氫氣氣柜的安全設(shè)計(jì)

郝立偉，于 軍，馬 爽

（1.藍(lán)星（北京）化工機(jī)械有限公司，北京100176；2.沈陽(yáng)匯亞通鑄造材料有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng)110136）

目前隨著氫能發(fā)電、氫動(dòng)力汽車(chē)、氫能電池等技術(shù)的發(fā)展，氫能資源的開(kāi)發(fā)利用已成趨勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)氫的整合、再利用。但在眾多離子膜燒堿企業(yè)中，為保證氫氣系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠、安全，多數(shù)氯堿企業(yè)在氫壓機(jī)后設(shè)置放空管線，以保證整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的平穩(wěn)，這樣就造成了資源的極大浪費(fèi)。

對(duì)于下游有多個(gè)用氫裝置的企業(yè)，氫氣放空反而不能保證整個(gè)裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，甚至?xí)霈F(xiàn)氫氣供應(yīng)不足的情況。對(duì)于燒堿企業(yè)，設(shè)置氫氣氣柜既能保證裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，又可在一定時(shí)間內(nèi)保證氫氣的儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)資源利用的最大化。

本文從氫氣氣柜的液位監(jiān)測(cè)、壓力控制、放空管設(shè)置、防凍措施、DCS及SIS系統(tǒng)聯(lián)鎖等幾方面著手研究，保證了氣柜的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

考慮到氫氣氣柜氣相、液相均需要檢測(cè)，故氫氣氣柜配備了多項(xiàng)監(jiān)測(cè)儀表，某企業(yè)設(shè)計(jì)的氫氣氣柜工藝流程示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 氫氣氣柜工藝流程圖

1 氣柜的液位監(jiān)測(cè)

（1）氣柜儲(chǔ)氣容積（液位）監(jiān)測(cè)。在氫氣氣柜鐘罩頂部設(shè)置4臺(tái)液位計(jì)，為保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤，4臺(tái)液位計(jì)均具備遠(yuǎn)傳、聯(lián)鎖功能，在氣柜頂部均勻布置在四角；遠(yuǎn)傳液位計(jì)為2種不同測(cè)量方式的液位計(jì)，1臺(tái)差壓液位計(jì)，3臺(tái)雷達(dá)液位計(jì)。其中1臺(tái)雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)入DCS系統(tǒng)，2臺(tái)雷達(dá)液位計(jì)和1臺(tái)差壓液位計(jì)（兩種不同類(lèi)型）進(jìn)入SIS系統(tǒng)，3選2保證安全性，此回路的SIL等級(jí)為SIL1。液位計(jì)同時(shí)與氣柜后的氫壓機(jī)和氣柜前的放空閥聯(lián)鎖，保證氣柜不會(huì)抽癟和超壓。氣柜液位下限報(bào)警時(shí)，降低氫壓機(jī)功率或停機(jī)；液位超壓報(bào)警時(shí)開(kāi)啟放空閥門(mén)，降低氣柜的儲(chǔ)氣量。

（2）對(duì)于水槽液位采取了3種液位監(jiān)控措施，分別為長(zhǎng)流水設(shè)計(jì)、液位開(kāi)關(guān)報(bào)警和現(xiàn)場(chǎng)浮漂液位計(jì)。補(bǔ)水口管線長(zhǎng)期不間斷向水槽內(nèi)補(bǔ)水，溢出水從兩個(gè)溢流口流出（溢流口低于水槽平臺(tái)300 mm），以保證氣柜水槽始終維持一個(gè)穩(wěn)定的液位。比溢流口低200 mm設(shè)置液位開(kāi)關(guān)，信號(hào)遠(yuǎn)傳至控制室，當(dāng)補(bǔ)水出現(xiàn)故障，液位不足時(shí)報(bào)警啟動(dòng)，通知工作人員。低于水槽平臺(tái)300 mm處設(shè)置1臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)浮漂液位計(jì)，方便巡檢人員觀察水槽液位。

2 氣柜的壓力控制

氣柜進(jìn)口管線設(shè)置2臺(tái)壓力檢測(cè)儀表，出口管線設(shè)置1臺(tái)壓力檢測(cè)儀表，3臺(tái)壓力儀表均與氫壓機(jī)和放空閥聯(lián)鎖，超壓報(bào)警或啟動(dòng)聯(lián)鎖放空閥，低壓報(bào)警或停氫壓機(jī)。在SIS系統(tǒng)中設(shè)置壓力高報(bào)警，設(shè)置3選2壓力高高（低低）聯(lián)鎖，此SIF的SIL等級(jí)為SIL1。

由于采用的濕式氣柜，氣柜進(jìn)、出氣管線難免夾帶液滴，故在進(jìn)出口管頂部、底部增加壓差計(jì)，并設(shè)置壓差高報(bào)警，達(dá)到報(bào)警上限時(shí)人員積極響應(yīng)，排凈管內(nèi)積水，防止凝結(jié)水過(guò)多導(dǎo)致管線堵塞。排放管路設(shè)置2個(gè)手動(dòng)閥，閥門(mén)中間安裝疏水閥，既能迅速排除夾帶水，又能防止氫氣外泄。

