合成氨裝置防竄壓優化設計探討

耿淑遠，劉瑩，黃帥

(1. 中石化寧波工程有限公司 上海分公司，上海 200030；2. 天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730060)

竄壓是指由于某種原因導致高壓容器中的液體走空使得高壓容器內的氣體竄入低壓容器，而低壓容器上設置的如安全閥、爆破片等安全泄放裝置的排放能力小于高壓氣體的泄放量，從而導致低壓容器損壞甚至發生爆炸[1]。竄壓是石化高低壓分離系統的典型安全問題，竄壓在極短的時間內若處置不當會使低壓容器超壓，甚至爆炸，可造成人員傷亡與巨大財產損失。目前，高低壓分離系統普遍存在于加氫、高壓聚乙烯、合成氨等裝置，具有重大失效的危險性。例如1987年英國Grangemouth工廠發生的加氫裂化裝置低壓分離器爆炸事件，2018年4月某石化柴油加氫裝置事故處置不當造成的高壓氫氣竄入低壓原料罐引起火災爆炸事故，均為竄壓事故。

為保證化工裝置在高壓竄低壓狀況時的穩定運行，必須對石化裝置高壓竄低壓部位進行風險分析，在工藝流程設置、儀表選型及聯鎖設置上采取相應安全防范措施。本文以合成氨裝置為例對竄壓風險進行分析。

1 高壓竄低壓風險分析

1.1 易發生竄壓的典型工藝流程

高壓竄低壓常見于高壓分離器底部，如加氫裂化、合成氨、甲醇合成等工藝裝置中的產品分離器底部。合成氨是典型的高壓生產裝置，合成氨高壓部分產品分離流程如圖1所示。由圖1可以看出： 一級氨分離器和二級氨分離器分離液氨產品，操作壓力達到12.9 MPa，出分離器后利用調節閥減壓到1.5 MPa，產品氨經液氨中間罐去凈氨塔進行吸附凈化，在此過程中分離器底部調節閥壓降約11.4 MPa，如果調節閥失效，高壓容器中的液體走空，高壓合成氣將會竄入設計壓力僅為2.2 MPa的低壓液氨中間罐，將會引起中間罐爆裂等多種風險。

圖1 典型的合成氨裝置產品分離流程示意

1.2 竄壓風險分析

由圖1可以看出，竄壓事故通常存在以下幾個風險因素：

1)易燃氣體泄漏。當高壓氨合成氣由于調節閥失效等事故，未經減壓竄至低壓系統時，由于高低壓設備、管線的壓力等級差距較大，低壓設備、管線遭到破壞，高壓氨合成氣泄漏后，在一定范圍內集聚，遇明火會導致閃爆、火災等重大事故[2]。

2)設備、管道爆炸。當高壓氣體竄進低壓設備和管道內部，壓力超過設備和管道材質最高承受強度時，設備和管道發生損壞，內部高壓氨合成氣能量釋放，甚至發生爆炸事故[3]。

3)有毒氣體風險。低壓設備液氨中間罐儲存大量的液氨，設備一旦破壞發生泄漏，氨氣為毒性介質，對現場事故應急處置人員和逃生人員以及處于下風向裝置的人員造成極大的風險。

2 高壓竄低壓的防范設計

為了避免上述風險的發生，高低壓分離系統必須在工藝流程、儀表選型和安全聯鎖上進行優化設計。

2.1 工藝流程設計

為最大化降低高壓竄低壓風險，工藝系統應結合各種工況進行優化設計，具體措施如下：

1)高壓分離器上設置“2oo3”液位信號，并與調節閥聯鎖，增加聯鎖信號的可靠性。氨分離器屬高壓設備，一旦液位檢測出現失誤，發生竄氣，緊急切斷閥可能出現無法及時阻止高壓氣體流向后續的低壓設備。因此，高壓氨分離器的液位控制十分重要，通常設置3臺液位檢測儀表，采取“2oo3”的聯鎖控制方式，即3臺液位檢測儀表中的2臺達到了聯鎖設定值，便觸發聯鎖動作關閉緊急切斷閥。該種設計方式提高了設備液位檢測的可靠性，同時避免了單臺液位檢測儀表發生故障而直接導致聯鎖停車的后果。

