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石化裝置串壓?jiǎn)栴}及其安全完整性評(píng)估

文檔作者：莊力健朱建新陳學(xué)東方向榮袁文彬文檔來(lái)源：合肥通用機(jī)械研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2020年12月28日
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第4O卷第4期
2011年7月
石油化工設(shè)備
PETRO-CHEMICAL EQUIPMENT
Vo1．40 NO．4
July 2011
文章編號(hào)：1000—7466(2011)04～0020—05
石化裝置串壓?jiǎn)栴}及其安全完整性評(píng)估
莊力健，朱建新，陳學(xué)東，方向榮，袁文彬
(合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥230031)
摘要：對(duì)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)(SIS)安全完整性定量評(píng)估中所發(fā)現(xiàn)的石化裝置串壓?jiǎn)栴}以及預(yù)防串壓危
險(xiǎn)聯(lián)鎖系統(tǒng)的必要性進(jìn)行了詳細(xì)的探討，提出了改進(jìn)意見(jiàn)。開(kāi)發(fā)了一套在發(fā)生串壓時(shí)，管網(wǎng)流量以
及壓降的計(jì)算方法，并通過(guò)實(shí)例進(jìn)行了說(shuō)明，此研究結(jié)果對(duì)提高串壓系統(tǒng)工藝及聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有
一定的參考意義。
關(guān)鍵詞：石化裝置；安全聯(lián)鎖系統(tǒng)；安全完整性等級(jí)；串壓；壓降
中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 050．7；TH 47 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B
High—pressure Letdown Problem in Petrochemical Plants
and Its Safety Integrity Assessment
ZHUANG Li-j ian，ZHU Jian—xin，CHEN Xue—dong，F(xiàn)ANG Xiang-rong，YUAN Wen。bin
(Hefei General M achinery Research Institute，Hefei 230031，China)
Abstract：The necessity and sufficiency of the safety instrumented system which prevented the
high—pressure letdown was discussed。and improvement suggestions were proposed． The high—
pressure letdown flux and pressure drop were calculated by a newly developed calculation method
which was explained by a detailed example．The results of the research had reference significance
in the improvement of the high—pressure letdown technology and the design of safety instrumented
system ．
Key words： petrochemical plant；safety instrumented system；safety integrity level；high—pres—
sure letdown；pressure drop
近年來(lái)，安全聯(lián)鎖系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱SIS)在過(guò)程工業(yè)
的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其可靠性對(duì)于企業(yè)安全的影響
十分巨大[1 ]。因此，開(kāi)展過(guò)程工業(yè)聯(lián)鎖系統(tǒng)功能
