調(diào)節(jié)閥在石油化工裝置緊急泄壓中的應(yīng)用

范詠峰,陳爭(zhēng)榮

(中國(guó)石化工程建設(shè)公司,北京 100101)

0 引 言

高壓加氫裝置反應(yīng)系統(tǒng)的緊急泄壓是確保裝置安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,通常通過(guò)切斷閥和限流孔板串聯(lián)實(shí)現(xiàn),也有采用調(diào)節(jié)閥按幾種不同的預(yù)定開(kāi)度進(jìn)行分段泄壓的方式,該文介紹一種通過(guò)調(diào)節(jié)閥連續(xù)開(kāi)度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)按期望的泄壓速率進(jìn)行緊急泄壓的方法,該方法在國(guó)內(nèi)某高壓加氫裝置中成功應(yīng)用,下面針對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)施過(guò)程中應(yīng)注意的一些問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。

1 概 述

采用切斷閥和限流孔板串聯(lián)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)系統(tǒng)緊急泄壓已有很多的應(yīng)用實(shí)例,但在實(shí)際操作中存在泄放流速不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。在泄壓初期,由于限流孔板前的壓力等于泄壓?jiǎn)?dòng)前的反應(yīng)系統(tǒng)工作壓力,壓力值相對(duì)較大,這時(shí)通過(guò)限流孔板的泄放流速比較大。隨著時(shí)間的推移,反應(yīng)系統(tǒng)壓力下降后,通過(guò)限流孔板的泄放流速會(huì)相對(duì)較小。為在規(guī)定時(shí)間內(nèi)降壓到目標(biāo)值,降壓初期的泄放流速峰值較大,泄放流速過(guò)大對(duì)固定床反應(yīng)器影響相對(duì)小些,但對(duì)沸騰床反應(yīng)器將帶來(lái)諸多不利,如催化劑流失、反應(yīng)器內(nèi)件受損等。采用調(diào)節(jié)閥按幾種不同的預(yù)定開(kāi)度進(jìn)行分段泄壓,雖然對(duì)此有一定改善但尚有不足,通過(guò)調(diào)節(jié)閥連續(xù)開(kāi)度調(diào)節(jié)進(jìn)行反應(yīng)系統(tǒng)緊急泄壓可以有效地解決該問(wèn)題,即在整個(gè)泄壓過(guò)程中盡量保持同一泄放流速泄壓,初期調(diào)節(jié)閥開(kāi)度較小,隨著反應(yīng)系統(tǒng)壓力的下降,調(diào)節(jié)閥開(kāi)度逐漸開(kāi)大,補(bǔ)償因閥前壓力下降而引起的實(shí)際流通Cv值的下降,以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)泄壓的目的。泄放流速的相對(duì)平穩(wěn)對(duì)于保護(hù)反應(yīng)器內(nèi)件、防止催化劑流失等具有非常重要的作用。兩種泄壓方式泄放流速對(duì)比如圖1所示(圖中所示曲線僅為示意,實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有偏差)。

圖1 兩種泄壓方式泄放流速對(duì)比

2 緊急泄壓模式

反應(yīng)系統(tǒng)的緊急泄壓模式需根據(jù)裝置工藝條件確定,包括不同緊急狀態(tài)下的泄壓順序、泄壓速率、泄放流速及時(shí)間。對(duì)于因操作條件越限引起的聯(lián)鎖泄壓,一般先將系統(tǒng)壓力泄到一個(gè)相對(duì)安全的點(diǎn),然后根據(jù)裝置的狀態(tài)決定是繼續(xù)泄壓還是等待恢復(fù)系統(tǒng);對(duì)于非常緊急的情況,則將系統(tǒng)壓力直接泄到最安全的點(diǎn)。下面以該高壓加氫裝置為例具體說(shuō)明。該例中通過(guò)控制調(diào)節(jié)閥開(kāi)度,調(diào)節(jié)泄放流速,從而達(dá)到在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)按期望的泄壓速率進(jìn)行泄壓。

緊急泄壓設(shè) 18 MPa(G)—10 MPa(G)和18 MPa(G)—3 MPa(G)兩種模式,泄壓速率控制在0.6 MPa/min。從反應(yīng)系統(tǒng)的正常壓力18.461 MPa降到10 MPa約需15 min。

18 MPa—10 MPa的泄壓模式由相關(guān)的聯(lián)鎖條件自動(dòng)觸發(fā)啟動(dòng),18 MPa—3 MPa的泄壓模式由緊急泄壓手動(dòng)按鈕啟動(dòng)(放置在控制室輔助操作臺(tái)上)。

