加氫裂化裝置安全聯鎖的邏輯關系分析

金哲

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510620)

1 加氫裂化裝置安全聯鎖保護的必要性

加氫裂化裝置有大量氫氣及烴、非烴類等危險生產介質，泄漏的可燃性、爆炸性物料可能發生火災和爆炸危險。由于加氫裂化裝置反應部分在高壓下操作，其爆炸、火災事故的危害后果尤其嚴重；同時加氫裂化裝置的靜設備和動設備及催化劑等造價高，在操作過程中有被損壞的可能，會造成企業資產的嚴重損失。因此，加氫裂化裝置生產過程出現異常時，必須采取可靠的措施，將異常工況控制在可控范圍內，甚至停止生產以規避生產異常導致的人員、裝備的重大損失。

2 加氫裂化裝置安全聯鎖邏輯功能要求

安全聯鎖邏輯功能可根據工藝過程需求確定，加氫裂化裝置安全聯鎖邏輯的特殊性主要在反應部分，該部分具有高壓特點，聯鎖邏輯主要有：反應器緊急泄壓聯鎖邏輯、進料泵聯鎖邏輯、進料加熱爐或氫氣加熱爐聯鎖邏輯、循環氫壓縮機聯鎖邏輯、新氫壓縮機聯鎖邏輯、貧液泵和注水泵聯鎖邏輯、防止高壓串低壓聯鎖邏輯等。加氫裂化裝置主要聯鎖邏輯如圖1所示。

不同的加氫工藝其安全聯鎖邏輯關系不盡相同，不能一概而論，主要原因包括：有爐前混氫及爐后混氫等不同加氫工藝；不同設備類型，如離心或往復旋轉設備，是否帶透平等；不同加氫專利商的理念差異；不同用戶的習慣要求；不同的安全等級評估機構的理念；不同工程設計單位的設計經驗。

目前加氫裂化裝置采用的加氫工藝技術主要有UOP，CHEVRON，AXENS，SHELL，TOPSOE等國外技術以及中國自主知識產權的技術。各技術專利商和工程設計單位對加氫裂化裝置的聯鎖保護均十分重視，聯鎖保護的核心內容雖然基本一致，但是聯鎖保護的手段以及范圍卻不盡相同，出現該情況是由于各自工藝技術特點、應用經驗以及安全理念的差異造成的。

圖1 加氫裂化裝置主要聯鎖邏輯

3 加氫裂化裝置安全聯鎖的邏輯關系分析

國內自主知識產權加氫工藝的安全聯鎖保護已經取得了長足的進步，以某公司設計的國有技術加氫裂化裝置的聯鎖邏輯功能為例，在聯鎖邏輯功能設計上已較為科學和完善，對裝置和人身安全提供了必要的保證。以下就加氫裂化裝置緊急泄壓聯鎖、加氫進料泵聯鎖、氫氣加熱爐聯鎖的內容和理念進行分析。

加氫進料泵聯鎖邏輯如圖2所示，主要聯鎖內容包括：停液力透平聯鎖，用于防止液力透平轉速超高或熱高分液位抽空引起高壓串低壓；分別停主/備泵聯鎖，用于保護泵不發生喘振或其他泵體自身異常對泵造成的損壞；切斷泵出口總管聯鎖，用于保護裝置進料量不低于裝置最小處理負荷量和避免泵出口總管發生流量倒流造成的高壓反串低壓。

加氫裂化裝置的緊急泄壓一般分為高速泄壓，如圖3所示，和低速泄壓，如圖4所示。高速泄壓是裝置最高級別的聯鎖保護，在裝置發生火災或反應器“飛溫”時聯鎖動作，動作結果是停掉整個加氫裂化裝置的反應部分。低速泄壓的重要程度和緊急程度相對較低，低速泄壓時循環氫系統還在運轉，可以說低速泄壓是高速泄壓的前一級保護，通過低速泄壓保護盡量避免高速泄壓啟動，從而降低對催化劑的損害程度，降低裝置完全停工的可能。

