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丁二烯裝置安全排放系統(tǒng)優(yōu)化的探討

文檔作者：王志斌文檔來源：中國石化長城能源化工有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月02日
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★ 石油化工安全環(huán)保技術(shù)★
2014年第30卷第2期PETROCHEMICAL SAFETY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNO[ OGY
丁二烯裝置安全排放系統(tǒng)優(yōu)化的探討
王志斌
(中國石化長城能源化工有限公司，北京100120)
摘要：火炬是化工裝置中常見的設(shè)施，它在裝置發(fā)生超壓情況下對排放的物料進(jìn)行
燃燒， 以減少對環(huán)境的污染和破壞。目前國內(nèi)許多化工裝置的火炬負(fù)荷大都采用排量疊
加的方式，使得火炬系統(tǒng)普遍投資較高。安全儀表系統(tǒng)(SIS)是近年來新興的一種減少故
障發(fā)生頻率的手段，通過增加聯(lián)鎖裝置的等級，可以有效降低設(shè)備泄放的頻率，從而可
以降低火炬總管的排放量。主要探討了丁二烯裝置的安全排放系統(tǒng)是如何通過增加安全
儀表使系統(tǒng)得以優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：火炬SIL等級安全儀表系統(tǒng)
1 背景
1．1 安全儀表系統(tǒng)
安全儀表系統(tǒng)(SIS)是實現(xiàn)一個或多個儀表
安全功能所用到的儀表系統(tǒng)，由傳感器，邏輯解
算器和最終元件組成。
不斷降低裝置的安全風(fēng)險是石化裝置設(shè)計的
重要內(nèi)容之一。對于石化裝置來說，安全風(fēng)險主
要來源于工藝所涉及的危險物料和操作條件。沒
有采取任何保護(hù)措施前的風(fēng)險稱為工藝單元或設(shè)
備的初始風(fēng)險，初始風(fēng)險可以通過安全儀表功能
(SIF)以外的方法進(jìn)行降低，如可以通過增加壁
厚的方法來實現(xiàn)對超壓的保護(hù)。采取這些措施后
會形成一個中間風(fēng)險，如果中間風(fēng)險低于可承受
的風(fēng)險，則SIF是不需要的；如果中間風(fēng)險比可
承受的風(fēng)險高，則需要使用SIF來進(jìn)一步降低
風(fēng)險。
SIL為“安全完整性等級” 的英文簡稱，它
用來衡量安全儀表功能所必須具備的安全完整性
等級的非連續(xù)量，用SILl、SIL2、SIL3、SIIA進(jìn)
行表示。SIIA 為安全完整性水平的最高等級，
SILl為最低等級。
1．2 安全泄放系統(tǒng)
安全泄放系統(tǒng)主要由安全閥和火炬組成。安
全閥負(fù)責(zé)在達(dá)到設(shè)備和管路可承受的最大壓力
(定壓)之前起跳，以保護(hù)設(shè)備和管路；火炬負(fù)責(zé)
收集設(shè)備在安全閥起跳時泄放出來的物料并將其
，
燃燒為對環(huán)境無害化的成分排到大氣。
火炬背壓是火炬總管中由于其它安全閥的泄
放形成的背景壓力，一般情況下要求火炬背壓為
安全閥定壓的50％ 以下。
表1 風(fēng)險矩陣
需求頻 SIL
率次／年
D4 0 ～O．5 a2 2 3 4 b
需求 D3 O．5 4 a2 1 2 3 4
失效
