加氢裂化装置安全联锁的逻辑关系分析

金哲

(中石化广州工程有限公司，广东 广州 510620)

1 加氢裂化装置安全联锁保护的必要性

加氢裂化装置有大量氢气及烃、非烃类等危险生产介质，泄漏的可燃性、爆炸性物料可能发生火灾和爆炸危险。由于加氢裂化装置反应部分在高压下操作，其爆炸、火灾事故的危害后果尤其严重；同时加氢裂化装置的静设备和动设备及催化剂等造价高，在操作过程中有被损坏的可能，会造成企业资产的严重损失。因此，加氢裂化装置生产过程出现异常时，必须采取可靠的措施，将异常工况控制在可控范围内，甚至停止生产以规避生产异常导致的人员、装备的重大损失。

2 加氢裂化装置安全联锁逻辑功能要求

安全联锁逻辑功能可根据工艺过程需求确定，加氢裂化装置安全联锁逻辑的特殊性主要在反应部分，该部分具有高压特点，联锁逻辑主要有：反应器紧急泄压联锁逻辑、进料泵联锁逻辑、进料加热炉或氢气加热炉联锁逻辑、循环氢压缩机联锁逻辑、新氢压缩机联锁逻辑、贫液泵和注水泵联锁逻辑、防止高压串低压联锁逻辑等。加氢裂化装置主要联锁逻辑如图1所示。

不同的加氢工艺其安全联锁逻辑关系不尽相同，不能一概而论，主要原因包括：有炉前混氢及炉后混氢等不同加氢工艺；不同设备类型，如离心或往复旋转设备，是否带透平等；不同加氢专利商的理念差异；不同用户的习惯要求；不同的安全等级评估机构的理念；不同工程设计单位的设计经验。

目前加氢裂化装置采用的加氢工艺技术主要有UOP，CHEVRON，AXENS，SHELL，TOPSOE等国外技术以及中国自主知识产权的技术。各技术专利商和工程设计单位对加氢裂化装置的联锁保护均十分重视，联锁保护的核心内容虽然基本一致，但是联锁保护的手段以及范围却不尽相同，出现该情况是由于各自工艺技术特点、应用经验以及安全理念的差异造成的。

图1 加氢裂化装置主要联锁逻辑

3 加氢裂化装置安全联锁的逻辑关系分析

国内自主知识产权加氢工艺的安全联锁保护已经取得了长足的进步，以某公司设计的国有技术加氢裂化装置的联锁逻辑功能为例，在联锁逻辑功能设计上已较为科学和完善，对装置和人身安全提供了必要的保证。以下就加氢裂化装置紧急泄压联锁、加氢进料泵联锁、氢气加热炉联锁的内容和理念进行分析。

加氢进料泵联锁逻辑如图2所示，主要联锁内容包括：停液力透平联锁，用于防止液力透平转速超高或热高分液位抽空引起高压串低压；分别停主/备泵联锁，用于保护泵不发生喘振或其他泵体自身异常对泵造成的损坏；切断泵出口总管联锁，用于保护装置进料量不低于装置最小处理负荷量和避免泵出口总管发生流量倒流造成的高压反串低压。

加氢裂化装置的紧急泄压一般分为高速泄压，如图3所示，和低速泄压，如图4所示。高速泄压是装置最高级别的联锁保护，在装置发生火灾或反应器“飞温”时联锁动作，动作结果是停掉整个加氢裂化装置的反应部分。低速泄压的重要程度和紧急程度相对较低，低速泄压时循环氢系统还在运转，可以说低速泄压是高速泄压的前一级保护，通过低速泄压保护尽量避免高速泄压启动，从而降低对催化剂的损害程度，降低装置完全停工的可能。

停氢气加热炉的主要目的是防止加热炉炉管内物料中断或者流量过低而引起干烧造成炉管破坏。氢气加热炉联锁逻辑如图5所示。对于工艺中的停炉通常指加热炉的主燃料气被切断，而不切断加热炉的长明灯燃料气。图5中引起加热炉联锁保护的条件未包含该加热炉的燃料气系统故障方面的原因。

4 加氢裂化装置安全联锁逻辑的完善

近年来，伴随着加氢裂化装置大型化和原料劣质化的趋势，装置的投资成本不断增大，装置操作的苛刻性增强，装置事故的人身危害性和财产损失度也不断增大，因此装置安全联锁保护的内容不断完善，联锁保护措施也不断增强。相对上述安全联锁逻辑关系的保护内容在一些建成和在建的加氢裂化装置中也增加和完善了以下内容的联锁保护：

1) 对于易产生“飞温”的裂化反应器，设置了床层温度和表面温度过高而联锁启动高速泄压。

2) 高压进料泵入口阀没全开情况下，设置了不能启动或停泵联锁。

3) 高压进料泵在入口原料缓冲罐液位过低时设置了停泵联锁。

4) 对于泵出口防倒流的联锁条件增加了泵出口管线调节阀差压低低的联锁条件。

5) 对于氢气加热炉停炉联锁增加了入口混合氢气的流量低低联锁条件。

图2 加氢进料泵联锁逻辑示意

图3 高速泄压联锁逻辑示意

图4 低速泄压联锁逻辑示意

图5 氢气加热炉联锁逻辑示意

5 加氢裂化装置安全仪表系统设计

当安全联锁逻辑关系确定后，为实施联锁保护功能需要确定实施该功能的安全仪表功能(SIF)，即通过选择测量仪表、逻辑控制器、最终元件及相关软件等组成安全仪表系统(SIS)来实现具有安全等级的SIF。SIS的设计应兼顾可靠性、可用性、可维护性、可追溯性和经济性，既要防止设计不足，也要防止过度设计。

在加氢裂化装置的SIS设计中，采用“2oo3”或“2oo4D”表决结构的逻辑控制器，增加容错性，在保证安全的情况下保证装置的可用性。测量仪表优先选用“2oo3”结构配置，提高测量环节的可靠性和可用性。最终元件由于成本通常较测量元件高出很多，尤其是高压阀门价格昂贵，在选择时一定要严格根据SIL等级的定级情况进行设计，避免过度设计造成投资增加。根据一般经验，只有对于SIL3的SIF的最终元件采用双阀冗余的设置方案，而对于SIL1或SIL2的SIF要求的最终元件尽量采用单一阀门设置，必要时可以通过配置偏重可靠性的冗余电磁阀结构、配置部分行程测试、使用有良好应用经验的产品、加强现场检查维护力度等措施降低单台阀门的平均失效概率，使其满足相应SIL等级的要求。

6 结束语

通过分析可以看出，加氢裂化装置安全联锁保护是为了避免某种危害的发生，其确定的难度在于如何兼顾装置安全性和可操作性，对预防危害的投资与危害产生的风险概率及危害损失之间如何选择，因此安全联锁的逻辑关系的确定和SIS的设计必须基于科学的分析和决策。目前正在全面推广的危险与可操作分析(HAZOP)和SIL定级工作正是通过装置HAZOP分析确定所需要的SIF，并对SIF进行辨识以确定相应的安全仪表等级，从而为装置安全联锁保护的实施提供科学的依据。