高压加氢冷高压分离器液/界位控制系统的安全性设计

刘建国

（山东齐鲁石化工程有限公司，山东 淄博 255400）

高压加氢工艺是提高油品质量的一个重要手段，也是生产优质的原料和产品的理想装置。近年来，为了满足国家油品质量的升级，高压加氢装置成为石化行业的一大热点。无论是石油炼制深加中的加氢裂化、润滑油加氢，还是在新兴起的煤炼油中的煤液化装置、煤焦油加氢、蒽油加氢等装置中要求的反应入口压力达到甚至超过18 MPa（G），冷高压分离器的操作压力也在15.5 MPa（G）以上。

冷高压分离器既承担着反应流出物气液分离的任务，又是液相物流高/低压转换的界面，更重要的是冷高分的压力是加氢装置反应系统压力的控制的基准点，即通过控制冷高分的压力来控制整个反应系统的压力。严格控制好冷高压分离器的液面是一项重要的安全防护措施。如果液面过高，就有可能使气体带液从而危及压缩机的运行；如果液面过低，就有可能出现压空，高压气体就会窜入低压系统，造成低压分离器超压甚至爆炸。因此冷高压分离器液/界控制方案是否合理对高压加氢反应系统的平稳运行和安全生产起着至关重要的作用。

据报道，英国格朗季蒙斯炼油厂加氢裂化装置爆炸事故原因就是因为冷高压分离器液位控制系统出现问题导致冷高分高压窜低压，低压分离器超压造成的[1]。根据事故现场推算爆炸的当量相当于90 kg TNT，火焰高达90 m以上，30 km以外的地方都可听到和感觉到，爆炸造成巨大的经济损失和人员伤亡[2]。

本文就高压加氢工艺流程中典型的两种冷高压分离器液/界位控制方案（方案1和方案2）[3]加以分析比较，分别指出两种方案存在的安全隐患，并提出安全性更高的方案（方案3）。

1 双高压调节阀并列控制方案

双高压调节阀并列控制方案1（如图1所示）是以操作灵活为主的冷高压分离器控制方案，以前较多设计院多采用此控制方案。此方案中，液位测量设置有3台液位变送器：第一台液位变送器与冷高分油出口调节阀组成控制回路，用于冷高压分离器液位控制；第二台与冷高分油出口调节阀组成控制联锁回路，平常作为液位指示，当冷高压分离器液位发生任何异常情况，造成液位低低时，该液位变送器则通过SIS或DCS输出联锁信号，强行关闭调节阀；另一台作为判断其他两台变送器输出信号的正确性。冷高压分离器的界位（油水界面）在冷高压分离器的液位以下，距离冷高压分离器液位还有很大的一段距离，而且界位调节阀的流量相对于液位调节阀的流量小很多，此外高压气体处于冷高压分离器的液位上面，因此界位控制相对于液位控制来讲，其发生高压气体窜入低压系统的可能性小很多。以往的工程设计中为节省费用，一般只设置两台外浮筒界位变送器，一台液位变送器作为界位控制回路，另一台平常作为液位指示回路，两套仪表互相对照，互为备用。

图1 双高压调节阀并列控制方案

方案1的液位控制和界位控制的调节阀都是双重冗余配置，这种双重冗余配置是一种主辅关系。由图可看到，主调节阀前是双切断阀，正常生产时是由主控制回路进行控制的，只有当主控制回路出现故障需要维修时，才由人工切换到辅助控制回路。这种由人工执行的切换对操作员的要求要有比较高的素质，因此存在一定程度的危险性。

方案1设置的调节回路中，采用的调节阀同时具备调节和切断功能，根据《石油化工安全仪表系统设计规范》（GB/T50770），该设置的安全仪表系统的安全等级仅满足SIL-1, 安全等级很低。因此该方案存在一定程度的安全隐患，这种控制方案不能最大限度地降低高压气体窜入低压系统的可能性。

2 联锁切断阀+单高压调节阀串联控制方案

联锁切断阀+单高压调节阀串联控制方案2如图2所示。

图2 联锁切断阀+单高压调节阀串联控制方案

采用液位变送器+界位开关的组合形式，并采用了两位式气动紧急切断阀和高压型多级降压调节阀串联安装、功能独立的设计模式。调节阀用来控制冷高压分离器液位和界位，保证正常生产操作的平稳；两位式气动紧急切断阀用于联锁切断，实现自动完成液（界）位低低联锁保护动作，防止高压流体向低压设备窜压。在此方案中，无论是液位还是界位的低低联锁测量仪表均采用了“三取二”的表决方式，在最大程度上避免了测量仪表故障引发的误动作，同时执行器又是独立设置，从而大大提高了冷高压分离器控制系统的安全等级。

但方案2液（界）位为单回路控制，调节阀采用的单调节阀加副线的形式，当控制回路或调节阀出现故障需要维修时，只能通过人工操作副线阀来控制，同样对操作员的要求要有比较高的素质；此外两位式气动紧急切断阀没有设置用来检测紧急切断阀日常能否迅速关闭的检查阀。因此该方案虽然控制系统达到《石油化工安全仪表系统设计规范》SIL-3安全等级，但由于缺少对液位出口两位式气动紧急切断阀否能够迅速动作的检测手段，因此此方案也存在一定程度的危险性，这种控制方案也不能降低在装置事故状态下紧急切断阀不动作而导致的高压气体向低压系统窜入的可能性。