概率 D2 4～2O al o2 1 2 3
Dl >20 al a2 1 2
經(jīng)濟 輕微 較小 局部 重大 巨大
L (萬元) 損失 損失 損失 損失 損失
<8 8～80 80～800 8oo一8 O0o >8 000
后果 健康與 輕微 較小 重大 單人 多人
分類 S 安全 傷害 傷害 傷害 死亡 死亡
E 環(huán)境 輕微 較小 局部 重大 巨大
影響 影響 影響 影響 影響
后果等級 1(N) 2(L) 3(M) 4(H) 5(E)
注：一般來說，對于SIL al，DCS報警即可滿足要求；對于
SIL a2，DCS聯(lián)鎖即可滿足要求。對于SIL a2，如果操作人員能
有足夠的時間處理危險情形，也可以僅用報警實現(xiàn)。
收稿日期：2013—09—11。
作者簡介：王志斌，男，2008年畢業(yè)于天津大學(xué)化
學(xué)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，長期從事石油化工工藝設(shè)
計工作，工程師。電話：010—51586468，E—mail：
wangzb．ccnh@ sinopec．con
★ 石油化工安全環(huán)保技術(shù) ★ 2014年第30卷第2期
2 問題的提出
火炬系統(tǒng)是保護(hù)石化裝置安全的重要設(shè)備之
一
。目前國內(nèi)設(shè)計的石化裝置在計算火炬總管時，
常?？紤]所有安全閥同時泄放的極端工況，這樣做
有兩個好處：一是計算簡便，不需要復(fù)雜的分析；
二是保守的設(shè)計所承擔(dān)的風(fēng)險最小。然而所有安全
閥同時排放這種情況在實際生產(chǎn)中發(fā)生的概率是極
小的，這種過度設(shè)計會造成火炬系統(tǒng)設(shè)備成本的提
高和不必要的物料排放造成的資源浪費。本文通過
對乙腈法制丁二烯裝置火炬排量的探討，提出一種
通過增加安全儀表系統(tǒng)的方案，來試圖解決火炬過
度設(shè)計的問題，以期待大幅度降低火炬負(fù)荷，達(dá)到
節(jié)能減排，避免資源浪費的目的。
3 丁二烯裝置火炬排放的現(xiàn)狀
精餾操作是石化裝置最常見的一種單元操
作，它通過物質(zhì)相對揮發(fā)度的不同來分離輕重組
分。所以精餾塔也是石化裝置中加熱量最大，冷
卻用量最大的用戶之一。而在塔頂冷卻水缺失的
情況下，精餾塔中的氣相物料得不到冷卻，會造
成超壓排放；同時若發(fā)生停電工況，既使塔頂物
料得到冷卻，但是塔頂?shù)幕亓鳠o法回到塔頂，也
會造成塔頂超壓排放。所以精餾塔(或一些蒸發(fā)
罐)是最容易超壓排放的設(shè)備，尤其是在停水停
電工況，很可能會造成多個塔同時超壓排放，這
個時候的火炬負(fù)荷往往是最大的。
乙腈法制丁二烯是典型的通過從裂解碳四中
抽提丁二烯組分的裝置，其主要設(shè)備是精餾塔，
現(xiàn)以某9萬t／a的丁二烯裝置典型的火炬負(fù)荷為
例，探討如何通過增加安全儀表系統(tǒng)的等級來達(dá)
到火炬減負(fù)荷的目的。
國內(nèi)某9萬t／a丁二烯裝置在停水停電工況
下泄放量的統(tǒng)計見表2。
表2 丁二烯裝置停水停電時泄放量統(tǒng)計
設(shè)備 被保護(hù)系統(tǒng) 排放量／(kg·h )
D一1O01 進(jìn)料蒸發(fā)罐 22 250
T—loo1A／B 第一萃取精餾塔 50 575
T一1002／T一1003 汽提塔／第二萃取精餾塔 40 978
T一2002 脫輕塔 l7 566
T一2003 脫重塔 64 947
T一3oo2 溶劑回收塔 7 665
