緊急切斷閥在油品罐區(qū)中的應(yīng)用

陳麗君，李康康，賈玉明

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266100)

近年來，中國對化工油品罐區(qū)(以下簡稱罐區(qū))安全生產(chǎn)的要求不斷提高，安全儀表系統(tǒng)(SIS)作為一種重要的保護(hù)措施在罐區(qū)中的應(yīng)用越來越廣泛。為了確保安全生產(chǎn)，對罐區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)的危險及風(fēng)險分析，識別出罐區(qū)可能存在的重大風(fēng)險和隱患，根據(jù)風(fēng)險分析結(jié)果，完善安全保護(hù)措施，降低事故發(fā)生的概率，提高罐區(qū)的總體安全水平[1]。作為SIS安全聯(lián)鎖的最終執(zhí)行元件，緊急切斷閥的合理選型及安全運行至關(guān)重要。筆者依據(jù)某罐區(qū)改造項目，研究和總結(jié)了緊急切斷閥的選型設(shè)計及安全聯(lián)鎖方案，探討了其在罐區(qū)中的實際應(yīng)用問題。

1 罐區(qū)緊急切斷閥和SIS的設(shè)置依據(jù)

罐區(qū)緊急切斷閥安裝于儲罐進(jìn)出口管道上，遇到緊急情況時能夠通過SIS聯(lián)鎖或手動控制快速切斷，避免事故范圍擴(kuò)大，減少事故損失。

原國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局第121號文《化工和危險化學(xué)品生產(chǎn)經(jīng)營單位重大生產(chǎn)安全事故隱患判定標(biāo)準(zhǔn)(試行)》[2]中將“構(gòu)成一級、二級重大危險源的危險化學(xué)品罐區(qū)未實現(xiàn)緊急切斷功能；涉及毒性氣體、液化氣體、劇毒液體的一級、二級重大危險源的危險化學(xué)品罐區(qū)未配備獨立的安全儀表系統(tǒng)”判定為重大生產(chǎn)安全事故隱患。

罐區(qū)緊急切斷閥與SIS的設(shè)置相輔相成，通過設(shè)置緊急切斷閥構(gòu)建安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，可實現(xiàn)緊急停車功能，有效維護(hù)罐區(qū)安全。

依據(jù)GB/T 50770—2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》[3]和IEC61511-1—2003FunctionalSafety-SafetyInstrumentedSystemsfortheProcessIndustrySector[4]的規(guī)定，對罐區(qū)工藝過程進(jìn)行過程危險和風(fēng)險分析(HAZOP分析等)，確定保護(hù)層需求，提出需設(shè)置報警和聯(lián)鎖的安全儀表功能(SIF)回路，通過保護(hù)層分析(LOPA)等方法確定各SIF回路的安全完整性等級(SIL)，最終來配置SIS。對于未進(jìn)行危險及風(fēng)險分析和SIL等級評估的罐區(qū)，則應(yīng)滿足原國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局文件及相關(guān)規(guī)定，對涉及毒性氣體、液化氣體、劇毒液體的一級或二級重大危險源的罐區(qū)應(yīng)配備獨立的SIS，SIL等級應(yīng)按SIL2考慮。

2 罐區(qū)緊急切斷閥的選型設(shè)計

緊急切斷閥與普通開關(guān)閥的主要功能區(qū)別在于緊急切斷閥在發(fā)生事故時仍能執(zhí)行動作且響應(yīng)快速，因此在選型時對于緊急切斷閥的配置要求更高。筆者在設(shè)計過程中除了依據(jù)SH/T 3005—2016《石油化工自動化儀表選型設(shè)計規(guī)范》[5]，還重點參考了《液化烴球罐緊急切斷閥選型設(shè)計規(guī)定》(中國石化建[2011]518號文)，該規(guī)定對于緊急切斷閥的技術(shù)性能、閥門材質(zhì)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型、檢驗與測試等都做了比較詳細(xì)的規(guī)定。

2.1 閥體的選擇

球閥、閘閥和蝶閥均可用作罐區(qū)緊急切斷閥。球閥結(jié)構(gòu)簡單、密封性好，但大口徑球閥價格較高，因此一般用于DN200及以下管道或要求管道全通徑的場合；蝶閥密封性能較差、價格便宜，但對于加工精度更高的三偏心高性能蝶閥，密封性能提高，造價也相應(yīng)更高，總體性價比不高；閘閥密封性能好，啟閉省力，適用于大口徑管道，因此閘閥是罐區(qū)常用的閥門，儲罐進(jìn)出口通常選用雙閘板閘閥，單閘板閘閥具有調(diào)節(jié)流量的性能，一般用于供料泵出口管道。

