加氢装置中紧急放空环节气动切断阀的应用.pdf

第 5 1 卷第 3期 2 0 1 5年 6月 石油化工自动化 AUT0M AT1 0N I N PE TRO- CH EMI CAL I NDUS TRY Vo 1 ． 5 l，No ． 3 J u n e ，2 0 1 5 加氢装置 中紧急放空环节气动切断阀的应用 李伟 中国石化工程建设有 限公 司 ， 北京 1 0 0 1 0 1 摘要 加氢反应是在高温、 高压环境下进行 ， 并且有易燃易爆气体参与的过程， 所以安全措施至关重要。紧急放空是加氢装置 安全措施中非常重要的一个环节 ， 系统在着火 、 泄漏 、 超温等紧急情 况下 ， 或者在循环氢压 缩机停机 时， 为了降低系统 内温度并 且减缓或停止反应 ， 需要开启紧急放空装置 。从工程角度系统地分析了紧急放空气动切断阀选 型、 双电磁 阀实现形式 以及在紧 急放空情况下 的联锁逻辑和操作 。 关键 词 加氢反应紧急放空气动切断阀双电磁阀 中图分 类号 T P 2 1 4 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 5 0 3 0 0 1 7 0 5 Appl i c a t i o n o f Pne u m a t i c On - o f f Va l v e i n Eme r g e n c y Bl o w- d o wn o f Hy d r o g e na t i o n I ns t a l l a t i o n Li W e i S i n o p e c E n g i n e e r i n g C o ．L t d ． ， B e i j i n g ，1 0 0 1 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t H y d r og e n a t i o n r e a c t i o n i s c o nd uc t e d u nd e r hi g h t e mpe r a t ur e a nd hi g h p r e s s ur e wi t h i n f l a mma b l e a n d e x p l o s i v e g a s i n t h e p r o c e s s ． S a f e t y c o u n t e r me a s u r e s a r e v e r y i mp o r t a n t ． Eme r g e n c y b l o w- d o wn p l a y s a v e r y i mp o r t a n t r o l e i n s a f e t y s y s t e m o f h y d r o g e n a t i o n r e a c t i o n ． Eme r g e n c y b l o w- d o wn i n s t a l l a t i o n n e e d s t o b e s t a r t e d wh e n t h e r e a c t i o n i s i n d a n g e r o u s s i t u a t i o n s u c h a s c a t c h i n g f i r e ， l e a k i n g，o v e r t e mp e r a t u r e ，o r r e c y c l e h y d r o g e n c o mp r e s s o r s h u t d o wn t o s l o w d o wn o r s t o p r e a c t i o n a n d ma k e s u r e t h a t t e mp e r a t u r e i s u n d e r c o n t r o 1 ． S e l e c t i o n o f p n e u ma t i c o n o f f v a l v e t y p e ，r e a l i z a t i o n f o r m o f d o u b l e s o l e n o i d v a l v e ，i n t e r l o c k l