杜 娟 劉 艷 韓青飛 李玉鳳

中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

由于對化工原料和石油戰(zhàn)略儲備的需求不斷增加[1],以及能源結(jié)構(gòu)上低碳節(jié)能理念的倡導(dǎo)[2],中國已經(jīng)成為全球液化石油氣進(jìn)口大國[3]。液化烴儲罐區(qū)是天然氣、石油及化工廠的重要組分部分[4]。液化烴易燃易爆,易汽化,壓力隨氣溫變化大,爆炸下限低,燃燒熱值高[5],因此液化烴儲罐區(qū)一旦發(fā)生泄漏,會迅速吸收環(huán)境熱量,引發(fā)蒸汽云,形成爆炸性氣體[6],遇到明火后會引起火災(zāi)爆炸事故,波及范圍廣,后果影響大[7]。為保證儲罐區(qū)的安全運(yùn)行,近年來中國對危險化學(xué)品罐區(qū)安全儀表系統(tǒng)(SIS)的要求越來越高[8],因此緊急切斷閥設(shè)置方案在危險化學(xué)品罐區(qū)中顯得尤為重要[9],尤其在大型儲備庫儲罐數(shù)量多、容積大的情況下,儲罐進(jìn)出口緊急切斷閥的合理設(shè)置非常關(guān)鍵。為了儲罐區(qū)的安全運(yùn)行,必須嚴(yán)格把控緊急切斷閥的設(shè)計和選型。

液化烴通常儲存在設(shè)計壓力大于或者等于0.1 MPa(罐頂表壓)的壓力球罐[10]或壓力臥罐中,儲存方法分為地上和地下[11]。地上儲存有常溫壓力儲存和低溫常壓儲存兩種方式,地下儲存大多指在洞庫等儲存[12]。本文主要以常溫壓力儲存中的大型全壓力式液化烴球罐為例進(jìn)行研究。

1 設(shè)計方案研究

某項目有6座3 000 m3全壓力式液化烴球罐,直徑18 m,安全間距根據(jù)GB 50183-2004《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》布置[13],6座球罐布置在同一座防護(hù)墻內(nèi),防護(hù)墻尺寸114 m×83 m×0.6 m,根據(jù)安監(jiān)總管三〔2014〕68號《進(jìn)一步加強(qiáng)化學(xué)品罐區(qū)安全管理通知》第六條的要求,在防護(hù)墻內(nèi)部采取單罐單隔堤的布置方式,平面布置見圖1。該項目中,每臺球罐設(shè)置雷達(dá)液位計和伺服液位計,罐頂設(shè)置就地壓力表和遠(yuǎn)傳壓力表,罐底設(shè)置就地溫度計和遠(yuǎn)傳溫度計[14],同時在整個罐區(qū)設(shè)置完善的FGS系統(tǒng)及時提醒操作人員采取安全措施[15]。如何對此大型全壓力式液化烴球罐設(shè)置緊急切斷閥成為該項目面臨的技術(shù)難題,本文根據(jù)現(xiàn)行國家法律法規(guī)、行政命令、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及行業(yè)規(guī)定的要求,開展大型全壓力式液化烴球罐緊急切斷閥設(shè)置依據(jù)分析。

圖1 6座3 000 m3全壓力式液化烴球罐平面布置圖Fig.1 Layout of 6 fully pressurized liquefied hydrocarbon spherical tanks(3 000 m3)

1.1 設(shè)置依據(jù)

緊急切斷閥的設(shè)置在中華人民共和國應(yīng)急管理部、中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、GB 12337-2014《鋼制球形儲罐》、GB 50183-2004《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》、GB 50160-2008《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》(2018版)、SH 3136-2003《液化烴球形儲罐安全設(shè)計規(guī)范》及API STD 2510Design and Construction of LPG Installations等多項法律法規(guī)、行政命令、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及行業(yè)規(guī)定中有明確規(guī)定[9]。

1.2 布置分析

對各項法律法規(guī)、行政命令、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及行業(yè)規(guī)定中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析,將緊急切斷閥的布置要求分為三類,見表1。

綜上,全壓力式液化烴球罐進(jìn)出口管線必須設(shè)置緊急切斷閥,且根據(jù)表1的布置分析,從安全角度出發(fā),提出以下優(yōu)化建議:建議大型全壓力式液化烴球罐進(jìn)出口管線采用雙閥布置,靠近球罐側(cè)采用緊急切斷閥[8],設(shè)置獨(dú)立的SIS系統(tǒng)[16],同時增設(shè)遠(yuǎn)程操作閥,可以實現(xiàn)手動關(guān)閉功能。

