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丁二烯装置安全排放系统优化的探讨

文档作者: 王志斌        文档来源: 中国石化长城能源化工有限公司
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更新时间: 2021年01月02日
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★ 石油化工安全环保技术★ 2014年第30卷第2期PETROCHEMICAL SAFETY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNO[ OGY 丁二烯装置安全排放系统优化的探讨 王志斌 (中国石化长城能源化工有限公司,北京100120) 摘要:火炬是化工装置中常见的设施,它在装置发生超压情况下对排放的物料进行 燃烧, 以减少对环境的污染和破坏。目前国内许多化工装置的火炬负荷大都采用排量叠 加的方式,使得火炬系统普遍投资较高。安全仪表系统(SIS)是近年来新兴的一种减少故 障发生频率的手段,通过增加联锁装置的等级,可以有效降低设备泄放的频率,从而可 以降低火炬总管的排放量。主要探讨了丁二烯装置的安全排放系统是如何通过增加安全 仪表使系统得以优化。 关键词:火炬SIL等级安全仪表系统 1 背景 1.1 安全仪表系统 安全仪表系统(SIS)是实现一个或多个仪表 安全功能所用到的仪表系统,由传感器,逻辑解 算器和最终元件组成。 不断降低装置的安全风险是石化装置设计的 重要内容之一。对于石化装置来说,安全风险主 要来源于工艺所涉及的危险物料和操作条件。没 有采取任何保护措施前的风险称为工艺单元或设 备的初始风险,初始风险可以通过安全仪表功能 (SIF)以外的方法进行降低,如可以通过增加壁 厚的方法来实现对超压的保护。采取这些措施后 会形成一个中间风险,如果中间风险低于可承受 的风险,则SIF是不需要的;如果中间风险比可 承受的风险高,则需要使用SIF来进一步降低 风险。 SIL为“安全完整性等级” 的英文简称,它 用来衡量安全仪表功能所必须具备的安全完整性 等级的非连续量,用SILl、SIL2、SIL3、SIIA进 行表示。SIIA 为安全完整性水平的最高等级, SILl为最低等级。 1.2 安全泄放系统 安全泄放系统主要由安全阀和火炬组成。安 全阀负责在达到设备和管路可承受的最大压力 (定压)之前起跳,以保护设备和管路;火炬负责 收集设备在安全阀起跳时泄放出来的物料并将其 , 燃烧为对环境无害化的成分排到大气。 火炬背压是火炬总管中由于其它安全阀的泄 放形成的背景压力,一般情况下要求火炬背压为 安全阀定压的50% 以下。 表1 风险矩阵 需求频 SIL 率次/年 D4 0 ~O.5 a2 2 3 4 b 需求 D3 O.5 4 a2 1 2 3 4 失效 概率 D2 4~2O al o2 1 2 3 Dl >20 al a2 1 2 经济 轻微 较小 局部 重大 巨大 L (万元) 损失 损失 损失 损失 损失 <8 8~80 80~800 8oo一8 O0o >8 000 后果 健康与 轻微 较小 重大 单人 多人 分类 S 安全 伤害 伤害 伤害 死亡 死亡 E 环境 轻微 较小 局部 重大 巨大 影响 影响 影响 影响 影响 后果等级 1(N) 2(L) 3(M) 4(H) 5(E) 注:一般来说,对于SIL al,DCS报警即可满足要求;对于 SIL a2,DCS联锁即可满足要求。对于SIL a2,如果操作人员能 有足够的时间处理危险情形,也可以仅用报警实现。 收稿日期:2013—09—11。 作者简介:王志斌,男,2008年毕业于天津大学化 学工程专业,工学硕士,长期从事石油化工工艺设 计工作,工程师。