2)氨分離器液位調節閥出口設置壓力表，設置高報警和高高聯鎖關切斷閥。液氨管路發生高壓竄低壓事故時，調節閥后壓力表示值會急速上升，壓力高報警，達到設定值進一步啟動聯鎖，關斷緊急切斷閥，切斷管路。

3)氨分離器液位調節閥前設置緊急切斷閥，一旦發生竄壓事故，能夠及時隔斷管路。為保證該安全聯鎖的安全完整性等級(SIL)，在液位調節閥前單獨設置了開關閥作為緊急隔離切斷閥，一旦發生竄壓事故，分離器液位低低或調節閥后壓力高高聯鎖關閉緊急切斷閥，聯鎖切斷管路。

4)調節閥控制。氨分離器底部設置液位控制閥，當液位偏離設定的正常值時，控制閥自動調控開度，保證分離器內液位維持在安全范圍。分離器頂部設置壓力調節閥，當氣相壓力高于設定值時，通過降低壓縮機轉速，將氣相壓力維持在安全范圍。

5)氨分離器液位調節閥后設置限流孔板。在不影響液相流通的基礎上，一旦發生竄壓，對高壓氣體限流。限流孔板是調節閥降壓失效時的一種補償措施，竄壓工況氣相流量決定孔板孔徑，同時核算正常工況液相壓降，用于調節閥閥后壓力的設置依據。限流孔板也可用于改造項目，在下游安全閥排量不夠的情況下作為補充措施。

6)委托專業機構對聯鎖回路進行安全完整性等級分析，提出SIL等級要求。工藝專業連同儀表專業一起，配合專業機構進行SIL等級分析計算，在該過程中，進一步完善流程和控制系統。經過詳細安全完整性等級分析，結合現有的安全閥、儀表的設置，合成氨分離器下部的緊急切斷回路定級為SIL1，最終滿足安全完整性要求。

合成氨竄壓流程SIL分析結果見表1所列。

表1 合成氨竄壓流程SIL分析結果

7)設置安全閥爆破片，安全閥排量需滿足閥門CV值要求。安裝在液氨中間罐入口的控制閥，發生故障時若處于全開位置時，對于氣相管道，滿足低壓側的設計壓力小于高壓側的設計壓力的67%，則安全閥的泄放量應滿足高壓氣體竄入低壓設備的排放量要求，根據HG/T 20570.2—1995《安全閥的設置和選用》，一般按下式計算：

qm=3 171.3×(CV1-CV2)ph(ρ氣相/T)1/2

(1)

式中：qm——泄放介質質量流量，kg/h；CV1——控制閥的流量系數；CV2——控制閥最小流量下的CV值；ph——高壓側工作壓力，MPa；ρ氣相——氣相密度，kg/m3；T——泄放溫度，K。

CV值與閥門結構、閥前后壓差、入口流體密度和流體特性有關，對除阻塞流以外的一般流體，可按以下常規方法計算[4]：

(2)

式中：qm1——經過氨分離器液位調節閥的質量流量，kg/h；d——工作溫度下液體的密度與60 ℉下水的密度的比值，量綱1的量；N——工程單位系數，量綱1的量；Δp——控制閥前后壓差，kPa，Δp越大，CV值越小，CV值一般由控制閥廠家提供。

8)分離器氣相空間壓力控制。氨分離器氣相憋壓也會導致高壓氣體竄向低壓罐，因此，氣相出口設置壓力檢測及壓力控制器，也可防范高壓竄低壓。

9)設置可燃有毒氣體檢測點。氨是《高毒物品目錄》(2003年版)中確定的31種氣體和蒸氣之一，為了保障現場操作工的人身安全，根據GB 50493—2009《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范》要求，設置多處有毒氣體檢測點，一旦現場發生有毒氣體泄漏，提醒現場工作人員及時撤離。

