加氫裝置緊急泄壓系統(tǒng)的設計理念

皮宇

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510620)

高壓加氫裝置如果超壓，可能導致易燃閃爆的氫氣介質(zhì)大規(guī)模泄漏，造成巨大的財產(chǎn)損失及人員傷亡[1]，因此緊急泄壓系統(tǒng)的合理設計顯得尤為重要。

國內(nèi)目前還沒有相關該場合有針對性的標準或規(guī)定，筆者結合幾個項目的做法，給出加氫裝置緊急泄壓系統(tǒng)完整的設計理念，供同行參考。

1 安全完整性等級要求

筆者負責設計的項目中，因為觸發(fā)緊急泄壓閥聯(lián)鎖為人工行為，未做安全完整性等級(SIL)定級，建議如果能做SIL定級，宜按照SIL等級來驗證設計更合理。例如： 如果緊急泄壓閥定級為SIL1[1]，就容易驗證泄壓閥的配置包括電磁閥設計的合理性。

2 高速泄壓閥功能設計

如果工藝設置了高速泄壓閥，其全行程動作時間除滿足工藝要求外，不得超過20 s。根據(jù)API RP553規(guī)定，該閥需在輔操臺設計緊急泄壓硬按鈕及1個單獨的復位硬按鈕，同時輔操臺需要設計全開及全關閥位指示燈，在現(xiàn)場安全位置(閥門15 m以外，最好在防火分區(qū)外)還需設置1個緊急泄壓操作盤，盤上設就地緊急泄壓按鈕及閥全開及全關閥位指示燈[2]。

因為高速泄壓閥泄壓速度快，所以該閥一般不推薦配置部分行程測試功能。該閥一般都設計為全通徑on-off閥，閥型沒有限制，例如球閥、閘閥、高性能蝶閥等，但是不能為軟閥座[2]。該閥可設計為故障開(FO)或故障關(FC)，視工藝要求確定。

3 低速泄壓閥功能設計

如果工藝設置了低速泄壓閥，當該閥為on-off閥時，其全行程動作時間除滿足工藝要求外，不得超過30 s。該閥也可以被自動觸發(fā)，啟動高速泄壓閥的同時觸發(fā)該閥關閉，防止同時泄壓。當被自動觸發(fā)時，其全行程動作時間不得超過20 s。

當手動觸發(fā)該閥時，輔操臺需設計1個獨立的觸發(fā)按鈕及復位按鈕，同時設置全開及全關閥位指示燈，如果工藝同意，現(xiàn)場可以不設就地操作按鈕。該閥可以配置現(xiàn)場部分行程測試功能，需與工藝確認使用方式。

該閥可以根據(jù)工藝要求設計為FO模式或FC模式全通徑on-off閥，閥型沒有限制。該閥也可以設計為帶定位器的Globe控制閥，采用金屬閥座的單座閥，閥芯為流開型，不能設計為平衡式閥芯組件，應設計為柱塞式，以保持流路暢通，閥芯設計為快開或線性流量特性[2]。

4 高速和低速泄壓閥的操作關系

當需要時，操作員可以根據(jù)工藝情況，短時間打開低速泄壓閥，少量泄壓，維持操作穩(wěn)定而不停車；當突發(fā)緊急情況，例如反應器快速飛溫而需要觸發(fā)高速泄壓閥時，為防止雙閥同時開啟造成泄壓速度過快超過工藝計算值，不管此時低速泄壓閥處于什么狀態(tài)，打開高速泄壓閥的同時觸發(fā)自動關閉低速泄壓閥，高速泄壓閥觸發(fā)關閉邏輯優(yōu)先于手動打開低速泄壓閥邏輯[1]。

5 分散控制系統(tǒng)或人機界面對緊急泄壓的管理

當觸發(fā)緊急泄壓時，分散控制系統(tǒng)(DCS)要詳細記錄全過程真實壓力的變化趨勢，事后根據(jù)數(shù)據(jù)計算驗證真實的泄壓速率是否滿足工藝要求。

6 閥體結構設計

當泄壓速度由工藝限流孔板控制時，緊急泄壓閥閥體設計通徑可根據(jù)工藝要求與工藝管徑相同或略縮徑，但不能小于DN50，最小壓力等級為ANSI CL300[2]，內(nèi)泄漏等級按照單向密封TSO設計(例如球閥滿足ISO 5206 Class B，控制閥滿足IEC 60534-4 V級)。

