在加氢装置中, 通常设有3台高压泵:高压反应进料泵、注水泵、高压贫胺液泵。3台泵出口均直接与循环氢系统连通, 泵入口为低压, 且一般设置有低压介质缓冲罐。一旦这些泵停止运行, 若没有及时关闭泵出口切断阀, 则高压循环氢会逆流至泵入口低压介质缓冲罐, 极易引发灾难性事故。例如2018年4月, 某石化公司柴油加氢装置因事故处理不当, 造成高压氢气逆流串入低压原料罐, 引发火灾爆炸事故。

1 国内常见高压泵出口防逆流设计方案

1.1 高压泵出口设置止回阀 (方案Ⅰ)

高压泵出口设置止回阀是最常用的防逆流串压手段。对于泵出入口压差高于4.0 MPa的加氢装置每台泵出口设双止回阀, 且要求选用不同类型的止回阀;根据SH/T 3122—2013《炼油装置工艺管道流程设计规范》要求, 止回阀宜设在泵出口管嘴与泵出口第一道切断阀之间, 详见图1。

图1 高压泵出口设置止回阀 (方案Ⅰ)

1-泵;2-泵出口;3-上回阀;4-切断阀

实际上, 止回阀只能防止大量流体逆流, 不能阻止少量流体泄漏和完全密封, 而且阀体比较容易损坏。有不同类型的双止回阀设置, 在某些国外公司的内部标准中被认可作为阀门第一道失效时 (10年1次) 的保护屏障。而依据AQ/T 3054—2015《保护层分析 (LOPA) 方法应用导则》的要求, 止回阀已经不能作为一道独立的保护层 (IPL)。

1.2 高压泵出口流量调节阀接入SIS系统 (方案Ⅱ)

如图2所示, 泵出口流量调节阀接入SIS系统, 当泵停止运转时, 联锁信号传递至调节阀, 由系统控制其关闭。此方案未设置单独的紧急切断阀, 由流量调节阀兼任行使紧急切断阀功能之职, 但缺点是调节阀关闭速度慢, 仍存在高压循环氢逆流串压的风险。

1.3 高压泵出口设置独立的紧急切断阀 (方案Ⅲ)

如图3所示, 在泵出口设置独立的紧急切断阀, 采用SIS系统联锁控制。与前两种防逆流设计方案相比, 此方案可靠性更高, 可以更迅速地关闭阀门。

图2 高压泵出口流量调节阀接入SIS系统 (方案Ⅱ) 

1-流量计;2-调节阀;3-SIS系统信号

图3 高压泵出口设置紧急切断阀 (方案Ⅲ) 

1～4注释见图1;5-紧急切断阀;6-SIS系统信号

2 紧急切断阀联锁设计

紧急切断阀一般由SIS联锁系统控制其开启和关闭。联锁关闭的目的是如遇上游泵停止工作的情况, 可避免循环氢逆流反串到低压系统。上游泵停止运转通常有:1) 各种原因导致的装置泄压阀开启, 联锁停止高压反应进料泵、注水泵及高压贫胺液泵运转。2) 泵本身原因导致的高压反应进料泵、注水泵及高压贫胺液泵停运。

借鉴装置实际运行中遇到的问题, 建议设置紧急切断阀相关联锁传递的先后顺序是:

当装置泄压联锁触发时, ①直接传递信号到高压泵出口紧急切断阀并将其关闭;同时将停泵信号传送到高压泵。②不采用:泄压联锁停泵信号先送至高压泵使其停运, 此时, 泵出口流量低低联锁触发关闭泵出口紧急切断阀。采用步骤①可以避免因泵出口流量低低联锁故障或者此联锁被旁路, 导致无法关闭泵出口紧急切断阀的情况。

3 紧急切断阀选型

紧急切断阀的关闭时间与高压泵出口逆流串压风险有直接关系。紧急切断阀的行程时间与管径密切相关, 通常遵循的原则是1.5 s/英寸, 紧急切断阀的最大行程时间 (阀门从正常操作位置到联锁要求的安全位置的时间) 不应超过10 s^[4]。综合国内外工程设计及装置实际运行经验, 对于DN100mm以下管道的紧急切断阀, 关闭时间可以不做强制要求。DN100mm以上管道的紧急切断阀, 关闭时间可以被限制在5 s以内。

根据SH/T 3005—2016^[4], 紧急切断开关阀, 应首选仪表空气故障关型 (FC) 或仪表空气故障开型 (FO) 。作为高压泵出口防逆流串压紧急切断阀, 应选仪表空气故障关型开关阀 (FC) 。

4 结语

1) 加氢装置为避免高压泵出口高压循环氢逆流串压至低压系统, 应在泵出口设置止回阀, 且设置独立的紧急切断阀^[5]。

2) 紧急切断阀联锁关闭信号, 应与上游高压泵停泵信号同步接收, 避免信号传递中断。

3) 紧急切断阀宜采用气动切断阀, 关闭时间宜小于5 s, 以避免潜在的逆流串压风险。