安全完整性等級(jí)(SIL)定量評(píng)估，對(duì)于確保過(guò)程工
業(yè)安全具有重要作用。SIL作為一種新的安全管理
技術(shù)，是今后企業(yè)安全管理以及設(shè)計(jì)制造的發(fā)展方
向之一 6～ 。
在將近5 a的時(shí)間內(nèi)，筆者與有關(guān)人員對(duì)數(shù)個(gè)
石化工廠10多套石化裝置進(jìn)行了SIL評(píng)估。在評(píng)
估中發(fā)現(xiàn)了諸多的典型安全問(wèn)題，其中之一是串壓
問(wèn)題。串壓會(huì)使高低壓分離系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)難性事故，
該系統(tǒng)普遍存在于加氫裂化、重油加氫、高壓聚乙烯
等裝置中，是具有重大失效可能的工藝單元。圍繞
著石化裝置的安全往往設(shè)計(jì)大量的聯(lián)鎖回路進(jìn)行保
收稿日期：2010—02—2o
基金項(xiàng)目：國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2008BAK02B02)；安徽省國(guó)際科技合作項(xiàng)目(0808070302)；安徽省自然
科學(xué)基金項(xiàng)目(1 1040606M106)
作者簡(jiǎn)介：莊力健(1981一)，男，浙江金華人，工程師，碩士，從事石化裝置工程風(fēng)險(xiǎn)分析及生產(chǎn)系統(tǒng)安全研究工作
。
第4期 莊力健，等：石化裝置串壓?jiǎn)栴}及其安全完整性評(píng)估
護(hù)，聯(lián)鎖的拒動(dòng)作或操作工對(duì)高低壓分離器之間的
調(diào)節(jié)閥等管路元件的誤操作均會(huì)引起串壓，在極短
的時(shí)間內(nèi)使低壓容器超壓，甚至爆炸，使人員與財(cái)產(chǎn)
遭受巨大損失。例如1987年英國(guó)Grangemouth工
廠發(fā)生的加氫裂化裝置低壓分離器爆炸事件 ]。
在進(jìn)行SII 評(píng)估的裝置中，發(fā)現(xiàn)大部分裝置的高低
壓分離系統(tǒng)的安全完整性等級(jí)無(wú)法達(dá)到要求，存在
著較大的安全隱患。
文中提出了一種在發(fā)生串壓時(shí)管網(wǎng)流量以及壓
降的計(jì)算方法，依據(jù)該方法的計(jì)算結(jié)果，給出了串壓
問(wèn)題的解決方法，從而使高低壓分離系統(tǒng)能夠接近
或者達(dá)到安全完整性等級(jí)要求。
l 串壓原因分析
串壓是指由于某種原因?qū)е赂邏喝萜髦械囊后w
走空使得高壓容器內(nèi)的氣體串人低壓容器，而低壓
容器上安全泄放裝置(如安全閥、爆破片等)的排放
能力小于安全泄放量，從而導(dǎo)致低壓容器損壞甚至
發(fā)生爆炸。
從所評(píng)估的幾個(gè)石化廠的幾套不同的裝置中，
可以發(fā)現(xiàn)造成串壓主要有以下幾點(diǎn)原因。
(1)不論在原始工藝設(shè)計(jì)還是在實(shí)際操作中，
總會(huì)人為高估管道阻力，以獲得偏保守的結(jié)果，以使
工藝操作更具彈性。由于缺乏對(duì)下游裝置安全的全
面分析，導(dǎo)致實(shí)際偏危險(xiǎn)的結(jié)果。如典型石化裝置
中存在現(xiàn)有安全閥的排放能力不足、安全閥缺乏失
效狀態(tài)下最大流量校核等問(wèn)題。
(2)由于設(shè)計(jì)階段未充分考慮風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)理
念，缺乏精確的過(guò)程安全分析及校核，致使對(duì)操作工
操作的可靠性提出了很高要求，以致于無(wú)法滿足風(fēng)
險(xiǎn)可接受水平。但是往往在發(fā)生串壓時(shí)，在極短的
時(shí)間內(nèi)就有可能發(fā)生災(zāi)難性后果，同時(shí)即使在正常
情況下亦不能保證正確操作。有統(tǒng)計(jì)表明，人為失
誤導(dǎo)致的傷亡事故占傷亡事故總數(shù)的70 ～90 。
如2005年吉林石化雙苯廠車(chē)間的爆炸事故就是由
操作工誤操作引起的 ]。
(3)在一些設(shè)計(jì)較早的石化裝置高低分離單元
中，由于限于裝置的自動(dòng)化水平，部分高壓串低壓?jiǎn)?
元中未設(shè)置自動(dòng)聯(lián)鎖。
2 串壓?jiǎn)栴}分析計(jì)算
2．1 串壓計(jì)算原則及方法
目前，在大型工程設(shè)計(jì)中，普遍采用等效長(zhǎng)度法