總量 203 981
由表2中數(shù)據(jù)可見，若不增加任何儀表安全
聯(lián)鎖措施，火炬在裝置停水停電的情況下，負(fù)荷
將達(dá)到204 t／h。
4 丁二烯裝置安全排放系統(tǒng)的優(yōu)化
由于停水停電工況發(fā)生后， 多個塔設(shè)備的
安全閥同時排放，火炬負(fù)荷太大，所以需要有
額外的安全聯(lián)鎖措施，但這個措施究竟需要什
么樣的配制，才能達(dá)到減小火炬排放的目的，
這就涉及到上文背景資料中談到的“安全完整
性等級” (SIL等級)的概念。SIL值越高，意
味著儀表安全完整性水平越高，也就意味著其
需要的檢測元件和動作元件配制的可靠性
越高。
4．1 SIL等級的確定
在風(fēng)險矩陣上，需求頻率和后果的交叉點即
是SIF的SIL值。對任何一個需求應(yīng)分別考慮經(jīng)
濟、健康與安全和環(huán)境的三種后果。最壞情形
(最高的等級)決定整體的后果等級。如果得分是
一樣的，則選其中任何一個作為等級即可。
一般來說，對于化工裝置，出現(xiàn)SIL4的可
能性極小。因此一旦出現(xiàn)SIL4，審查組應(yīng)進(jìn)行
仔細(xì)分析，應(yīng)改進(jìn)工藝設(shè)計尋求本質(zhì)安全以降
低對SIS的依賴。GB／T 21 109(等同采用IEC
61511)也不推薦使用SIL4。根據(jù)設(shè)備故障率、
人員危害情況、經(jīng)濟損失和環(huán)境危害等幾個方
面的評估，乙腈法丁二烯裝置火炬排放的安全
等級應(yīng)為SIL3。
4．2 SIF回路的實現(xiàn)
SIF回路的SIL確定后，SIF回路的配置及實
現(xiàn)要求應(yīng)符合GB／T 2l109(等同采用IEC 61511)
的有關(guān)要求，SIF回路的實現(xiàn)應(yīng)按T—SH050101C
進(jìn)行驗證，以驗證是否能滿足SIL要求。
表3給出了SIF回路的配置事例。
4．3 火炬減排的具體措施
由表3可以看到，SIL3的安全儀表系統(tǒng)最低
要求檢測原件需要3取2，實施原件至少需要2
選1。對于乙腈法丁二烯裝置，在前文所涉及的6
臺設(shè)備的頂部氣相管線設(shè)置3取2的壓力檢測元
件，在其底部的加熱源上設(shè)置雙閥切斷。具體的
聯(lián)鎖停車系統(tǒng)可設(shè)置如下：
2014年第30卷第2期 ★ 王志斌．丁二烯裝置安全排放系統(tǒng)優(yōu)化的探討 ★
表3 SIF回路的配置事例
SIL值 檢測元件配制 動作元件 檢測周期(年) 附加的最小條件
配制 檢測元件／動作元件
如果切斷沒有Tso(aght shut of緊密切斷)要求，并且聯(lián)鎖回路的起
SIL1 101(1取1) 101 5／5 跳主要不是由控制閻引起，則動作元件可以用控制閥；控制閥如有旁
路則應(yīng)鎖關(guān)
SIL2 1002(2取1) 1ool 3／4 切斷閥帶診斷
SIL2 l 如果切斷沒有 TSO要求，并且聯(lián)鎖回路的起跳主要不是由控制閥引
002 1002 5／5 起
， 則其中一個動作元件可以用控制閥；控制閻如有旁路則應(yīng)鎖關(guān)
SIL2 2 如果切斷沒有 TSO要求，并且聯(lián)鎖回路的起跳主要不是由控制閥引
003(3取2) 1002 5／5 起
， 則其中一個動作元件可以用控制閥；控制閥如有旁路則應(yīng)鎖關(guān)
SIL2 2003 1ool 5／5 切斷閥帶診斷
檢測元件互相比較測量值。三個閥門中至少有一個是切斷閥。如果