泄壓過(guò)程由2個(gè)并聯(lián)的調(diào)節(jié)閥 HV-101A/B按預(yù)定的斜坡函數(shù)(ram p1和 ramp2)給定值實(shí)施分程控制,采用2個(gè)調(diào)節(jié)閥使泄壓系統(tǒng)安全可靠,并且具有較寬的可調(diào)范圍。如果實(shí)際操作中由于各種原因1個(gè)調(diào)節(jié)閥的流通能力不能實(shí)現(xiàn)規(guī)定的泄壓速率,調(diào)節(jié)閥HV-101B會(huì)在調(diào)節(jié)閥 HV-101A打到全開(kāi)位置后,投入控制逐漸開(kāi)啟,以實(shí)現(xiàn)期望的泄壓速率。

HV-101A/B分程控制如圖2所示。

圖2 調(diào)節(jié)閥分程示意

3 緊急泄壓

緊急泄壓流程如圖3所示。

圖3 緊急泄壓流程

a)當(dāng)工藝聯(lián)鎖觸發(fā)后,泄壓程序被啟動(dòng),第一步泄壓目標(biāo)是10 MPa。當(dāng)達(dá)到10 MPa后,如果沒(méi)有進(jìn)一步的潛在風(fēng)險(xiǎn),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉 HV-101A/B,維持系統(tǒng)壓力在10 MPa,隨后操作員可根據(jù)具體情況進(jìn)行相應(yīng)的操作,如恢復(fù)系統(tǒng)壓力等。

b)當(dāng)達(dá)到泄壓目標(biāo)10 MPa時(shí),系統(tǒng)仍然存在潛在風(fēng)險(xiǎn),操作員可以在判斷情況后,手動(dòng)啟動(dòng)第二步泄壓(HS-203),將系統(tǒng)壓力進(jìn)一步降低到3 MPa。在某些比較緊急的情況下,操作員也可以直接啟動(dòng)手動(dòng)泄壓按鈕(HS-203),這樣 18MPa(G)—3 MPa(G)的泄壓模式立即被觸發(fā),系統(tǒng)壓力將分兩步連續(xù)泄壓,第一步泄壓到10 MPa(G),第二步繼續(xù)泄壓到3 MPa(G)。兩步泄壓曲線如圖4所示(ramp1和 ram p2可根據(jù)不同的工藝操作要求做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整)。

圖4 泄壓(PT101)曲線示意

4 反應(yīng)系統(tǒng)壓力值的選取

由于緊急泄壓采用以反應(yīng)系統(tǒng)壓力為目標(biāo)值的分程控制,所以壓力控制回路測(cè)量值(PV)非常重要,設(shè)置了3個(gè)獨(dú)立的壓力變送器,采用取中值(等同于三取二)的算法,確保壓力控制回路 PV值的可靠性。

5 調(diào)節(jié)閥的選取

由工藝提出期望的平穩(wěn)泄放流速,按此流速及差壓值 9.6 MPa(第一步系統(tǒng)泄壓目標(biāo)壓力10 MPa減去閥后管網(wǎng)的壓力0.4 MPa),計(jì)算出相應(yīng)的Cv值,然后留一定余量,得出調(diào)節(jié)閥的選用Cv值。利用該 Cv值核算調(diào)節(jié)閥 HV-101A/B是否有足夠的流通能力完成第二步的泄壓,即按照0.6 MPa/min泄壓速率將系統(tǒng)壓力從10 MPa進(jìn)一步降低到3 MPa。核對(duì)方法:只要2倍選用差壓為2.6 MPa時(shí)的流通能力(Cv值)能夠滿足泄放流速的要求,并有適當(dāng)?shù)挠嗔考纯?。儀表專業(yè)應(yīng)提供調(diào)節(jié)閥的最終 Cv值給工藝專業(yè)作緊急泄壓配套管網(wǎng)設(shè)計(jì)依據(jù)。由于緊急泄壓系統(tǒng)管路相對(duì)單一,中間沒(méi)有換熱器等設(shè)備,調(diào)節(jié)閥前后壓力基本上等于反應(yīng)系統(tǒng)壓力和管網(wǎng)壓力之間的壓力差,在選取調(diào)節(jié)閥Cv值時(shí)只要留有很少的余量即可,這樣可以減少系統(tǒng)管網(wǎng)的設(shè)計(jì)成本。需要注意的是,在系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮可能由于控制的故障或調(diào)節(jié)閥本身的故障造成HV-101A/B都處于全開(kāi)的位置;閥前壓力為反應(yīng)系統(tǒng)的正常壓力時(shí),泄放流速會(huì)相對(duì)較大,管網(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)能承受這個(gè)泄放流速。

該裝置反應(yīng)系統(tǒng)的泄壓方案為今后更改留有余地,調(diào)節(jié)閥HV-101A/B可以根據(jù)反應(yīng)系統(tǒng)壓力PT-101進(jìn)行壓力回路PID的分程控制,同時(shí)又可以根據(jù)實(shí)際操作需要實(shí)現(xiàn)控制室或現(xiàn)場(chǎng)的手動(dòng)兩位式開(kāi)閥或關(guān)閥操作,調(diào)節(jié)閥選用雙氣缸調(diào)節(jié)閥,同時(shí)具有連續(xù)調(diào)節(jié)/兩位式開(kāi)閥/兩位式關(guān)閥功能,以2位3通電磁閥為例的氣路連接如圖5所示,實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)具體功能的不同要求簡(jiǎn)化氣路連接。