o g i c a n d o p e r a t i o n u n d e r e me r g e n c y b l o w- d o wn c o n d i t i o n a r e a n a l y z e d s y s t e ma t i c a l l y f r o m t h e p o i n t o f e n g i n e e r i n g ． Ke y wo r d h y d r o g e n a t i o n r e a c t i o n；e me r g e n c y b l o w- d o wn；p n e u ma t i c o n - o f f v a l v e ； d o u b l e s 01 e n o j d V a 1 ve 1 紧急放空重要性 常规加氢装置 ， 如图 1 所示 ， 原料油在高温高 压环境下 ， 经过催化剂的作用使得反应过程非常剧 烈 ， 在反应器 中不断进行着放热反应 ， 要求在工程 设计及操作方 面需要较高 的安全等级。通常进行 紧急泄压 的地方一般会选 在循环氢压缩机入 口分 液罐顶 ， 见图 1中的 A处 ； 也会选在冷高压分离器 顶的场合 ， 见图 1的 B处。以某加氢裂化装 置为 例 ， 紧急泄压 的环节选在循环氢入 口分液罐顶。 加氢反应是在高温、 高压环境下进 行的 ， 并且 不断放热 ， 为了让反应维持在一个可控的范 围内， 需要不断地通过循环氢压缩机引入冷氢， 这样才不 至于让反应过于剧烈 以致超温 。然而 ， 在很多情况 下 ， 出于安全 因素或者保护机组本身考虑 ， 循环氢 压缩机会被联锁停机 ， 反应 系统就会失去冷氢， 会 造成反应超温 ， 使得反应失控 ， 这 时需要打开紧急 放空阀 ， 使系统 的压力降下来 ， 确保生产安全。另 一 方面 ， 当系统出现着火 、 泄漏或者系统温压失控 时， 使得生产 中存在着非常大 的安全隐患 ， 从安全 角度出发 ， 此时一定要手动触发紧急泄压 ， 使得反 应压力降到可控 ， 从而消除安全隐患。 2 紧急放空的实现过程 高压加氢装置反应系统的紧急泄压是确保装置 安全的关键环节之一， 通常通过切断阀和限流孔板 串联实现_ 1 ] 。同样地 ， 以该 加氢裂化装置为例 ， 如 图 2 所示， 在切断阀 X V一 0 0 1和 X V一 0 0 2下游均设 有 1 个限流孔板 R O一 0 0 1 和 R 0 0 0 2 ， 该 限流孔板 通过加工孔径的大小， 分别可以实现 0 ． 7 MP a ／ m i n和 1 ． 4 MP a ／ rai n紧急泄压， 总量可以达到 2 ． 1 MP a ／ r n i n 稿件收到 日期 2 0 1 5 0 2 1 0 ， 修 改稿收 到日期 2 0 1 5 0 4 1 0 。 作者简介 李伟 1 9 8 3 ， 男 ， 2 0 0 8年毕 业 于天津 大 学 自动化 专 业 ， 获硕士学位 ， 现工作 于 中国石 化工 程建设 有 限公 司仪 表 自控 室 ， 从事石油化工 自动化工程设计工作 ， 任工程师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 8 石油化工 自动化 第 5 1卷 的泄压速率。该泄压速率是参考工艺包要求， 即在一 定时间内将压力降至冷高压分离器操作压力的 2 5 。 原 料 浦 图 1 加氢装置示意 热高分 l循环 氢压缩机停卡 几 一 、 L ／_ 0 l ／ 丫 0 ． 7 M P a ／mi n ＼ j ． l ‘ 、 文 F O 1 ． 4 MP a ／ rai n 0 ． 7 MP a ／ mi n 手动泄 手动泄 压按钮 压按钮 笔 圈 ／ f aTM 丫 1．4 M Pa／min ，1 ～ ， 1． 人 l 一 ～ ～ 循环氧 压缩机 入 口分液罐 图 2 紧急放 空示意 在控制室和现场各设置 1个 0 ． 7 MP a ／ mi n泄 压按钮 ， 控制室 的按钮 安装在辅助操作 台上。该 紧急泄压联锁开 关为两位式 开关 ， 2个位 置设定 为手动控制 和 自动控 制 。在 0 ． 7 MP a ／ mi n泄压 开关不能有效控制紧急情况 时， 需要手 动打开 1 ． 