2.2 閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇

《液化烴球罐緊急切斷閥選型設(shè)計規(guī)定》中規(guī)定: 當(dāng)罐區(qū)有可靠的儀表空氣系統(tǒng)時，應(yīng)選用氣動緊急切斷閥；當(dāng)罐區(qū)無儀表空氣系統(tǒng)、但有負(fù)荷分級為一級負(fù)荷的電力電源系統(tǒng)時，應(yīng)選用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)或電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動的緊急切斷閥。在實際應(yīng)用中，電動控制閥響應(yīng)動作慢，且不能實現(xiàn)故障安全狀態(tài)，因此不建議作為緊急切斷閥使用，在無儀表氣源的情況下優(yōu)先選用電液控制閥。當(dāng)切斷閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣動型時，首選故障安全型單作用氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)；若采用氣動雙作用氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)時應(yīng)配儲氣罐；若必須采用電動型執(zhí)行機(jī)構(gòu)時，其電源應(yīng)采用負(fù)荷分級為一級負(fù)荷中特別重要的電力電源供電。

2.3 關(guān)斷時間

關(guān)斷時間是緊急切斷閥的重要指標(biāo)之一，文獻(xiàn)[5]中規(guī)定: 緊急切斷閥的最大行程時間不應(yīng)超過10 s，而《液化烴球罐緊急切斷閥選型設(shè)計規(guī)定》中要求為“1 s/英寸閥門通徑”。閥門口徑越大對關(guān)斷時間越不利，實際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合工藝要求選擇合適的關(guān)斷時間。對于氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)來說，關(guān)斷時間還與氣缸大小、氣源管路尺寸等因素有關(guān)。閥門廠家一般會根據(jù)實際工況進(jìn)行核算，采取加大氣缸、增大氣源管徑或加裝氣控閥等措施滿足緊急切斷閥對關(guān)斷時間的要求。

2.4 防火設(shè)計

緊急切斷閥是否進(jìn)行防火設(shè)計應(yīng)根據(jù)工藝需求，《罐區(qū)隱患整改攻堅戰(zhàn)指導(dǎo)意見》(集團(tuán)工單安風(fēng)[2016]39號文)中指出: 需設(shè)置獨立SIS的儲罐，其進(jìn)出口管道上的罐根閥——緊急切斷閥要采取防火措施，應(yīng)具有手動操作功能。筆者認(rèn)為罐區(qū)緊急切斷閥的防火設(shè)計是非常有必要的，原因是: 罐區(qū)儲存的介質(zhì)具有易燃易爆的特性，發(fā)生火災(zāi)事故的可能性極高，一旦發(fā)生火災(zāi)事故危害性極強(qiáng)，而緊急切斷閥通常處于火災(zāi)危險區(qū)域中，只有采取必要的防火保護(hù)措施才能保證其在發(fā)生火災(zāi)的時候仍能發(fā)揮有效作用，確保罐區(qū)安全。結(jié)合文獻(xiàn)[5-6]及《液化烴球罐緊急切斷閥選型設(shè)計規(guī)定》(中國石化建[2011]518號文)，可采取的防火措施主要有以下幾點:

1) 緊急切斷閥的閥體、閥座、閥內(nèi)件、閥蓋與填料的選用皆應(yīng)符合API 607—2016《轉(zhuǎn)1/4周閥門和非金屬閥座閥門的耐火試驗》或API 6FA—1999《閥門耐火試驗規(guī)范》[7-8]。文獻(xiàn)[7]一般用于旋轉(zhuǎn)90°的閥門，如球閥、旋塞閥、蝶閥等，主要針對軟閥座閥門的耐火試驗；文獻(xiàn)[8]是通用標(biāo)準(zhǔn)，可以用于硬密封閥門，設(shè)計中根據(jù)實際需要選擇。

