guān)安全[18]。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括就地控制和遠(yuǎn)程控制功能,無(wú)論就地還是遠(yuǎn)程控制均可執(zhí)行開(kāi)、關(guān)、停的控制能力,同時(shí)具備現(xiàn)場(chǎng)手輪操作閥門(mén)的能力。

2.2.2 電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)

電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括動(dòng)力模塊和控制模塊,動(dòng)力模塊包含電機(jī)、齒輪油泵、油箱、電磁閥等;控制模塊由電源、智能可控電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等組成。智能軟件是控制器的核心,可對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為單作用液壓缸和雙作用液壓缸。單作用液壓缸電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)安全和工藝操作需要確定閥門(mén)的全開(kāi)、全關(guān)等故障安全位置,失電情況下,彈簧復(fù)位執(zhí)行機(jī)構(gòu)可將閥門(mén)保持在安全位置。這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)多用于緊急切斷,與安全相關(guān)。雙作用液壓缸電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在失電情況下,閥門(mén)處于位置保持狀態(tài)。這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常用于過(guò)程操作,無(wú)關(guān)安全[19]。

2.2.3 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)包括氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置、電磁閥、閥位回信器、氣動(dòng)三聯(lián)件(過(guò)濾器、減壓器、油霧器)、壓力表等[20],分為單作用彈簧復(fù)位式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和雙作用彈簧復(fù)位式氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。單作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)安全和工藝操作需要確定閥門(mén)的全開(kāi)、全關(guān)等故障安全位置。故障情況下,彈簧復(fù)位執(zhí)行機(jī)構(gòu)可將閥門(mén)保持在安全位置。這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)多用于緊急切斷,與安全相關(guān)。雙作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在無(wú)外配儀表風(fēng)罐的情況下,故障時(shí)處于位置保持狀態(tài)。這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常多用于過(guò)程操作,無(wú)關(guān)安全[19]。

因此當(dāng)罐區(qū)具備儀表風(fēng)氣源可利用時(shí)優(yōu)先選擇氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)[21]，當(dāng)罐區(qū)無(wú)儀表風(fēng)氣源可利用時(shí)可選擇電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)。對(duì)于儲(chǔ)罐區(qū),根據(jù)SH/T 3184-2017《石油化工罐區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》,需注意以下要求。

1)除非工藝有特殊要求,氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電磁閥不帶現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)復(fù)位裝置,通常采用控制室邏輯復(fù)位。

2)當(dāng)采用雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)或采用單作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)且閥門(mén)聯(lián)鎖位置與氣源故障位置不一致時(shí),需配備儀表風(fēng)罐。儀表風(fēng)罐的容積需要滿(mǎn)足執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作2個(gè)全行程的風(fēng)量。

3)合理規(guī)定氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥的額定全行程時(shí)間,既要考慮儲(chǔ)運(yùn)工藝的需要,又不應(yīng)因行程時(shí)間太短、閥門(mén)動(dòng)作太快引起管道“水擊”或震動(dòng),造成開(kāi)關(guān)閥、管道損壞或縮短壽命,額定全行程時(shí)間不宜短于10 s×閥門(mén)通徑(mm/100 mm)。

3 緊急切斷閥的工程應(yīng)用

經(jīng)過(guò)分析和比選緊急切斷閥的布置和選型方案,將此優(yōu)化建議應(yīng)用到某項(xiàng)目的6座3 000 m3全壓力式液化烴球罐上。球罐進(jìn)出口緊急切斷閥布置見(jiàn)圖3,三維模型見(jiàn)圖4，聯(lián)鎖控制設(shè)備連線(xiàn)示意圖見(jiàn)圖5。

圖3 球罐進(jìn)出口緊急切斷閥布置圖Fig.3 Layout of emergency shut-off valve at inlet and outlet of spherical tank

圖4 球罐進(jìn)出口緊急切斷閥布置三維模型圖Fig.4 3D model of emergency shut-off valve layout for inlet and outlet of spherical tank

圖5 聯(lián)鎖控制設(shè)備連線(xiàn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of interlocking control equipment connection

圖4中防護(hù)墻內(nèi)球罐進(jìn)出口的第一道根部閥為氣動(dòng)緊急切斷閥(SDV),對(duì)該閥設(shè)置了獨(dú)立的SIS系統(tǒng),狀態(tài)為事故關(guān)FC,該閥安裝位置緊挨球罐。防護(hù)墻外球罐進(jìn)出口管線(xiàn)上的閥門(mén)為遠(yuǎn)程操作閥(XV),狀態(tài)為事故保位FL。該閥進(jìn)入DCS控制系統(tǒng),用于切換球罐進(jìn)行收油或者倒罐等生產(chǎn)性工作,不參與SIS聯(lián)鎖。

當(dāng)球罐液位達(dá)到高高時(shí),聯(lián)鎖切斷球罐進(jìn)口的SDV閥[4];當(dāng)球罐液位達(dá)到低低時(shí),聯(lián)鎖切斷球罐出口的SDV閥并聯(lián)鎖停泵。在中控室內(nèi)對(duì)SDV閥設(shè)置緊急按鈕,當(dāng)罐區(qū)內(nèi)發(fā)生泄漏、管道破裂、火災(zāi)等事故時(shí),利用輔助操作臺(tái)的火災(zāi)觸發(fā)按鈕第一時(shí)間切斷全部SDV閥。

該緊急切斷閥和遠(yuǎn)程操作閥的雙閥設(shè)置方案經(jīng)過(guò)了第三方HAZOP分析和SIL分析結(jié)果表明該布置方案滿(mǎn)足現(xiàn)行法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求,并且安全可靠性高,操作靈活性好,對(duì)大型全壓力式液化烴球罐設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

4 結(jié)論

1)本文基于法律法規(guī)、行政規(guī)定及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中關(guān)于大型液化烴球罐進(jìn)出口緊急切斷閥的設(shè)置內(nèi)容,經(jīng)過(guò)詳細(xì)對(duì)比分析研究,從生產(chǎn)作業(yè)的安全角度出發(fā),推薦大型全壓力式液化烴球罐進(jìn)出口液相管道上設(shè)置雙閥,分別為緊急切斷閥和遠(yuǎn)程操作閥。

2)經(jīng)過(guò)比選緊急切斷閥的布置方案,推薦緊急切斷閥靠近球罐布置,安裝位置宜盡量靠近球罐的第一道法蘭密封面,緊急切斷閥參與SIS安全系統(tǒng)控制,與球罐的高高液位、低低液位、可燃?xì)怏w探頭、火焰檢測(cè)器等聯(lián)鎖。

3)在球罐液相進(jìn)出口管線(xiàn)上設(shè)置具有自動(dòng)和手動(dòng)關(guān)閉功能的遠(yuǎn)程操作閥,推薦遠(yuǎn)程操作閥布置在防護(hù)墻外,應(yīng)便于操作和維修且應(yīng)易于迅速接近,遠(yuǎn)程操作閥參與DCS過(guò)程控制系統(tǒng),不參與SIS聯(lián)鎖。緊急切斷閥和遠(yuǎn)程操作閥具備儀表風(fēng)氣源可利用時(shí),優(yōu)先選擇氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

4)本著安全生產(chǎn)的原則,推薦將本研究結(jié)果應(yīng)用在大型原油罐區(qū)和成品油罐區(qū)緊急切斷閥的設(shè)置上。