澹臺曉偉,王成卓

(1.天津大學(xué)化工學(xué)院,天津 300072;2.天津青年湖精工科技發(fā)展有限公司,天津 300385)

保障化工裝置的安全生產(chǎn)已成為化工裝置設(shè)計最重要的一部分。火炬系統(tǒng)作為保障設(shè)備、人身安全及裝置平穩(wěn)運行的重要安全設(shè)施。近年來,隨著化工裝置的大型化,可燃?xì)怏w向火炬系統(tǒng)的排放量隨之增大,過大的排放量導(dǎo)致火炬系統(tǒng)投資增加,同時給環(huán)保帶來了挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)主要側(cè)重于火炬系統(tǒng)的設(shè)計及安全閥的設(shè)置、泄放量的計算,對于如何減少可燃?xì)怏w的排放措施鮮有討論?；ぱb置安全減排的設(shè)計往往更多依賴于工程經(jīng)驗。因此總結(jié)一套明確、合理的方法用于減少化工裝置可燃?xì)怏w的排放量顯得十分必要。

安全閥為化工設(shè)計中應(yīng)用最為廣泛的安全泄放裝置。為控制安全閥可燃?xì)怏w的排放量,化工設(shè)計中通常通過以下幾種方法實現(xiàn):

1 提高設(shè)備的設(shè)計壓力

《SH/T 3210石油化工裝置安全泄壓設(shè)施工藝設(shè)計規(guī)范》第4.3條[1]: 當(dāng)獨立的壓力系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計壓力大于或等于各工況下可能出現(xiàn)的最高壓力時,該獨立的壓力系統(tǒng)可不設(shè)置安全閥。即通過提高設(shè)備的設(shè)計壓力,達(dá)到本質(zhì)安全型設(shè)計,則該設(shè)備可不設(shè)置安全閥,進(jìn)而減少可燃?xì)怏w的排放量。

如圖1所示,A罐底部的液相出料進(jìn)到B罐進(jìn)行閃蒸,B罐閃出來的氣相回收利用,閃蒸完的液相作為下一臺設(shè)備的進(jìn)料,其中A罐可能出現(xiàn)的最高壓力為0.5 MPa,B罐的操作壓力為0.1 MPa,且B罐未布置在火災(zāi)圈范圍內(nèi)。當(dāng)B罐的設(shè)計壓力低于0.5 MPa時,則B罐需要設(shè)置安全閥,超壓工況為B罐氣相管線上的調(diào)節(jié)閥故障關(guān)閉,泄放量為B罐在泄放壓力下能閃蒸出來氣體量。當(dāng)B罐設(shè)計壓力設(shè)置為0.5 MPa時,則B罐的設(shè)計壓力大于等于各種工況下可能出現(xiàn)的最高壓力,則B罐可不設(shè)置安全閥。

圖1 氣液分離罐流程簡圖

2 設(shè)置限流孔板

通過在高壓管道上設(shè)置限流孔板,從而降低并控制在控制閥控制失效工況下的安全閥泄放量是化工設(shè)計中常用的手段。

計算實例:如圖2所示,界區(qū)來的常溫乙烯管線,管徑為DN80 mm,正常流量為800 kg/h,來源處操作壓力3.6 MPa,調(diào)節(jié)閥PV-01的壓降為2.1 MPa,穩(wěn)壓后的設(shè)計壓力為1.8 MPa。按照上述設(shè)計條件選定的閥座直徑為DN65 mm,閥門額定CV值為68,正常開度為68%。當(dāng)穩(wěn)壓閥PV-01故障全開時,安全閥超壓泄放,此時安全閥泄放量應(yīng)為控制閥全開時的最大流通量減去正常量,為32 900 kg/h。

圖2 穩(wěn)壓閥流程簡圖

為限制安全閥的泄放量,在穩(wěn)壓閥前串聯(lián)一塊限流孔板,如圖3所示。同時為了避免增加的限流孔板影響到調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)性能,經(jīng)驗方法一般是在正常工況下平均分配調(diào)節(jié)閥和限流孔板的壓降[2-3]。

圖3 增設(shè)限流孔板的穩(wěn)壓閥流程簡圖

因此限流孔板的設(shè)計過程需要考慮兩種工況,如表1所示。首先根據(jù)正常工況計算出限流孔板的孔徑d=21.3 mm;安全閥泄放時,限流孔板可能出現(xiàn)的最大壓差為1 800 kPa(安全閥泄放壓力設(shè)置為1.8 MPa),計算通過限流孔板的最大流量為9 085 kg/h。此時,安全閥的泄放量降低為1 085 kg/h。

表1 限流孔板的設(shè)計工況

3 設(shè)置防火保溫層

盛有液體的容器露在火災(zāi)之中,容器內(nèi)的液體因加熱汽化而導(dǎo)致設(shè)備超壓,安全閥泄放量由式(1)計算[4]。

W=2.55×105×F×A0.82/Hl

(1)

式中:W—質(zhì)量泄放量,kg/h;

Hl—泄放條件下汽化熱,kJ/kg;

A—容器潤濕面積,m2;

