緊急切斷閥選型設(shè)計(jì)與在SIS系統(tǒng)中的應(yīng)用

近年來(lái)，中國(guó)對(duì)化工油品罐區(qū)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)罐區(qū))安全生產(chǎn)的要求不斷提高，安全儀表系統(tǒng)(SIS)作為一種重要的保護(hù)措施在罐區(qū)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。為了確保安全生產(chǎn)，對(duì)罐區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)的危險(xiǎn)及風(fēng)險(xiǎn)分析，識(shí)別出罐區(qū)可能存在的重大風(fēng)險(xiǎn)和隱患，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果，完善安全保護(hù)措施，降低事故發(fā)生的概率，提高罐區(qū)的總體安全水平。作為SIS安全聯(lián)鎖的最終執(zhí)行元件，緊急切斷閥的合理選型及安全運(yùn)行至關(guān)重要。筆者依據(jù)某罐區(qū)改造項(xiàng)目，研究和總結(jié)了緊急切斷閥的選型設(shè)計(jì)及安全聯(lián)鎖方案，探討了其在罐區(qū)中的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。

1、罐區(qū)緊急切斷閥和SIS的設(shè)置依據(jù)
罐區(qū)緊急切斷閥安裝于儲(chǔ)罐進(jìn)出口管道上，遇到緊急情況時(shí)能夠通過(guò)SIS聯(lián)鎖或手動(dòng)控制快速切斷，避免事故范圍擴(kuò)大，減少事故損失。

原國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局第121號(hào)文《化工和危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)單位重大生產(chǎn)安全事故隱患判定標(biāo)準(zhǔn)(試行)》中將“構(gòu)成一級(jí)、二級(jí)重大危險(xiǎn)源的危險(xiǎn)化學(xué)品罐區(qū)未實(shí)現(xiàn)緊急切斷功能；涉及毒性氣體、液化氣體、劇毒液體的一級(jí)、二級(jí)重大危險(xiǎn)源的危險(xiǎn)化學(xué)品罐區(qū)未配備獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)”判定為重大生產(chǎn)安全事故隱患。

罐區(qū)緊急切斷閥與SIS的設(shè)置相輔相成，通過(guò)設(shè)置緊急切斷閥構(gòu)建安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)緊急停車(chē)功能，有效維護(hù)罐區(qū)安全。
依據(jù)GB/T50770-2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》和IEC61511-1-2003 Functional Safety-Safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector的規(guī)定，對(duì)罐區(qū)工藝過(guò)程進(jìn)行過(guò)程危險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)分析(HAZOP分析等)，確定保護(hù)層需求，提出需設(shè)置報(bào)警和聯(lián)鎖的安全儀表功能(SIF)回路，通過(guò)保護(hù)層分析(LOPA)等方法確定各SIF回路的安全完整性等級(jí)(SIL)，最終來(lái)配置SIS。對(duì)于未進(jìn)行危險(xiǎn)及風(fēng)險(xiǎn)分析和SIL等級(jí)評(píng)估的罐區(qū)，則應(yīng)滿足原國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局文件及相關(guān)規(guī)定，對(duì)涉及毒性氣體、液化氣體、劇毒液體的一級(jí)或二級(jí)重大危險(xiǎn)源的罐區(qū)應(yīng)配備獨(dú)立的SIS，SIL等級(jí)應(yīng)按SIL2考慮。

2、罐區(qū)緊急切斷閥的選型設(shè)計(jì)
緊急切斷閥與普通開(kāi)關(guān)閥的主要功能區(qū)別在于緊急切斷閥在發(fā)生事故時(shí)仍能執(zhí)行動(dòng)作且響應(yīng)快速，因此在選型時(shí)對(duì)于緊急切斷閥的配置要求更高。筆者在設(shè)計(jì)過(guò)程中除了依據(jù)SH/T 3005-2016《石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范》，還重點(diǎn)參考了《液化烴球罐緊急切斷閥選型設(shè)計(jì)規(guī)定》(中國(guó)石化建[2011]518號(hào)文)，該規(guī)定對(duì)于緊急切斷閥的技術(shù)性能、閥門(mén)材質(zhì)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型、檢驗(yàn)與測(cè)試等都做了比較詳細(xì)的規(guī)定。

