某天然氣制尿素工廠蒸汽管網(wǎng)安全保護(hù)設(shè)施有效性分析

余 化，王志峰，夏炎華

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

某天然氣制尿素工廠包括一套2 000t/d合成氨裝置和一套3 200t/d尿素裝置，以及配套熱電站、給排水系統(tǒng)、氨罐、尿素包裝儲運等公用工程和輔助設(shè)施。為提高能量利用效率，主要動設(shè)備均采用高壓和中壓蒸汽透平驅(qū)動。當(dāng)某臺蒸汽透平事故停車時，透平入口速關(guān)閥關(guān)閉，管網(wǎng)富余的蒸汽將對整個蒸汽管網(wǎng)造成巨大的沖擊[1]，嚴(yán)重時可能引發(fā)安全事故。蒸汽管網(wǎng)上設(shè)置的安全保護(hù)設(shè)施是否能在事故時保障蒸汽管網(wǎng)的平穩(wěn)運行和安全，需要對其有效性進(jìn)行分析。

1 蒸汽管網(wǎng)的構(gòu)成

該工廠設(shè)有高、中、低壓3個等級蒸汽管網(wǎng)，分別為11.0MPa，510℃的高壓蒸汽管網(wǎng)；4.1MPa，380℃的中壓蒸汽管網(wǎng)以及0.4MPa，220℃的低壓蒸汽管網(wǎng)。高壓蒸汽由工藝裝置的廢熱鍋爐回收天然氣轉(zhuǎn)化、CO變換和氨合成的工藝余熱得到；中壓蒸汽由高壓蒸汽透平抽汽得到；低壓蒸汽由中壓蒸汽透平抽汽得到。工廠開車階段所需蒸汽由開車鍋爐提供。全廠蒸汽管網(wǎng)設(shè)置見圖1。

正常生產(chǎn)時，下級蒸汽管網(wǎng)蒸汽主要來自上級蒸汽管網(wǎng)蒸汽透平抽汽，蒸汽透平故障停車不僅對本級蒸汽管網(wǎng)的安穩(wěn)造成影響，還會影響下級蒸汽管網(wǎng)的安穩(wěn)。由于高、中壓蒸汽管網(wǎng)蒸汽壓力高、溫度高，發(fā)生事故危害大，因此本文將針對高、中壓蒸汽管網(wǎng)安全保護(hù)設(shè)施的設(shè)置進(jìn)行事故情景分析，確認(rèn)安全保護(hù)設(shè)施的有效性。

2 蒸汽管網(wǎng)安全保護(hù)設(shè)施

蒸汽管網(wǎng)安全保護(hù)設(shè)施主要包括減溫減壓器、放空閥和安全閥。

2.1 減溫減壓器

在不同等級的蒸汽總管之間設(shè)有減溫減壓器，將上級蒸汽管網(wǎng)內(nèi)蒸汽減溫減壓后送入下級蒸汽管網(wǎng)，既可增強蒸汽管網(wǎng)調(diào)節(jié)能力，也可作為上級管網(wǎng)的安全保護(hù)措施。減溫減壓器在蒸汽透平跳車后首先開啟，將本級富余蒸汽送至下級蒸汽管網(wǎng)，減少本級蒸汽放空帶來的損失，并滿足下級蒸汽管網(wǎng)穩(wěn)定運行的需要。減溫減壓器的設(shè)置需綜合考慮工廠開車、事故、停車等多種工況，并以此來確定臺數(shù)和對應(yīng)的能力[2]。

2.2 放空閥

減溫減壓器開啟后，如蒸汽管網(wǎng)壓力持續(xù)上升，到達(dá)放空閥的設(shè)定壓力時，放空閥開啟，將多余的蒸汽放空，以維持蒸汽管網(wǎng)壓力。一段時間后，該放空閥可轉(zhuǎn)入壓力調(diào)節(jié)，根據(jù)蒸汽管網(wǎng)壓力調(diào)節(jié)閥門開度，以維持管網(wǎng)壓力的平穩(wěn)。放空閥的設(shè)置同樣需綜合考慮工廠開車、事故、停車等多種工況，并結(jié)合減溫減壓器的設(shè)置來確定臺數(shù)和對應(yīng)的能力。

2.3 安全閥

安全閥是蒸汽管網(wǎng)安全最后的保障措施，在放空閥和減溫減壓器失效時保護(hù)蒸汽管網(wǎng)安全。在實際生產(chǎn)中，安全閥起跳往往被視為發(fā)生生產(chǎn)事故，可能導(dǎo)致全廠不必要的停車，應(yīng)盡量避免。