3 联锁切断阀+双高压调节阀串联控制方案

方案1的双回路控制配备两套规格完全相同的调节阀，可以通过DCS软件实现控制切换，实现执行机构的冗余备份，提高了控制回路的灵活性。但调节阀同时具备调节和切断功能，不能最大限度地降低降低高压气体窜入低压系统的可能性，存在一定程度的安全隐患。

方案2的液（界）位低低联锁切断保护系统给生产操作带来更大的安全性，但调节阀采用单调节阀加副线的形式，并且缺少两位式气动紧急切断阀在装置事故状态下是否能够动作的检测手段，也存在一定程度的危险性。

针对方案1和方案2的分析，集两种方案的优点于一体，提出液（界）位低低联锁切断保护系统+液（界）位双回路控制的方案（方案3），见图3。

图3 联锁切断阀+双高压调节阀串联控制方案

方案3通过在液位控制和界位控制分别串联设置功能独立的两台高压液位调节阀和两个紧急切断阀。调节阀用来实现液位控制和界位控制，并且调节阀都采用双重冗余配置形成主辅关系，这种配置即可提高了生产控制的灵活性，又能保证装置的平稳运行。液位的紧急切断阀用来保证安全，实现自动完成液（界）位低低联锁保护；高压液位调节阀用来实现液（界）位自动控制，保证装置平稳运行。此配置方案，既能实现装置的平稳操作，用能为装置的安全提供保证。另外，两个紧急切断阀还设有用于定期检查紧急切断阀能否开关动作的2台带有阀位显示的检查阀，并且配有保证紧急切断阀开关不小3次以上储气量的仪表风储气罐，确保在仪表风中断时，能够保证紧急切断阀发挥作用，实现液（界）位低低联锁保护。

该控制方案的配置，正常生产时，高分油通过主路到低压分离器，实现油水的分离；在生产出现任何异常情况，当冷高分液位急剧上升，为防止循环氢带液，调节阀开度增大，必要时打开辅路进行处理；当冷高分液位低低时，变送器通过SIS输出液位低低联锁报警信号，立刻关闭切断阀，防止高压气体窜入低压系统。

在此方案中，液位低低联锁测量仪表同样采用了“三取二”的方式，可以有效避免测量仪表故障引发的误动作。执行器也是独立设置，提高了冷高压分离器控制系统的安全等级（满足SIL-3）。冷高压分离器界位相对于液位控制来讲，虽然出现窜压的可能性小，但考虑到操作的灵活性和安全性，界位同样也单独设置两位式切断阀，界位的调节阀也设置两组高压角式调节阀，保证界位操作的灵活性和安全性。

液（界）位低低联锁切断保护系统和液（界）位双回路控制系统这两道双保险大大提高了冷高压分离器控制系统的安全性。另外，方案3为冷高分液位切断阀和界位切断阀设置了仪表风储气罐，考虑了仪表风暂时中断情况下仪表风储气罐中的储气量仍保证紧急切断阀开关3次以上的应急措施，进一步提高了冷高分液/界位控制系统的安全性。

方案3在给生产操作带来更大安全性的同时，也具备了冷高压分离器界位操作的灵活性，但付出的代价是需要花费的投资高、调节阀和紧急切断阀的安装占用的场地大、给管道设计人员增加些工作量。权衡利弊，对于易燃易爆高温高压的石化装置来讲，这种付出对于注重安全、平稳生产的企业来说是认可的。

4 冷高压分离器的液位设置注意事项

引起低压系统超压的发生事故的原因是冷高压分离器中的大量高压气体顺利地进入低压系统而引起的，因此，防止高压窜低压是确定冷高压分离器低液位报警值和低低联锁值设定点的另一个关键问题，从以上提出3中控制方案中，无论采用何种方案，都首先应该注意的是怎样确定液位低报警点、低低联锁设定点。

无论是液位低报警点还是液位低低联锁点，其设定点必须确保液位到达液位低报警点、低低联锁条件时，冷高压分离器内的液面永远要高于高分油出口位置，并保留有一定液封液位。也就是说，在冷高压分离器液（界）位达到低报警点而还未到低低联锁设定点时，留给生产操作人员有一定的时间来处理液位的不正常情况；同时在设定低低联锁液位时，必须满足紧急切断阀完全关闭时间内液体在冷高压分离器内零液位以上，并有一定的滞留时间，保证低低联锁液位设定值要高于高分油出口液面并有一定安全液封液位，防止高分气串入低压系统。

5 结束语

冷高压分离器的安全运行是加氢装置安全运行的重要环节之一，冷高压分离器物位控制一旦失灵，可能造成高压气体窜入低压系统，导致事故发生。因此冷高分离器液/界位控制方案是否合理、控制系统可靠性的高低、控制品质的好坏对加氢反应系统的平稳运行和安全生产起着至关重要的作用。针对冷高压分离器在高压加氢装置中的重要地位，从工艺设计及仪表设计的角度分析了两种典型的冷高压分离器液/界控制方案的可操作性及安全性，指出这两种方案存在的安全隐患问题，提出了液（界）位低低联锁切断保护系统+液（界）位双回路控制的方案，大大提高了冷高压分离器控制系统的安全性。

目前这种控制方案已经应用到加氢装置中，得到了业主的一致认可。

此外，针对冷高压分离器工艺运行特点和控制方案，提出了冷高压分离器的液位设置注意事项。因此，这工程设计时，应从工艺过程的特点和工厂的操作需要出发，并结合自控仪表及控制系统的技术发展，确定既切合实际又易于实施的过程控制方案和成熟、可靠的仪表选型，来保证冷高压分离器的安全控制和装置的安全运行。