為防止限制最大泄壓能力，閥體上不允許帶機械限位裝置，不允許安裝手輪，工藝管線上不允許2臺泄壓閥串聯(lián)安裝。在泄壓時，尤其是高速泄壓時，可能發(fā)生物理變化湯姆-焦耳遜效應，溫度將急劇下降，導致填料函位置及閥桿結冰，所以閥蓋需要設計為延長頸型，閥體材質(zhì)及出口管線材質(zhì)均需考慮極端低溫工況[2]。

當泄壓時，噪音需被抑制，閥座計算流速不得超過238 m/s，如果泄壓頻繁，例如1年超過10次時，不得超過102 m/s，整個介質(zhì)流路不允許有直徑低于6 mm的限流部件，不允許使用降噪閥籠降噪，也不允許安裝過濾器，以防流路堵塞，按照API RP553要求，工藝管線上可用多級限流孔板來降噪或限制流速[2]。

執(zhí)行機構的推力不低于克服最大關閉差壓所需推力的1.1倍，能夠全行程動作[3]。無論何種閥型，執(zhí)行機構宜選用彈簧自動復位氣缸執(zhí)行機構[1]，執(zhí)行機構設計應包含不考慮空氣過濾減壓器時最大儀表風壓下可正常工作的工況，氣缸材質(zhì)可以為碳鋼也可以為不銹鋼。

設置泄壓閥全開、全關閥位開關，或通過閥位變送器指示真實閥位。

7 事故空氣罐及供風管線設計

當滿足如下條件時，宜設置事故空氣罐：

1)泄壓閥為FC模式且自動觸發(fā)時。

2)泄壓閥為FO模式，如果火炬系統(tǒng)容量的設計不能承受高速及低速泄壓閥同時泄壓時。

基于以上考慮，無論執(zhí)行機構是單作用還是雙作用，高速泄壓閥應設置符合ASME 壓力容器規(guī)范的事故空氣罐。

低速泄壓閥無論是否為控制閥，當為FO模式設計時，可根據(jù)情況設計；當為FC模式與聯(lián)鎖方向相反時，應配置事故空氣罐[3]，罐最小容積滿足最小儀表風壓下泄壓閥全行程動作3次。

罐上游氣路要求配過濾器，2個單向閥串聯(lián)，單向閥要求球形或升降式。當為升降式時，需安裝于豎直管線上，空氣流向自下向上，單向閥下游不允許安裝減壓閥或泄壓閥，設置罐壓遠傳低報警，報警值設定為泄壓閥全行程動作3次所需的最小壓力。

儀表供風總管隔離閥后管線及管閥件材質(zhì)要求為不銹鋼。供風管路上所有手動泄壓閥加鉛封，防止誤關。

當事故空氣罐安裝于可能發(fā)生火災的區(qū)域時，應配安全閥。

8 電磁閥設計

電磁閥應緊靠泄壓閥執(zhí)行機構安裝，關于電磁閥的氣路設計，各項目設計差別較大，與其對工藝可靠性及可用性的理解及SIL的要求有關，主要有如下做法：

1)單電磁閥，失電聯(lián)鎖動作。該方式缺點是不能防止電磁閥卡住不動帶來的聯(lián)鎖失效問題，但可以防止回路斷路不能聯(lián)鎖的故障。綜合各種故障發(fā)生的概率分析，該方式偏重工藝安全性，但容易導致閥門誤開停車，當工藝對可用性要求不高時可參考使用。

2)雙電磁閥，失電聯(lián)鎖動作，表決邏輯為“1oo2”。當斷路事故發(fā)生時，任意1個電磁閥失電將聯(lián)鎖停車。該方式優(yōu)點是可以解決任何聯(lián)鎖回路斷路及電磁閥卡住不能動作的問題；缺點是誤停車概率升高導致可用性下降，在對裝置的安全性要求非常高的場合可以使用。GB/T 50770—2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設計規(guī)范》的7.4.5條中有同樣配置的詳細表述[4]。

3)雙電磁閥，帶電聯(lián)鎖動作，表決邏輯為“1oo2”。當泄壓閥為FO模式時，氣路典型配置如圖1所示。

圖1 雙電磁閥帶電聯(lián)鎖動作氣路典型配置示意

圖1中，電磁閥旁箭頭方向為電磁閥不帶電非勵磁狀態(tài)下氣路走向；NDE指電磁閥正常不帶電非勵磁，當任何一路電磁閥聯(lián)鎖帶電勵磁時，閥門執(zhí)行機構氣路放空，彈簧推動執(zhí)行機構將泄壓閥打開。