3 蒸汽管網(wǎng)事故情景分析

當(dāng)某臺蒸汽透平事故停車時，透平入口速關(guān)閥關(guān)閉，管網(wǎng)蒸汽產(chǎn)生富余，如不能及時排出，將導(dǎo)致管網(wǎng)超壓?？筛鶕?jù)減溫減壓器和放空閥的開啟時間、蒸汽管網(wǎng)容積以及放空閥流量特性曲線等信息，計算蒸汽管網(wǎng)壓力隨時間波動情況，來判斷減溫減壓器、放空閥的設(shè)置是否有效。

3.1 高壓蒸汽管網(wǎng)事故情景分析

高壓蒸汽管網(wǎng)蒸汽來自轉(zhuǎn)化廢鍋，蒸汽輸入量350t/h，主要用戶為氨壓縮機透平和合成氣壓縮機透平，蒸汽消耗量分別為153t/h和197t/h。高壓蒸汽管網(wǎng)安全保護(hù)設(shè)施設(shè)置見表1。

表1 高壓蒸汽管網(wǎng)安全保護(hù)設(shè)施

如表1所示，減溫減壓器和放空閥總泄放能力為385t/h，大于轉(zhuǎn)化廢鍋產(chǎn)汽能力350t/h，理論上可保障高壓蒸汽管網(wǎng)安全。

本項目聯(lián)鎖設(shè)置如下：①當(dāng)氨壓縮機跳車時，聯(lián)鎖停合成氣壓縮機；②當(dāng)合成氣壓縮機跳車，氨壓機進(jìn)入低負(fù)荷運轉(zhuǎn)，不停車。因此，氨壓縮機跳車為最不利情況，此時氨壓縮機透平和合成氣壓縮機透平均不接汽，管網(wǎng)富余蒸汽350t/h。其中有315t/h通過2臺減溫減壓器排放到中壓蒸汽管網(wǎng)，剩余的35t/h通過管網(wǎng)放空閥放空?；诶硐霘怏w狀態(tài)方程，逐秒計算單位時間蒸汽管網(wǎng)壓力變化，得出時間與管網(wǎng)壓力的關(guān)系，并繪圖而得到高壓蒸汽管網(wǎng)壓力隨時間的波動(見圖2)。

由于減溫減壓器和放空閥的快速開啟導(dǎo)致高壓蒸汽管網(wǎng)泄壓，高壓蒸汽管網(wǎng)壓力最大上升至11.73MPa，低于安全閥整定壓力，安全閥不起跳。高壓蒸汽管網(wǎng)安全保護(hù)設(shè)施設(shè)置可行。

3.2 中壓蒸汽管網(wǎng)事故情景分析

中壓蒸汽管網(wǎng)蒸汽來自氨壓縮機透平和合成氣壓縮機透平抽汽，合計330t/h。主要蒸汽透平用戶為CO2壓縮機透平，蒸汽消耗量112t/h；空壓機透平，蒸汽消耗量54t/h；其他如轉(zhuǎn)化爐鼓風(fēng)機和引風(fēng)機透平、鍋爐給水泵透平等，蒸汽消耗量37t/h。中壓蒸汽管網(wǎng)安全保護(hù)設(shè)施設(shè)置見表2。

表2 中壓蒸汽管網(wǎng)安全保護(hù)設(shè)施

如表2所示，減溫減壓器和放空閥總泄放能力為345t/h，大于中壓蒸汽管網(wǎng)總輸入蒸汽量，理論上可保障中壓蒸汽管網(wǎng)安全。

因CO2壓縮機透平和空壓機透平為中壓蒸汽管網(wǎng)最大兩個用戶，其事故跳車對管網(wǎng)安全影響最大。

3.2.1CO2壓縮機透平跳車

CO2壓縮機跳車時，CO2壓縮機透平速關(guān)閥、補氣閥和抽氣閥關(guān)閉，管網(wǎng)富余蒸汽112t/h。其中有30t/h通過減溫減壓器排放到低壓蒸汽管網(wǎng)，剩余的82t/h通過管網(wǎng)放空閥放空。中壓蒸汽管網(wǎng)壓力隨時間的波動見圖3。

由于減溫減壓器和放空閥的快速開啟將中壓蒸汽管網(wǎng)泄壓，此事故情景下，中壓蒸汽管網(wǎng)壓力最大上升至4.44MPa，低于安全閥整定壓力，安全閥不起跳。