來(lái)計(jì)算管道壓降。該方法在工程設(shè)計(jì)中便捷實(shí)用，
但是在簡(jiǎn)化過(guò)程中忽略了管道阻力壓降系數(shù)隨流動(dòng)
狀態(tài)變化的事實(shí)，即管道部件阻力系數(shù)隨流速或者
管徑的增加而減小。
等效長(zhǎng)度法對(duì)工程設(shè)計(jì)給出了一個(gè)偏保守的結(jié)
果，在給定上下游壓力情況下，對(duì)管道總阻力進(jìn)行了
偏高的計(jì)算，從而得到的設(shè)計(jì)所要求的管徑大于實(shí)
際所要求的。若用等效長(zhǎng)度法進(jìn)行安全完整性評(píng)
估，得到的結(jié)果偏不安全，即在給定上下游壓力及實(shí)
際管道直徑與長(zhǎng)度的情況下，實(shí)際所能通過(guò)該管道
的流量大于用該方法計(jì)算得到的流量。若下游設(shè)備
的安全附件按照該方法計(jì)算得到的流量進(jìn)行設(shè)置，
則系統(tǒng)存在安全問(wèn)題。
在SII 評(píng)估中，對(duì)于高低壓分離系統(tǒng)應(yīng)首先確
定其下游裝置(低壓容器)上的安全附件是否可作為
一個(gè)獨(dú)立的保護(hù)層，即安全閥、爆破片等的排量是否
足夠。故需對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)阻力進(jìn)行精確計(jì)算，從而得
到管網(wǎng)在SIS失效(或不存在)情況下的最大流量，
進(jìn)而判斷該高低壓分離系統(tǒng)是否存在串壓?jiǎn)栴}。
文中提出了一種在高低壓分離系統(tǒng)發(fā)生串壓
時(shí)，精確計(jì)算管網(wǎng)流量以及壓降的方法。在該方法
中，管道上所有管件的壓降均按照HTFS handbook
的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算口 。
2．2 示例計(jì)算
以某石化廠的一個(gè)具體工況來(lái)說(shuō)明石化裝置中
存在的串壓?jiǎn)栴}以及算法。在此算例中，用來(lái)防止
串壓的聯(lián)鎖為手動(dòng)聯(lián)鎖，計(jì)算流程見(jiàn)圖1。
汁算通過(guò)讕1， 的川 能的最
大質(zhì)量流蛀(液柏)
得刨通過(guò)調(diào)節(jié)閥的實(shí)際液相
質(zhì) 流最(試差計(jì)算)
得到總的液相泄放質(zhì)囂流量
一有足夠的操作時(shí)間
(泄放時(shí)間大于15min)
無(wú)足夠的操作時(shí)問(wèn)
(泄放時(shí)間不大于15 min)
‘ 算通過(guò)淵1 閥的【】J‘能的最大
質(zhì) 流量(氣棚)
得到通過(guò)調(diào) 閥的實(shí)際氣相質(zhì)
最流量(試差計(jì)算)
安個(gè)附件的滯放能力是 ===—
、、、
● 小足
低壓容器危險(xiǎn)，視具體情況對(duì)I f低壓容
聯(lián)鎖以及安傘附件等進(jìn)行改進(jìn)l I器安全
圖1 串壓流量計(jì)算流程
石油化工設(shè)備 2011年第4O卷
高壓分離器(以下簡(jiǎn)稱高分)與低壓分離器(以
下簡(jiǎn)稱低分)之間除了正常的管道聯(lián)接(B路)之外，
另加一路(A路)至液力透平進(jìn)行能量回收，管路圖
見(jiàn)圖2。
圖2 高分至低分之 】的管路圖
2．2．1 已知條件
高分低低報(bào)警時(shí)的液柱高度H一0．97 m。調(diào)
節(jié)閥B的流量系數(shù)C =30，壓力恢復(fù)系數(shù)FL一
0．8；高分的液相進(jìn)料量q 。一136 t／h，高分的操作
壓力P 高分一16．48 MPa。低分的設(shè)計(jì)壓力P。低分一
2．16 MPa，操作壓力P 低分=1．96 MPa。
正常操作狀態(tài)下，透平一路質(zhì)量流量q 一
123．0 t／h，壓降A(chǔ)pA一12．0 MPa。
假設(shè)剛發(fā)生串壓時(shí)，高分壓力 高分一P 高分一
16．48 MPa，低分壓力戶低分一2．48 MPa(低分設(shè)計(jì)
壓力P．低分的1．15倍)。
2．2．2 泄放時(shí)間計(jì)算
SIS失效走液體時(shí)，(， A一123 t／h=34．2 kt／s。
通過(guò)B路的流量需要試差計(jì)算，B路的射流緊縮壓
力P 。由下式計(jì)算：
Pvc、一(0．96—0．28~／戶 ／p ) (1)
式中，P 為飽和蒸汽壓，P 為流體熱力學(xué)臨界壓力
(絕對(duì)壓力)，MPa。
