煤化工企業(yè)泄壓排放系統(tǒng)管網(wǎng)及其安全監(jiān)控設(shè)計(jì)探討(Ⅱ)

胡平杰

(河南煤業(yè)化工集團(tuán)有限責(zé)任公司義馬氣化廠,河南義馬 472300)

0 引 言

近年來自動化儀表設(shè)備和系統(tǒng)的發(fā)展非常迅速,使很多傳統(tǒng)的儀表測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行維護(hù)變得簡單。DCS控制運(yùn)算功能的發(fā)展和DCS控制算法組態(tài)的靈活性,能夠輕易實(shí)現(xiàn)要求很高的控制功能,利用先進(jìn)的自動化儀表和系統(tǒng)設(shè)計(jì)出常規(guī)儀表難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜監(jiān)控系統(tǒng)。該文就煤化工企業(yè)泄壓排放系統(tǒng)和火炬總管設(shè)計(jì)安全監(jiān)控方面進(jìn)行探討。

1 設(shè) 想

在工廠平面布置上,從各個裝置區(qū)引出的泄壓排放管道匯集于火炬總管,通過火炬總管引到遠(yuǎn)離廠區(qū)的火炬,管網(wǎng)輻射面積大,距離遠(yuǎn)。而在化工企業(yè)以生產(chǎn)裝置單元劃分管理部門的時候,往往是誰的地盤誰做主,一個工廠的泄壓排放系統(tǒng),管網(wǎng)和總管往往要分在幾個單位管理。盡管火炬和火炬總管由一個責(zé)任單位管理,但畢竟距離遠(yuǎn),泄壓排放系統(tǒng)又不是引起裝置經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行的主要裝置,所以各單元的操作者關(guān)心本單元內(nèi)關(guān)鍵工藝參數(shù)變化的程度要遠(yuǎn)比關(guān)心泄壓排放系統(tǒng)火炬總管參數(shù)變化的程度高,巡回檢查的頻率一般也較低,所以泄壓排放管網(wǎng)運(yùn)行情況的監(jiān)控大都存在一定的盲區(qū)。筆者調(diào)研的幾家企業(yè)中,大多企業(yè)在火炬總管上都還沒有任何檢測儀表,定時巡檢只是靠人工遠(yuǎn)距離觀測。

運(yùn)用現(xiàn)代儀表監(jiān)控技術(shù),設(shè)計(jì)全管網(wǎng)監(jiān)控,將有關(guān)總管運(yùn)行參數(shù)引入控制室或全廠性調(diào)度室集中監(jiān)控,可以彌補(bǔ)上述人力監(jiān)控的不足。如圖1所示,在管網(wǎng)相應(yīng)位置安裝設(shè)置壓力、溫度、流量監(jiān)測,替代人工遠(yuǎn)距離觀測,再輔以相應(yīng)的邏輯運(yùn)算、判斷、自動控制,在檢測判斷出火炬總管超壓時自動通過緊急旁路泄壓閥PfV101泄壓,可以保障泄壓排放管網(wǎng)和火炬系統(tǒng)的安全運(yùn)行,有效避免文獻(xiàn)[1]中提到的火炬總管超壓爆炸事故的發(fā)生。

圖1 泄壓排放管網(wǎng)示意

2 差壓監(jiān)測

火炬總管是否發(fā)生文獻(xiàn)[1]提到的阻塞情況,靠人眼觀測是無法觀察到的?；鹁婵偣茉跓o阻力時,因?yàn)楣鼙趯怏w流動的阻力作用,管道前端和后端會有一定的壓力降,其產(chǎn)生的差壓一般很小;但當(dāng)管道堵塞時,差壓就會有很大的變化,通過檢測長長的火炬總管管道前端和后端或者中間某兩點(diǎn)之間的差壓,可以很簡單地判斷出管道阻力情況,進(jìn)而判斷出總管堵塞情況。