2) 用于緊急切斷閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其附件應(yīng)有防火保護(hù)措施，首選安裝防火保護(hù)罩。防火保護(hù)罩應(yīng)符合UL 1709—2007《結(jié)構(gòu)鋼用保護(hù)材料的快速升溫燃燒試驗用標(biāo)準(zhǔn)》[9]，能夠在1 093 ℃的溫度下，抵抗烴類火災(zāi)30 min。

3) 對于氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，若從經(jīng)濟(jì)角度考慮不便安裝防火保護(hù)罩時，可以選擇在氣缸上加裝易熔塞。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時由于溫度急劇升高，氣缸溫度達(dá)到或超過易熔塞的熔點時，易熔塞熔化將氣缸內(nèi)的壓力泄放掉，使另一側(cè)氣缸內(nèi)的彈簧或儲氣罐內(nèi)的壓縮空氣推動活塞將閥門自動關(guān)閉。

4) 在罐區(qū)防火堤外應(yīng)設(shè)置緊急切斷閥的現(xiàn)場操作開關(guān)，其接點信號直接送至氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電磁閥或電液、電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的緊急停車系統(tǒng)(ESD)動作端子或相應(yīng)的SIS，用于在緊急情況下現(xiàn)場手動開關(guān)緊急切斷閥。

5) 用于緊急切斷閥及現(xiàn)場操作開關(guān)的電纜應(yīng)采取防火保護(hù)措施或采用防火電纜，保護(hù)控制信號的傳輸在發(fā)生火災(zāi)初期不會立即中斷，確保發(fā)生火災(zāi)時能及時切斷緊急切斷閥。

3 罐區(qū)緊急切斷閥的應(yīng)用

首先對工藝過程進(jìn)行HAZOP分析，確定是否采用SIS作為SIF的保護(hù)層，然后利用LOPA分析方法確定各SIF回路的SIL等級，最后采用緊急切斷閥與儲罐液位儀表相結(jié)合構(gòu)建安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，實現(xiàn)罐區(qū)的安全監(jiān)測與自動控制。

緊急切斷閥應(yīng)具有自動和手動關(guān)閉功能，手動關(guān)閉功能包括控制室遙控關(guān)閉和現(xiàn)場手動關(guān)閉[9]。當(dāng)液位高高或低低報警時通過SIS完成聯(lián)鎖緊急切斷功能，及時切斷儲罐進(jìn)出口管道上的進(jìn)出口閥門，避免溢油冒罐或抽癟儲罐的情況發(fā)生；同時，在操作站設(shè)置緊急切斷閥的遠(yuǎn)程控制開關(guān)，或在SIS輔操臺上設(shè)置緊急關(guān)閥按鈕，便于操作人員在發(fā)生火災(zāi)或安全聯(lián)鎖失效等突發(fā)狀況時能夠遠(yuǎn)程手動切斷閥門；另外，安裝于火災(zāi)危險區(qū)域外的現(xiàn)場操作開關(guān)可以使現(xiàn)場人員在第一時間發(fā)現(xiàn)異常后及時切斷閥門，防止事故升級。

3.1 設(shè)計改造方案

以某苯罐區(qū)的改造設(shè)計為例。改造前工藝流程如圖1所示，該苯罐設(shè)置了1臺雷達(dá)液位計和1臺高高液位開關(guān)，罐進(jìn)出口閥門為手動閥門。此時若儲罐發(fā)生溢油或火災(zāi)事故，無法實現(xiàn)自動或遠(yuǎn)程手動切斷儲罐進(jìn)出口閥門，人工操作易產(chǎn)生時間滯后，而且會給操作人員帶來危險，進(jìn)而造成不可估量的損失。

改造時，通過采用HAZOP分析和LOPA分析，確定苯罐應(yīng)設(shè)置SIS保護(hù)層，各SIF回路的SIL等級應(yīng)不低于SIL2，有兩種設(shè)計方案可選: 方案一采用“1oo1”的邏輯結(jié)構(gòu)，為儲罐增設(shè)1臺低低液位開關(guān)及進(jìn)出口緊急切斷閥，并將高高、低低液位開關(guān)和進(jìn)出口緊急切斷閥的檢測及控制信號接入獨立設(shè)置的SIS，當(dāng)儲罐高高、低低液位報警時聯(lián)鎖切斷進(jìn)、出口緊急切斷閥；方案二采用“2oo2”的邏輯結(jié)構(gòu)，是對方案一的優(yōu)化，如圖2所示，為儲罐再增設(shè)1臺過程級雷達(dá)液位計，與高高、低低液位開關(guān)分別組成“2oo2”安全聯(lián)鎖切斷進(jìn)、出口緊急切斷閥的方案。方案二大幅提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性，并可以有效地避免因液位開關(guān)故障而引起緊急切斷閥誤動作。通過優(yōu)化比對，該項目采用方案二。

