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石化装置串压问题及其安全完整性评估

文档作者：庄力健朱建新陈学东方向荣袁文彬文档来源：合肥通用机械研究院		点击数：	更新时间： 2020年12月28日
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第4O卷第4期
2011年7月
石油化工设备
PETRO-CHEMICAL EQUIPMENT
Vo1．40 NO．4
July 2011
文章编号：1000—7466(2011)04～0020—05
石化装置串压问题及其安全完整性评估
庄力健，朱建新，陈学东，方向荣，袁文彬
(合肥通用机械研究院，安徽合肥230031)
摘要：对安全联锁系统(SIS)安全完整性定量评估中所发现的石化装置串压问题以及预防串压危
险联锁系统的必要性进行了详细的探讨，提出了改进意见。开发了一套在发生串压时，管网流量以
及压降的计算方法，并通过实例进行了说明，此研究结果对提高串压系统工艺及联锁系统设计具有
一定的参考意义。
关键词：石化装置；安全联锁系统；安全完整性等级；串压；压降
中图分类号：TQ 050．7；TH 47 文献标志码：B
High—pressure Letdown Problem in Petrochemical Plants
and Its Safety Integrity Assessment
ZHUANG Li-j ian，ZHU Jian—xin，CHEN Xue—dong，FANG Xiang-rong，YUAN Wen。bin
(Hefei General M achinery Research Institute，Hefei 230031，China)
Abstract：The necessity and sufficiency of the safety instrumented system which prevented the
high—pressure letdown was discussed。and improvement suggestions were proposed． The high—
pressure letdown flux and pressure drop were calculated by a newly developed calculation method
which was explained by a detailed example．The results of the research had reference significance
in the improvement of the high—pressure letdown technology and the design of safety instrumented
system ．
Key words： petrochemical plant；safety instrumented system；safety integrity level；high—pres—
sure letdown；pressure drop
近年来，安全联锁系统(简称SIS)在过程工业
的应用越来越广泛，其可靠性对于企业安全的影响
十分巨大[1 ]。因此，开展过程工业联锁系统功能
安全完整性等级(SIL)定量评估，对于确保过程工
业安全具有重要作用。SIL作为一种新的安全管理
技术，是今后企业安全管理以及设计制造的发展方
向之一 6～ 。
在将近5 a的时间内，笔者与有关人员对数个
石化工厂10多套石化装置进行了SIL评估。在评
估中发现了诸多的典型安全问题，其中之一是串压
问题。串压会使高低压分离系统发生灾难性事故，
该系统普遍存在于加氢裂化、重油加氢、高压聚乙烯
等装置中，是具有重大失效可能的工艺单元。围绕
着石化装置的安全往往设计大量的联锁回路进行保
收稿日期：2010—02—2o
基金项目：国家“十一五”科技支撑计划重点项目(2008BAK02B02)；安徽省国际科技合作项目(0808070302)；安徽省自然