圖5 2位3通調(diào)節(jié)閥氣路控制示意

電磁閥S1和S2的狀態(tài)和調(diào)節(jié)閥狀態(tài)對(duì)應(yīng)值見(jiàn)表1所列。

表1 電磁閥和調(diào)節(jié)閥狀態(tài)對(duì)應(yīng)

裝置正常運(yùn)行中應(yīng)避免緊急泄放閥 HV-101A/B的故障打開(kāi),為此 HV-101A/B選用 FC閥門。為了在氣源故障時(shí)也能實(shí)施緊急泄壓,調(diào)節(jié)閥HV-101A/B均配置了儲(chǔ)氣罐,在氣源故障時(shí),調(diào)節(jié)閥仍然可以正常打開(kāi)和關(guān)閉一次。

6 控制和邏輯的實(shí)現(xiàn)

緊急泄壓由裝置的相關(guān)聯(lián)鎖邏輯觸發(fā),緊急泄壓的分程控制和泄壓速率的斜坡函數(shù)等由相應(yīng)的運(yùn)算及控制模塊實(shí)現(xiàn)。

a)在正常工況下,PIC-101處于鎖定狀態(tài),輸出強(qiáng)制為0,確保HV-101A/B處于全關(guān)狀態(tài)。

b)當(dāng)泄壓邏輯被觸發(fā)后,泄壓曲線 ram p1被自動(dòng)啟動(dòng),PIC-101被強(qiáng)制到自動(dòng)模式,通過(guò)分程控制自動(dòng)調(diào)節(jié) HV-101A/B的開(kāi)度。系統(tǒng)壓力將按照0.6 MPa/min的下降速率通過(guò) HV-101A/B的逐步打開(kāi)下降到 10 MPa。當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到10 MPa后,如果手動(dòng)泄壓(控制室輔助操作臺(tái)手動(dòng)按鈕)沒(méi)有被啟動(dòng),系統(tǒng)自動(dòng)強(qiáng)制PIC-101到手動(dòng)模式,并輸出為0,HV-101A/B處于全關(guān)狀態(tài)。

c)當(dāng)泄壓邏輯被復(fù)位后,PIC-101自動(dòng)被強(qiáng)制處于鎖定狀態(tài),輸出強(qiáng)制為0,確保HV-101A/B處于全關(guān)狀態(tài)。

d)當(dāng)手動(dòng)泄壓被觸發(fā)后,泄壓曲線 ramp2被自動(dòng)啟動(dòng),PIC-101被強(qiáng)制達(dá)到自動(dòng)模式,通過(guò)分程控制自動(dòng)調(diào)節(jié) HV-101A/B的開(kāi)度。第一步,系統(tǒng)壓力將按照0.6 MPa/min的下降速率通過(guò) HV-101A/B的逐步打開(kāi)下降到10 MPa;第二步,系統(tǒng)壓力將按照0.6 MPa/min的下降速率通過(guò)HV-101A/ B的進(jìn)一步打開(kāi)而下降到3 MPa。當(dāng)泄壓邏輯被復(fù)位后,PIC-101自動(dòng)被強(qiáng)制處于鎖定狀態(tài),輸出強(qiáng)制為0,確保HV-101A/B處于全關(guān)狀態(tài)。

e)當(dāng)手動(dòng)泄壓被觸發(fā)后,泄壓系統(tǒng)首先判定當(dāng)前是否正處于第一步泄壓過(guò)程中,如果不是,則按步驟d)中的程序開(kāi)始泄壓。如果正處于第一步泄壓過(guò)程中(即在手動(dòng)泄壓被觸發(fā)前,泄壓邏輯已經(jīng)由于工藝過(guò)程的原因而被觸發(fā)了),則需要等待系統(tǒng)壓力被降低到10 MPa后,再?gòu)?ramp2的 t1處繼續(xù)開(kāi)始泄壓到3 MPa。

7 結(jié)束語(yǔ)

該裝置在調(diào)試、聯(lián)運(yùn)及投產(chǎn)后的計(jì)劃開(kāi)停工過(guò)程中,采用調(diào)節(jié)閥方式的緊急泄壓系統(tǒng)進(jìn)行了多次測(cè)試及實(shí)際應(yīng)用,都達(dá)到了良好的控制效果,符合設(shè)計(jì)要求,泄壓過(guò)程中保持了相對(duì)平穩(wěn)的泄放流速,在預(yù)期的時(shí)間內(nèi)達(dá)到了設(shè)定的泄壓目標(biāo)值。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用說(shuō)明了調(diào)節(jié)閥在石油化工裝置中的應(yīng)用為一種有效的方式。

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