1.3 雙閥布置方案

儲罐進(jìn)出口管線采用雙閥后面臨的問題是布置和選型,因法律法規(guī)和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范未明確要求儲罐的緊急切斷閥布置在防護(hù)墻內(nèi)部還是外部,且連接形式有焊接和法蘭兩種選擇,故提出四種布置方案,見圖2。

對上述四種布置方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較,見表2。

表1 全壓力式液化烴球罐進(jìn)出口緊急切斷閥布置要求分析表

圖2 緊急切斷閥布置方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of emergency shut-off valve layout

表2 緊急切斷閥布置方案對比表

結(jié)合圖2和表2,推薦采用方案一:對大型全壓力式液化烴球罐進(jìn)行雙閥布置;緊急切斷閥作為球罐的根部閥,布置在防護(hù)墻內(nèi),設(shè)置獨(dú)立SIS聯(lián)鎖系統(tǒng);遠(yuǎn)程操作閥布置在防護(hù)墻外,可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程關(guān)閉功能。

2 緊急切斷閥的選型

2.1 緊急切斷閥閥體選型原則

緊急切斷閥作為在泄漏和火災(zāi)時隔離可燃介質(zhì)的一種方式,閥門的類型選擇取決于距離泄漏源的遠(yuǎn)近,在火災(zāi)區(qū)域的任何閥門均應(yīng)為防火安全閥、閘閥或金屬密封球閥,高性能蝶閥均可作為防火安全閥[17]。

2.2 緊急切斷閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2.2.1 電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)

電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、齒輪減速器、聯(lián)軸器、限位開關(guān)、扭矩限制開關(guān)、手輪、手輪自動斷開裝置、就地閥位顯示以及安全平穩(wěn)運(yùn)行所需的其它部件。由于目前僅有較少廠家能對配套DN 80以上閥門的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)做到故障安全型,因此大多數(shù)情況下,電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)不作為緊急切斷閥使用,僅作為過程操作,無關(guān)安全[18]。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括就地控制和遠(yuǎn)程控制功能,無論就地還是遠(yuǎn)程控制均可執(zhí)行開、關(guān)、停的控制能力,同時具備現(xiàn)場手輪操作閥門的能力。

2.2.2 電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)

電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括動力模塊和控制模塊,動力模塊包含電機(jī)、齒輪油泵、油箱、電磁閥等;控制模塊由電源、智能可控電機(jī)驅(qū)動器等組成。智能軟件是控制器的核心,可對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自動監(jiān)測。

電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為單作用液壓缸和雙作用液壓缸。單作用液壓缸電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)安全和工藝操作需要確定閥門的全開、全關(guān)等故障安全位置,失電情況下,彈簧復(fù)位執(zhí)行機(jī)構(gòu)可將閥門保持在安全位置。這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)多用于緊急切斷,與安全相關(guān)。雙作用液壓缸電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)在失電情況下,閥門處于位置保持狀態(tài)。這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常用于過程操作,無關(guān)安全[19]。

2.2.3 氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)

氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)包括氣動驅(qū)動裝置、電磁閥、閥位回信器、氣動三聯(lián)件(過濾器、減壓器、油霧器)、壓力表等[20],分為單作用彈簧復(fù)位式氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和雙作用彈簧復(fù)位式氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。單作用氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)安全和工藝操作需要確定閥門的全開、全關(guān)等故障安全位置。故障情況下,彈簧復(fù)位執(zhí)行機(jī)構(gòu)可將閥門保持在安全位置。這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)多用于緊急切斷,與安全相關(guān)。雙作用氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)在無外配儀表風(fēng)罐的情況下,故障時處于位置保持狀態(tài)。這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常多用于過程操作,無關(guān)安全[19]。

因此當(dāng)罐區(qū)具備儀表風(fēng)氣源可利用時優(yōu)先選擇氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)[21]，當(dāng)罐區(qū)無儀表風(fēng)氣源可利用時可選擇電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)。對于儲罐區(qū),根據(jù)SH/T 3184-2017《石油化工罐區(qū)自動化系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》,需注意以下要求。

1)除非工藝有特殊要求,氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電磁閥不帶現(xiàn)場手動復(fù)位裝置,通常采用控制室邏輯復(fù)位。

2)當(dāng)采用雙作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)或采用單作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)且閥門聯(lián)鎖位置與氣源故障位置不一致時,需配備儀表風(fēng)罐。儀表風(fēng)罐的容積需要滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作2個全行程的風(fēng)量。

