合成氨裝置防竄壓優(yōu)化設(shè)計探討

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)械及自動化研究設(shè)計院有限公司，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)的典型安全問題，竄壓在極短的時間內(nèi)若處置不當(dāng)會使低壓容器超壓，甚至爆炸，可造成人員傷亡與巨大財產(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性。例如1987年英國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的穩(wěn)定運(yùn)行，必須對石化裝置高壓竄低壓部位進(jìn)行風(fēng)險分析，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竄壓風(fēng)險進(jìn)行分析。

1 高壓竄低壓風(fēng)險分析

1.1 易發(fā)生竄壓的典型工藝流程

高壓竄低壓常見于高壓分離器底部，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： 一級氨分離器和二級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，高壓合成氣將會竄入設(shè)計壓力僅為2.2 MPa的低壓液氨中間罐，將會引起中間罐爆裂等多種風(fēng)險。

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)險分析

由圖1可以看出，竄壓事故通常存在以下幾個風(fēng)險因素：

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，由于高低壓設(shè)備、管線的壓力等級差距較大，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，壓力超過設(shè)備和管道材質(zhì)最高承受強(qiáng)度時，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。低壓設(shè)備液氨中間罐儲存大量的液氨，設(shè)備一旦破壞發(fā)生泄漏，氨氣為毒性介質(zhì)，對現(xiàn)場事故應(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。

2 高壓竄低壓的防范設(shè)計

為了避免上述風(fēng)險的發(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。

2.1 工藝流程設(shè)計

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

1)高壓分離器上設(shè)置“2oo3”液位信號，并與調(diào)節(jié)閥聯(lián)鎖，增加聯(lián)鎖信號的可靠性。氨分離器屬高壓設(shè)備，一旦液位檢測出現(xiàn)失誤，發(fā)生竄氣，緊急切斷閥可能出現(xiàn)無法及時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臺液位檢測儀表，采取“2oo3”的聯(lián)鎖控制方式，即3臺液位檢測儀表中的2臺達(dá)到了聯(lián)鎖設(shè)定值，便觸發(fā)聯(lián)鎖動作關(guān)閉緊急切斷閥。該種設(shè)計方式提高了設(shè)備液位檢測的可靠性，同時避免了單臺液位檢測儀表發(fā)生故障而直接導(dǎo)致聯(lián)鎖停車的后果。

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，調(diào)節(jié)閥后壓力表示值會急速上升，壓力高報警，達(dá)到設(shè)定值進(jìn)一步啟動聯(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，能夠及時隔斷管路。為保證該安全聯(lián)鎖的安全完整性等級(SIL)，在液位調(diào)節(jié)閥前單獨(dú)設(shè)置了開關(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，控制閥自動調(diào)控開度，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，通過降低壓縮機(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，對高壓氣體限流。限流孔板是調(diào)節(jié)閥降壓失效時的一種補(bǔ)償措施，竄壓工況氣相流量決定孔板孔徑，同時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)委托專業(yè)機(jī)構(gòu)對聯(lián)鎖回路進(jìn)行安全完整性等級分析，提出SIL等級要求。工藝專業(yè)連同儀表專業(yè)一起，配合專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行SIL等級分析計算，在該過程中，進(jìn)一步完善流程和控制系統(tǒng)。經(jīng)過詳細(xì)安全完整性等級分析，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CV值要求。安裝在液氨中間罐入口的控制閥，發(fā)生故障時若處于全開位置時，對于氣相管道，滿足低壓側(cè)的設(shè)計壓力小于高壓側(cè)的設(shè)計壓力的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)庀嗝芏龋琸g/m3；T——泄放溫度，K。

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

(2)

式中：qm1——經(jīng)過氨分離器液位調(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和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范》要求，設(shè)置多處有毒氣體檢測點(diǎn)，一旦現(xiàn)場發(fā)生有毒氣體泄漏，提醒現(xiàn)場工作人員及時撤離。

2.2 儀表選型設(shè)計

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)計為冗余設(shè)計。

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

1)閥門結(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)量的對稱小孔中進(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，大量的擾動使絕大多數(shù)高速度液滴失去了動能，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)對面的筒壁會受到滯留筒腔內(nèi)的液體的阻擋，液體自行緩沖消能。該種結(jié)構(gòu)可以減輕流體對于閥芯及套筒的沖刷破壞，保護(hù)了閥門密封面，同時也降低了閥門的噪音[5]。

高壓角閥采用側(cè)進(jìn)底出，使流體經(jīng)過閥門后改變了流體的方向，進(jìn)一步減輕流體經(jīng)過調(diào)節(jié)閥時對閥內(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，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定級對閥門選型的影響

調(diào)節(jié)閥前主路上設(shè)置了開關(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

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)，在危險發(fā)生時可采取提前設(shè)定的措施，盡可能減少或避免人員傷亡和財產(chǎn)損失[7]。

2)聯(lián)鎖設(shè)置：

a)氨分離器液位失控，即3臺液位檢測儀表中有2臺達(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，開啟氣相緊急泄放閥。

d)設(shè)置全廠緊急停車按鈕，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，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

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、開工階段都容易發(fā)生高壓竄低壓的事故。從設(shè)計的源頭進(jìn)行風(fēng)險防范是最根本的解決方式。本文通過對氨合成工藝易發(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。