多级离心泵出口联锁设置及其安全影响分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)合肥通用机械研究院 作者:胡明东

  近年来,一些炼油装置的多级离心泵出口设置联锁阀的现象越来越普遍,主要用于避免停泵时的高压介质反串。为分析联锁设置对泵安全的影响,本文在对多级离心泵出口设置联锁阀的充分必要性进行深入分析的基础上,对设置联锁阀可能产生的误跳车情况及其可能的水锤现象进行深入分析。结果表明,多级离心泵出口设置联锁阀的必要性值得商榷,设置时要充分考虑阀门的关闭时间对系统安全的影响。

1、引言

  多级离心泵由于能提供足够高压头和大流量,一直作为化工流程泵的首选应用于涉及中高压的石化等过程装置中。如加氢裂化装置的加氢进料泵压头高达16.8MPa,泵的驱动电机功率高达2750kW。加氢进料泵一旦发生故障,将直接导致全装置流程的中断,后果十分严重,如何确保此类大型高参数设备的安全是石化等流程装置操作人员重点关注的问题。

  近年来,随着功能安全完整性评估技术的发展,在一些对全装置甚至全厂具有至关重要的关键设备上设置用于安全保障的安全联锁系统(SIS)已成为业界的普遍做法。特别是随着国际电工学会推出IEC61508 及IEC61511 标准后,采用安全联锁系统对设备及工艺过程提供安全保护已越来越普遍。然而SIS在实际应用中,由于设备制造企业与设备使用单位在安全保障目标方面存在的不一致,往往可能导致联锁设置不合理,严重时联锁设置存在的副作用可能导致工艺或设备发生危险,因此在一些新设备或新工艺上设置安全联锁系统需要进行系统分析。

  多级高压离心泵出口是否需要设置联锁阀,以及联锁阀设置的目的及可能的影响一直是近年来加氢裂化装置设备管理人员所面临的问题。一些在多级离心泵上设置的联锁不尽合理,如洛阳工程公司宋小宁等对某加氢进料泵出口流量联锁的充分必要性进行了分析,指出联锁设置存在一定的安全隐患,并给出了相应的解决方案。随着千万吨炼油装置的不断兴建,一些在多级离心泵上设置的联锁阀已越来越多地出现在装置的工艺设计中,这些联锁设置的充分必要性及对装置安全的影响还存在一定争议。本文以近年来开展的功能安全完整性评估(SIL)技术为基础,对多级离心泵出口联锁设置对装置安全的影响进行分析。

2、多级离心泵出口联锁设置

  早期的加氢裂化装置中,一般不设置专门用于停泵时逆流保护的联锁,避免停泵时高压侧液体反串主要采用单向阀,通常由两只串联的单向阀进行保护。随着加氢裂化装置生产能力的提高,一些用于加氢进料泵保护的联锁逐渐得到应用,最典型的是加氢进料泵总管出口设置联锁阀。某220万吨/年加氢进料泵出口设置的联锁如图1 所示。

加氢进料泵P&ID 简图

图1 加氢进料泵P&ID 简图

  从图可以看出,泵上设置了入口流量联锁与出口流量联锁。装置的联锁逻辑图显示,联锁的目的主要包括以下3 个,即入口流量低低停泵联锁、出口流量低低停泵联锁以及出口流量低低切断总管出口阀联锁。本文重点对出口流量低低时停泵以及流量低低时切断出口联锁阀的充分必要性进行分析。

3、联锁设置的充分必要性

  依据IEC61511 相关标准,开展针对联锁系统的安全完整性等级评估中,需要对联锁的充分必要性进行分析,即需要对触发联锁动作的原因、联锁动作的后果进行深入分析。针对多级离心泵联锁设置的实际情况,依据IEC61511 标准进行了联锁的充分必要性分析,如表1、2 所示。