2.2 儀表選型設計

2.2.1液位調節閥的選型

氨分離器的工藝介質經液位調節閥減壓后去低壓設備液氨中間罐，對合成氨裝置的安全以及穩定運行有重要影響，因而氨分離器液位調節閥設計為冗余設計。

氨分離器液位調節閥的操作壓降為11.4 MPa， 流體經過閥門時壓力會低于飽和蒸氣壓而發生閃蒸，因此在閥門選型時必須注意高壓差、閃蒸的特點。

1)閥門結構型式。液位調節閥的結構型式選用適用于閃蒸工況的套筒式高壓角閥，流體從套筒一定數量的對稱小孔中進入套筒中而變為氣液兩相流體，流體中心相互撞擊，產生極大的擾動，大量的擾動使絕大多數高速度液滴失去了動能，使流體失去了破壞力，被流體的摩擦阻力轉換為熱能。另一方面噴射的液滴在套筒中心才能達到高速度，才有破壞力。這時即使能夠穿越中心的液滴和撞擊后仍具有二次速度的液滴要到達對面的筒壁會受到滯留筒腔內的液體的阻擋，液體自行緩沖消能。該種結構可以減輕流體對于閥芯及套筒的沖刷破壞，保護了閥門密封面，同時也降低了閥門的噪音[5]。

高壓角閥采用側進底出，使流體經過閥門后改變了流體的方向，進一步減輕流體經過調節閥時對閥內件及閥體的沖擊力。

2)閥內件選型。綜合考慮到閥門的高壓工況、高壓差及閃蒸，閥芯的密封面及套筒都必須經過硬化處理，閥座堆焊Stellit合金。該種方式既能滿足高壓工況，又可以更好地抵抗高壓及高壓差介質以及閃蒸對閥內件的沖刷磨蝕。

氨屬于有毒介質，閥桿處的填料密封結構等需要符合德國潔凈空氣標準(TA-LUFT)或ISO 15848Industrialvalves—Measurement，TestandQualificationProceduresforFugitiveEmissions。

綜上所述，液位調節閥的冗余設計，套筒式高壓角閥的結構型式，均有效地保證了合成氨裝置穩定及安全運行。

2.2.2SIL定級對閥門選型的影響

調節閥前主路上設置了開關閥作為緊急切斷閥，緊急切斷閥包括閥體、執行機構等所有附件須整體滿足SIL1的認證要求。氨分離器的緊急切斷聯鎖在安全聯鎖系統中執行，保障工藝操作安全可靠執行。

2.3 安全儀表系統設計

1)SIS由傳感器、邏輯控制器、執行器等構成，是廣泛應用于油品、化工等流程工業的一類安全系統[6]，它可以持續監視工廠的生產運行狀態，在危險發生時可采取提前設定的措施，盡可能減少或避免人員傷亡和財產損失[7]。

2)聯鎖設置：

a)氨分離器液位失控，即3臺液位檢測儀表中有2臺達到液位聯鎖低低設定值，則觸發保護聯鎖，關閉緊急切斷閥，同時將液位調節閥置為關位。

b)液位調節閥后壓力儀表檢測到超壓后，高高聯鎖關閉緊急切斷閥。

c)氨分離器氣相壓力失控，達到高高聯鎖設定值，開啟氣相緊急泄放閥。

d)設置全廠緊急停車按鈕，高壓竄低壓事故一旦發生，上述措施需全部失效后，全廠緊急停車，阻止事故危害的擴大。

以上的安全聯鎖均在SIS中執行，有效提高安全聯鎖的可靠性，保障氨分離器及其下游裝置的安全可靠執行。

3 結束語

合成氨裝置因其獨特的工藝技術要求，合成反應在高壓環境下進行，在裝置正常運行、停工、開工階段都容易發生高壓竄低壓的事故。從設計的源頭進行風險防范是最根本的解決方式。本文通過對氨合成工藝易發生高壓竄低壓部位的工藝流程、儀表選型和聯鎖設計上的優化和改造，提高了系統的安全性、穩定性和可靠性。