泵與工藝設(shè)備自動緊急隔離閥設(shè)計探討
分析探討了泵與工藝設(shè)備緊急隔離閥的設(shè)置原則。對緊急隔離閥閥型結(jié)構(gòu)的選擇以及安裝做了簡單說明。參考API607的說明對緊急隔離閥的防火測試做了簡要說明。并對緊急隔離閥執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計和選型進行了深入探討。結(jié)合相關(guān)案例對緊急隔離系統(tǒng)的相關(guān)安全聯(lián)鎖的設(shè)置原則做了簡單闡述。
石油化工企業(yè)的原料和產(chǎn)品大多數(shù)都是易燃易爆，生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，上下游之間的聯(lián)系比較緊密。因此稍有不慎很容易發(fā)生火災(zāi)。一旦發(fā)生火災(zāi)，如果能及時切斷火災(zāi)源就可以最大限度的減小火災(zāi)對生產(chǎn)裝置的影響，防止災(zāi)情進一步擴大。真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為設(shè)置隔離是減輕火災(zāi)損失的重要手段之一。
1、緊急隔離閥的設(shè)置原則
緊急隔離閥的設(shè)置與設(shè)備容積的大小、介質(zhì)、溫度以及機泵功率、容量有著密切的關(guān)系。參考國內(nèi)外工程公司的做法，現(xiàn)就某兩個公司的設(shè)計原則說明如下：
A公司的設(shè)置原則：
容積大于8m3的LPG儲罐;
容積大于8m3的烴(或其他可燃物)儲罐，且介質(zhì)溫度高于介質(zhì)自燃溫度或者高于250℃;
容積大于16m3的烴(或其他可燃物)儲罐;
大型機組，功率超過150kW。
B公司的設(shè)置原則：
泵內(nèi)工藝介質(zhì)(為可燃物)溫度高于正常的沸點，入口和出口總儲存量超過450kg，且泵密封系統(tǒng)潛在的泄漏速率超過450kg/min(如果詳細設(shè)計承包商的彌散模型可以確定泄漏量超過1300kg時也不會高于爆炸下限，則可以適當(dāng)抬高泄漏速率值);
泵內(nèi)工藝介質(zhì)(為可燃物)溫度高于自燃點，入口和出口總儲存量超過450kg;
以上泄漏量計算是假定泵密封系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)難性損害時的情況，如果采用無泄漏型泵，則隔離系統(tǒng)可以取消。
目前國內(nèi)大多數(shù)項目基本上泵設(shè)緊急隔離系統(tǒng)與A公司的設(shè)置原則比較接近。
2、隔離系統(tǒng)的組成
隔離系統(tǒng)設(shè)置的目的是當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時能夠及時切斷火災(zāi)源-可燃物質(zhì)。根據(jù)有關(guān)規(guī)定，如API2510要求，大型儲罐在火災(zāi)發(fā)生15min內(nèi)，所有位于罐最高液面下管道上的切斷閥應(yīng)能自動關(guān)閉或遙控操作。為此，自動隔離系統(tǒng)至少由下列元素構(gòu)成：
緊急隔離閥(EBV)，執(zhí)行隔離動作;
現(xiàn)場緊急隔離按鈕，發(fā)生火災(zāi)時，能立即就地切斷隔離閥。要求緊急隔離按鈕設(shè)在現(xiàn)場發(fā)生火災(zāi)時操作人員能方便、安全到達且醒目的位置，一般要求此按鈕距離相關(guān)泵15m以外。
控制室緊急隔離按鈕，發(fā)生火災(zāi)時，能立即遙控切斷隔離閥;
安全聯(lián)鎖系統(tǒng)(SIS或DCS)，發(fā)生火災(zāi)時，根據(jù)工藝要求完成相關(guān)安全聯(lián)鎖功能;
其他相關(guān)附件，如電纜、接線盒、手輪、限位開關(guān)等。
3、緊急隔離閥(EBV)設(shè)計原則
3.1、閥型選擇
根據(jù)APIRP553相關(guān)規(guī)定，緊急隔離閥(EBV)通常分為以下四種類型：
A型安裝在設(shè)備上的手動操作閥，這類閥門安裝在發(fā)生泄漏但不會發(fā)生火災(zāi)的場所;