2.1 閥體的選擇
球閥、閘閥和蝶閥均可用作罐區(qū)緊急切斷閥。球閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封性好，但大口徑球閥價(jià)格較高，因此一般用于DN200及以下管道或要求管道全通徑的場(chǎng)合；蝶閥密封性能較差、價(jià)格便宜，但對(duì)于加工精度更高的三偏心高性能蝶閥，密封性能提高，造價(jià)也相應(yīng)更高，總體性價(jià)比不高；閘閥密封性能好，啟閉省力，適用于大口徑管道，因此閘閥是罐區(qū)常用的閥門(mén)，儲(chǔ)罐進(jìn)出口通常選用雙閘板閘閥，單閘板閘閥具有調(diào)節(jié)流量的性能，一般用于供料泵出口管道。

2.2 閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇
《液化烴球罐緊急切斷閥選型設(shè)計(jì)規(guī)定》中規(guī)定: 當(dāng)罐區(qū)有可靠的儀表空氣系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)選用氣動(dòng)緊急切斷閥；當(dāng)罐區(qū)無(wú)儀表空氣系統(tǒng)、但有負(fù)荷分級(jí)為一級(jí)負(fù)荷的電力電源系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)選用電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)或電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的緊急切斷閥。在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)控制閥響應(yīng)動(dòng)作慢，且不能實(shí)現(xiàn)故障安全狀態(tài)，因此不建議作為緊急切斷閥使用，在無(wú)儀表氣源的情況下優(yōu)先選用電液控制閥。當(dāng)切斷閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣動(dòng)型時(shí)，首選故障安全型單作用氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)；若采用氣動(dòng)雙作用氣缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)應(yīng)配儲(chǔ)氣罐；若必須采用電動(dòng)型執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，其電源應(yīng)采用負(fù)荷分級(jí)為一級(jí)負(fù)荷中特別重要的電力電源供電。

2.3 關(guān)斷時(shí)間
關(guān)斷時(shí)間是緊急切斷閥的重要指標(biāo)之一，文獻(xiàn)中規(guī)定: 緊急切斷閥的最大行程時(shí)間不應(yīng)超過(guò)10s，而《液化烴球罐緊急切斷閥選型設(shè)計(jì)規(guī)定》中要求為“1s/英寸閥門(mén)通徑”。閥門(mén)口徑越大對(duì)關(guān)斷時(shí)間越不利，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合工藝要求選擇合適的關(guān)斷時(shí)間。對(duì)于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，關(guān)斷時(shí)間還與氣缸大小、氣源管路尺寸等因素有關(guān)。閥門(mén)廠家一般會(huì)根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行核算，采取加大氣缸、增大氣源管徑或加裝氣控閥等措施滿足緊急切斷閥對(duì)關(guān)斷時(shí)間的要求。

2.4 防火設(shè)計(jì)
緊急切斷閥是否進(jìn)行防火設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)工藝需求，《罐區(qū)隱患整改攻堅(jiān)戰(zhàn)指導(dǎo)意見(jiàn)》(集團(tuán)工單安風(fēng)[2016]39號(hào)文)中指出: 需設(shè)置獨(dú)立SIS的儲(chǔ)罐，其進(jìn)出口管道上的罐根閥-緊急切斷閥要采取防火措施，應(yīng)具有手動(dòng)操作功能。筆者認(rèn)為罐區(qū)緊急切斷閥的防火設(shè)計(jì)是非常有必要的，原因是: 罐區(qū)儲(chǔ)存的介質(zhì)具有易燃易爆的特性，發(fā)生火災(zāi)事故的可能性極高，一旦發(fā)生火災(zāi)事故危害性極強(qiáng)，而緊急切斷閥通常處于火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域中，只有采取必要的防火保護(hù)措施才能保證其在發(fā)生火災(zāi)的時(shí)候仍能發(fā)揮有效作用，確保罐區(qū)安全。結(jié)合文獻(xiàn)及《液化烴球罐緊急切斷閥選型設(shè)計(jì)規(guī)定》(中國(guó)石化建[2011]518號(hào)文)，可采取的防火措施主要有以下幾點(diǎn)：