圖1 苯罐改造前工藝流程示意

圖2 苯罐改造后工藝流程示意

3.2 緊急切斷閥選型說明

3.2.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)

該罐區(qū)中已設(shè)有儀表凈化風(fēng)線，因此緊急切斷閥選用氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，單作用氣缸滿足氣源故障關(guān)(FC)的要求。

3.2.2閥體及閥內(nèi)件

該儲罐的進(jìn)出口管道口徑為DN200，球閥或閘閥皆可以滿足使用要求，但從節(jié)省投資的角度考慮，閘閥更加經(jīng)濟(jì)實用，因此設(shè)計選用了雙閘板閘閥，允許泄漏等級不低于ANSIB16.104 Class V級，滿足了罐區(qū)密閉性高的要求。

對閥門材質(zhì)的選擇則應(yīng)滿足緊急切斷閥的防火設(shè)計要求，密封面采用硬密封，耐火設(shè)計應(yīng)符合API 6FA，主要部件材質(zhì)選型見表1所列。

表1 雙閘板閘閥材質(zhì)

3.2.3附件防火要求

根據(jù)前文分析，為保護(hù)緊急切斷閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其附件，該設(shè)計要求安裝符合UL1709標(biāo)準(zhǔn)的防火保護(hù)罩，比加裝易熔塞更加安全可靠。

為實現(xiàn)操作人員在緊急情況下能夠現(xiàn)場手動關(guān)閉緊急切斷閥，在罐區(qū)防火堤外設(shè)置了緊急切斷閥的現(xiàn)場操作開關(guān)，并將接點信號送至SIS，最終由SIS對緊急切斷閥發(fā)出關(guān)閉命令。為了確保信號安全有效地傳輸，信號電纜全部采用了防火電纜。

3.2.4安全完整性等級

緊急切斷閥應(yīng)具有不低于SIL2的等級認(rèn)證，對雷達(dá)液位計、液位開關(guān)、SIS及系統(tǒng)卡件、繼電器等有同樣要求，以確保整個SIF回路不低于SIL2。

3.2.5安全聯(lián)鎖邏輯

當(dāng)儲罐高高液位報警時聯(lián)鎖切斷罐入口緊急切斷閥，安全聯(lián)鎖邏輯如圖3所示；當(dāng)?shù)偷鸵何粓缶瘯r聯(lián)鎖切斷罐出口緊急切斷閥并聯(lián)鎖停供料泵，安全聯(lián)鎖邏輯如圖4所示，當(dāng)停泵對下游裝置無影響時可以聯(lián)鎖停，停泵邏輯在本文中不作詳述；現(xiàn)場操作開關(guān)信號先進(jìn)SIS，再由SIS發(fā)出關(guān)閥命令，所有安全聯(lián)鎖控制皆通過SIS完成。若在控制室SIS輔操臺設(shè)置了緊急停車按鈕，則聯(lián)鎖邏輯中還應(yīng)增加緊急停車按鈕DI信號。

通過設(shè)置緊急切斷閥和SIS，不但實現(xiàn)了進(jìn)、出口閥門的遠(yuǎn)程控制，而且增加了安全聯(lián)鎖保護(hù)措施，提高了罐區(qū)的安全性能，符合國家安全監(jiān)管相關(guān)要求。

圖3 高高液位安全聯(lián)鎖邏輯示意

圖4 低低液位安全聯(lián)鎖邏輯示意

4 結(jié)束語

在罐區(qū)設(shè)置緊急切斷閥、構(gòu)建安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)對于維護(hù)罐區(qū)安全生產(chǎn)，保護(hù)人員生命及財產(chǎn)安全等具有十分重要的意義，設(shè)計人員應(yīng)做好緊急切斷閥的選型及安全聯(lián)鎖保護(hù)設(shè)計等工作，并在應(yīng)用過程中通過不斷地探討與改進(jìn)，使其應(yīng)用更加合理化、規(guī)范化，充分發(fā)揮其在罐區(qū)安全保護(hù)方面的積極作用。