加氢装置紧急泄压系统的设计理念

2021-02-06皮宇

石油化工自动化 2021年1期

关键词：压阀气路执行机构

皮宇

(中石化广州工程有限公司，广东广州 510620)

高压加氢装置如果超压，可能导致易燃闪爆的氢气介质大规模泄漏，造成巨大的财产损失及人员伤亡[1]，因此紧急泄压系统的合理设计显得尤为重要。

国内目前还没有相关该场合有针对性的标准或规定，笔者结合几个项目的做法，给出加氢装置紧急泄压系统完整的设计理念，供同行参考。

1 安全完整性等级要求

笔者负责设计的项目中，因为触发紧急泄压阀联锁为人工行为，未做安全完整性等级(SIL)定级，建议如果能做SIL定级，宜按照SIL等级来验证设计更合理。例如：如果紧急泄压阀定级为SIL1[1]，就容易验证泄压阀的配置包括电磁阀设计的合理性。

2 高速泄压阀功能设计

如果工艺设置了高速泄压阀，其全行程动作时间除满足工艺要求外，不得超过20 s。根据API RP553规定，该阀需在辅操台设计紧急泄压硬按钮及1个单独的复位硬按钮，同时辅操台需要设计全开及全关阀位指示灯，在现场安全位置(阀门15 m以外，最好在防火分区外)还需设置1个紧急泄压操作盘，盘上设就地紧急泄压按钮及阀全开及全关阀位指示灯[2]。

因为高速泄压阀泄压速度快，所以该阀一般不推荐配置部分行程测试功能。该阀一般都设计为全通径on-off阀，阀型没有限制，例如球阀、闸阀、高性能蝶阀等，但是不能为软阀座[2]。该阀可设计为故障开(FO)或故障关(FC)，视工艺要求确定。

3 低速泄压阀功能设计

如果工艺设置了低速泄压阀，当该阀为on-off阀时，其全行程动作时间除满足工艺要求外，不得超过30 s。该阀也可以被自动触发，启动高速泄压阀的同时触发该阀关闭，防止同时泄压。当被自动触发时，其全行程动作时间不得超过20 s。

当手动触发该阀时，辅操台需设计1个独立的触发按钮及复位按钮，同时设置全开及全关阀位指示灯，如果工艺同意，现场可以不设就地操作按钮。该阀可以配置现场部分行程测试功能，需与工艺确认使用方式。

该阀可以根据工艺要求设计为FO模式或FC模式全通径on-off阀，阀型没有限制。该阀也可以设计为带定位器的Globe控制阀，采用金属阀座的单座阀，阀芯为流开型，不能设计为平衡式阀芯组件，应设计为柱塞式，以保持流路畅通，阀芯设计为快开或线性流量特性[2]。

4 高速和低速泄压阀的操作关系

当需要时，操作员可以根据工艺情况，短时间打开低速泄压阀，少量泄压，维持操作稳定而不停车；当突发紧急情况，例如反应器快速飞温而需要触发高速泄压阀时，为防止双阀同时开启造成泄压速度过快超过工艺计算值，不管此时低速泄压阀处于什么状态，打开高速泄压阀的同时触发自动关闭低速泄压阀，高速泄压阀触发关闭逻辑优先于手动打开低速泄压阀逻辑[1]。

5 分散控制系统或人机界面对紧急泄压的管理

当触发紧急泄压时，分散控制系统(DCS)要详细记录全过程真实压力的变化趋势，事后根据数据计算验证真实的泄压速率是否满足工艺要求。

6 阀体结构设计

当泄压速度由工艺限流孔板控制时，紧急泄压阀阀体设计通径可根据工艺要求与工艺管径相同或略缩径，但不能小于DN50，最小压力等级为ANSI CL300[2]，内泄漏等级按照单向密封TSO设计(例如球阀满足ISO 5206 Class B，控制阀满足IEC 60534-4 V级)。

为防止限制最大泄压能力，阀体上不允许带机械限位装置，不允许安装手轮，工艺管线上不允许2台泄压阀串联安装。在泄压时，尤其是高速泄压时，可能发生物理变化汤姆-焦耳逊效应，温度将急剧下降，导致填料函位置及阀杆结冰，所以阀盖需要设计为延长颈型，阀体材质及出口管线材质均需考虑极端低温工况[2]。

当泄压时，噪音需被抑制，阀座计算流速不得超过238 m/s，如果泄压频繁，例如1年超过10次时，不得超过102 m/s，整个介质流路不允许有直径低于6 mm的限流部件，不允许使用降噪阀笼降噪，也不允许安装过滤器，以防流路堵塞，按照API RP553要求，工艺管线上可用多级限流孔板来降噪或限制流速[2]。