科学基金项目(1 1040606M106)
作者简介：庄力健(1981一)，男，浙江金华人，工程师，硕士，从事石化装置工程风险分析及生产系统安全研究工作
。
第4期 庄力健，等：石化装置串压问题及其安全完整性评估
护，联锁的拒动作或操作工对高低压分离器之间的
调节阀等管路元件的误操作均会引起串压，在极短
的时间内使低压容器超压，甚至爆炸，使人员与财产
遭受巨大损失。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 ]。
在进行SII 评估的装置中，发现大部分装置的高低
压分离系统的安全完整性等级无法达到要求，存在
着较大的安全隐患。
文中提出了一种在发生串压时管网流量以及压
降的计算方法，依据该方法的计算结果，给出了串压
问题的解决方法，从而使高低压分离系统能够接近
或者达到安全完整性等级要求。
l 串压原因分析
串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串人低压容器，而低压
容器上安全泄放装置(如安全阀、爆破片等)的排放
能力小于安全泄放量，从而导致低压容器损坏甚至
发生爆炸。
从所评估的几个石化厂的几套不同的装置中，
可以发现造成串压主要有以下几点原因。
(1)不论在原始工艺设计还是在实际操作中，
总会人为高估管道阻力，以获得偏保守的结果，以使
工艺操作更具弹性。由于缺乏对下游装置安全的全
面分析，导致实际偏危险的结果。如典型石化装置
中存在现有安全阀的排放能力不足、安全阀缺乏失
效状态下最大流量校核等问题。
(2)由于设计阶段未充分考虑风险的设计理
念，缺乏精确的过程安全分析及校核，致使对操作工
操作的可靠性提出了很高要求，以致于无法满足风
险可接受水平。但是往往在发生串压时，在极短的
时间内就有可能发生灾难性后果，同时即使在正常
情况下亦不能保证正确操作。有统计表明，人为失
误导致的伤亡事故占伤亡事故总数的70 ～90 。
如2005年吉林石化双苯厂车间的爆炸事故就是由
操作工误操作引起的 ]。
(3)在一些设计较早的石化装置高低分离单元
中，由于限于装置的自动化水平，部分高压串低压单
元中未设置自动联锁。
2 串压问题分析计算
2．1 串压计算原则及方法
目前，在大型工程设计中，普遍采用等效长度法
来计算管道压降。该方法在工程设计中便捷实用，
但是在简化过程中忽略了管道阻力压降系数随流动
状态变化的事实，即管道部件阻力系数随流速或者
管径的增加而减小。
等效长度法对工程设计给出了一个偏保守的结
果，在给定上下游压力情况下，对管道总阻力进行了
偏高的计算，从而得到的设计所要求的管径大于实
际所要求的。若用等效长度法进行安全完整性评
估，得到的结果偏不安全，即在给定上下游压力及实
际管道直径与长度的情况下，实际所能通过该管道
的流量大于用该方法计算得到的流量。若下游设备
的安全附件按照该方法计算得到的流量进行设置，
则系统存在安全问题。
在SII 评估中，对于高低压分离系统应首先确
定其下游装置(低压容器)上的安全附件是否可作为
一个独立的保护层，即安全阀、爆破片等的排量是否
足够。故需对管网系统阻力进行精确计算，从而得
到管网在SIS失效(或不存在)情况下的最大流量，
进而判断该高低压分离系统是否存在串压问题。
文中提出了一种在高低压分离系统发生串压
时，精确计算管网流量以及压降的方法。在该方法
中，管道上所有管件的压降均按照HTFS handbook
的相关规定进行计算口 。
2．2 示例计算
以某石化厂的一个具体工况来说明石化装置中
存在的串压问题以及算法。在此算例中，用来防止
串压的联锁为手动联锁，计算流程见图1。
汁算通过谰1， 的川 能的最
大质量流蛀(液柏)
得刨通过调节阀的实际液相
质 流最(试差计算)
得到总的液相泄放质嚣流量
一有足够的操作时间
(泄放时间大于15min)
无足够的操作时问
(泄放时间不大于15 min)
‘ 算通过渊1 阀的【】J‘能的最大
质 流量(气棚)
得到通过调 阀的实际气相质
最流量(试差计算)
安个附件的滞放能力是 ===—
