化工裝置的安全減排措施

澹臺曉偉,王成卓

(1.天津大學化工學院,天津 300072;2.天津青年湖精工科技發展有限公司,天津 300385)

保障化工裝置的安全生產已成為化工裝置設計最重要的一部分。火炬系統作為保障設備、人身安全及裝置平穩運行的重要安全設施。近年來,隨著化工裝置的大型化,可燃氣體向火炬系統的排放量隨之增大,過大的排放量導致火炬系統投資增加,同時給環保帶來了挑戰。現有的標準主要側重于火炬系統的設計及安全閥的設置、泄放量的計算,對于如何減少可燃氣體的排放措施鮮有討論。化工裝置安全減排的設計往往更多依賴于工程經驗。因此總結一套明確、合理的方法用于減少化工裝置可燃氣體的排放量顯得十分必要。

安全閥為化工設計中應用最為廣泛的安全泄放裝置。為控制安全閥可燃氣體的排放量,化工設計中通常通過以下幾種方法實現:

1 提高設備的設計壓力

《SH/T 3210石油化工裝置安全泄壓設施工藝設計規范》第4.3條[1]: 當獨立的壓力系統的系統設計壓力大于或等于各工況下可能出現的最高壓力時,該獨立的壓力系統可不設置安全閥。即通過提高設備的設計壓力,達到本質安全型設計,則該設備可不設置安全閥,進而減少可燃氣體的排放量。

如圖1所示,A罐底部的液相出料進到B罐進行閃蒸,B罐閃出來的氣相回收利用,閃蒸完的液相作為下一臺設備的進料,其中A罐可能出現的最高壓力為0.5 MPa,B罐的操作壓力為0.1 MPa,且B罐未布置在火災圈范圍內。當B罐的設計壓力低于0.5 MPa時,則B罐需要設置安全閥,超壓工況為B罐氣相管線上的調節閥故障關閉,泄放量為B罐在泄放壓力下能閃蒸出來氣體量。當B罐設計壓力設置為0.5 MPa時,則B罐的設計壓力大于等于各種工況下可能出現的最高壓力,則B罐可不設置安全閥。

圖1 氣液分離罐流程簡圖

2 設置限流孔板

通過在高壓管道上設置限流孔板,從而降低并控制在控制閥控制失效工況下的安全閥泄放量是化工設計中常用的手段。

計算實例:如圖2所示,界區來的常溫乙烯管線,管徑為DN80 mm,正常流量為800 kg/h,來源處操作壓力3.6 MPa,調節閥PV-01的壓降為2.1 MPa,穩壓后的設計壓力為1.8 MPa。按照上述設計條件選定的閥座直徑為DN65 mm,閥門額定CV值為68,正常開度為68%。當穩壓閥PV-01故障全開時,安全閥超壓泄放,此時安全閥泄放量應為控制閥全開時的最大流通量減去正常量,為32 900 kg/h。

圖2 穩壓閥流程簡圖

為限制安全閥的泄放量,在穩壓閥前串聯一塊限流孔板,如圖3所示。同時為了避免增加的限流孔板影響到調節閥的調節性能,經驗方法一般是在正常工況下平均分配調節閥和限流孔板的壓降[2-3]。

圖3 增設限流孔板的穩壓閥流程簡圖

因此限流孔板的設計過程需要考慮兩種工況,如表1所示。首先根據正常工況計算出限流孔板的孔徑d=21.3 mm;安全閥泄放時,限流孔板可能出現的最大壓差為1 800 kPa(安全閥泄放壓力設置為1.8 MPa),計算通過限流孔板的最大流量為9 085 kg/h。此時,安全閥的泄放量降低為1 085 kg/h。

表1 限流孔板的設計工況

3 設置防火保溫層

盛有液體的容器露在火災之中,容器內的液體因加熱汽化而導致設備超壓,安全閥泄放量由式(1)計算[4]。

W=2.55×105×F×A0.82/Hl

(1)

式中:W—質量泄放量,kg/h;

Hl—泄放條件下汽化熱,kJ/kg;

A—容器潤濕面積,m2;