F—容器外壁校正系數(shù)。

設(shè)計者可通過在容器外部設(shè)置完善的保溫層,減小容器外壁校正系數(shù)F,從而減少安全閥在火災(zāi)工況下的泄放量。容器具有完善的保溫層時,F按式(2)計算:

F=k(904.4-Tf)/δins/66 570

(2)

式中:k—保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·k) ;

δins—保溫材料厚度,m;

Tf—泄放溫度,℃。

對于完善的絕熱材料保溫層的耐熱性能和機(jī)械強(qiáng)度,API521給出了明確的要求:1)保溫層應(yīng)能耐受長達(dá)2 h且暴露溫度為904 ℃的情況;2)保溫層應(yīng)能耐受消防的高壓水流的沖擊。常用的保溫材料如泡沫玻璃、石棉及保冷材料一般不耐燒,均不屬于完善保溫范疇,因此容器外壁校正系數(shù)F=1.0;硅纖及陶瓷纖維等保溫材料的耐受溫度較高,屬于完善保溫范疇。

表2為某項目中的丙烯儲罐在火災(zāi)工況下安全閥的泄放量,不設(shè)置完善保溫層時,容器外壁校正系數(shù)F=1,安全閥的泄放量為26 970 kg/h。通過將該設(shè)備設(shè)置完善的保溫層(例如保溫材料選用硅纖,外保護(hù)層選用不銹鋼板),容器外壁校正系數(shù)F=0.007 3,安全閥的泄放量減少為197 kg/h。

表2 火災(zāi)工況下丙烯儲罐安全閥的泄放量

4 設(shè)置可靠的安全聯(lián)鎖

公用工程失效等可能引起多個泄壓設(shè)備同時發(fā)生超壓風(fēng)險,火炬系統(tǒng)則需要考慮同一事件引起的多個泄壓設(shè)備排放量的疊加,因此火炬系統(tǒng)需要考慮較大的排放負(fù)荷,導(dǎo)致工程投資過高。根據(jù)GB 50160—2008(2018年版)《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》第5.5.19條[5]:裝置的主要泄壓排放設(shè)備宜采用適當(dāng)?shù)拇胧?以降低事故工況下可燃?xì)怏w瞬間排放負(fù)荷?；ぱb置設(shè)計中一般采用自動控制聯(lián)鎖減排系統(tǒng)為各種事故工況下的排放量減量。如在主要塔器等設(shè)備上設(shè)置聯(lián)鎖,緊急切斷再沸器熱源輸入,防止設(shè)備超壓,可以大大減少或消除安全閥的排放量。這種自動控制聯(lián)鎖一般要求高安全級別,但是國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)中并沒有對高安全級別提出明確的要求,根據(jù) API 521 的說明及工程經(jīng)驗,自動控制聯(lián)鎖SIF回路的SIL等級應(yīng)達(dá)到SIL2或以上級別,最終的SIL等級應(yīng)取常規(guī)SIL定級與火炬排放量消減要求定級二者中的較高等級[6]。如圖4所示,某項目中塔A和塔B均設(shè)有壓力調(diào)節(jié)回路,安全閥均泄放到同一火炬系統(tǒng)。停電工況和循環(huán)水停水工況發(fā)生時,均可能導(dǎo)致塔A和塔B安全閥起跳,已知安全閥泄放量如表3所示。此時火炬系統(tǒng)需要承受的負(fù)荷為兩者疊加,處理量為68 500 kg/h。

表3 安全閥設(shè)計參數(shù)

圖4 塔器安全閥流程簡圖

將圖4中的壓力調(diào)節(jié)回路改為SIL等級較高的超壓聯(lián)鎖保護(hù)回路,如圖5所示。此時,火炬系統(tǒng)需要承受的負(fù)荷為兩者中較大值,即為38 000 kg/h。

圖5 塔器超壓聯(lián)鎖保護(hù)回路示意圖

5 結(jié)論

隨著化工裝置的大型化,化工裝置的火炬總負(fù)荷隨之增大。開展安全、低排放的火炬減排方案研究既可以提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,又可以帶來可觀的環(huán)境效益。

對化工裝置常用的幾種安全減排措施進(jìn)行了總結(jié):1)提高設(shè)備的設(shè)計壓力,達(dá)到本安型設(shè)計,可減少安全閥設(shè)置的數(shù)量。2)對于存在控制閥故障失靈全開的工況,通過在控制閥前串聯(lián)限流孔板,可減少安全閥的泄放量。3)通過對儲罐設(shè)置完善的防火保溫,可為火災(zāi)工況下安全閥的排放量減量。4)對某一事故可能造成多臺設(shè)備同時超壓泄放的工況,通過設(shè)置可靠聯(lián)鎖,火炬負(fù)荷只需要考慮至少一個最大排放量聯(lián)鎖失效對火炬負(fù)荷的影響,而不需要考慮多個泄放設(shè)備泄放量同時疊加的工況。

以上安全減排措施主要用于減少火炬負(fù)荷,從而節(jié)省火炬系統(tǒng)的投資。同時也會減少安全閥起跳的頻率,提高化工過程的安全性能。