停氫氣加熱爐的主要目的是防止加熱爐爐管內物料中斷或者流量過低而引起干燒造成爐管破壞。氫氣加熱爐聯鎖邏輯如圖5所示。對于工藝中的停爐通常指加熱爐的主燃料氣被切斷，而不切斷加熱爐的長明燈燃料氣。圖5中引起加熱爐聯鎖保護的條件未包含該加熱爐的燃料氣系統故障方面的原因。

4 加氫裂化裝置安全聯鎖邏輯的完善

近年來，伴隨著加氫裂化裝置大型化和原料劣質化的趨勢，裝置的投資成本不斷增大，裝置操作的苛刻性增強，裝置事故的人身危害性和財產損失度也不斷增大，因此裝置安全聯鎖保護的內容不斷完善，聯鎖保護措施也不斷增強。相對上述安全聯鎖邏輯關系的保護內容在一些建成和在建的加氫裂化裝置中也增加和完善了以下內容的聯鎖保護：

1) 對于易產生“飛溫”的裂化反應器，設置了床層溫度和表面溫度過高而聯鎖啟動高速泄壓。

2) 高壓進料泵入口閥沒全開情況下，設置了不能啟動或停泵聯鎖。

3) 高壓進料泵在入口原料緩沖罐液位過低時設置了停泵聯鎖。

4) 對于泵出口防倒流的聯鎖條件增加了泵出口管線調節閥差壓低低的聯鎖條件。

5) 對于氫氣加熱爐停爐聯鎖增加了入口混合氫氣的流量低低聯鎖條件。

圖2 加氫進料泵聯鎖邏輯示意

圖3 高速泄壓聯鎖邏輯示意

圖4 低速泄壓聯鎖邏輯示意

圖5 氫氣加熱爐聯鎖邏輯示意

5 加氫裂化裝置安全儀表系統設計

當安全聯鎖邏輯關系確定后，為實施聯鎖保護功能需要確定實施該功能的安全儀表功能(SIF)，即通過選擇測量儀表、邏輯控制器、最終元件及相關軟件等組成安全儀表系統(SIS)來實現具有安全等級的SIF。SIS的設計應兼顧可靠性、可用性、可維護性、可追溯性和經濟性，既要防止設計不足，也要防止過度設計。

在加氫裂化裝置的SIS設計中，采用“2oo3”或“2oo4D”表決結構的邏輯控制器，增加容錯性，在保證安全的情況下保證裝置的可用性。測量儀表優先選用“2oo3”結構配置，提高測量環節的可靠性和可用性。最終元件由于成本通常較測量元件高出很多，尤其是高壓閥門價格昂貴，在選擇時一定要嚴格根據SIL等級的定級情況進行設計，避免過度設計造成投資增加。根據一般經驗，只有對于SIL3的SIF的最終元件采用雙閥冗余的設置方案，而對于SIL1或SIL2的SIF要求的最終元件盡量采用單一閥門設置，必要時可以通過配置偏重可靠性的冗余電磁閥結構、配置部分行程測試、使用有良好應用經驗的產品、加強現場檢查維護力度等措施降低單臺閥門的平均失效概率，使其滿足相應SIL等級的要求。

6 結束語

通過分析可以看出，加氫裂化裝置安全聯鎖保護是為了避免某種危害的發生，其確定的難度在于如何兼顧裝置安全性和可操作性，對預防危害的投資與危害產生的風險概率及危害損失之間如何選擇，因此安全聯鎖的邏輯關系的確定和SIS的設計必須基于科學的分析和決策。目前正在全面推廣的危險與可操作分析(HAZOP)和SIL定級工作正是通過裝置HAZOP分析確定所需要的SIF，并對SIF進行辨識以確定相應的安全儀表等級，從而為裝置安全聯鎖保護的實施提供科學的依據。