3.2.2空壓機透平跳車

空壓機透平跳車觸發(fā)的聯(lián)鎖如下：①空壓機透平蒸汽速關(guān)閥和補汽閥關(guān)閉；②二段爐及下游裝置聯(lián)鎖跳車；③氨壓縮機和合成氣壓縮機聯(lián)鎖跳車，氨壓縮機透平和合成氣透平速關(guān)閥和抽汽閥關(guān)閉；④因工藝裝置停止生產(chǎn)CO2，CO2壓縮機由于進(jìn)口CO2壓力低低聯(lián)鎖跳車，透平速關(guān)閥、補氣閥和抽汽閥關(guān)閉；⑤合成氣壓縮機跳車觸發(fā)高壓蒸汽管網(wǎng)，減溫減壓器打開，高壓蒸汽通過減溫減壓器減壓到中壓管網(wǎng)。上述聯(lián)鎖觸發(fā)后，引起中壓蒸汽管網(wǎng)壓力隨時間波動的情況變化有兩個階段(見圖4)。

(1)管網(wǎng)減溫減壓器開啟期間，中壓蒸汽管網(wǎng)蒸汽來源由高壓蒸汽透平抽汽改為減溫減壓器減溫減壓，中壓蒸汽管網(wǎng)蒸汽減少約134t/h，管網(wǎng)壓力降至3.95MPa。

(2)管網(wǎng)減溫加壓器開啟后，中壓蒸汽管網(wǎng)蒸汽增加176t/h，管網(wǎng)壓力開始上升。放空閥開啟，當(dāng)管網(wǎng)蒸汽進(jìn)出達(dá)到平衡時，計算管網(wǎng)壓力已上升4.702MPa，高于安全閥整定壓力4.70MPa，安全閥起跳。

在本事故情景下，空壓機透平跳車將觸發(fā)高、中壓管網(wǎng)多臺透平跳車，高、中壓蒸汽管網(wǎng)壓力發(fā)生較大波動。由于中壓管網(wǎng)放空閥開啟時間較慢，中壓管網(wǎng)安全閥將起跳。根據(jù)過往工程經(jīng)驗，空壓機事故跳車概率較高，為避免安全閥頻繁起跳引發(fā)全廠不必要的停車，需對當(dāng)前設(shè)計進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)項目實際建設(shè)情況，該放空閥已生產(chǎn)制造，無法通過縮短閥門開啟時間或者修改閥門流量特性曲線來避免管網(wǎng)超壓。通過核查設(shè)計參數(shù)，原設(shè)計安全閥整定壓力為4.70MPa，低于蒸汽管網(wǎng)設(shè)計壓力4.80MPa，經(jīng)與安全閥制造廠確認(rèn)，可通過調(diào)整安全閥彈簧，將安全閥整定壓力調(diào)高與蒸汽管網(wǎng)設(shè)計壓力一致，即高于本事故情景下蒸汽能達(dá)到的最高壓力，以使安全閥不起跳。該整改措施避免了因重新采購安全閥而導(dǎo)致的浪費。該安全閥經(jīng)調(diào)整整定壓力并經(jīng)校驗后投入使用。

4 結(jié)語

(1)在設(shè)計蒸汽管網(wǎng)安全保護(hù)設(shè)施時，安全閥是最后的保護(hù)措施，工程設(shè)計應(yīng)盡量避免安全閥起跳。為避免更大的損失，仍可將安全閥作為最后一道保護(hù)措施。

(2)減溫減壓器和放空閥的設(shè)置，除了考慮其泄放量外，應(yīng)對不同的事故情景進(jìn)行分析，結(jié)合管網(wǎng)容積、閥門流量特性曲線、閥門開啟時間等，來判斷當(dāng)前的設(shè)計能否將管網(wǎng)富余蒸汽及時排出，以避免安全閥起跳，發(fā)生生產(chǎn)事故。

(3)本分析為識別蒸汽管網(wǎng)安全保護(hù)設(shè)施設(shè)置的有效性提供了一種指導(dǎo)方法，也可用于合理確定減溫減壓器和放空閥的開啟時間，既可避免盲目地要求“一秒閥”而導(dǎo)致閥門造價增加，也可避免閥門因開啟時間緩慢而導(dǎo)致泄放能力“虛高”，不能真正保護(hù)蒸汽管網(wǎng)安全。