、、、
● 小足
低压容器危险，视具体情况对I f低压容
联锁以及安伞附件等进行改进l I器安全
图1 串压流量计算流程
石油化工设备 2011年第4O卷
高压分离器(以下简称高分)与低压分离器(以
下简称低分)之间除了正常的管道联接(B路)之外，
另加一路(A路)至液力透平进行能量回收，管路图
见图2。
图2 高分至低分之 】的管路图
2．2．1 已知条件
高分低低报警时的液柱高度H一0．97 m。调
节阀B的流量系数C =30，压力恢复系数FL一
0．8；高分的液相进料量q 。一136 t／h，高分的操作
压力P 高分一16．48 MPa。低分的设计压力P。低分一
2．16 MPa，操作压力P 低分=1．96 MPa。
正常操作状态下，透平一路质量流量q 一
123．0 t／h，压降ApA一12．0 MPa。
假设刚发生串压时，高分压力 高分一P 高分一
16．48 MPa，低分压力户低分一2．48 MPa(低分设计
压力P．低分的1．15倍)。
2．2．2 泄放时间计算
SIS失效走液体时，(， A一123 t／h=34．2 kt／s。
通过B路的流量需要试差计算，B路的射流紧缩压
力P 。由下式计算：
Pvc、一(0．96—0．28~／户 ／p ) (1)
式中，P 为饱和蒸汽压，P 为流体热力学临界压力
(绝对压力)，MPa。
P 与P 均可根据高分内的物流参数，查相应
的热力学手册得到，此处可得P、， 一5．03 MPa。
液相流体通过调节阀的体积流量q (m。／h)可
以按照下式确定：
一一 (Ap~ F ( 1- Pvc))
c
p— P1一p 2
(2)
(3)
式中，P 为阀入口压力，Pz为阀出口压力，Ap为调
节阀人口压力与出口压力之差，MPa；G为比重。
首先取调节阀两端压差的最大值，即P 取
高分一16．48 MPa，P2取 低分一2．48 MPa。
由式(2)～式(3)可得到该工况下通过调节阀B
的液相体积流量q 一294．07 m。／h，相应的质量流
量q e一45．82 kg／h。以此流量计算各段管路阻力，
重新计算B阀的上下游压差Ap ，以此压差计算通
过调节阀B的液相质量流量q ，反复试差。
当通过B阀的质量流量q 一45．14 kg／s时，B
阀人口压力P 一16．14 MPa，出口压力P 一
1．88 MPa，Ap≥F (P 一Pvc)，通过B阀的液相质
量流量q 一45．139 kg／s，试差成功。即当联锁失
效发生串压时，A、B两路质量流量分别为q 一
123 t／h=34．2 kg／s，qmB：45．14 kg／s，g 总=q A+
q B一79．34 kg／s。
高分内的液量质量为2 260．5 kg，液相进料量
q 。一136．O t／h，可以得到液柱走空时间为54．4 S。
异常工况发生后所允许的操作时间与人员出错概率
(HEP)关系图见图3。由图3可得，当操作时间小
于15 rain时，人员的出错概率接近于100 l】 。由
此可见，当发生串压时，将系统的安全完全寄托在操
作工紧急情况下的正确操作是不可能的。
褂
枢
弭
Ⅱ
<
发生异常工况所允许的处理时悔】／rain
图3 异常工况发生后所允许的操作时间与
人员出错概率关系图
2．2．3 串压流量计算
串压时，由高分进入低分的气相分两路。将透
平一路视为2个孔板(透平为一个孔板，还有另一个
虚拟孔板)。之所以等效为2个孔板，其中之一为透
平本身所产生的阻力，另外一个为转动的转子所产
生的阻力，当透平停止运转时，该值为o。在该工况
下，已知透平的压降和流量，可以得到虚拟孔板的流
量和压降，从而计算出虚拟孔板的直径，用于后面气
体流量的计算。
第4期 庄力健，等：石化装置串压问题及其安全完整性评估
SIS失效时，认为透平阻力为0，按一个虚拟孔
板计算这一路管路的流量。
虚拟孔板的截面积A(mm )可以由以下公式
计算：
A一 √ ㈤
其中 Ap 一声 —
式中，q为流体的质量流量，t／h；P 为泄放压力，
为背压，kPa；Ka为泄放速率系数，K 为背压修正
因子，K 为组合修正因子，K 为泄放速率修正因
子。
