化工常壓儲(chǔ)罐壓力平衡系統(tǒng)及其聯(lián)鎖保護(hù)分析

鄭康迪（中機(jī)國(guó)能煉化工程有限公司，天津300270）

石油化工廠中不可缺少的設(shè)備便是化工常壓儲(chǔ)罐，在對(duì)常壓儲(chǔ)罐進(jìn)行使用的過程中儲(chǔ)罐內(nèi)的液面會(huì)變化，主要原因?yàn)橥饨鐪囟茸兓率箖?chǔ)罐內(nèi)氣體發(fā)生收縮或膨脹，隨之儲(chǔ)罐內(nèi)的氣體的壓力也會(huì)隨之變化，氣壓的劇烈變化很容易導(dǎo)致儲(chǔ)罐發(fā)生超壓或真空的情況，如果過于嚴(yán)重可能會(huì)形成儲(chǔ)罐低壓癟罐和超壓儲(chǔ)罐。為了能夠有效預(yù)防常壓儲(chǔ)罐出現(xiàn)超壓、低壓等失衡狀態(tài)，這便需要加強(qiáng)工藝設(shè)計(jì)，主要做法便是在罐頂安裝呼吸閥進(jìn)而保持常壓儲(chǔ)罐內(nèi)氣壓的平衡，構(gòu)成了化工常壓儲(chǔ)罐壓力平衡系統(tǒng)，保證常壓儲(chǔ)罐在超壓和真空的狀態(tài)下不受損，確保儲(chǔ)罐的穩(wěn)定性，還能有效降低儲(chǔ)罐內(nèi)物料的遺失，具有一定的安全意義和環(huán)保意義[1]。為了強(qiáng)化對(duì)化工常壓儲(chǔ)罐的使用，本文對(duì)化工常壓儲(chǔ)罐壓力平衡系統(tǒng)及其聯(lián)鎖保護(hù)進(jìn)行分析。

1 常壓儲(chǔ)罐內(nèi)壓力發(fā)生變化的原因

如果儲(chǔ)罐的運(yùn)行狀態(tài)和外界環(huán)境兩大因素不出現(xiàn)任何變化，那么常壓儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力也不會(huì)出現(xiàn)變化，常壓儲(chǔ)罐只有滿足下述清醒儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力才會(huì)失去平衡[2]。第一，常壓儲(chǔ)罐在對(duì)外界輸送物料的過程中會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)壓力的降低；第二，外界向常壓儲(chǔ)罐提供物料的過程中會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)壓力的升高；第三，在氣候等外界因素的影響下會(huì)導(dǎo)致常壓儲(chǔ)罐內(nèi)物料蒸氣壓變大或變小，進(jìn)而導(dǎo)致常壓儲(chǔ)罐內(nèi)壓力的提升和降低，也就是常說的熱效應(yīng)；第四，發(fā)生火災(zāi)時(shí)常壓儲(chǔ)罐受到熱力的作用，導(dǎo)致蒸發(fā)量的突然增加進(jìn)而致使常壓儲(chǔ)罐內(nèi)壓力的迅速提高。為了能在以上四種情況中確保常壓儲(chǔ)罐內(nèi)壓力的歐寧恒，所以需要常壓儲(chǔ)罐壓力平衡系統(tǒng)及其聯(lián)鎖保護(hù)，并且確保儲(chǔ)罐內(nèi)存在足夠的氣體呼吸量。

2 呼吸量的確定

常壓儲(chǔ)罐內(nèi)需要具有充足的呼吸量，這樣才能保證其能夠在正常的壓力下完成工作，并且不會(huì)大于設(shè)計(jì)過程中的正壓或負(fù)壓，進(jìn)而能夠?qū)Τ簝?chǔ)罐形成保護(hù)作用。通常情況下，儲(chǔ)罐的進(jìn)料量、泵抽出量和熱效應(yīng)所形成的呼吸需求量決定著常壓儲(chǔ)罐呼吸閥的呼吸量[3]。

如果發(fā)生火災(zāi)，常壓儲(chǔ)罐內(nèi)物料會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈汽化，并形成大量氣體，這時(shí)單單憑靠呼吸閥的呼吸量已經(jīng)無法有效滿足常壓儲(chǔ)罐壓力流失的需求，所以便需要強(qiáng)化設(shè)計(jì)，主要做法便是將泄入孔和泄壓閥安裝在常壓儲(chǔ)罐上。

3 儲(chǔ)罐內(nèi)壓力保護(hù)措施

常壓儲(chǔ)罐的壓力保護(hù)系統(tǒng)由以下幾部分組成，分別是氣封系統(tǒng)、呼吸閥系統(tǒng)、緊急釋放閥系統(tǒng)和壓力聯(lián)鎖系統(tǒng)。下面本文將對(duì)以上幾種系統(tǒng)分別進(jìn)行分析。