①緊急切斷閥的閥體、閥座、閥內(nèi)件、閥蓋與填料的選用皆應(yīng)符合API-607-2016《轉(zhuǎn)1/4周閥門(mén)和非金屬閥座閥門(mén)的耐火試驗(yàn)》或API 6FA-1999《閥門(mén)耐火試驗(yàn)規(guī)范》。文獻(xiàn)一般用于旋轉(zhuǎn)90°的閥門(mén)，如球閥、旋塞閥、蝶閥等，主要針對(duì)軟閥座閥門(mén)的耐火試驗(yàn)；文獻(xiàn)是通用標(biāo)準(zhǔn)，可以用于硬密封閥門(mén)，設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際需要選擇。

②用于緊急切斷閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其附件應(yīng)有防火保護(hù)措施，首選安裝防火保護(hù)罩。防火保護(hù)罩應(yīng)符合UL1709-2007《結(jié)構(gòu)鋼用保護(hù)材料的快速升溫燃燒試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)》，能夠在1093℃的溫度下，抵抗烴類(lèi)火災(zāi)30min。

③對(duì)于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，若從經(jīng)濟(jì)角度考慮不便安裝防火保護(hù)罩時(shí)，可以選擇在氣缸上加裝易熔塞。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)由于溫度急劇升高，氣缸溫度達(dá)到或超過(guò)易熔塞的熔點(diǎn)時(shí)，易熔塞熔化將氣缸內(nèi)的壓力泄放掉，使另一側(cè)氣缸內(nèi)的彈簧或儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓縮空氣推動(dòng)活塞將閥門(mén)自動(dòng)關(guān)閉。

④在罐區(qū)防火堤外應(yīng)設(shè)置緊急切斷閥的現(xiàn)場(chǎng)操作開(kāi)關(guān)，其接點(diǎn)信號(hào)直接送至氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電磁閥或電液、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的緊急停車(chē)系統(tǒng)(ESD)動(dòng)作端子或相應(yīng)的SIS，用于在緊急情況下現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)開(kāi)關(guān)緊急切斷閥。

⑤用于緊急切斷閥及現(xiàn)場(chǎng)操作開(kāi)關(guān)的電纜應(yīng)采取防火保護(hù)措施或采用防火電纜，保護(hù)控制信號(hào)的傳輸在發(fā)生火災(zāi)初期不會(huì)立即中斷，確保發(fā)生火災(zāi)時(shí)能及時(shí)切斷緊急切斷閥。

3、罐區(qū)緊急切斷閥的應(yīng)用
昌暉儀表首先對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行HAZOP分析，確定是否采用SIS作為SIF的保護(hù)層，然后利用LOPA分析方法確定各SIF回路的SIL等級(jí)，最后采用緊急切斷閥與儲(chǔ)罐液位儀表相結(jié)合構(gòu)建安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)罐區(qū)的安全監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制。

緊急切斷閥應(yīng)具有自動(dòng)和手動(dòng)關(guān)閉功能，手動(dòng)關(guān)閉功能包括控制室遙控關(guān)閉和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)液位高高或低低報(bào)警時(shí)通過(guò)SIS完成聯(lián)鎖緊急切斷功能，及時(shí)切斷儲(chǔ)罐進(jìn)出口管道上的進(jìn)出口閥門(mén)，避免溢油冒罐或抽癟儲(chǔ)罐的情況發(fā)生；同時(shí)，在操作站設(shè)置緊急切斷閥的遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)，或在SIS輔操臺(tái)上設(shè)置緊急關(guān)閥按鈕，便于操作人員在發(fā)生火災(zāi)或安全聯(lián)鎖失效等突發(fā)狀況時(shí)能夠遠(yuǎn)程手動(dòng)切斷閥門(mén)；另外，安裝于火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域外的現(xiàn)場(chǎng)操作開(kāi)關(guān)可以使現(xiàn)場(chǎng)人員在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)異常后及時(shí)切斷閥門(mén)，防止事故升級(jí)。