电话:010—51586468,E—mail: wangzb.ccnh@ sinopec.con ★ 石油化工安全环保技术 ★ 2014年第30卷第2期 2 问题的提出 火炬系统是保护石化装置安全的重要设备之 一 。目前国内设计的石化装置在计算火炬总管时, 常常考虑所有安全阀同时泄放的极端工况,这样做 有两个好处:一是计算简便,不需要复杂的分析; 二是保守的设计所承担的风险最小。然而所有安全 阀同时排放这种情况在实际生产中发生的概率是极 小的,这种过度设计会造成火炬系统设备成本的提 高和不必要的物料排放造成的资源浪费。本文通过 对乙腈法制丁二烯装置火炬排量的探讨,提出一种 通过增加安全仪表系统的方案,来试图解决火炬过 度设计的问题,以期待大幅度降低火炬负荷,达到 节能减排,避免资源浪费的目的。 3 丁二烯装置火炬排放的现状 精馏操作是石化装置最常见的一种单元操 作,它通过物质相对挥发度的不同来分离轻重组 分。所以精馏塔也是石化装置中加热量最大,冷 却用量最大的用户之一。而在塔顶冷却水缺失的 情况下,精馏塔中的气相物料得不到冷却,会造 成超压排放;同时若发生停电工况,既使塔顶物 料得到冷却,但是塔顶的回流无法回到塔顶,也 会造成塔顶超压排放。所以精馏塔(或一些蒸发 罐)是最容易超压排放的设备,尤其是在停水停 电工况,很可能会造成多个塔同时超压排放,这 个时候的火炬负荷往往是最大的。 乙腈法制丁二烯是典型的通过从裂解碳四中 抽提丁二烯组分的装置,其主要设备是精馏塔, 现以某9万t/a的丁二烯装置典型的火炬负荷为 例,探讨如何通过增加安全仪表系统的等级来达 到火炬减负荷的目的。 国内某9万t/a丁二烯装置在停水停电工况 下泄放量的统计见表2。 表2 丁二烯装置停水停电时泄放量统计 设备 被保护系统 排放量/(kg·h ) D一1O01 进料蒸发罐 22 250 T—loo1A/B 第一萃取精馏塔 50 575 T一1002/T一1003 汽提塔/第二萃取精馏塔 40 978 T一2002 脱轻塔 l7 566 T一2003 脱重塔 64 947 T一3oo2 溶剂回收塔 7 665 总量 203 981 由表2中数据可见,若不增加任何仪表安全 联锁措施,火炬在装置停水停电的情况下,负荷 将达到204 t/h。 4 丁二烯装置安全排放系统的优化 由于停水停电工况发生后, 多个塔设备的 安全阀同时排放,火炬负荷太大,所以需要有 额外的安全联锁措施,但这个措施究竟需要什 么样的配制,才能达到减小火炬排放的目的, 这就涉及到上文背景资料中谈到的“安全完整 性等级” (SIL等级)的概念。SIL值越高,意 味着仪表安全完整性水平越高,也就意味着其 需要的检测元件和动作元件配制的可靠性 越高。 4.1 SIL等级的确定 在风险矩阵上,需求频率和后果的交叉点即 是SIF的SIL值。对任何一个需求应分别考虑经 济、健康与安全和环境的三种后果。最坏情形 (最高的等级)决定整体的后果等级。如果得分是 一样的,则选其中任何一个作为等级即可。 一般来说,对于化工装置,出现SIL4的可 能性极小。因此一旦出现SIL4,审查组应进行 仔细分析,应改进工艺设计寻求本质安全以降 低对SIS的依赖。GB/T 21 109(等同采用IEC 61511)也不推荐使用SIL4。根据设备故障率、 人员危害情况、经济损失和环境危害等几个方 面的评估,乙腈法丁二烯装置火炬排放的安全 等级应为SIL3。 4.2 SIF回路的实现 SIF回路的SIL确定后,SIF回路的配置及实 现要求应符合GB/T 2l109(等同采用IEC 61511) 的有关要求,SIF回路的实现应按T—SH050101C 进行验证,以验证是否能满足SIL要求。 表3给出了SIF回路的配置事例。 4.3 火炬减排的具体措施 由表3可以看到,SIL3的安全仪表系统最低 要求检测原件需要3取2,实施原件至少需要2 选1。对于乙腈法丁二烯装置,在前文所涉及的6 台设备的顶部气相管线设置3取2的压力检测元 件,在其底部的加热源上设置双阀切断。具体的 联锁停车系统可设置如下: 2014年第30卷第2期 ★ 王志斌.