加氫裂化裝置安全聯(lián)鎖的邏輯關(guān)系分析

金哲

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510620)

1 加氫裂化裝置安全聯(lián)鎖保護(hù)的必要性

加氫裂化裝置有大量氫氣及烴、非烴類等危險(xiǎn)生產(chǎn)介質(zhì)，泄漏的可燃性、爆炸性物料可能發(fā)生火災(zāi)和爆炸危險(xiǎn)。由于加氫裂化裝置反應(yīng)部分在高壓下操作，其爆炸、火災(zāi)事故的危害后果尤其嚴(yán)重；同時(shí)加氫裂化裝置的靜設(shè)備和動(dòng)設(shè)備及催化劑等造價(jià)高，在操作過程中有被損壞的可能，會(huì)造成企業(yè)資產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失。因此，加氫裂化裝置生產(chǎn)過程出現(xiàn)異常時(shí)，必須采取可靠的措施，將異常工況控制在可控范圍內(nèi)，甚至停止生產(chǎn)以規(guī)避生產(chǎn)異常導(dǎo)致的人員、裝備的重大損失。

2 加氫裂化裝置安全聯(lián)鎖邏輯功能要求

安全聯(lián)鎖邏輯功能可根據(jù)工藝過程需求確定，加氫裂化裝置安全聯(lián)鎖邏輯的特殊性主要在反應(yīng)部分，該部分具有高壓特點(diǎn)，聯(lián)鎖邏輯主要有：反應(yīng)器緊急泄壓聯(lián)鎖邏輯、進(jìn)料泵聯(lián)鎖邏輯、進(jìn)料加熱爐或氫氣加熱爐聯(lián)鎖邏輯、循環(huán)氫壓縮機(jī)聯(lián)鎖邏輯、新氫壓縮機(jī)聯(lián)鎖邏輯、貧液泵和注水泵聯(lián)鎖邏輯、防止高壓串低壓聯(lián)鎖邏輯等。加氫裂化裝置主要聯(lián)鎖邏輯如圖1所示。

不同的加氫工藝其安全聯(lián)鎖邏輯關(guān)系不盡相同，不能一概而論，主要原因包括：有爐前混氫及爐后混氫等不同加氫工藝；不同設(shè)備類型，如離心或往復(fù)旋轉(zhuǎn)設(shè)備，是否帶透平等；不同加氫專利商的理念差異；不同用戶的習(xí)慣要求；不同的安全等級(jí)評估機(jī)構(gòu)的理念；不同工程設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

目前加氫裂化裝置采用的加氫工藝技術(shù)主要有UOP，CHEVRON，AXENS，SHELL，TOPSOE等國外技術(shù)以及中國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)。各技術(shù)專利商和工程設(shè)計(jì)單位對加氫裂化裝置的聯(lián)鎖保護(hù)均十分重視，聯(lián)鎖保護(hù)的核心內(nèi)容雖然基本一致，但是聯(lián)鎖保護(hù)的手段以及范圍卻不盡相同，出現(xiàn)該情況是由于各自工藝技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)以及安全理念的差異造成的。

圖1 加氫裂化裝置主要聯(lián)鎖邏輯

3 加氫裂化裝置安全聯(lián)鎖的邏輯關(guān)系分析

國內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)加氫工藝的安全聯(lián)鎖保護(hù)已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，以某公司設(shè)計(jì)的國有技術(shù)加氫裂化裝置的聯(lián)鎖邏輯功能為例，在聯(lián)鎖邏輯功能設(shè)計(jì)上已較為科學(xué)和完善，對裝置和人身安全提供了必要的保證。以下就加氫裂化裝置緊急泄壓聯(lián)鎖、加氫進(jìn)料泵聯(lián)鎖、氫氣加熱爐聯(lián)鎖的內(nèi)容和理念進(jìn)行分析。

加氫進(jìn)料泵聯(lián)鎖邏輯如圖2所示，主要聯(lián)鎖內(nèi)容包括：停液力透平聯(lián)鎖，用于防止液力透平轉(zhuǎn)速超高或熱高分液位抽空引起高壓串低壓；分別停主/備泵聯(lián)鎖，用于保護(hù)泵不發(fā)生喘振或其他泵體自身異常對泵造成的損壞；切斷泵出口總管聯(lián)鎖，用于保護(hù)裝置進(jìn)料量不低于裝置最小處理負(fù)荷量和避免泵出口總管發(fā)生流量倒流造成的高壓反串低壓。

加氫裂化裝置的緊急泄壓一般分為高速泄壓，如圖3所示，和低速泄壓，如圖4所示。高速泄壓是裝置最高級(jí)別的聯(lián)鎖保護(hù)，在裝置發(fā)生火災(zāi)或反應(yīng)器“飛溫”時(shí)聯(lián)鎖動(dòng)作，動(dòng)作結(jié)果是停掉整個(gè)加氫裂化裝置的反應(yīng)部分。低速泄壓的重要程度和緊急程度相對較低，低速泄壓時(shí)循環(huán)氫系統(tǒng)還在運(yùn)轉(zhuǎn)，可以說低速泄壓是高速泄壓的前一級(jí)保護(hù)，通過低速泄壓保護(hù)盡量避免高速泄壓啟動(dòng)，從而降低對催化劑的損害程度，降低裝置完全停工的可能。