3)合理規(guī)定氣動開關(guān)閥的額定全行程時間,既要考慮儲運(yùn)工藝的需要,又不應(yīng)因行程時間太短、閥門動作太快引起管道“水擊”或震動,造成開關(guān)閥、管道損壞或縮短壽命,額定全行程時間不宜短于10 s×閥門通徑(mm/100 mm)。

3 緊急切斷閥的工程應(yīng)用

經(jīng)過分析和比選緊急切斷閥的布置和選型方案,將此優(yōu)化建議應(yīng)用到某項目的6座3 000 m3全壓力式液化烴球罐上。球罐進(jìn)出口緊急切斷閥布置見圖3,三維模型見圖4，聯(lián)鎖控制設(shè)備連線示意圖見圖5。

圖3 球罐進(jìn)出口緊急切斷閥布置圖Fig.3 Layout of emergency shut-off valve at inlet and outlet of spherical tank

圖4 球罐進(jìn)出口緊急切斷閥布置三維模型圖Fig.4 3D model of emergency shut-off valve layout for inlet and outlet of spherical tank

圖5 聯(lián)鎖控制設(shè)備連線示意圖Fig.5 Schematic diagram of interlocking control equipment connection

圖4中防護(hù)墻內(nèi)球罐進(jìn)出口的第一道根部閥為氣動緊急切斷閥(SDV),對該閥設(shè)置了獨(dú)立的SIS系統(tǒng),狀態(tài)為事故關(guān)FC,該閥安裝位置緊挨球罐。防護(hù)墻外球罐進(jìn)出口管線上的閥門為遠(yuǎn)程操作閥(XV),狀態(tài)為事故保位FL。該閥進(jìn)入DCS控制系統(tǒng),用于切換球罐進(jìn)行收油或者倒罐等生產(chǎn)性工作,不參與SIS聯(lián)鎖。

當(dāng)球罐液位達(dá)到高高時,聯(lián)鎖切斷球罐進(jìn)口的SDV閥[4];當(dāng)球罐液位達(dá)到低低時,聯(lián)鎖切斷球罐出口的SDV閥并聯(lián)鎖停泵。在中控室內(nèi)對SDV閥設(shè)置緊急按鈕,當(dāng)罐區(qū)內(nèi)發(fā)生泄漏、管道破裂、火災(zāi)等事故時,利用輔助操作臺的火災(zāi)觸發(fā)按鈕第一時間切斷全部SDV閥。

該緊急切斷閥和遠(yuǎn)程操作閥的雙閥設(shè)置方案經(jīng)過了第三方HAZOP分析和SIL分析結(jié)果表明該布置方案滿足現(xiàn)行法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求,并且安全可靠性高,操作靈活性好,對大型全壓力式液化烴球罐設(shè)計具有借鑒意義。

4 結(jié)論

1)本文基于法律法規(guī)、行政規(guī)定及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中關(guān)于大型液化烴球罐進(jìn)出口緊急切斷閥的設(shè)置內(nèi)容,經(jīng)過詳細(xì)對比分析研究,從生產(chǎn)作業(yè)的安全角度出發(fā),推薦大型全壓力式液化烴球罐進(jìn)出口液相管道上設(shè)置雙閥,分別為緊急切斷閥和遠(yuǎn)程操作閥。

2)經(jīng)過比選緊急切斷閥的布置方案,推薦緊急切斷閥靠近球罐布置,安裝位置宜盡量靠近球罐的第一道法蘭密封面,緊急切斷閥參與SIS安全系統(tǒng)控制,與球罐的高高液位、低低液位、可燃?xì)怏w探頭、火焰檢測器等聯(lián)鎖。

3)在球罐液相進(jìn)出口管線上設(shè)置具有自動和手動關(guān)閉功能的遠(yuǎn)程操作閥,推薦遠(yuǎn)程操作閥布置在防護(hù)墻外,應(yīng)便于操作和維修且應(yīng)易于迅速接近,遠(yuǎn)程操作閥參與DCS過程控制系統(tǒng),不參與SIS聯(lián)鎖。緊急切斷閥和遠(yuǎn)程操作閥具備儀表風(fēng)氣源可利用時,優(yōu)先選擇氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

4)本著安全生產(chǎn)的原則,推薦將本研究結(jié)果應(yīng)用在大型原油罐區(qū)和成品油罐區(qū)緊急切斷閥的設(shè)置上。