合成氨装置防窜压优化设计探讨

耿淑远，刘莹，黄帅

(1. 中石化宁波工程有限公司 上海分公司，上海 200030；2. 天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃 兰州 730060)

窜压是指由于某种原因导致高压容器中的液体走空使得高压容器内的气体窜入低压容器，而低压容器上设置的如安全阀、爆破片等安全泄放装置的排放能力小于高压气体的泄放量，从而导致低压容器损坏甚至发生爆炸[1]。窜压是石化高低压分离系统的典型安全问题，窜压在极短的时间内若处置不当会使低压容器超压，甚至爆炸，可造成人员伤亡与巨大财产损失。目前，高低压分离系统普遍存在于加氢、高压聚乙烯、合成氨等装置，具有重大失效的危险性。例如1987年英国Grangemouth工厂发生的加氢裂化装置低压分离器爆炸事件，2018年4月某石化柴油加氢装置事故处置不当造成的高压氢气窜入低压原料罐引起火灾爆炸事故，均为窜压事故。

为保证化工装置在高压窜低压状况时的稳定运行，必须对石化装置高压窜低压部位进行风险分析，在工艺流程设置、仪表选型及联锁设置上采取相应安全防范措施。本文以合成氨装置为例对窜压风险进行分析。

1 高压窜低压风险分析

1.1 易发生窜压的典型工艺流程

高压窜低压常见于高压分离器底部，如加氢裂化、合成氨、甲醇合成等工艺装置中的产品分离器底部。合成氨是典型的高压生产装置，合成氨高压部分产品分离流程如图1所示。由图1可以看出： 一级氨分离器和二级氨分离器分离液氨产品，操作压力达到12.9 MPa，出分离器后利用调节阀减压到1.5 MPa，产品氨经液氨中间罐去净氨塔进行吸附净化，在此过程中分离器底部调节阀压降约11.4 MPa，如果调节阀失效，高压容器中的液体走空，高压合成气将会窜入设计压力仅为2.2 MPa的低压液氨中间罐，将会引起中间罐爆裂等多种风险。

图1 典型的合成氨装置产品分离流程示意

1.2 窜压风险分析

由图1可以看出，窜压事故通常存在以下几个风险因素：

1)易燃气体泄漏。当高压氨合成气由于调节阀失效等事故，未经减压窜至低压系统时，由于高低压设备、管线的压力等级差距较大，低压设备、管线遭到破坏，高压氨合成气泄漏后，在一定范围内集聚，遇明火会导致闪爆、火灾等重大事故[2]。

2)设备、管道爆炸。当高压气体窜进低压设备和管道内部，压力超过设备和管道材质最高承受强度时，设备和管道发生损坏，内部高压氨合成气能量释放，甚至发生爆炸事故[3]。

3)有毒气体风险。低压设备液氨中间罐储存大量的液氨，设备一旦破坏发生泄漏，氨气为毒性介质，对现场事故应急处置人员和逃生人员以及处于下风向装置的人员造成极大的风险。

2 高压窜低压的防范设计

为了避免上述风险的发生，高低压分离系统必须在工艺流程、仪表选型和安全联锁上进行优化设计。

2.1 工艺流程设计

为最大化降低高压窜低压风险，工艺系统应结合各种工况进行优化设计，具体措施如下：

1)高压分离器上设置“2oo3”液位信号，并与调节阀联锁，增加联锁信号的可靠性。氨分离器属高压设备，一旦液位检测出现失误，发生窜气，紧急切断阀可能出现无法及时阻止高压气体流向后续的低压设备。因此，高压氨分离器的液位控制十分重要，通常设置3台液位检测仪表，采取“2oo3”的联锁控制方式，即3台液位检测仪表中的2台达到了联锁设定值，便触发联锁动作关闭紧急切断阀。该种设计方式提高了设备液位检测的可靠性，同时避免了单台液位检测仪表发生故障而直接导致联锁停车的后果。

2)氨分离器液位调节阀出口设置压力表，设置高报警和高高联锁关切断阀。液氨管路发生高压窜低压事故时，调节阀后压力表示值会急速上升，压力高报警，达到设定值进一步启动联锁，关断紧急切断阀，切断管路。

3)氨分离器液位调节阀前设置紧急切断阀，一旦发生窜压事故，能够及时隔断管路。为保证该安全联锁的安全完整性等级(SIL)，在液位调节阀前单独设置了开关阀作为紧急隔离切断阀，一旦发生窜压事故，分离器液位低低或调节阀后压力高高联锁关闭紧急切断阀，联锁切断管路。

4)调节阀控制。氨分离器底部设置液位控制阀，当液位偏离设定的正常值时，控制阀自动调控开度，保证分离器内液位维持在安全范围。分离器顶部设置压力调节阀，当气相压力高于设定值时，通过降低压缩机转速，将气相压力维持在安全范围。

5)氨分离器液位调节阀后设置限流孔板。在不影响液相流通的基础上，一旦发生窜压，对高压气体限流。限流孔板是调节阀降压失效时的一种补偿措施，窜压工况气相流量决定孔板孔径，同时核算正常工况液相压降，用于调节阀阀后压力的设置依据。限流孔板也可用于改造项目，在下游安全阀排量不够的情况下作为补充措施。

6)委托专业机构对联锁回路进行安全完整性等级分析，提出SIL等级要求。工艺专业连同仪表专业一起，配合专业机构进行SIL等级分析计算，在该过程中，进一步完善流程和控制系统。经过详细安全完整性等级分析，结合现有的安全阀、仪表的设置，合成氨分离器下部的紧急切断回路定级为SIL1，最终满足安全完整性要求。