P 與P 均可根據(jù)高分內(nèi)的物流參數(shù)，查相應(yīng)
的熱力學(xué)手冊(cè)得到，此處可得P、， 一5．03 MPa。
液相流體通過(guò)調(diào)節(jié)閥的體積流量q (m。／h)可
以按照下式確定：
一一 (Ap~ F ( 1- Pvc))
c
p— P1一p 2
(2)
(3)
式中，P 為閥入口壓力，Pz為閥出口壓力，Ap為調(diào)
節(jié)閥人口壓力與出口壓力之差，MPa；G為比重。
首先取調(diào)節(jié)閥兩端壓差的最大值，即P 取
高分一16．48 MPa，P2取 低分一2．48 MPa。
由式(2)～式(3)可得到該工況下通過(guò)調(diào)節(jié)閥B
的液相體積流量q 一294．07 m。／h，相應(yīng)的質(zhì)量流
量q e一45．82 kg／h。以此流量計(jì)算各段管路阻力，
重新計(jì)算B閥的上下游壓差A(yù)p ，以此壓差計(jì)算通
過(guò)調(diào)節(jié)閥B的液相質(zhì)量流量q ，反復(fù)試差。
當(dāng)通過(guò)B閥的質(zhì)量流量q 一45．14 kg／s時(shí)，B
閥人口壓力P 一16．14 MPa，出口壓力P 一
1．88 MPa，Ap≥F (P 一Pvc)，通過(guò)B閥的液相質(zhì)
量流量q 一45．139 kg／s，試差成功。即當(dāng)聯(lián)鎖失
效發(fā)生串壓時(shí)，A、B兩路質(zhì)量流量分別為q 一
123 t／h=34．2 kg／s，qmB：45．14 kg／s，g 總=q A+
q B一79．34 kg／s。
高分內(nèi)的液量質(zhì)量為2 260．5 kg，液相進(jìn)料量
q 。一136．O t／h，可以得到液柱走空時(shí)間為54．4 S。
異常工況發(fā)生后所允許的操作時(shí)間與人員出錯(cuò)概率
(HEP)關(guān)系圖見(jiàn)圖3。由圖3可得，當(dāng)操作時(shí)間小
于15 rain時(shí)，人員的出錯(cuò)概率接近于100 l】 。由
此可見(jiàn)，當(dāng)發(fā)生串壓時(shí)，將系統(tǒng)的安全完全寄托在操
作工緊急情況下的正確操作是不可能的。
褂
樞
弭
Ⅱ
<
發(fā)生異常工況所允許的處理時(shí)悔】／rain
圖3 異常工況發(fā)生后所允許的操作時(shí)間與
人員出錯(cuò)概率關(guān)系圖
2．2．3 串壓流量計(jì)算
串壓時(shí)，由高分進(jìn)入低分的氣相分兩路。將透
平一路視為2個(gè)孔板(透平為一個(gè)孔板，還有另一個(gè)
虛擬孔板)。之所以等效為2個(gè)孔板，其中之一為透
平本身所產(chǎn)生的阻力，另外一個(gè)為轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子所產(chǎn)
生的阻力，當(dāng)透平停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，該值為o。在該工況
下，已知透平的壓降和流量，可以得到虛擬孔板的流
量和壓降，從而計(jì)算出虛擬孔板的直徑，用于后面氣
體流量的計(jì)算。
第4期 莊力健，等：石化裝置串壓?jiǎn)栴}及其安全完整性評(píng)估
SIS失效時(shí)，認(rèn)為透平阻力為0，按一個(gè)虛擬孔
板計(jì)算這一路管路的流量。
虛擬孔板的截面積A(mm )可以由以下公式
計(jì)算：
A一 √ ㈤
其中 Ap 一聲 —
式中，q為流體的質(zhì)量流量，t／h；P 為泄放壓力，
為背壓，kPa；Ka為泄放速率系數(shù)，K 為背壓修正
因子，K 為組合修正因子，K 為泄放速率修正因
子。
本例中P 一戶 高分一16．48 MPa，P 一 低分+
△ A===13．96 MPa，q一123．0 t／h，Kd一0．62，K 一
1．0，K ：1．0，K 一1．0，G一0．56，帶入式(4)可得
虛擬孑L板直徑d一36．32 mm。
當(dāng)SIS失效開(kāi)始串壓時(shí)，虛擬孔板兩端的壓力
分別為 lA一16．48 MPa和 2A一2．48 MPa，由下
式可以計(jì)算得到串氣工況時(shí)，通過(guò)該虛擬孔板的質(zhì)
量流量。
A一麗13 160W√ (5)
式中，w 為孔板的泄放速率，kg／h；C為氣體特性系
數(shù)；P 為孔板的排放壓力(絕壓)，kPa；K 為背壓修
正因子；M 為氣體摩爾質(zhì)量，kg／kmol；T為氣體的
溫度，K；Z為氣體在操作溫度下的壓縮系數(shù)。
本例中，A一7rd ／4—1 036．84 mm ，C一353，
