聚烯烃装置三乙基铝系统安全联锁设计

杨朋飞

(中海油石化工程有限公司，山东 济南 250101)

三乙基铝(即T2)系统作为络合催化体系的助催化剂广泛用于聚乙烯装置中。T2是烷基金属的一种，属于极度危险的物质，接触空气即着火，遇水会剧烈燃烧或爆炸，反应产生的氧化气体对人的器官和肺部均有严重危害。鉴于这种易燃易爆特性，为了保证主装置的安全，聚烯烃烷基铝单元一般布置在离主装置较远的位置，采用敞开式的棚式构筑物[1-2]。T2系统一般由T2钢瓶、矿物油吹出罐、矿物油密封罐、T2隔膜泵及互联管线组成。装有T2的钢瓶用叉车运到烷基铝装置T2钢瓶间，固定后由操作人员手动将摇臂器与T2钢瓶上的连接件相连，拧紧法兰螺栓后，通入氮气以将T2输送到下游。聚烯烃装置T2系统的典型流程如图1所示。

图1 聚烯烃装置T2系统的典型流程

鉴于T2的特殊的化学性质，一旦在三乙基铝管线或设备密封处发生泄漏，火灾危险性十分严重。在管线设计、选型、布置等方面都有详细的要求和实际的工程借鉴经验。国内的聚烯烃装置目前对于着火状态时启动T2紧急停车系统主要采用两种方式：一是控制室或现场手动触发紧急停车系统；二是火焰烧断缠绕在T2管线上的易熔断聚乙烯仪表气源管线，使得T2紧急切断阀失气并保持在安全位置，从而切断T2管线[3]。

由于切断阀选型设计和气源管线敷设路径的不同，火灾工况下切断阀门的时间存在差别。设计一套先进的安全联锁保护方案，能够以最短的时间联锁关闭T2物料管线切断阀，是本文所要研究解决的。

1 T2系统安全联锁逻辑设计

T2系统共有5台切断阀HV-3C、3D、3G、3H、3I，阀门所在管线都是3/4"的，阀门均为防火型，阀座和阀密封采用软密封材料，法兰垫片采用金属缠绕式垫片，以达到可靠的密封。

距离烷基铝框架15 m之外设置有紧急操作开关，在控制室辅操台也设有紧急开关，当现场出现异常时，通过操作现场和控制室的紧急操作开关可以联锁阀门动作[4]。当纯净氮气的水含量或者氧含量高高报警时也会自动触发联锁关闭T2系统。联锁触发后，T2泵停止运行，氮气管线阀门HV-3D迅速打开，其他T2物料管线阀门迅速关闭，阀门从收到联锁信号到动作完毕的时间要求在1s以内。联锁逻辑如图2所示。

图2 T2系统联锁逻辑图

2 切断阀联锁保护设计

依靠安全仪表系统联锁关断阀门，切断物料管线，主要还是依靠控制室和现场紧急操作开关。而现场操作和检修时，操作工需穿着全铝工作服，而一旦有泄漏着火时靠急停开关操作，需要有反应时间。因此阀门设计为故障安全型，采用易熔断气源管线缠绕在T2管线、设备和阀门上，这样一旦着火，气源管线熔断，阀门会因为失气而回到安全位置，实现整个T2系统管线第一时间联锁关断[5]。T2系统切断阀气源管线的缠绕和连接方式如图3所示。

图3 T2系统阀门气源管线敷设图

缠绕在T2管线和设备上的气源管线应当选择易熔断材质，而且还要选择防晒、抗紫外线类型的材质。需要确保缠绕紧固，避开不必要的公用物料管线，尤其是要远离蒸汽等高温管线。

3 气源管线敷设方式分析和优化

目前现有的聚烯烃装置T2系统运行情况，由于气源管线选型以及缠绕方式的不同，导致当着火时熔断气源管线到阀门完全关闭的时间不同，这与气源管线的总长度、气源管线管径、缠绕方式、气源球阀类型都有关系。

气源管线长度决定了当气源管线某处熔断时，仪表风压下降的速度。管线越长，气量越多，风压下降的越慢，阀门失气完成故障安全动作的时间就越长。气源管线管径的选择也很重要，当管径过大时气量就会大，管径过小又会导致阀门供气不足。缠绕方式也会影响阀门动作的时间，靠近熔断处的阀门会先动作，离熔断处较远位置的阀门会相对滞后，并且由于气源管线要围绕所有T2管线、密封罐、T2泵、阀门缠绕，导致气源管线长度过长。

如表1所示，当T2泄漏着火时联锁关闭的时间主要还是与气源管线长度有关，因此在确保不影响安全的前提下缩短气源管线缠绕长度是解决问题的关键。

表1 T2系统阀门联锁动作时间列表

由于T2系统的管线采用不锈钢，因此在正常情况下管线和设备本体是不会破裂发生泄漏的，易泄漏的位置主要包括管线法兰连接处、设备法兰、阀门、安全阀和泵的连接处等位置。因此气源管线只需缠绕这些位置，而顺着管线和设备本体可走捷径不再缠绕，这是缩短气源管线长度的一个方法。

气源管线敷设采用一整根连接的方式，存在迂回的长度，导致总长度过长，采用三通连接的方式，在靠近气源管线中间的位置分出几个分支到末端，尽可能的让各分支长度近似相等，这样不仅缩短了气源管线总长度，而且能够让阀门动作完成的时间基本一致，从总体上缩短了阀门动作的时间。

采用管径较小的气源管线可以缩短熔断气源管线时的阀门动作时间，但是正常生产时气量过小可能会出现个别阀门供气不足的现场，因此采用阀门增加三通气控阀，每个阀门单独引气源，而原有的气源管线只用作气信号，通过三通气控阀实现阀门的气源切断，这样既解决了缠绕的气信号管线熔断时阀门动作快速，又解决了正常运行时阀门供气量不足的问题。

敷设方式如图4所示，采用改进的敷设方式，通过在建的装置验证，当某处气源管线中断时，所有阀门联锁动作时间缩短到8s以内。

图4 改进的T2系统阀门气源管线敷设图

4 总结

对于聚烯烃T2系统安全联锁，从联锁逻辑和气源管线熔断联锁两个方面进行分析，着重对火灾联锁阀门关闭时间的各项影响因素进行分析，并进过调研论证，针对缠绕气源管线过长提出了解决方案。在聚烯烃T2系统联锁保护方式中，采用易熔断气源管线缠绕时，各阀门分支长度近似相等，仅缠绕泄露点，将管线长度做到最短。采用三通气控阀，解决阀门供气量问题同时保证缠绕气源管线的管径较小。通过气源管线缠绕方式的改进，缩短了火灾工况下的联锁动作时间，促进了T2区域在运行、检修时的安全保护，尽可能得减小了T2泄漏着火导致事故。为类似的聚烯烃装置T2系统的联锁保护设计提供了参考。