劉建國
(山東齊魯石化工程有限公司,山東 淄博 255400)
高壓加氫工藝是提高油品質(zhì)量的一個重要手段,也是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的原料和產(chǎn)品的理想裝置。近年來,為了滿足國家油品質(zhì)量的升級,高壓加氫裝置成為石化行業(yè)的一大熱點。無論是石油煉制深加中的加氫裂化、潤滑油加氫,還是在新興起的煤煉油中的煤液化裝置、煤焦油加氫、蒽油加氫等裝置中要求的反應(yīng)入口壓力達(dá)到甚至超過18 MPa(G),冷高壓分離器的操作壓力也在15.5 MPa(G)以上。
冷高壓分離器既承擔(dān)著反應(yīng)流出物氣液分離的任務(wù),又是液相物流高/低壓轉(zhuǎn)換的界面,更重要的是冷高分的壓力是加氫裝置反應(yīng)系統(tǒng)壓力的控制的基準(zhǔn)點,即通過控制冷高分的壓力來控制整個反應(yīng)系統(tǒng)的壓力。嚴(yán)格控制好冷高壓分離器的液面是一項重要的安全防護措施。如果液面過高,就有可能使氣體帶液從而危及壓縮機的運行;如果液面過低,就有可能出現(xiàn)壓空,高壓氣體就會竄入低壓系統(tǒng),造成低壓分離器超壓甚至爆炸。因此冷高壓分離器液/界控制方案是否合理對高壓加氫反應(yīng)系統(tǒng)的平穩(wěn)運行和安全生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。
據(jù)報道,英國格朗季蒙斯煉油廠加氫裂化裝置爆炸事故原因就是因為冷高壓分離器液位控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題導(dǎo)致冷高分高壓竄低壓,低壓分離器超壓造成的[1]。根據(jù)事故現(xiàn)場推算爆炸的當(dāng)量相當(dāng)于90 kg TNT,火焰高達(dá)90 m以上,30 km以外的地方都可聽到和感覺到,爆炸造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡[2]。
本文就高壓加氫工藝流程中典型的兩種冷高壓分離器液/界位控制方案(方案1和方案2)[3]加以分析比較,分別指出兩種方案存在的安全隱患,并提出安全性更高的方案(方案3)。
雙高壓調(diào)節(jié)閥并列控制方案1(如圖1所示)是以操作靈活為主的冷高壓分離器控制方案,以前較多設(shè)計院多采用此控制方案。此方案中,液位測量設(shè)置有3臺液位變送器:第一臺液位變送器與冷高分油出口調(diào)節(jié)閥組成控制回路,用于冷高壓分離器液位控制;第二臺與冷高分油出口調(diào)節(jié)閥組成控制聯(lián)鎖回路,平常作為液位指示,當(dāng)冷高壓分離器液位發(fā)生任何異常情況,造成液位低低時,該液位變送器則通過SIS或DCS輸出聯(lián)鎖信號,強行關(guān)閉調(diào)節(jié)閥;另一臺作為判斷其他兩臺變送器輸出信號的正確性。冷高壓分離器的界位(油水界面)在冷高壓分離器的液位以下,距離冷高壓分離器液位還有很大的一段距離,而且界位調(diào)節(jié)閥的流量相對于液位調(diào)節(jié)閥的流量小很多,此外高壓氣體處于冷高壓分離器的液位上面,因此界位控制相對于液位控制來講,其發(fā)生高壓氣體竄入低壓系統(tǒng)的可能性小很多。以往的工程設(shè)計中為節(jié)省費用,一般只設(shè)置兩臺外浮筒界位變送器,一臺液位變送器作為界位控制回路,另一臺平常作為液位指示回路,兩套儀表互相對照,互為備用。
圖1 雙高壓調(diào)節(jié)閥并列控制方案
方案1的液位控制和界位控制的調(diào)節(jié)閥都是雙重冗余配置,這種雙重冗余配置是一種主輔關(guān)系。由圖可看到,主調(diào)節(jié)閥前是雙切斷閥,正常生產(chǎn)時是由主控制回路進(jìn)行控制的,只有當(dāng)主控制回路出現(xiàn)故障需要維修時,才由人工切換到輔助控制回路。這種由人工執(zhí)行的切換對操作員的要求要有比較高的素質(zhì),因此存在一定程度的危險性。
方案1設(shè)置的調(diào)節(jié)回路中,采用的調(diào)節(jié)閥同時具備調(diào)節(jié)和切斷功能,根據(jù)《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(GB/T50770),該設(shè)置的安全儀表系統(tǒng)的安全等級僅滿足SIL-1, 安全等級很低。因此該方案存在一定程度的安全隱患,這種控制方案不能最大限度地降低高壓氣體竄入低壓系統(tǒng)的可能性。