3 放空管設(shè)置

氣柜鐘罩頂部設(shè)置1根手動(dòng)放空管（DN150），用于氣柜高位和氮?dú)庵脫Q的放空。管路上設(shè)置雙手閥，放空管頂部設(shè)置管道放空阻火器，阻火器后管線材質(zhì)為不銹鋼，防止因普通鋼管生繡后放空著火現(xiàn)象出現(xiàn)。鐘罩頂部設(shè)置4根被動(dòng)放空管，放空管在鐘罩頂部四角均布，插入鐘罩內(nèi)，距離鐘罩底部200 mm。當(dāng)鐘罩升高，底部距離水面200 mm時(shí)，氣體從放空管自動(dòng)排除，防止氣柜繼續(xù)上升導(dǎo)致氫氣外泄甚至拱頂。

4 氣柜防凍設(shè)計(jì)

為防止氣柜內(nèi)水結(jié)冰影響鐘罩的升降，冬季寒冷地區(qū)的企業(yè)應(yīng)對(duì)氣柜采取防凍措施。水槽上設(shè)置溫度檢測(cè)儀表，遠(yuǎn)傳至控制室，實(shí)時(shí)顯示水槽內(nèi)水的溫度，并設(shè)置低溫報(bào)警。對(duì)室外溫度低于-5℃的寒冷地區(qū)，鋼水槽的水可采用蒸汽加熱保溫；對(duì)室外溫度低于-20℃的寒冷地區(qū)，鋼水槽的水可采用蒸汽加熱防凍措施或采用蒸汽加熱和鋼水槽外設(shè)置保溫墻的組合措施[1]。同時(shí)溢流、放凈管線也要采取伴熱措施，防止冬季發(fā)生凍堵情況，運(yùn)行時(shí)，需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水槽溫度儀表的變化，根據(jù)氣溫變化調(diào)整蒸汽用量。

5 DCS和SIS控制系統(tǒng)的綜合利用

本裝置同時(shí)設(shè)置DCS系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)2種自動(dòng)化控制系統(tǒng)，將液位、壓力等數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至DCS控制室實(shí)時(shí)監(jiān)控；為保證整個(gè)裝置的安全性，將進(jìn)氣柜前的液位、壓力儀表接入SIS系統(tǒng)，此SIF的SIL等級(jí)為SIL1。因?yàn)镾IS系統(tǒng)的安全等級(jí)高于DCS的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，當(dāng)自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，SIS會(huì)進(jìn)行干預(yù)，降低事故發(fā)生的可能性。目前大多數(shù)燒堿企業(yè)均引入了SIS系統(tǒng)，建議將幾個(gè)關(guān)鍵檢測(cè)點(diǎn)引入，以保證裝置的絕對(duì)安全。

6 氣柜的合理布局

氫氣氣柜應(yīng)根據(jù)石油化工企業(yè)及其相鄰工廠或設(shè)施的特點(diǎn)和火災(zāi)危險(xiǎn)性，結(jié)合地形、風(fēng)向等條件，合理布置[2]。同時(shí)應(yīng)考慮氣柜上下游裝置的距離，由于氣柜工作壓力低（4 000 Pa），過(guò)遠(yuǎn)的距離勢(shì)必會(huì)增大管道的阻力降，影響氫氣的輸送能力。

7 其他安全措施

（1）充氮保護(hù)。在氫氣進(jìn)、出口管設(shè)置充氮口，用于開(kāi)停車(chē)時(shí)的空氣置換，保證氣柜內(nèi)氫氣的純度，防止氫氣含量達(dá)到爆炸極限。

（2）安全罩帽的設(shè)置。在氣柜頂部設(shè)置安全罩帽（與氫氣出口管同心），當(dāng)氣柜完全落下時(shí)，罩帽插底管進(jìn)入水面以下，此時(shí)氣柜出口管完全與氣相隔離，防止氣柜被抽癟。當(dāng)氣柜充氮時(shí)，氣柜上升，打開(kāi)安全罩帽手動(dòng)閥，氮?dú)鈱⒄置眱?nèi)的氣體完全置換，不留死角，保證安全。

（3）崗位巡檢制度。定期對(duì)氣柜進(jìn)行升降實(shí)驗(yàn)，防止氣柜導(dǎo)軌卡死；按時(shí)對(duì)氣柜的各項(xiàng)關(guān)鍵部件展開(kāi)巡檢，將安全隱患消滅在萌芽狀態(tài)。

8 結(jié)語(yǔ)

氫氣本身具有易燃、易爆的特性，氫氣氣柜的設(shè)計(jì)更有其復(fù)雜性。建議利用現(xiàn)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從工藝、自動(dòng)化等角度彌補(bǔ)氫氣氣柜的不足；同時(shí)加強(qiáng)安全教育，完善管理制度，從根本上杜絕安全事故的發(fā)生。