本例中P 一户 高分一16．48 MPa，P 一 低分+
△ A===13．96 MPa，q一123．0 t／h，Kd一0．62，K 一
1．0，K ：1．0，K 一1．0，G一0．56，带入式(4)可得
虚拟孑L板直径d一36．32 mm。
当SIS失效开始串压时，虚拟孔板两端的压力
分别为 lA一16．48 MPa和 2A一2．48 MPa，由下
式可以计算得到串气工况时，通过该虚拟孔板的质
量流量。
A一丽13 160W√ (5)
式中，w 为孔板的泄放速率，kg／h；C为气体特性系
数；P 为孔板的排放压力(绝压)，kPa；K 为背压修
正因子；M 为气体摩尔质量，kg／kmol；T为气体的
温度，K；Z为气体在操作温度下的压缩系数。
本例中，A一7rd ／4—1 036．84 mm ，C一353，
Kd一0．62，P1— 16．48 MPa，Kb一1．0，K 一1．0，
M 一5．5 kg／kmol，T一322．15 K，Z一0．95，可得
W 一10．59 kg／s，即串气时A 路的质量流量q —
W 一10．59 kg／s。
对于B路，SIS失效时，气体流量需要试差计
算。气相流体通过调节阀B的体积流量可以按照
下列公式计算：
(△户< 0．5FL 2Pt)
c△ ~0．5FI．2
(6)
先取调节阀B两端压差的最大值，即 取
p高分一16．48 MPa，p2取P低分===2．48 MPa。由式
(3)以及式(6)可以得到该工况下通过调节阀B的
气相体积流量(288．15 K，1 013 kPa条件下)qvB一
126 416．49 m。／h，此条件下的气体密度p=
0．23 kg／m。，质量流量q B一8．08 kg／s。
以此流量计算各段管路阻力，重新计算调节阀
B的上下游压差Ap。，以此压差计算通过调节阀B
的气相质量流量q 。，反复试差。此处计算时，气体
的密度随着压力的变化而变化，同时在计算过程中
应注意是否已发生临界流。
当通过调节阀B 的气相质量流量q 一
7．99 kg／s时，调节阀B 的入口压力P 一
16．30 MPa，出口压力P2— 3．79 MPa，Ap<
0．5F- ，通过B 阀的气相质量流量q 一
7．99 kg／s，试差成功。
故高分向低分串入气体时，B路质量流量q 一
7．99 kg／s，而高分向低分串入气体的总质量流量
q 总一qmA+q B一18．59 kg／S。
2．2．4 安全阀泄压速率
根据现场资料，低分上装有一只喉径为
95．3 mm的安全阀。
根据《固定式压力容器安全技术监察规程》
和《压力容器建造规则— —ASME锅炉及压力容器
规范》【】 ，安全阀的排放能力W (kg／h)由以下公式
计算：
w 啊7．6X10～CKpdA1√ (7)
厂——— ——
其中 c一52o√尼(南)
是=c ／c
式中，C为气体特性系数，忌为气体绝热系数；C 为
比定压热容，f 为比定容热容，J／(kg·K)；K 为排
放系数； 为安全阀的排放压力(绝压)，MPa；A
为安全阀的最小排放截面积，mm 。
本例，c 一33．5 J／(kg·K)，CV一25．2 J／(kg·
K)，走一1．33，C一349．0，K一0．65， d一2．595 MPa，
A 一7 133．06 mm ，M 一5．5 kg／kmol，T一49+
273．5一(321．15)K，z一0．95，可计算得到低压容器
上安全阀的泄放能力W 一11．9 kg／s。
由于q卅总>‰泄压，所以当SIS失效时，低分上安
全阀的排放能力不足。
3 串压系统的安全完整性评估
在对高低压分离系统进行SIL评估时，应对系
统可能出现的危险及其产生的原因进行分析，同时
应采用精确的过程安全分析方法对影响串压的因
素，包括串压发生的根源、管道阻力的确定、安全阀
选型等进行详细的计算分析。
通过对该实例的分析计算可以知道，高分内
· 24 · 石油化工设备 2011年第4O卷
液柱走空时间过短，操作工没有足够的时间做出
正确的处理，故需将联锁改为自动联锁。同时由
q A

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