設(shè)備或管道的差壓測量,常規(guī)的設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)圖冊推薦的設(shè)計(jì)方案都是安裝一臺差壓變送器連接兩個取壓點(diǎn)測量差壓,這是歷史上延續(xù)下來的較老的壓差測量方案。在早期的氣動單元組合儀表或電動Ⅱ,Ⅲ型單元組合儀表中,變送器是機(jī)械式或分立元件電子式,同一廠家同一型號的變送器,很難保證有相同的機(jī)械和電氣特性,在環(huán)境溫度變化時,兩臺變送器測量同一點(diǎn)的壓力時輸出也會有差別,所以為保證差壓測量的準(zhǔn)確性,必須只設(shè)計(jì)一臺差壓變送器測量兩點(diǎn)的差壓,變送器輸出差壓信號,這種測量方案的設(shè)計(jì)仍在沿用,見最新的 HG/T21581—2010《自控安裝圖冊》HK03-T411,T412,T511,T512,T611,T612,R021, R022,R024“測量氣體壓差管路連接圖”。也有用帶遠(yuǎn)傳膜片的差壓變送器測量差壓,見 HG/ T21581—2010《自控安裝圖冊》HK03-R011, R012,R013,R014。按照這樣的設(shè)計(jì)思路實(shí)現(xiàn)如圖1泄壓排放管網(wǎng)所示的差壓測量就很困難了,因?yàn)槭褂靡慌_變送器要配很長的導(dǎo)壓管,其會優(yōu)先于火炬總管堵塞,造成無法測量,而選用一臺帶遠(yuǎn)傳膜片的差壓變送器也不可能,因?yàn)樵摬顗鹤兯推鞯倪h(yuǎn)傳毛細(xì)管長度一般不超過15 m,在測量長距離火炬總管上兩點(diǎn)之間的差壓時長度明顯不夠。另外使用常規(guī)單元組合儀表完成一個稍微復(fù)雜的數(shù)學(xué)邏輯運(yùn)算就需要配置多個運(yùn)算單元和中間繼電器陣列。所以,應(yīng)用傳統(tǒng)儀表實(shí)現(xiàn)火炬總管的壓差自動監(jiān)控是很困難的。

現(xiàn)代的智能變送器,其轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)均達(dá)到很高的集成度和精度,有的產(chǎn)品還有環(huán)境溫度補(bǔ)償系統(tǒng),再加上傳感器膜盒制造材料純度高、加工工藝先進(jìn),所以即使是不同廠家不同型號的兩臺壓力變送器,也可以很準(zhǔn)確地測量同一點(diǎn)的壓力,對于不同地點(diǎn)的壓力測量,測量結(jié)果的可比性和可信度也相當(dāng)高。而現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的DCS也不同于單元組合儀表的運(yùn)算單元,DCS內(nèi)部有非常強(qiáng)大的算術(shù)、邏輯運(yùn)算功能。將兩臺變送器的測量信號輸入DCS,經(jīng)過DCS組態(tài)減法運(yùn)算就可以很容易地計(jì)算出兩點(diǎn)的差壓。所以,設(shè)備或管道上任意兩點(diǎn)之間的差壓測量可以用兩臺變送器,變送器安裝可依據(jù)HG/T21581—2010《自控安裝圖冊》壓力變送器安裝相關(guān)圖,如 HK-T111,T112,T211,T212, T311,T312。這樣實(shí)現(xiàn)火炬總管的壓差自動監(jiān)控就變得非常簡單。

在管網(wǎng)(主要是火炬總管)沿線不同位置安裝一定數(shù)量的壓力監(jiān)測點(diǎn),比較不同點(diǎn)之間的壓差,將比較結(jié)果與理論計(jì)算差壓允許值比較,當(dāng)實(shí)際差壓大于允許差壓的S PΔp時,認(rèn)為該管段阻力較大,可能管道已經(jīng)堵塞,提醒人工干預(yù)處理。三點(diǎn)差壓比較邏輯示意如圖2所示。延時時間tD的大小取決于系統(tǒng)時滯允許時間。

圖2 差壓監(jiān)測控制邏輯

根據(jù)全廠性泄壓排放管網(wǎng)分布和火炬總管直徑、長度等,火炬總管壓力差壓監(jiān)測點(diǎn)可以靈活設(shè)置,總管較短、排放物料又較單一可以只設(shè)置2個壓力測量點(diǎn),相應(yīng)排放物料復(fù)雜總管較長,可以設(shè)置多個壓力測量點(diǎn)分段監(jiān)控。

3 溫度監(jiān)控

在石油化工企業(yè),火矩排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般分冷、熱、濕、液幾個系統(tǒng),目的是防止總管內(nèi)凍堵、劇烈化學(xué)變化等,由于煤化工企業(yè)一般只設(shè)計(jì)一個排放系統(tǒng),所以監(jiān)控和防止系統(tǒng)內(nèi)是否會發(fā)生劇烈化學(xué)變化、聚冷凍堵、局部燃燒爆炸等,對火炬總管的安全性有很大意義。

在管網(wǎng)沿線不同位置設(shè)溫度測量,將實(shí)際溫度與設(shè)定的正常溫度比較,用于判斷相應(yīng)管段內(nèi)是否會發(fā)生凍堵、化學(xué)反應(yīng)、局部爆炸等。如圖3所示, tD的大小取決于系統(tǒng)容量大小和時滯允許時間。溫度檢測點(diǎn)數(shù)設(shè)置原則同壓力檢測點(diǎn)數(shù)設(shè)置。