Kd一0．62，P1— 16．48 MPa，Kb一1．0，K 一1．0，
M 一5．5 kg／kmol，T一322．15 K，Z一0．95，可得
W 一10．59 kg／s，即串氣時(shí)A 路的質(zhì)量流量q —
W 一10．59 kg／s。
對(duì)于B路，SIS失效時(shí)，氣體流量需要試差計(jì)
算。氣相流體通過(guò)調(diào)節(jié)閥B的體積流量可以按照
下列公式計(jì)算：
(△戶< 0．5FL 2Pt)
c△ ~0．5FI．2
(6)
先取調(diào)節(jié)閥B兩端壓差的最大值，即 取
p高分一16．48 MPa，p2取P低分===2．48 MPa。由式
(3)以及式(6)可以得到該工況下通過(guò)調(diào)節(jié)閥B的
氣相體積流量(288．15 K，1 013 kPa條件下)qvB一
126 416．49 m。／h，此條件下的氣體密度p=
0．23 kg／m。，質(zhì)量流量q B一8．08 kg／s。
以此流量計(jì)算各段管路阻力，重新計(jì)算調(diào)節(jié)閥
B的上下游壓差A(yù)p。，以此壓差計(jì)算通過(guò)調(diào)節(jié)閥B
的氣相質(zhì)量流量q 。，反復(fù)試差。此處計(jì)算時(shí)，氣體
的密度隨著壓力的變化而變化，同時(shí)在計(jì)算過(guò)程中
應(yīng)注意是否已發(fā)生臨界流。
當(dāng)通過(guò)調(diào)節(jié)閥B 的氣相質(zhì)量流量q 一
7．99 kg／s時(shí)，調(diào)節(jié)閥B 的入口壓力P 一
16．30 MPa，出口壓力P2— 3．79 MPa，Ap<
0．5F- ，通過(guò)B 閥的氣相質(zhì)量流量q 一
7．99 kg／s，試差成功。
故高分向低分串入氣體時(shí)，B路質(zhì)量流量q 一
7．99 kg／s，而高分向低分串入氣體的總質(zhì)量流量
q 總一qmA+q B一18．59 kg／S。
2．2．4 安全閥泄壓速率
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料，低分上裝有一只喉徑為
95．3 mm的安全閥。
根據(jù)《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》
和《壓力容器建造規(guī)則— —ASME鍋爐及壓力容器
規(guī)范》【】 ，安全閥的排放能力W (kg／h)由以下公式
計(jì)算：
w 啊7．6X10～CKpdA1√ (7)
廠——— ——
其中 c一52o√尼(南)
是=c ／c
式中，C為氣體特性系數(shù)，忌為氣體絕熱系數(shù)；C 為
比定壓熱容，f 為比定容熱容，J／(kg·K)；K 為排
放系數(shù)； 為安全閥的排放壓力(絕壓)，MPa；A
為安全閥的最小排放截面積，mm 。
本例，c 一33．5 J／(kg·K)，CV一25．2 J／(kg·
K)，走一1．33，C一349．0，K一0．65， d一2．595 MPa，
A 一7 133．06 mm ，M 一5．5 kg／kmol，T一49+
273．5一(321．15)K，z一0．95，可計(jì)算得到低壓容器
上安全閥的泄放能力W 一11．9 kg／s。
由于q卅總>‰泄壓，所以當(dāng)SIS失效時(shí)，低分上安
全閥的排放能力不足。
3 串壓系統(tǒng)的安全完整性評(píng)估
在對(duì)高低壓分離系統(tǒng)進(jìn)行SIL評(píng)估時(shí)，應(yīng)對(duì)系
統(tǒng)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)及其產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，同時(shí)
應(yīng)采用精確的過(guò)程安全分析方法對(duì)影響串壓的因
素，包括串壓發(fā)生的根源、管道阻力的確定、安全閥
選型等進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析。
通過(guò)對(duì)該實(shí)例的分析計(jì)算可以知道，高分內(nèi)
· 24 · 石油化工設(shè)備 2011年第4O卷
液柱走空時(shí)間過(guò)短，操作工沒(méi)有足夠的時(shí)間做出
正確的處理，故需將聯(lián)鎖改為自動(dòng)聯(lián)鎖。同時(shí)由
q A

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