3.1 氣封系統(tǒng)

氣封系統(tǒng)的主要組成部分為氣封閥。其主要作用為將儲(chǔ)罐內(nèi)部氣壓保持在一個(gè)確定的微正壓狀態(tài)，該裝置能夠有效預(yù)防儲(chǔ)罐出現(xiàn)負(fù)壓，降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率。

如果常壓儲(chǔ)罐向外界輸送物料，或者因?yàn)橥饨鐪囟纫蛩氐挠绊憣?dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)壓力下滑時(shí)，氣封系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)為儲(chǔ)罐提供相應(yīng)的氣體，多為氮?dú)猓@樣便可以使儲(chǔ)罐內(nèi)保持確定的微正壓狀態(tài)，對(duì)儲(chǔ)罐形成一定的保護(hù)作用。

如果對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)提供的氣體達(dá)到氣體閥的標(biāo)準(zhǔn)值，氣封閥便會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，并且停止為儲(chǔ)罐提供氮?dú)猓行ьA(yù)防因提供氣體較多而導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)壓力升高。

氣封系統(tǒng)行業(yè)內(nèi)主要實(shí)現(xiàn)方式有兩種：自力式調(diào)節(jié)閥氣封系統(tǒng)和壓力變送器+氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的單回路壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

3.1.1 自力式調(diào)節(jié)閥氣封系統(tǒng)：

氣封系統(tǒng)用自力式調(diào)節(jié)閥一般為閥后取壓型，安裝在氣封管線上，一般閥后取壓點(diǎn)為罐頂壓力相對(duì)穩(wěn)定位置，能更準(zhǔn)確反應(yīng)儲(chǔ)罐壓力；給一個(gè)儲(chǔ)罐安全的壓力值作為自力式調(diào)節(jié)閥的設(shè)定值，儲(chǔ)罐壓力高于此值閥門關(guān)閉停止補(bǔ)氣，儲(chǔ)罐壓力低于此值閥門打開，開始補(bǔ)氣，因此使儲(chǔ)罐壓力始終維持在相對(duì)穩(wěn)定范圍。

3.1.2 壓力變送器+氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的單回路壓力調(diào)節(jié)氣封系統(tǒng)：

此種氣封形式需通過DCS過程控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，罐頂壓力相對(duì)穩(wěn)定位置安裝1 臺(tái)壓力變送器，氣封管線安裝1 臺(tái)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，信號(hào)均送至DCS系統(tǒng)，在DCS系統(tǒng)內(nèi)完成組態(tài)，設(shè)定一個(gè)安全的儲(chǔ)罐壓力給定值，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐壓力，并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)閥門開度大小，使儲(chǔ)罐不超壓也不憋壓的同時(shí)壓力也相對(duì)穩(wěn)定。

3.2 呼吸閥系統(tǒng)

呼吸閥也是常壓儲(chǔ)罐的重要組成部分，通常被安裝在罐頂，控制罐內(nèi)外氣體的開啟和關(guān)閉，保持壓力平衡。當(dāng)儲(chǔ)罐在進(jìn)料狀態(tài)時(shí)，外部溫度提高導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)壓力提高，如果達(dá)到呼氣閥的標(biāo)準(zhǔn)值，將會(huì)自動(dòng)打開，并排出多余氣體，確保壓力大于標(biāo)準(zhǔn)值。

如果儲(chǔ)罐內(nèi)壓力下降，并且氣封閥提供的氣體不能夠保持罐內(nèi)壓力，會(huì)導(dǎo)致罐內(nèi)降低至吸氣閥的標(biāo)準(zhǔn)值，將會(huì)自動(dòng)打開，并將氣體吸入到儲(chǔ)罐內(nèi)，以防儲(chǔ)罐壓力的持續(xù)下降。

3.3 緊急泄放系統(tǒng)

如果發(fā)生火災(zāi)等意外情況時(shí)會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐發(fā)生劇烈超壓，僅僅使用呼吸閥釋放壓力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，無法有效保持儲(chǔ)罐壓力。所以可以使用以下幾種方法將儲(chǔ)罐內(nèi)壓力釋放。第一，可以在常壓儲(chǔ)罐上安裝爆破片或者緊急泄壓閥；第二，可以將弱連接方式應(yīng)用于儲(chǔ)罐的罐頂和罐殼。如果儲(chǔ)罐內(nèi)壓力提高并且打開呼吸閥也不能將壓力釋放，如果儲(chǔ)罐內(nèi)壓力達(dá)到緊急泄放閥的標(biāo)準(zhǔn)值，它便會(huì)自動(dòng)打開并向外界噴氣，對(duì)于降低儲(chǔ)罐內(nèi)壓力作用明顯，所以該裝置被用來解決事故情形下超壓?jiǎn)栴}。