聯(lián)鎖切斷閥+單高壓調(diào)節(jié)閥串聯(lián)控制方案2如圖2所示。
圖2 聯(lián)鎖切斷閥+單高壓調(diào)節(jié)閥串聯(lián)控制方案
采用液位變送器+界位開關(guān)的組合形式,并采用了兩位式氣動緊急切斷閥和高壓型多級降壓調(diào)節(jié)閥串聯(lián)安裝、功能獨立的設(shè)計模式。調(diào)節(jié)閥用來控制冷高壓分離器液位和界位,保證正常生產(chǎn)操作的平穩(wěn);兩位式氣動緊急切斷閥用于聯(lián)鎖切斷,實現(xiàn)自動完成液(界)位低低聯(lián)鎖保護動作,防止高壓流體向低壓設(shè)備竄壓。在此方案中,無論是液位還是界位的低低聯(lián)鎖測量儀表均采用了“三取二”的表決方式,在最大程度上避免了測量儀表故障引發(fā)的誤動作,同時執(zhí)行器又是獨立設(shè)置,從而大大提高了冷高壓分離器控制系統(tǒng)的安全等級。
但方案2液(界)位為單回路控制,調(diào)節(jié)閥采用的單調(diào)節(jié)閥加副線的形式,當(dāng)控制回路或調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障需要維修時,只能通過人工操作副線閥來控制,同樣對操作員的要求要有比較高的素質(zhì);此外兩位式氣動緊急切斷閥沒有設(shè)置用來檢測緊急切斷閥日常能否迅速關(guān)閉的檢查閥。因此該方案雖然控制系統(tǒng)達(dá)到《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》SIL-3安全等級,但由于缺少對液位出口兩位式氣動緊急切斷閥否能夠迅速動作的檢測手段,因此此方案也存在一定程度的危險性,這種控制方案也不能降低在裝置事故狀態(tài)下緊急切斷閥不動作而導(dǎo)致的高壓氣體向低壓系統(tǒng)竄入的可能性。
方案1的雙回路控制配備兩套規(guī)格完全相同的調(diào)節(jié)閥,可以通過DCS軟件實現(xiàn)控制切換,實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的冗余備份,提高了控制回路的靈活性。但調(diào)節(jié)閥同時具備調(diào)節(jié)和切斷功能,不能最大限度地降低降低高壓氣體竄入低壓系統(tǒng)的可能性,存在一定程度的安全隱患。
方案2的液(界)位低低聯(lián)鎖切斷保護系統(tǒng)給生產(chǎn)操作帶來更大的安全性,但調(diào)節(jié)閥采用單調(diào)節(jié)閥加副線的形式,并且缺少兩位式氣動緊急切斷閥在裝置事故狀態(tài)下是否能夠動作的檢測手段,也存在一定程度的危險性。
針對方案1和方案2的分析,集兩種方案的優(yōu)點于一體,提出液(界)位低低聯(lián)鎖切斷保護系統(tǒng)+液(界)位雙回路控制的方案(方案3),見圖3。
圖3 聯(lián)鎖切斷閥+雙高壓調(diào)節(jié)閥串聯(lián)控制方案
方案3通過在液位控制和界位控制分別串聯(lián)設(shè)置功能獨立的兩臺高壓液位調(diào)節(jié)閥和兩個緊急切斷閥。調(diào)節(jié)閥用來實現(xiàn)液位控制和界位控制,并且調(diào)節(jié)閥都采用雙重冗余配置形成主輔關(guān)系,這種配置即可提高了生產(chǎn)控制的靈活性,又能保證裝置的平穩(wěn)運行。液位的緊急切斷閥用來保證安全,實現(xiàn)自動完成液(界)位低低聯(lián)鎖保護;高壓液位調(diào)節(jié)閥用來實現(xiàn)液(界)位自動控制,保證裝置平穩(wěn)運行。此配置方案,既能實現(xiàn)裝置的平穩(wěn)操作,用能為裝置的安全提供保證。另外,兩個緊急切斷閥還設(shè)有用于定期檢查緊急切斷閥能否開關(guān)動作的2臺帶有閥位顯示的檢查閥,并且配有保證緊急切斷閥開關(guān)不小3次以上儲氣量的儀表風(fēng)儲氣罐,確保在儀表風(fēng)中斷時,能夠保證緊急切斷閥發(fā)揮作用,實現(xiàn)液(界)位低低聯(lián)鎖保護。