4 MP a ／ mi n的泄压开关 ， 共 同实 现 2 ． 1 MP a ／ mi n 的泄压速率 。泄压 过程 中可 以在控制 室实 现停 止泄 压 和 继 续 再 泄 压。2路 泄 压 均 打 开 时 ， 1 0 mi n能满足从 2 1 MP a降至常压 。 当系统泄压至 0 ． 7 MP a时， 自动停止 泄压。 泄压状 态可 以通过 观察 阀 门的 阀位 来确认 。在 D C S画面上 XZ OI 一 0 0 1和 X Z OI 一 0 0 2分别代表对 应的切断 阀的打 开状态 ， 即进行泄压 ； X Z C I 一 0 0 1 和 X Z C I 一 0 0 2分别代表对应的切断阀的关 闭状态 ， 即停止泄压。 如图 3逻辑所示 ， 当循环氢压缩机停机时 ， 会 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 李伟．加氢装置中紧急放空环节气动切断阀的应用 触发 0 ． 7 MP a ／ mi n的泄压开关 ， 该动作 为 自动完 成。然而， 在实际生产 中， 经常会出现很多不确定 因素 ， 造成反应过程 的温度压力参数达到“ 危险状 态” ， 需要操作工判断是否存在较大的安全隐患 ， 如 果必要的话 ， 需要在控制室或者现场手动打开紧急 泄压 ， 所 以在逻辑 中分别设置了 0 ． 7 MP a ／ mi n和 1 ． 4 MP a ／ mi n按钮 ， 来实现 紧急泄压 的发生 。为 0 ． 7 MP a ／ m i n 泄压按钮 l 泄压 I o 现场 P B -0 0 l B l l 1 O ． 7 MP a ／ ra i n 泄压按钮 l 泄压 l 0 辅操台 P B - 0 0 1 A l l 1 循 环氢压缩机 停机 _ _ { 脉 冲 l 3 S 1 ． 4 MP a ／ m i n 泄压按钮I 泄压j 0 辅操 台 P B -0 0 2 I l 1 停 止泄压 辅操 台 P B一 0 0 3 止泄压 l 1 l O 系统泄压压力D C S 输出D O l L L l 1 系统压力小于0 ． 7 MP a L L l 1 0 了将泄压状态直观地让操作工知道 ， 控制室的操作 台上方设置灯屏指示 ， 分别表明 2路泄压是否正在 进行 。逻辑 中的每路 开阀命令都涉及了 2个 电磁 阀共同完成 。 当泄压 完成 ， 检 测 泄 压 系 统 压 力信 号 小 于 0 ． 7 MP a 时 ， 停止紧急泄压 ， 2路 的放 空 阀均 自动 关闭 ， 反应继续进行。 R 常开 常开 电 磁阀正常励磁l l l l x s v O ． 7 MP a ／ mi n 紧急 泄压阀开指 示灯 电 磁阀 断 电 联锁 I I l 垒 J0 l耳l 紧 急 泄 压阀 电 磁阀正常励磁l l 1 关l X S V I o l l 切断阀X V 0 0 1 R 开 电磁阀断电联锁 O l 开l 0 0 1 B 常开 常开 电磁阀正常励磁l 1 l 关l X S V 1 ． 4 MP a ／ mi n 紧急 泄压 阀开指示灯 { 电磁阀断电 联锁l o l 开l 0 0 2 A l o l l 紧急泄压阀 l 1 电磁阀正常励磁l l l 关I X S V l 0 l 切断阀X V 一 0 0 2 常开 电磁阀断电联锁1 0 I 开1 0 0 2 B 图 3 紧急泄压逻辑示意 3 安全放空阀 3 ． 1 安全放空阀的选型要求 目前很多装置的设计 中增加了工厂危害和可操 作性研究 HAZ O P h a z a r d a n d o p e r a b i l i t y s t u d y 和仪 表保护功能研究 I P F S t u d y i n s t r u me n t e d p r o t e c t i v e f u n c t i o n s t u d y ， 其中包括安全完整性等级 S I L s a f e t y i n t e g r i t y l e v e 1 评级等。这使得仪表安全保护系统的 设计更加科学与完善， 有助于避免在设计中发生安全 性能达不到要求或采取了过多的安全保护[ 2 ] 。 紧急放空系统是加氢类装置中非常关键 的安 全措施之一 ， 而在紧急放空环节 ， 紧急放空切 断阀 又是最关键的因素 。