B型安裝在工藝管道上的手動操作閥;這類閥門安裝在離著火泄漏點25英尺以外的場所，且閥門尺寸不大于8英寸，壓力等級不超過ASMECLASS300。
C型安裝在工藝管道上的動力操作閥;這類閥門安裝在離著火泄漏點25英尺以外的場所，且閥門尺寸大于8英寸，高度不高于15英尺，壓力等級超過ASMECLASS300。
D型動力操作的閥門，并能通過安裝在現(xiàn)場和控制室的按鈕關(guān)閉閥門。這類閥門的安裝位置沒有太多限制，但控制按鈕應(yīng)安裝在離著火泄漏點40英尺以外的火災(zāi)危險區(qū)以外�；馂�(zāi)危險區(qū)域內(nèi)的執(zhí)行機構(gòu)、控制電纜、動力管路等采用防火設(shè)計或者設(shè)計成火災(zāi)情況下，操作不會失效。此外配管配線的支架也應(yīng)采用防火設(shè)計。
緊急隔離閥一般采用D型。
緊急隔離閥按照閥體類型一般分為三種：閘閥、球閥、三偏心蝶閥。
閘閥一般應(yīng)用在口徑較大的場所(DN250以上)，投資相對球閥來說比較低廉。閘閥的主要缺點是：閥體笨重且安裝尺寸較大，填料密封性能不好，閥體也容易卡住。
球閥主要應(yīng)用在中低壓場所，考慮到投資因素，口徑一般不易大于DN250。選用球閥時，工藝介質(zhì)應(yīng)潔凈，介質(zhì)溫度較低時可選用非金屬密封閥座環(huán)，介質(zhì)溫度較高時應(yīng)選用金屬密封閥座環(huán)。
三偏心蝶閥具有轉(zhuǎn)動力矩大、密封和關(guān)斷性能好、重量輕、結(jié)構(gòu)尺寸小以及造價便宜等特點。在中低壓工藝管道上可以代替閘閥。
緊急隔離閥門采用嚴密關(guān)斷型(TSO)。一般對于金屬硬密封的隔離閥，泄漏等級一般要求ANSICLASSV以上;對于非金屬軟密封的隔離閥，泄漏等級一般要求為ANSICLASSVI。并盡量滿足上下游雙向密封的要求。
3.2、閥門結(jié)構(gòu)
緊急隔離閥與普通切斷閥相比最大的區(qū)別就是防火設(shè)計。在火災(zāi)發(fā)生時，采用隔離閥將著火點與可燃物儲存設(shè)備隔離。由于平面布置的限制，緊急隔離閥往往處在火災(zāi)危險區(qū)域。為此，需要該閥在火災(zāi)發(fā)生情況下，在一定時間(一般不低于30分鐘)內(nèi)仍可以嚴密隔離，以達到減小火災(zāi)的目的。能否在這段時間內(nèi)依然保證嚴密隔離效果就成為緊急隔離設(shè)計的關(guān)鍵。目前廣泛被閥門生產(chǎn)廠用于測試的標準是美國石油學(xué)會的API607。API607測試程序簡要說明如下：
將測試閥門在處于關(guān)閉狀態(tài)下，充滿加壓的水，然后對閥體用火焰持續(xù)燃燒30min，期間閥體周圍環(huán)境平均溫度處在750～1000℃(1400～1800°F)，且任一測溫點最低溫度不應(yīng)低于700℃(1300°F)。確定這段時間內(nèi)通過閥門并排到大氣中的泄漏量。在火焰熄滅后5min內(nèi)用水噴射閥體使其在10min內(nèi)強制冷卻至100℃(212°F)，然后確定強制冷卻期間閥門的泄漏量，完成靜態(tài)泄漏試驗后，再對閥門進行靜壓試驗評定閥門殼體及閥座的耐壓能力。測試用的燃料一般為瓦斯氣。選擇持續(xù)燃燒30min是因為這相當(dāng)于撲滅大多數(shù)煉廠火災(zāi)所需要的最長時間。持續(xù)時間更長的火情視為大火，比實驗預(yù)料的后果將更為嚴重。API607針對不同壓力等級和不同口徑規(guī)定了相應(yīng)的泄漏量標準，低于該標準即視為滿足防火設(shè)計要求。測試標準的目的是：閥門的內(nèi)部泄漏量和外部泄漏量不能超過規(guī)定值，且具有連續(xù)的可操作性。
緊急隔離閥在選型設(shè)計時優(yōu)先選擇本質(zhì)火災(zāi)安全型閥門，閥門應(yīng)為金屬硬密封閥座，填料選擇柔性石墨填料等。且閥座盡量為雙向密封。
此外，如果緊急隔離閥采用球閥，當(dāng)采用非金屬軟密封時，應(yīng)設(shè)計成防靜電結(jié)構(gòu)。因此球體部分是通過非金屬材料夾持形成的密封，閥球旋轉(zhuǎn)動作時可能會產(chǎn)生靜電，必須與閥體導(dǎo)通。在電源電壓不超過12V的防靜電電路中，阻值小于10Ω，一旦出現(xiàn)靜電堆積，對可燃介質(zhì)十分危險。