表1 离心泵联锁设置的充分性分析

离心泵联锁设置的充分性分析

表2 离心泵联锁设置的必要性分析

离心泵联锁设置的必要性分析

  从表中可以看出,出口流量低低联锁设置后,从充分性上分析可以避免泵发生特定情况的失效,但从必要性方面分析表明,避免上述失效后果的产生,都具有不止一个措施。就串压防护而言,有3 个可供选择的处理方法; 就泵低流量防护而言,有2 个可供选择的处理方法。可见,上述联锁设置的充分性足够,但必要性不强。联锁设置不恰当可能会带来严重的副作用,如总管出口联锁阀误关可能导致泵出口发生水锤现象,可能威胁到泵及管道的安全,本文将针对总管出口联锁阀的误跳车可能引发的液击进行分析。

4、误跳引发的水锤现象及联锁设置要求

  针对某加氢裂化装置加氢进料泵联锁阀的设置特点,对联锁阀发生误跳的后果进行分析,并用于指导联锁系统的设置。

  某装置设计管道直径为DN300,管道公称压力42MPa,设计压力21MPa,设计温度为350℃,材料为碳钢。泵的最大工作流量为87.4kg /s,额定排出压力为16.8MPa,输送温度为185℃,密度为814.7kg/m3 的高温蜡油。采用InstruCalc 软件对联锁阀误关可能导致的水锤现象可能引发的超压进行了分析。

4.1、管道长度对阀门最小关闭时间的要求

  由于缺乏管道空视图等详细设计资料,为研究方便,本文仅对阀前管道长度对联锁阀误关时产生的水锤现象进行分析。采用InstruCalc 计算得到设计压力为21MPa 时,为确保水锤现象产生时引发的管内压力不大于管道设计压力的阀门最小关闭时间,结果如图2 所示。

管道长度对阀门最小关闭时间的影响

图2 管道长度对阀门最小关闭时间的影响

  从图中可以看出,随着管道长度的增加,避免联锁阀误关引起的管内因水锤而超压的阀门关闭时间也逐渐增加。总体而言,阀门最小关闭时间与管道长度呈正比。即就避免管道因阀门误关而超压损坏而言,阀前管道越长,所需的联锁阀执行时间也越长。联锁阀执行关闭越迅速,产生的水锤现象越严重,对管道及泵的安全影响越严重。可见,若泵总管出口要设置联锁阀,从降低阀门误关时水锤的危害出发,宜将出口阀设置于距离泵相对较近的位置。若无法满足要求,应适当提高联锁阀关闭时间。

4.2、设计压力对阀门最小关闭时间的要求

  采用同样的方法,对管道设计压力对多级离心泵出口总管上联锁阀的最小关闭时间的影响进行了计算,结果如图3 所示。

管道设计压力对阀门最小关闭时间的影响

图3 管道设计压力对阀门最小关闭时间的影响

  从图中可以看出,随着管道设计压力的增加,确保管道安全的阀门的最小关闭时间也相应减小,但最小关闭时间的变化与管道设计压力的变化并不呈线性关系。选用压力等级越高的管道,管上阀门切断时间要求越宽松。若管道设计压力与泵压头相差较近,则应适当增加联锁阀关闭时间以确保安全。有关联锁阀关闭时间的要求,可以选配不同规格的电磁阀以进行阀门开关时间的控制。

5、结语

  本文针对多级离心泵在实际使用中设置的出口流量联锁进行分析,对泵设置流量低低停泵和关出口阀两个联锁回路的充分必要性进行了分析,结果表明,总管出口流量低低联锁停泵与关泵总管出口联锁阀的充分性可以满足要求,但必要性不足。特别是联锁阀的设置,一旦误跳车可能导致严重后果。针对总管出口阀误关可能引发的水锤现象,分析表明总管出口阀距离泵越远,为避免水锤现象危及联锁阀的安全,联锁阀的关闭时间要求越长。而管道设计压力与接近多级泵的压头,避免水锤现象引发超压,联锁阀的最小关闭时间越大。基于上述分析结果对多级离心泵出口联锁设置具有一定的指导作用。

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