所 以， 对 紧急放空阀的结构和 材质等因素的选型要求显得非常重要 。 紧急放空切断阀在加氢装置 的紧急放空环节 实现快速排放的操作要求 ， 担任着保护生产安全和 系统安全的两位式开关阀的角色_ 3 ] 。 放空系统的 2台阀门泄漏等级均为Ⅵ级 ， 为了 保证阀门泄漏等级达到要求， 选择 了平行双闸板阀， 从结构上来讲， 平行双闸板阀更有利于阀门的密封， 并且在响应时间方面也可以满足 1 0 S 以内。最主要 的是， 在紧急放 空环节， 一定要 尽量避免 阀 门“ 卡 死” ， 平行双闸板阀的平衡结构 ， 不受介质热胀冷缩 影响， 不会 出现卡住 的现象。阀内件均堆焊 了司太 莱合金 ， 增加了阀体临介质部分的硬度 ， 提升了抗冲 刷的能力 。在循环氢压缩机人 口分液罐顶 ， 介质成 分比较复杂， 包含氢气、 含硫油品以及湿硫化氢等 ， 腐蚀性很强。所以紧急放空阀中的阀内件均需要做 抗硫化氢处理 NA C E 处理。 该装置中， 依据放空速率要求， 选择的管道 口径 为 o ． 7 MP a ／ mi n对应 2 0 ． 3 2 c m 8 i n ， 1 ． 4 MP a ／ mi n 对应 2 5 ． 4 c m 1 0 i n 。设计压力为 1 6 ． 2 MP a ， 设计 温度为 2 4 0 ℃。这样， 在计算关闭压差时， 按最大值 1 6 ． 2 MP a 来考虑， 即关闭压差等于设计压力。设计 压力在 2 5 0 ℃以内， 故选择标准型上阀盖即可[ ， 填 料选用柔性石墨 P 6 6 1 0 C LP 6 7 1 0 C L 。根据关闭 压差和填料材质， 计算出关闭阀门需要的总的力， 然 后乘以安全系数 1 ． 2 5 ， 作为选定执行机构大小的最 终依据。气罐的选择 ， 根据执行机构气缸 的大小， 满 足在气源断气时， 还能保证在 1 0 mi n内完成 3 个往 复行程。这样， 结合 以上因素， 口径为 2 0 ． 3 2 t i n阀 门的气缸容量为 1 0 0 0 L ， 口径为 2 5 ． 4 c m阀门的气 缸容量为 2 0 0 0 I 。 3 ． 2阀门故障位置 由于停电、 仪表和阀门的故障及工艺操作异常因 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 石油 化工 自动化 第 5 1 卷 素， 需要紧急停车， 为此， 需要把阀门放到安全位置， 即事故关阀， 事故开 阀l 3 ] 。工程中需要考虑到的“ 事 故” 状态一般为阀门供气不足 ， 即“ 失气状态” 和电信 号中断。以下简称事故关阀为 F C， 事故开阀为 F O 。 阀门的 F O与 F C状态主要是从安全生产的角 度出发的， 当“ 事故” 时， 阀门处于非可控状态， 为 了 避免此时出现紧急泄压联锁而阀门不动作的情况， 需要将至少 1 路紧急泄压阀设置成开状态， 即 F O。 然 而 ， 考 虑 到 如 果 同时 打 开 2路 泄 压， 即 2 ． 1 MP a ／ mi n泄压， 大量高压气体突然 泄放 ， 对下 游管线 的冲击会 比较大 ， 并且 当大量的氢气夹杂着 复杂的反应 中间物涌向火炬系统时， 对火炬系统中 的分液罐和水封 罐的作用力也很 大， 使得水封失 效 。所 以当阀门“ 事故” 时 ， 仅把 0 ． 7 MP a ／ mi n 1 路 的放空阀门打开， 即 F 。另一路 1 ． 4 MP a ／ mi n的放 空阀门出于关闭状态， 即 F C 。 从故障安全型的设计角度出发 ， 需要首先确定 何为故障状态， 在可能发生多种故 障的场合 ， 什么 故障的发生概率最大l 4 ] 。结合加氢装置的特点 ， 对 “ 气” 和“ 电” 两个方面的故障进行权衡 ， 考虑 电磁阀 的供电正常， 故障时即为“ 失气状态” 。 当气源供气不足时， 即“ 失气” 时， 需要采用气路 组件结合电磁阀的组合实现工艺要求的 F C或者 F O。 3 ． 3 电磁 阀的气路连接形式 电磁阀主要用在控制各种单 向、 双向动作气缸 式气动控制阀或其他气动执行机构l 3 ] 。在该加氢 裂化装置 中讨论 的电磁阀为两位三通型 。 电磁阀在紧急放空系统 中处于非常重要的执 行环 节， 在很大程 度上决定 了装 置 的 S I L等级。 