SIL3 2003 i003(3取I) 5／5 切斷沒有TSO要求，并且聯(lián)鎖回路的起跳主要不是由控制閥引起，則
其中兩個動作元件可以用控制閩?？刂崎y不能有旁路
檢測元件互相比較測量值。如果切斷沒有TSO要求，并且聯(lián)鎖回路
SIL3 2003 1002 2／4 的起跳主要不是由控制閥引起，則其中一個動作元件可以用控制閥。
控制閥不能有旁路?？刂崎搸чy位回讀
切斷閥帶診斷。檢測元件互相比較測量值。如果切斷沒有Ts0要
SIL3 2003 1002 5／5 求，并且聯(lián)鎖回路的起跳主要不是由控制閥引起，則其中一個動作元
件可以用控制閥?？刂崎y不能有旁路?？刂崎y帶閥位回讀
Tri P1：進(jìn)料蒸發(fā)罐或一萃系統(tǒng)超壓，停溶
劑循環(huán)泵及切斷一萃塔釜蒸汽再沸器的蒸汽；
Tri P2：汽提塔或二萃系統(tǒng)超壓，切斷汽提
塔再沸器蒸汽；
Tri P3：脫輕塔系統(tǒng)超壓，切斷再沸器溶劑
側(cè)進(jìn)料；
Tri P4：脫重塔系統(tǒng)超壓，切斷溶劑再沸器
溶劑側(cè)進(jìn)料和切斷蒸汽凝液再沸器凝液側(cè)進(jìn)料；
Tri P5：溶劑回收塔系統(tǒng)超壓，切斷蒸汽再
沸器蒸汽側(cè)進(jìn)料。
在丁二烯裝置的上述兒個設(shè)備上采用SIL3等
級的安全聯(lián)鎖措施，可以保證在發(fā)生停水停電后
安全儀表系統(tǒng)能夠處理這種事故的后果，而將火
炬的排放減少到零。
4．4 合理優(yōu)化
任何一個儀表聯(lián)鎖系統(tǒng)都不是絕對可靠的，
即使選擇使用SIL3等級的儀表聯(lián)鎖對丁二烯裝置
的安全排放系統(tǒng)進(jìn)行自控，期待能將火炬排放減
小到0也是不切實際的。因此，假設(shè)其中一個
SIL3等級的聯(lián)鎖失效，作為對這個火炬排放系統(tǒng)
最后的一級保護(hù)。保守起見，選擇排量最大的設(shè)
備脫重塔，將其事故狀態(tài)泄放且聯(lián)鎖失效后排入
火炬的量作為火炬的最大負(fù)荷：65 t／h。
與此同時，若火炬余量允許，還可以將溶劑
回收塔的聯(lián)鎖取消，由于7．6 t的排量比較小，
在火炬負(fù)荷增加不大的情況下，減少一個SIL3等
級的聯(lián)鎖也是非常經(jīng)濟的。而且一個裝置中過多
的SII_3等級的聯(lián)鎖也是不提倡的。
與之前考慮停水停電工況下各設(shè)備同時排放
時的204 t／d泄放量相比，增加SIL3等級的安全
儀表聯(lián)鎖優(yōu)化后的火炬負(fù)荷為72．6 t／h，僅為之
前的36％
5 結(jié)語
雖然SIL等級較高的儀表聯(lián)鎖成本較高，但
合理的使用可以提高裝置可靠水平，較大幅度的
降低火炬負(fù)荷。特別是在裝置不新建火炬，而所
依托的火炬余量有限的情況下，改造火炬的費用
往往是遠(yuǎn)大于儀表聯(lián)鎖的投入的。這時候通過合
理的分析確定所需聯(lián)鎖自控的SIL等級，增加相
應(yīng)的儀表安全聯(lián)鎖配置，可以在保證安全的前提
下盡量利用原有火炬進(jìn)行安全排放。
參考文獻(xiàn)：
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北京：化學(xué)_z-,lk部，1996．
[2] GB／T 21109過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)
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