3.1 設(shè)計(jì)改造方案
以某苯罐區(qū)的改造設(shè)計(jì)為例。改造前工藝流程如圖1所示，該苯罐設(shè)置了1臺(tái)雷達(dá)液位計(jì)和1臺(tái)高高液位開(kāi)關(guān)，罐進(jìn)出口閥門(mén)為手動(dòng)閥門(mén)。此時(shí)若儲(chǔ)罐發(fā)生溢油或火災(zāi)事故，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或遠(yuǎn)程手動(dòng)切斷儲(chǔ)罐進(jìn)出口閥門(mén)，人工操作易產(chǎn)生時(shí)間滯后，而且會(huì)給操作人員帶來(lái)危險(xiǎn)，進(jìn)而造成不可估量的損失。

改造時(shí)昌暉儀表通過(guò)采用HAZOP分析和LOPA分析，確定苯罐應(yīng)設(shè)置SIS保護(hù)層，各SIF回路的SIL等級(jí)應(yīng)不低于SIL2，有兩種設(shè)計(jì)方案可選：方案一采用“1oo1”的邏輯結(jié)構(gòu)，為儲(chǔ)罐增設(shè)1臺(tái)低低液位開(kāi)關(guān)及進(jìn)出口緊急切斷閥，并將高高、低低液位開(kāi)關(guān)和進(jìn)出口緊急切斷閥的檢測(cè)及控制信號(hào)接入獨(dú)立設(shè)置的SIS，當(dāng)儲(chǔ)罐高高、低低液位報(bào)警時(shí)聯(lián)鎖切斷進(jìn)、出口緊急切斷閥；方案二采用“2oo2”的邏輯結(jié)構(gòu)，是對(duì)方案一的優(yōu)化，如圖2所示，為儲(chǔ)罐再增設(shè)1臺(tái)過(guò)程級(jí)雷達(dá)液位計(jì)，與高高、低低液位開(kāi)關(guān)分別組成“2oo2”安全聯(lián)鎖切斷進(jìn)、出口緊急切斷閥的方案。方案二大幅提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性，并可以有效地避免因液位開(kāi)關(guān)故障而引起緊急切斷閥誤動(dòng)作。通過(guò)優(yōu)化比對(duì)，該項(xiàng)目采用方案二。


圖1 苯儲(chǔ)罐改造前工藝流程示意



圖2 苯儲(chǔ)罐改造后工藝流程示意

3.2 緊急切斷閥選型說(shuō)明
3.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
該罐區(qū)中已設(shè)有儀表凈化風(fēng)線，因此緊急切斷閥選用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，單作用氣缸滿足氣源故障關(guān)(FC)的要求。

3.2.2 閥體及閥內(nèi)件
該儲(chǔ)罐的進(jìn)出口管道口徑為DN200，球閥或閘閥皆可以滿足使用要求，但從節(jié)省投資的角度考慮，閘閥更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用，因此設(shè)計(jì)選用了雙閘板閘閥，允許泄漏等級(jí)不低于ANSIB16.104 Class V級(jí)，滿足了罐區(qū)密閉性高的要求。對(duì)閥門(mén)材質(zhì)的選擇則應(yīng)滿足緊急切斷閥的防火設(shè)計(jì)要求，密封面采用硬密封，耐火設(shè)計(jì)應(yīng)符合API 6FA，主要部件材質(zhì)選型見(jiàn)表1所列。

表1 雙閘板閘閥材質(zhì)

圖3 高高液位安全聯(lián)鎖邏輯示意

圖4 低低液位安全聯(lián)鎖邏輯示意