开位 关位 为了达到一定 S I I 等级要 求 的平均 危险故 障率 P FD p r o b a b i l i t y o f f a i l u r e o n d e ma n d ， 通常采用 的手段之一就是“ l o o 2 ” ， “ 2 0 0 3 ” 等配置E 。双电磁 阀配置 ， 基于以上考虑， 当一个 电磁阀被触发动作 ， 安全放空 阀即实现开阀， 从而避免 了因为单个 电磁 阀故障影响整个放空系统工作 。 电磁阀的复位环节对保证整个反应 的连续进 行有着非常重要的意义 ， 电磁 阀可 以在现场复位 ， 也可以在逻辑 中实现远程复位。仪表工程师在决 定电磁阀选为手动复位还是 自动复位时必须慎重 ， 应结合工艺流程和操作要求与工艺工程师详细讨 论 ， 如有工艺包 专利商还应征求专利商 的意见【 。 】 。 既要考虑现场安全因素 ， 也要同时考虑操作的可实 施性与实时性因素 。 该紧 急 泄 压 环 节 的 安 全 放 空 阀 选 用 的是 KOS O 的 4 0 0 H 一6 1 1 1 L A 系 列 。 以 双 电 磁 阀 “ l o o 2 ” 及各种气控组件等实现了系统工作的故 障状态要求和电磁阀复位要求 。 如图 4所示 ， 当气源压力正常时 ， 气罐压力也 备压正常 ， 阀门供气通过克服锁止 阀弹簧压力 ， 作 用于 2台空气换向阀上 。此时 ， 空气通过过滤器 ， 一 方面接人空气换 向阀， 另一方面接人串联的电磁 阀上。电磁阀为励磁关阀 E C ， 即带电情况下， 电 磁阀处于关闭状态 ； 当联锁发生 时断 电， 电磁阀打 开 。当电磁阀同时励磁 ， 气路接通 ， 空气通过两位 五通空气换 向器 ， 作用于 阀门气缸上部 ， 阀门关 。 当其中任 1个电磁 阀失电时， 即发生联锁 ， 空气通 过两位五通空气换 向器 ， 作用于阀门气缸下部， 安 全 阀打开 ， 实现一次泄压。 过 图 4 F C气路 连 接 示意 _l} D c 2 4 v 丰 ． 一一一一 D C 2 4 v 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 李伟．加氢装置中紧急放空环节气动切断阀的应用 2 1 当气源 压力供气不足时 即失气 状态 ， 气罐 VT的备压还能保证 阀门的 3个 行程动作 。当气 罐压力持续降低 ， 以至于不足以克服锁止阀的弹簧 压力时 ， 只有 阀门气缸上部气路 的空气换向阀将空 气接入 ， 阀门关 ， 即实现了失气关。 同理， 如图 5所示 ， 当气源供气压力正常时 ， 阀 门工作过程与 F C情况一致 。即任何 1电磁 阀失 电， 就会发生联锁 ， 阀门打开。当气源压力不足时 即失气状态 ， 气压不足 以克服锁止阀弹簧压力 ， 该路气路无法作用在阀门的气缸上 。此时， 气罐中 的空气会通过阀门气缸下部气路 的空气换向器作 用在阀门气缸上， 使得阀门打开， 实现了F O。 图 5 F O 气路 连接 示 意 4 结束语 由于不 同 的工 艺 包要 求 不 尽 相 同， 因 而 紧 急 放空的形式与 实现手 段也 多种 多样 。有 2路 双 速放空 的方案 ， 如本 文所 提 ； 也有平 行放空 的 方 案 ， 即 2路 放空速率 一样 ， 并 且 阀门故障状 态 均 为 F O， 在 生 产 中 ， 2路 放 空 中仅 有 1路 在 运 行 ， 另外 1路 作 为 备 用 。有 通 过切 断 阀结 合 限 流 孔板实 现 的放空 ， 如本文所 提 ； 也有 用调节 阀 来 实现 的放 空 。虽 然形 式 多 样 ， 但 其 目的都 是 为 了提高生产 的安 全等 级 。笔者 仅 以一套 加 氢 裂化装置为例 ， 介绍 了其原理、 控制逻辑、 阀门 选 型以及 阀 门实 现 形式 。石 化 现场 工 况 复 杂 ， 对 于紧急放 空 的判 断 ， 还需 要 经验 丰富 的操作 员快 速给 予反 应 。除 了联 锁 触 发 的 自动 泄 压 ， 人 为判 断手 动 泄压 环 节也 非 常 重要 ， 该 环 节 的 判 断 因人 而异 ， 因当时现场情 况而异 ， 需 要具体 问题具 体分析 。 参考文献 [1 ] 范咏峰 ， 陈争荣． 调节 阀在石 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