該控制方案的配置,正常生產(chǎn)時,高分油通過主路到低壓分離器,實現(xiàn)油水的分離;在生產(chǎn)出現(xiàn)任何異常情況,當(dāng)冷高分液位急劇上升,為防止循環(huán)氫帶液,調(diào)節(jié)閥開度增大,必要時打開輔路進(jìn)行處理;當(dāng)冷高分液位低低時,變送器通過SIS輸出液位低低聯(lián)鎖報警信號,立刻關(guān)閉切斷閥,防止高壓氣體竄入低壓系統(tǒng)。
在此方案中,液位低低聯(lián)鎖測量儀表同樣采用了“三取二”的方式,可以有效避免測量儀表故障引發(fā)的誤動作。執(zhí)行器也是獨立設(shè)置,提高了冷高壓分離器控制系統(tǒng)的安全等級(滿足SIL-3)。冷高壓分離器界位相對于液位控制來講,雖然出現(xiàn)竄壓的可能性小,但考慮到操作的靈活性和安全性,界位同樣也單獨設(shè)置兩位式切斷閥,界位的調(diào)節(jié)閥也設(shè)置兩組高壓角式調(diào)節(jié)閥,保證界位操作的靈活性和安全性。
液(界)位低低聯(lián)鎖切斷保護系統(tǒng)和液(界)位雙回路控制系統(tǒng)這兩道雙保險大大提高了冷高壓分離器控制系統(tǒng)的安全性。另外,方案3為冷高分液位切斷閥和界位切斷閥設(shè)置了儀表風(fēng)儲氣罐,考慮了儀表風(fēng)暫時中斷情況下儀表風(fēng)儲氣罐中的儲氣量仍保證緊急切斷閥開關(guān)3次以上的應(yīng)急措施,進(jìn)一步提高了冷高分液/界位控制系統(tǒng)的安全性。
方案3在給生產(chǎn)操作帶來更大安全性的同時,也具備了冷高壓分離器界位操作的靈活性,但付出的代價是需要花費的投資高、調(diào)節(jié)閥和緊急切斷閥的安裝占用的場地大、給管道設(shè)計人員增加些工作量。權(quán)衡利弊,對于易燃易爆高溫高壓的石化裝置來講,這種付出對于注重安全、平穩(wěn)生產(chǎn)的企業(yè)來說是認(rèn)可的。
引起低壓系統(tǒng)超壓的發(fā)生事故的原因是冷高壓分離器中的大量高壓氣體順利地進(jìn)入低壓系統(tǒng)而引起的,因此,防止高壓竄低壓是確定冷高壓分離器低液位報警值和低低聯(lián)鎖值設(shè)定點的另一個關(guān)鍵問題,從以上提出3中控制方案中,無論采用何種方案,都首先應(yīng)該注意的是怎樣確定液位低報警點、低低聯(lián)鎖設(shè)定點。
無論是液位低報警點還是液位低低聯(lián)鎖點,其設(shè)定點必須確保液位到達(dá)液位低報警點、低低聯(lián)鎖條件時,冷高壓分離器內(nèi)的液面永遠(yuǎn)要高于高分油出口位置,并保留有一定液封液位。也就是說,在冷高壓分離器液(界)位達(dá)到低報警點而還未到低低聯(lián)鎖設(shè)定點時,留給生產(chǎn)操作人員有一定的時間來處理液位的不正常情況;同時在設(shè)定低低聯(lián)鎖液位時,必須滿足緊急切斷閥完全關(guān)閉時間內(nèi)液體在冷高壓分離器內(nèi)零液位以上,并有一定的滯留時間,保證低低聯(lián)鎖液位設(shè)定值要高于高分油出口液面并有一定安全液封液位,防止高分氣串入低壓系統(tǒng)。
冷高壓分離器的安全運行是加氫裝置安全運行的重要環(huán)節(jié)之一,冷高壓分離器物位控制一旦失靈,可能造成高壓氣體竄入低壓系統(tǒng),導(dǎo)致事故發(fā)生。因此冷高分離器液/界位控制方案是否合理、控制系統(tǒng)可靠性的高低、控制品質(zhì)的好壞對加氫反應(yīng)系統(tǒng)的平穩(wěn)運行和安全生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。針對冷高壓分離器在高壓加氫裝置中的重要地位,從工藝設(shè)計及儀表設(shè)計的角度分析了兩種典型的冷高壓分離器液/界控制方案的可操作性及安全性,指出這兩種方案存在的安全隱患問題,提出了液(界)位低低聯(lián)鎖切斷保護系統(tǒng)+液(界)位雙回路控制的方案,大大提高了冷高壓分離器控制系統(tǒng)的安全性。
目前這種控制方案已經(jīng)應(yīng)用到加氫裝置中,得到了業(yè)主的一致認(rèn)可。
此外,針對冷高壓分離器工藝運行特點和控制方案,提出了冷高壓分離器的液位設(shè)置注意事項。因此,這工程設(shè)計時,應(yīng)從工藝過程的特點和工廠的操作需要出發(fā),并結(jié)合自控儀表及控制系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展,確定既切合實際又易于實施的過程控制方案和成熟、可靠的儀表選型,來保證冷高壓分離器的安全控制和裝置的安全運行。