圖3 溫度監(jiān)測控制邏輯

4 參數(shù)劇烈變化故障判斷

工廠生產(chǎn)裝置的運(yùn)行一般都是相對穩(wěn)定的,任何一點(diǎn)、任何一個參數(shù)變化都不會有很劇烈的變化,如果某一參數(shù)變化的加速度很大或跳變,可能性只有兩種:測量系統(tǒng)的測量儀表故障和工藝運(yùn)行出現(xiàn)異常。所以可以從工藝參數(shù)變化的加速度來判斷一些工藝運(yùn)行可能存在的問題。例如管道內(nèi)某點(diǎn)溫度劇變可能是局部發(fā)生化學(xué)反應(yīng),壓力劇變則可能是管道泄漏、堵塞等。

現(xiàn)代控制系統(tǒng)尤其是DCS的運(yùn)用,提供了強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算和數(shù)學(xué)運(yùn)算功能,監(jiān)測管網(wǎng)尤其是總管各點(diǎn)壓力、溫度及總管進(jìn)出口流量是否劇烈變化,便可以判斷總管運(yùn)行情況。以壓力劇變?yōu)槔?加速度運(yùn)算功能如圖4所示,S Pa是相應(yīng)的壓力加速度允許值。

圖4 壓力參數(shù)劇變判斷

5 火炬總管前端連鎖保護(hù)

在線監(jiān)測火炬總管的目的是為工廠操作管理提供依據(jù),依據(jù)火炬總管的特點(diǎn),一旦檢測到總管壓差大、溫度壓力短時間劇變,說明危險(xiǎn)逼近,一旦人工干預(yù)不能盡快排除隱患,就必須采取自動盡快排除,以防止總管超壓、爆炸。如圖1所示,在火炬總管入口處,設(shè)計(jì)一個PfV101,按設(shè)定的檢測條件自動觸發(fā)PfV101動作打開,自動快速使火炬總管泄壓,以有效保護(hù)火炬總管和火炬系統(tǒng)。

匯集于火炬總管的各裝置泄壓排放氣大多都是生產(chǎn)系統(tǒng)的廢氣,為可燃、有毒、有害氣體,設(shè)置于火炬總管的PfV101僅用于在火炬總管超壓時短時間泄壓排放,保護(hù)火炬總管。所以PfV101的出口管線應(yīng)有一定的高度。

從規(guī)范上講,這一聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)在 GB50160—2008和HG/T20511—2000條款中找不到依據(jù),但實(shí)際上,設(shè)計(jì)這一聯(lián)鎖系統(tǒng)并且聯(lián)鎖控制PfV101閥后管道配置高度符合要求,相當(dāng)于設(shè)計(jì)了一個備用放空回路或備用放空煙囪,對保護(hù)火炬總管很有意義。

6 結(jié)束語

筆者在文中提出了設(shè)立三組壓力溫度測量實(shí)現(xiàn)對管網(wǎng)監(jiān)控,所設(shè)計(jì)的邏輯運(yùn)算關(guān)系也只是自己的粗淺認(rèn)識,所以該文提出的泄壓排放管網(wǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)只是一種理念和思路,設(shè)置幾個壓力溫度流量測量點(diǎn)、各參數(shù)之間的邏輯判斷策略,有待同行業(yè)的工藝、自控專家共同探討。

[1] 胡平杰.煤化工企業(yè)泄壓排放系統(tǒng)管網(wǎng)及其安全監(jiān)控設(shè)計(jì)探討(Ⅰ)[J].石油化工自動化,2011,47(1):13-16.

[2] 中國寰球化學(xué)工程公司.HG/T20570.12—95火炬系統(tǒng)設(shè)置[S].北京:化工部工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編輯中心,1996.

[3] 王松漢.乙烯裝置技術(shù)與運(yùn)行[M].北京:中國石化出版社,2009.

[4] 中國石化集團(tuán)洛陽石油化工工程公司.GB50160—2008石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2009.

[5] 東華工程公司.HG/T20511—2000信號報(bào)警、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定[S].北京:全國化工工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編輯中心,2001.

[6] 中國石化工程和建設(shè)公司.SH3018—2003—T石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國石化出版社,2008.

[7] 陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設(shè)計(jì)手冊[M]. 3版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

[8] 全國化工自控設(shè)計(jì)中心站.HG/T21581—1995自控安裝圖冊[S].2010.

[9] 孫洪城,翁唯勤.過程控制工程設(shè)計(jì)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001.