合成氨窜压流程SIL分析结果见表1所列。

表1 合成氨窜压流程SIL分析结果

7)设置安全阀爆破片，安全阀排量需满足阀门CV值要求。安装在液氨中间罐入口的控制阀，发生故障时若处于全开位置时，对于气相管道，满足低压侧的设计压力小于高压侧的设计压力的67%，则安全阀的泄放量应满足高压气体窜入低压设备的排放量要求，根据HG/T 20570.2—1995《安全阀的设置和选用》，一般按下式计算：

qm=3 171.3×(CV1-CV2)ph(ρ气相/T)1/2

(1)

式中：qm——泄放介质质量流量，kg/h；CV1——控制阀的流量系数；CV2——控制阀最小流量下的CV值；ph——高压侧工作压力，MPa；ρ气相——气相密度，kg/m3；T——泄放温度，K。

CV值与阀门结构、阀前后压差、入口流体密度和流体特性有关，对除阻塞流以外的一般流体，可按以下常规方法计算[4]：

(2)

式中：qm1——经过氨分离器液位调节阀的质量流量，kg/h；d——工作温度下液体的密度与60 ℉下水的密度的比值，量纲1的量；N——工程单位系数，量纲1的量；Δp——控制阀前后压差，kPa，Δp越大，CV值越小，CV值一般由控制阀厂家提供。

8)分离器气相空间压力控制。氨分离器气相憋压也会导致高压气体窜向低压罐，因此，气相出口设置压力检测及压力控制器，也可防范高压窜低压。

9)设置可燃有毒气体检测点。氨是《高毒物品目录》(2003年版)中确定的31种气体和蒸气之一，为了保障现场操作工的人身安全，根据GB 50493—2009《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》要求，设置多处有毒气体检测点，一旦现场发生有毒气体泄漏，提醒现场工作人员及时撤离。

2.2 仪表选型设计

2.2.1液位调节阀的选型

氨分离器的工艺介质经液位调节阀减压后去低压设备液氨中间罐，对合成氨装置的安全以及稳定运行有重要影响，因而氨分离器液位调节阀设计为冗余设计。

氨分离器液位调节阀的操作压降为11.4 MPa， 流体经过阀门时压力会低于饱和蒸气压而发生闪蒸，因此在阀门选型时必须注意高压差、闪蒸的特点。

1)阀门结构型式。液位调节阀的结构型式选用适用于闪蒸工况的套筒式高压角阀，流体从套筒一定数量的对称小孔中进入套筒中而变为气液两相流体，流体中心相互撞击，产生极大的扰动，大量的扰动使绝大多数高速度液滴失去了动能，使流体失去了破坏力，被流体的摩擦阻力转换为热能。另一方面喷射的液滴在套筒中心才能达到高速度，才有破坏力。这时即使能够穿越中心的液滴和撞击后仍具有二次速度的液滴要到达对面的筒壁会受到滞留筒腔内的液体的阻挡，液体自行缓冲消能。该种结构可以减轻流体对于阀芯及套筒的冲刷破坏，保护了阀门密封面，同时也降低了阀门的噪音[5]。

高压角阀采用侧进底出，使流体经过阀门后改变了流体的方向，进一步减轻流体经过调节阀时对阀内件及阀体的冲击力。

2)阀内件选型。综合考虑到阀门的高压工况、高压差及闪蒸，阀芯的密封面及套筒都必须经过硬化处理，阀座堆焊Stellit合金。该种方式既能满足高压工况，又可以更好地抵抗高压及高压差介质以及闪蒸对阀内件的冲刷磨蚀。

氨属于有毒介质，阀杆处的填料密封结构等需要符合德国洁净空气标准(TA-LUFT)或ISO 15848Industrialvalves—Measurement，TestandQualificationProceduresforFugitiveEmissions。

综上所述，液位调节阀的冗余设计，套筒式高压角阀的结构型式，均有效地保证了合成氨装置稳定及安全运行。

2.2.2SIL定级对阀门选型的影响

调节阀前主路上设置了开关阀作为紧急切断阀，紧急切断阀包括阀体、执行机构等所有附件须整体满足SIL1的认证要求。氨分离器的紧急切断联锁在安全联锁系统中执行，保障工艺操作安全可靠执行。

2.3 安全仪表系统设计

1)SIS由传感器、逻辑控制器、执行器等构成，是广泛应用于油品、化工等流程工业的一类安全系统[6]，它可以持续监视工厂的生产运行状态，在危险发生时可采取提前设定的措施，尽可能减少或避免人员伤亡和财产损失[7]。

2)联锁设置：

a)氨分离器液位失控，即3台液位检测仪表中有2台达到液位联锁低低设定值，则触发保护联锁，关闭紧急切断阀，同时将液位调节阀置为关位。

b)液位调节阀后压力仪表检测到超压后，高高联锁关闭紧急切断阀。

c)氨分离器气相压力失控，达到高高联锁设定值，开启气相紧急泄放阀。

d)设置全厂紧急停车按钮，高压窜低压事故一旦发生，上述措施需全部失效后，全厂紧急停车，阻止事故危害的扩大。

以上的安全联锁均在SIS中执行，有效提高安全联锁的可靠性，保障氨分离器及其下游装置的安全可靠执行。

3 结束语

合成氨装置因其独特的工艺技术要求，合成反应在高压环境下进行，在装置正常运行、停工、开工阶段都容易发生高压窜低压的事故。从设计的源头进行风险防范是最根本的解决方式。本文通过对氨合成工艺易发生高压窜低压部位的工艺流程、仪表选型和联锁设计上的优化和改造，提高了系统的安全性、稳定性和可靠性。