火災(zāi)是一種緊急事故，在火災(zāi)發(fā)生時，緊急隔離閥應(yīng)自動置于危害最小的狀態(tài)，通常為關(guān)閉狀態(tài)，緊急隔離閥一般選擇F.C(事故時關(guān)閉)閥門。
3.3、執(zhí)行機構(gòu)選擇
根據(jù)APIRP553要求，閘閥應(yīng)首選電動執(zhí)行機構(gòu)，這是因為電動執(zhí)行機構(gòu)在失電時可停留在原位。對緊急隔離閥來說，最重要的是關(guān)閉閥門。所以電動執(zhí)行機構(gòu)的防護措施以及調(diào)節(jié)回路均應(yīng)在緊急隔離時被旁路。此外電動執(zhí)行機構(gòu)以及相應(yīng)配套附件，如控制電纜等均應(yīng)采用耐火型。
對于角行程的閥門，如球閥，優(yōu)先選擇氣動執(zhí)行機構(gòu)，且應(yīng)設(shè)計成氣源故障時可使閥門關(guān)閉。氣動執(zhí)行機構(gòu)分為兩類，一類為火災(zāi)安全型，另一類為耐火型。
火災(zāi)安全型執(zhí)行機構(gòu)在正常工況下可以遠程控制，但在火災(zāi)發(fā)生時，該執(zhí)行機構(gòu)可能會被損壞。這類執(zhí)行機構(gòu)通常采用彈簧復(fù)位型，連接開閥氣源的供風(fēng)管一般采用耐日照的易熔斷線路，且繞在執(zhí)行機構(gòu)周圍。發(fā)生火災(zāi)時，氣路管路熔斷切斷氣源使閥門回到關(guān)閉狀態(tài)。另外一種做法是，在執(zhí)行機構(gòu)上加易熔塞，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，易熔塞熔化，氣缸失氣閥門關(guān)閉。易熔塞一般采用耐溫135～500(57～260℃)間金屬制作而成。
耐火型執(zhí)行機構(gòu)本身就具有耐火性能。執(zhí)行機構(gòu)的外殼采用耐火材料或耐火涂料覆蓋，該材料在環(huán)境溫度急劇上升時，體積能急速膨脹，形成對熱浪的阻隔。根據(jù)UL1709的要求其耐火(1093℃(2000°F))時間不小于30min。選用這種執(zhí)行機構(gòu)時，閥門配套附件，如電纜、氣源供風(fēng)管線等，均采用耐火型，以到達整體防火設(shè)計的要求。
3.4、緊急隔離閥安裝
為了從源頭上切斷可燃物質(zhì)，緊急隔離閥應(yīng)盡量靠近設(shè)備安裝，最好位于設(shè)備或儲罐壁嘴子上。當(dāng)抽出泵為2臺以上時，緊急隔離閥應(yīng)安裝在泵入口公共管道上。緊急隔離閥應(yīng)帶有現(xiàn)場緊急隔離按鈕，緊急隔離按鈕一般設(shè)在距泵15m以外的安全區(qū)域。大型機組的緊急隔離閥一般安裝在出/入口管道上。
3.5、緊急隔離閥附件
緊急隔離閥附件一般為電磁閥和閥位回訊開關(guān)等，某些場合可能有手輪。電磁閥應(yīng)選用不銹鋼材質(zhì)、低功耗型，線圈應(yīng)采用高溫絕緣線圈。閥位回訊一般選用不銹鋼殼體，并帶獨立的接線盒。所有的設(shè)計均應(yīng)考慮耐火災(zāi)高溫工況。
4、安全聯(lián)鎖
緊急隔離閥由SIS或DCS安全聯(lián)鎖實現(xiàn)時。閥門的緊急隔離命令通常由就地或控制室內(nèi)的緊急切斷按鈕發(fā)出，切斷閥門的同時通過SIS或DCS聯(lián)鎖關(guān)停相關(guān)機泵。另外，為了防止閥門誤動作給機泵帶來損壞，一般通過檢測閥位回訊的位置來聯(lián)鎖機泵。當(dāng)檢測到閥全開時才允許啟泵;當(dāng)檢測到閥關(guān)時，應(yīng)聯(lián)鎖停泵。
5、結(jié)語
隨著石油化工裝置的大型化和人們安全生產(chǎn)意識的不斷增強，企業(yè)的火災(zāi)安全理念被逐步加強。緊急隔離閥在一次性投資比較大，但考慮到其在裝置長期運行中能有效遏制火災(zāi)蔓延，并大幅度降低惡性火災(zāi)發(fā)生的概率，從整個項目的投資回報率角度來講，還是比較可行。由于國內(nèi)沒有相關(guān)方面的詳細的標準規(guī)范，筆者希望通過本文的闡述，對大型石化裝置火災(zāi)安全方面提供一些有益的啟示。