F—容器外壁校正系數。

設計者可通過在容器外部設置完善的保溫層,減小容器外壁校正系數F,從而減少安全閥在火災工況下的泄放量。容器具有完善的保溫層時,F按式(2)計算:

F=k(904.4-Tf)/δins/66 570

(2)

式中:k—保溫材料的導熱系數,W/(m·k) ;

δins—保溫材料厚度,m;

Tf—泄放溫度,℃。

對于完善的絕熱材料保溫層的耐熱性能和機械強度,API521給出了明確的要求:1)保溫層應能耐受長達2 h且暴露溫度為904 ℃的情況;2)保溫層應能耐受消防的高壓水流的沖擊。常用的保溫材料如泡沫玻璃、石棉及保冷材料一般不耐燒,均不屬于完善保溫范疇,因此容器外壁校正系數F=1.0;硅纖及陶瓷纖維等保溫材料的耐受溫度較高,屬于完善保溫范疇。

表2為某項目中的丙烯儲罐在火災工況下安全閥的泄放量,不設置完善保溫層時,容器外壁校正系數F=1,安全閥的泄放量為26 970 kg/h。通過將該設備設置完善的保溫層(例如保溫材料選用硅纖,外保護層選用不銹鋼板),容器外壁校正系數F=0.007 3,安全閥的泄放量減少為197 kg/h。

表2 火災工況下丙烯儲罐安全閥的泄放量

4 設置可靠的安全聯鎖

公用工程失效等可能引起多個泄壓設備同時發生超壓風險,火炬系統則需要考慮同一事件引起的多個泄壓設備排放量的疊加,因此火炬系統需要考慮較大的排放負荷,導致工程投資過高。根據GB 50160—2008(2018年版)《石油化工企業設計防火標準》第5.5.19條[5]:裝置的主要泄壓排放設備宜采用適當的措施,以降低事故工況下可燃氣體瞬間排放負荷。化工裝置設計中一般采用自動控制聯鎖減排系統為各種事故工況下的排放量減量。如在主要塔器等設備上設置聯鎖,緊急切斷再沸器熱源輸入,防止設備超壓,可以大大減少或消除安全閥的排放量。這種自動控制聯鎖一般要求高安全級別,但是國內的標準中并沒有對高安全級別提出明確的要求,根據 API 521 的說明及工程經驗,自動控制聯鎖SIF回路的SIL等級應達到SIL2或以上級別,最終的SIL等級應取常規SIL定級與火炬排放量消減要求定級二者中的較高等級[6]。如圖4所示,某項目中塔A和塔B均設有壓力調節回路,安全閥均泄放到同一火炬系統。停電工況和循環水停水工況發生時,均可能導致塔A和塔B安全閥起跳,已知安全閥泄放量如表3所示。此時火炬系統需要承受的負荷為兩者疊加,處理量為68 500 kg/h。

表3 安全閥設計參數

圖4 塔器安全閥流程簡圖

將圖4中的壓力調節回路改為SIL等級較高的超壓聯鎖保護回路,如圖5所示。此時,火炬系統需要承受的負荷為兩者中較大值,即為38 000 kg/h。

圖5 塔器超壓聯鎖保護回路示意圖

5 結論

隨著化工裝置的大型化,化工裝置的火炬總負荷隨之增大。開展安全、低排放的火炬減排方案研究既可以提高企業的經濟效益,又可以帶來可觀的環境效益。

對化工裝置常用的幾種安全減排措施進行了總結:1)提高設備的設計壓力,達到本安型設計,可減少安全閥設置的數量。2)對于存在控制閥故障失靈全開的工況,通過在控制閥前串聯限流孔板,可減少安全閥的泄放量。3)通過對儲罐設置完善的防火保溫,可為火災工況下安全閥的排放量減量。4)對某一事故可能造成多臺設備同時超壓泄放的工況,通過設置可靠聯鎖,火炬負荷只需要考慮至少一個最大排放量聯鎖失效對火炬負荷的影響,而不需要考慮多個泄放設備泄放量同時疊加的工況。

以上安全減排措施主要用于減少火炬負荷,從而節省火炬系統的投資。同時也會減少安全閥起跳的頻率,提高化工過程的安全性能。