执行机构的推力不低于克服最大关闭差压所需推力的1.1倍，能够全行程动作[3]。无论何种阀型，执行机构宜选用弹簧自动复位气缸执行机构[1]，执行机构设计应包含不考虑空气过滤减压器时最大仪表风压下可正常工作的工况，气缸材质可以为碳钢也可以为不锈钢。

设置泄压阀全开、全关阀位开关，或通过阀位变送器指示真实阀位。

7 事故空气罐及供风管线设计

当满足如下条件时，宜设置事故空气罐：

1)泄压阀为FC模式且自动触发时。

2)泄压阀为FO模式，如果火炬系统容量的设计不能承受高速及低速泄压阀同时泄压时。

基于以上考虑，无论执行机构是单作用还是双作用，高速泄压阀应设置符合ASME 压力容器规范的事故空气罐。

低速泄压阀无论是否为控制阀，当为FO模式设计时，可根据情况设计；当为FC模式与联锁方向相反时，应配置事故空气罐[3]，罐最小容积满足最小仪表风压下泄压阀全行程动作3次。

罐上游气路要求配过滤器，2个单向阀串联，单向阀要求球形或升降式。当为升降式时，需安装于竖直管线上，空气流向自下向上，单向阀下游不允许安装减压阀或泄压阀，设置罐压远传低报警，报警值设定为泄压阀全行程动作3次所需的最小压力。

仪表供风总管隔离阀后管线及管阀件材质要求为不锈钢。供风管路上所有手动泄压阀加铅封，防止误关。

当事故空气罐安装于可能发生火灾的区域时，应配安全阀。

8 电磁阀设计

电磁阀应紧靠泄压阀执行机构安装，关于电磁阀的气路设计，各项目设计差别较大，与其对工艺可靠性及可用性的理解及SIL的要求有关，主要有如下做法：

1)单电磁阀，失电联锁动作。该方式缺点是不能防止电磁阀卡住不动带来的联锁失效问题，但可以防止回路断路不能联锁的故障。综合各种故障发生的概率分析，该方式偏重工艺安全性，但容易导致阀门误开停车，当工艺对可用性要求不高时可参考使用。

2)双电磁阀，失电联锁动作，表决逻辑为“1oo2”。当断路事故发生时，任意1个电磁阀失电将联锁停车。该方式优点是可以解决任何联锁回路断路及电磁阀卡住不能动作的问题；缺点是误停车概率升高导致可用性下降，在对装置的安全性要求非常高的场合可以使用。GB/T 50770—2013《石油化工安全仪表系统设计规范》的7.4.5条中有同样配置的详细表述[4]。

3)双电磁阀，带电联锁动作，表决逻辑为“1oo2”。当泄压阀为FO模式时，气路典型配置如图1所示。

图1 双电磁阀带电联锁动作气路典型配置示意

图1中，电磁阀旁箭头方向为电磁阀不带电非励磁状态下气路走向；NDE指电磁阀正常不带电非励磁，当任何一路电磁阀联锁带电励磁时，阀门执行机构气路放空，弹簧推动执行机构将泄压阀打开。

该设计虽然为电磁阀带电联锁动作，但是可以设置线路在线诊断以增加系统可靠性，在笔者设计的项目中，控制系统配置了特殊的带线路在线诊断功能的DO卡 FTA板，在连接现场电磁阀的接线箱相应端子上并接了1个大电阻实现在线诊断，并且要求连接这2个电磁阀的电缆敷设路由及IO卡件独立。该设计的优点是当1个回路故障发生时，例如1个电磁阀断路不能正常带电联锁或1个电磁阀带电但是阀体卡住不能正常动作时，泄压阀一样能打开，且不会因为故障误动作导致停车，最大程度地兼顾工艺的可靠性及可用性。缺点是工程实施比较复杂，当工艺需同时兼顾可靠性及可用性时值得推荐该方案。

4)双电磁阀，1个带电联锁阀关，1个失电联锁阀开。该配置仅针对低速泄压阀，这2个电磁阀因为功能不同，不属于表决关系，且有优先级别。当低速泄压阀为FC模式时，典型气路配置如图2所示。

图2中，NE指电磁阀正常带电励磁。NDE电磁阀带电励磁，泄压阀执行机构失气弹簧推动泄压阀关闭，当手动打开低速泄压阀联锁且高速泄压阀没有被触发时，NE电磁阀失电，仪表风通到执行机构使之动作泄压阀打开，气路上2个电磁阀串联，NDE电磁阀动作优先。该设计模式优点是将功能按照对可用性及安全性的理解区分开处理。