3.4 壓力聯(lián)鎖系統(tǒng)

常壓儲(chǔ)罐壓力變化的主要原因?yàn)橐何坏淖兓詰?yīng)使用儲(chǔ)罐的壓力聯(lián)鎖系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要作用為防止儲(chǔ)罐內(nèi)液位發(fā)生改變，進(jìn)而達(dá)到控制壓力變化的效果，同時(shí)也是一種預(yù)防儲(chǔ)罐超壓和負(fù)壓的一種裝置。

當(dāng)外界向儲(chǔ)罐輸送物料時(shí)，如果儲(chǔ)罐頂部的壓力變送器發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力大于呼吸閥的標(biāo)準(zhǔn)值并且小于緊急釋放閥的標(biāo)準(zhǔn)值，這就表明呼吸閥的排氣能力較弱，聯(lián)鎖系統(tǒng)便會(huì)將進(jìn)料泵關(guān)閉，從源頭防止儲(chǔ)罐內(nèi)壓力升高。

當(dāng)儲(chǔ)罐向外界輸送物料時(shí)，如果儲(chǔ)罐頂部的壓力變送器發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力小于呼吸閥的標(biāo)準(zhǔn)值并且大于緊急釋放閥的標(biāo)準(zhǔn)值，這就表明氣封閥不具備一定的補(bǔ)氣能力聯(lián)鎖系統(tǒng)便會(huì)將出料泵關(guān)閉，從源頭防止儲(chǔ)罐內(nèi)壓力降低[4]。

此壓力聯(lián)鎖系統(tǒng)需要通過裝置DCS過程控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，需要將所有檢測(cè)信號(hào)、狀態(tài)信號(hào)及停泵、關(guān)閥等命令信號(hào)均引入DCS系統(tǒng)，并將控制、聯(lián)鎖關(guān)系、PID流程圖及相關(guān)控制、聯(lián)鎖值均在DCS系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行組態(tài)和設(shè)定。

4 常壓儲(chǔ)罐壓力聯(lián)鎖設(shè)定值

上述的全部?jī)?chǔ)罐壓力調(diào)控裝置相互關(guān)系密切，不同裝置的標(biāo)準(zhǔn)值也具有一定的關(guān)系，本文對(duì)石化行業(yè)使用較為廣泛的常壓儲(chǔ)罐進(jìn)行分析，分別從負(fù)壓控制、超壓控制對(duì)其設(shè)計(jì)過程中常壓儲(chǔ)罐各裝置的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行闡述。

4.1 負(fù)壓控制

正常操作壓力的范圍在1kPa-3kPa 之間，如果儲(chǔ)罐的壓力值小于1kPa時(shí)，應(yīng)將氣封閥打開，并為儲(chǔ)罐提供壓力，保持罐內(nèi)壓力的平衡，這也是負(fù)壓保護(hù)的第一步。打開氣封閥之后，如果儲(chǔ)罐內(nèi)壓力仍處于下降狀態(tài)，通過罐頂?shù)膲毫z測(cè)儀發(fā)現(xiàn)罐內(nèi)壓力值等于0kPa 時(shí)，聯(lián)鎖系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將出料泵關(guān)閉，進(jìn)而從源頭防止管內(nèi)壓力繼續(xù)降低，這便是負(fù)壓保護(hù)的第二步。如果將出料泵關(guān)閉后，管內(nèi)壓力降至-0.1kPa，會(huì)自動(dòng)打開呼吸閥，將空氣吸入罐內(nèi)，保持壓力平衡，這是負(fù)壓保護(hù)的第三步[5]。

4.2 超壓控制

如果罐內(nèi)壓力大于3kPa時(shí)，呼吸閥會(huì)自動(dòng)打開，完成排氣，釋放壓力。打開呼吸閥后，如果罐內(nèi)壓力仍處于上升狀態(tài)，將進(jìn)料泵關(guān)閉，從源頭防止壓力提高。將進(jìn)料泵關(guān)閉后，罐內(nèi)壓力升至8kPa使，打開緊急釋放閥，大量排氣，將壓力釋放。

5 結(jié)語

近些年來化工儲(chǔ)罐導(dǎo)致的安全事故較多，所以加強(qiáng)工藝設(shè)計(jì)，優(yōu)化平衡系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，達(dá)到安全設(shè)計(jì)的目標(biāo)。并且在其運(yùn)行過程中要做好維護(hù)工作，有效控制風(fēng)險(xiǎn)，確保常壓儲(chǔ)罐的安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。