該設計雖然為電磁閥帶電聯(lián)鎖動作，但是可以設置線路在線診斷以增加系統(tǒng)可靠性，在筆者設計的項目中，控制系統(tǒng)配置了特殊的帶線路在線診斷功能的DO卡 FTA板，在連接現(xiàn)場電磁閥的接線箱相應端子上并接了1個大電阻實現(xiàn)在線診斷，并且要求連接這2個電磁閥的電纜敷設路由及IO卡件獨立。該設計的優(yōu)點是當1個回路故障發(fā)生時，例如1個電磁閥斷路不能正常帶電聯(lián)鎖或1個電磁閥帶電但是閥體卡住不能正常動作時，泄壓閥一樣能打開，且不會因為故障誤動作導致停車，最大程度地兼顧工藝的可靠性及可用性。缺點是工程實施比較復雜，當工藝需同時兼顧可靠性及可用性時值得推薦該方案。

4)雙電磁閥，1個帶電聯(lián)鎖閥關，1個失電聯(lián)鎖閥開。該配置僅針對低速泄壓閥，這2個電磁閥因為功能不同，不屬于表決關系，且有優(yōu)先級別。當?shù)退傩箟洪y為FC模式時，典型氣路配置如圖2所示。

圖2中，NE指電磁閥正常帶電勵磁。NDE電磁閥帶電勵磁，泄壓閥執(zhí)行機構失氣彈簧推動泄壓閥關閉，當手動打開低速泄壓閥聯(lián)鎖且高速泄壓閥沒有被觸發(fā)時，NE電磁閥失電，儀表風通到執(zhí)行機構使之動作泄壓閥打開，氣路上2個電磁閥串聯(lián)，NDE電磁閥動作優(yōu)先。該設計模式優(yōu)點是將功能按照對可用性及安全性的理解區(qū)分開處理。

圖2 不同功能雙電磁閥氣路典型配置示意

高速觸發(fā)低速泄壓閥為NDE電磁閥帶電聯(lián)鎖。缺點是回路斷路或該電磁閥卡住時，如果該閥已經(jīng)打開，可能導致要求聯(lián)鎖時泄壓閥無法關閉，高低速泄壓閥將一起泄壓，此時工藝火炬量計算需考慮該極端工況；優(yōu)點是不會因為斷路導致泄壓閥誤關閉，該回路設計綜合故障發(fā)生概率分析偏重可用性。

手動觸發(fā)低速泄壓聯(lián)鎖回路NE電磁閥為失電聯(lián)鎖。缺點是當回路斷路時，低速泄壓閥誤開，擾亂工藝穩(wěn)定；優(yōu)點是需要打開泄壓閥時能保證打開，該回路設計偏重安全性，工藝對可用性要求不高，允許短時間泄壓閥誤開不停車時，可采用該方案設計。

綜上分析，以上設計理念很好地兼顧了工藝不同功能需求的安全性及可用性，當工藝有類似要求時可以借鑒。

5)雙電磁閥，失電聯(lián)鎖動作，表決邏輯為“2oo2”，氣路典型配置如圖3所示。

圖3中，當任何1個電磁閥聯(lián)鎖失電時，泄壓閥不動作，只有2個電磁閥都失電時，F(xiàn)C閥執(zhí)行機構進風推動泄壓閥打開，F(xiàn)O閥執(zhí)行機構氣路通大氣，彈簧推動泄壓閥打開。

該設計優(yōu)點是1個電磁閥斷路，泄壓閥不會誤動作打開，造成裝置停車；缺點是2個電磁閥都斷路會誤停車或任何1個電磁閥本身卡住聯(lián)鎖時也打不開泄壓閥，結合故障場景發(fā)生的概率分析，該設計理念偏重可用性。

為防止電磁閥同時出現(xiàn)共因失效的斷路問題，2個電磁閥接線路由及IO卡件各自獨立，電磁閥應選用帶較高SIL等級的高質(zhì)量電磁閥提高安全性，該方式工程實施比較簡單，當對可用性要求較高時，同時兼顧一定安全性時值得推薦。

圖3 雙電磁閥失電聯(lián)鎖動作氣路典型配置示意

9 防火設計

泄壓閥執(zhí)行機構需防火設計,防火罩符合UL 1709標準，連接電纜要求防火標準符合IEC 60331-21。

10 安裝要求

泄壓閥應安裝于高位，靠近安全閥，由配管專業(yè)考慮，本文不贅述。

11 結束語

筆者建議在對投資影響不大的情況下，盡可能參考上述理念來設計加氫裝置緊急泄壓系統(tǒng)提高安全性。例如： 配串聯(lián)的2個單向閥及增加儀表風壓低報警檢測等對投資影響并不大，對于電磁閥的設計，當根據(jù)本裝置工藝特點結合工藝分析安全要求及可操作性，結合SIL定級，選用上述合適的設計方案達到最佳的可靠性及可用性。