丁二烯装置安全排放系统优化的探讨 ★ 表3 SIF回路的配置事例 SIL值 检测元件配制 动作元件 检测周期(年) 附加的最小条件 配制 检测元件/动作元件 如果切断没有Tso(aght shut of紧密切断)要求,并且联锁回路的起 SIL1 101(1取1) 101 5/5 跳主要不是由控制阎引起,则动作元件可以用控制阀;控制阀如有旁 路则应锁关 SIL2 1002(2取1) 1ool 3/4 切断阀带诊断 SIL2 l 如果切断没有 TSO要求,并且联锁回路的起跳主要不是由控制阀引 002 1002 5/5 起 , 则其中一个动作元件可以用控制阀;控制阎如有旁路则应锁关 SIL2 2 如果切断没有 TSO要求,并且联锁回路的起跳主要不是由控制阀引 003(3取2) 1002 5/5 起 , 则其中一个动作元件可以用控制阀;控制阀如有旁路则应锁关 SIL2 2003 1ool 5/5 切断阀带诊断 检测元件互相比较测量值。三个阀门中至少有一个是切断阀。如果 SIL3 2003 i003(3取I) 5/5 切断没有TSO要求,并且联锁回路的起跳主要不是由控制阀引起,则 其中两个动作元件可以用控制闽。控制阀不能有旁路 检测元件互相比较测量值。如果切断没有TSO要求,并且联锁回路 SIL3 2003 1002 2/4 的起跳主要不是由控制阀引起,则其中一个动作元件可以用控制阀。 控制阀不能有旁路。控制阈带阀位回读 切断阀带诊断。检测元件互相比较测量值。如果切断没有Ts0要 SIL3 2003 1002 5/5 求,并且联锁回路的起跳主要不是由控制阀引起,则其中一个动作元 件可以用控制阀。控制阀不能有旁路。控制阀带阀位回读 Tri P1:进料蒸发罐或一萃系统超压,停溶 剂循环泵及切断一萃塔釜蒸汽再沸器的蒸汽; Tri P2:汽提塔或二萃系统超压,切断汽提 塔再沸器蒸汽; Tri P3:脱轻塔系统超压,切断再沸器溶剂 侧进料; Tri P4:脱重塔系统超压,切断溶剂再沸器 溶剂侧进料和切断蒸汽凝液再沸器凝液侧进料; Tri P5:溶剂回收塔系统超压,切断蒸汽再 沸器蒸汽侧进料。 在丁二烯装置的上述儿个设备上采用SIL3等 级的安全联锁措施,可以保证在发生停水停电后 安全仪表系统能够处理这种事故的后果,而将火 炬的排放减少到零。 4.4 合理优化 任何一个仪表联锁系统都不是绝对可靠的, 即使选择使用SIL3等级的仪表联锁对丁二烯装置 的安全排放系统进行自控,期待能将火炬排放减 小到0也是不切实际的。因此,假设其中一个 SIL3等级的联锁失效,作为对这个火炬排放系统 最后的一级保护。保守起见,选择排量最大的设 备脱重塔,将其事故状态泄放且联锁失效后排入 火炬的量作为火炬的最大负荷:65 t/h。 与此同时,若火炬余量允许,还可以将溶剂 回收塔的联锁取消,由于7.6 t的排量比较小, 在火炬负荷增加不大的情况下,减少一个SIL3等 级的联锁也是非常经济的。而且一个装置中过多 的SII_3等级的联锁也是不提倡的。 与之前考虑停水停电工况下各设备同时排放 时的204 t/d泄放量相比,增加SIL3等级的安全 仪表联锁优化后的火炬负荷为72.6 t/h,仅为之 前的36% 5 结语 虽然SIL等级较高的仪表联锁成本较高,但 合理的使用可以提高装置可靠水平,较大幅度的 降低火炬负荷。特别是在装置不新建火炬,而所 依托的火炬余量有限的情况下,改造火炬的费用 往往是远大于仪表联锁的投入的。这时候通过合 理的分析确定所需联锁自控的SIL等级,增加相 应的仪表安全联锁配置,可以在保证安全的前提 下尽量利用原有火炬进行安全排放。 参考文献: [1] HG/T 20570.12—95火炬系统设置[s]. 北京:化学_z-,lk部,1996. [2] GB/T 21109过程工业领域安全仪表系统 的功能安全[S].2007.
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