停氫氣加熱爐的主要目的是防止加熱爐爐管內(nèi)物料中斷或者流量過低而引起干燒造成爐管破壞。氫氣加熱爐聯(lián)鎖邏輯如圖5所示。對于工藝中的停爐通常指加熱爐的主燃料氣被切斷，而不切斷加熱爐的長明燈燃料氣。圖5中引起加熱爐聯(lián)鎖保護(hù)的條件未包含該加熱爐的燃料氣系統(tǒng)故障方面的原因。

4 加氫裂化裝置安全聯(lián)鎖邏輯的完善

近年來，伴隨著加氫裂化裝置大型化和原料劣質(zhì)化的趨勢，裝置的投資成本不斷增大，裝置操作的苛刻性增強(qiáng)，裝置事故的人身危害性和財(cái)產(chǎn)損失度也不斷增大，因此裝置安全聯(lián)鎖保護(hù)的內(nèi)容不斷完善，聯(lián)鎖保護(hù)措施也不斷增強(qiáng)。相對上述安全聯(lián)鎖邏輯關(guān)系的保護(hù)內(nèi)容在一些建成和在建的加氫裂化裝置中也增加和完善了以下內(nèi)容的聯(lián)鎖保護(hù)：

1) 對于易產(chǎn)生“飛溫”的裂化反應(yīng)器，設(shè)置了床層溫度和表面溫度過高而聯(lián)鎖啟動(dòng)高速泄壓。

2) 高壓進(jìn)料泵入口閥沒全開情況下，設(shè)置了不能啟動(dòng)或停泵聯(lián)鎖。

3) 高壓進(jìn)料泵在入口原料緩沖罐液位過低時(shí)設(shè)置了停泵聯(lián)鎖。

4) 對于泵出口防倒流的聯(lián)鎖條件增加了泵出口管線調(diào)節(jié)閥差壓低低的聯(lián)鎖條件。

5) 對于氫氣加熱爐停爐聯(lián)鎖增加了入口混合氫氣的流量低低聯(lián)鎖條件。

圖2 加氫進(jìn)料泵聯(lián)鎖邏輯示意

圖3 高速泄壓聯(lián)鎖邏輯示意

圖4 低速泄壓聯(lián)鎖邏輯示意

圖5 氫氣加熱爐聯(lián)鎖邏輯示意

5 加氫裂化裝置安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)安全聯(lián)鎖邏輯關(guān)系確定后，為實(shí)施聯(lián)鎖保護(hù)功能需要確定實(shí)施該功能的安全儀表功能(SIF)，即通過選擇測量儀表、邏輯控制器、最終元件及相關(guān)軟件等組成安全儀表系統(tǒng)(SIS)來實(shí)現(xiàn)具有安全等級(jí)的SIF。SIS的設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧可靠性、可用性、可維護(hù)性、可追溯性和經(jīng)濟(jì)性，既要防止設(shè)計(jì)不足，也要防止過度設(shè)計(jì)。

在加氫裂化裝置的SIS設(shè)計(jì)中，采用“2oo3”或“2oo4D”表決結(jié)構(gòu)的邏輯控制器，增加容錯(cuò)性，在保證安全的情況下保證裝置的可用性。測量儀表優(yōu)先選用“2oo3”結(jié)構(gòu)配置，提高測量環(huán)節(jié)的可靠性和可用性。最終元件由于成本通常較測量元件高出很多，尤其是高壓閥門價(jià)格昂貴，在選擇時(shí)一定要嚴(yán)格根據(jù)SIL等級(jí)的定級(jí)情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免過度設(shè)計(jì)造成投資增加。根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，只有對于SIL3的SIF的最終元件采用雙閥冗余的設(shè)置方案，而對于SIL1或SIL2的SIF要求的最終元件盡量采用單一閥門設(shè)置，必要時(shí)可以通過配置偏重可靠性的冗余電磁閥結(jié)構(gòu)、配置部分行程測試、使用有良好應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的產(chǎn)品、加強(qiáng)現(xiàn)場檢查維護(hù)力度等措施降低單臺(tái)閥門的平均失效概率，使其滿足相應(yīng)SIL等級(jí)的要求。

6 結(jié)束語

通過分析可以看出，加氫裂化裝置安全聯(lián)鎖保護(hù)是為了避免某種危害的發(fā)生，其確定的難度在于如何兼顧裝置安全性和可操作性，對預(yù)防危害的投資與危害產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)概率及危害損失之間如何選擇，因此安全聯(lián)鎖的邏輯關(guān)系的確定和SIS的設(shè)計(jì)必須基于科學(xué)的分析和決策。目前正在全面推廣的危險(xiǎn)與可操作分析(HAZOP)和SIL定級(jí)工作正是通過裝置HAZOP分析確定所需要的SIF，并對SIF進(jìn)行辨識(shí)以確定相應(yīng)的安全儀表等級(jí)，從而為裝置安全聯(lián)鎖保護(hù)的實(shí)施提供科學(xué)的依據(jù)。