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带有密封气的方罐工艺安全控制原理分析

文档作者: 曾树兵 张春娥 余智 杨宇航 胡蓉 琚选择        文档来源: 海洋石油工程股份有限公司
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更新时间: 2021年01月07日
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第38卷第1期化工机械43 带有密封气的方罐工艺安全控制原理分析 曾树兵。张春娥余智杨宇航胡蓉琚选择 (海洋石油工程股份有限公司) 摘要为了保证方罐的安全可靠运行,避免发生失效事故.从工艺控制原理的角度,对带有密封气的 方形罐进行安全控制分析。 关键词海洋平台方形储罐安全装王压力/真空保护 中图分类号TQ053.2 文献标识码A 文章编号0254-6094(201 1)014)043-04 常压方形储罐广泛地应用于海洋石油平台生 产系统中,如生产水处理系统中的生产水缓冲罐、 污油罐和滤器反冲洗罐;注水系统的注水缓冲罐; 化学药剂系统的药剂储罐;淡水系统的淡水储罐; 柴油系统的柴油储罐、柴油日用罐和开排系统的 开式排放罐等。其中,生产水系统为安全及防止 溶氧等原因要求工艺流程密闭,一般都采用燃料 气或惰性气体进行密封,其它的方罐都装有一个 足够大尺寸的放空管与大气连通。带有密封气方 罐的典型安全装置包括压力安全装置和液位安全 装置。液位控制的工艺参数设置较为简单,而压 力控制涉及到罐的最大允许工作压力、压力控制 阀(PCV)的设定点、压力真空泄放阀(PVSV)的 设定点和溢流管线上液封高度等多个参数。通过 对带有液封的溢流管线和液封功能以及PVSV特 性的分析,如果液封高度设置不当,PVSV将起不 到二级保护的作用。为解决这个问题,笔者给出 了液封的典型作法、PVSV设定点的区间和液封 高度的要求,为工程实践提供参考。 1 带有密封气方罐的典型安全装置 根据API RP 2000⋯的规定,常压罐的操作 压力应在真空到103.4kPa(G)之间,而GBl50一 1998【21规定的设计压力在100kPa(G)到35MPa (G)之间,可以看出,考虑到经济性,没有将这类 容器纳入压力容器的范畴。依据API RP 14C¨’ 对常压容器安全分析设计的要求,其典型的安全 装置如图1所示。 图l 带有密封气矩形罐的安全控制示意图 一般常压容器的意外事件是过压、负压、溢流 及泄漏等,因此从图l中可以看出,对于方罐有以 下两个重要的安全装置:压力安全装置,由合适尺 寸的压力真空泄放阀(PVSV)来保护,以防止过 压和负压;液位安全装置(LsH/L/LL),由液位传 感器和溢流口提供保护,在液位低低时切断入口、 液体超高时从溢流排出、在液位高或低时报警,以 防止冒罐和泄漏。液位控制的工艺参数设置比较 简单,根据罐的有效容积设置合适的液位高度就 可以,在此不作过多讨论。而PVSV设定点的考 虑要复杂的多,与其相关联的参数包括压力控制 阀(PCV)的呼出设定点、罐的设计压力和液封的 高度,尤其是与液封高度之间的相互关系,如果设 置不当将会出现PVSV起不到二级保护的作用。 例如:当一个罐的设计压力是一2kPa(G)一FULL WATER+35kPa(G)、PVSV的设定点一l kPa ·曾树兵.男,1972年2月生.高级T程师。天津市.30045l。 万方数据 化工机械2011年 (G)/30 kPa(G)、液封高度是l 000mm,很显然在 PVSV起跳之前,液封早已经被顶开,超出的压力 直接从溢流管线泄放,可以认为这种情况下 PVSV起不到二级保护的作用,形同虚设。 2液封溢流管线的作用 方罐上通常设有溢流管线,对于带有密封气 的方罐并配有一定高度的液封,以实现密闭。当 罐内液位达到溢流口高度的时候,将从溢流管线 流出,防止冒罐;另外液封可避免空气进入而达到 可燃蒸气的爆炸极限及罐内液体溶氧。液封设置 的高度如果低于罐上的PVSV最大泄放压力,超 压时气体将不经PVSV排放而直接顶开液封排放 至溢流管线下游。若罐上不设超压报警,现场人 员很难发现可燃气体经溢流管线直接进入下游开 式排放罐,对平台产生较高危险,造成PVSV设而 无用的状况。因此低压方罐上设置溢流管线和液 封是必要的,在液封内充装适当高度的液体,同时 在液封管上装一个液位计以便操作者观察液封的 a.直动式 高度,具体做法如图2所示。 开排系垡罐 图2 液封做法示意图 目前,关于溢流管线的液封高度还没有规范 要求,一般溢流管线只考虑液位超高时排液,而不 把其作为超压时的二级保护泄压功能,所以液封 高度的设置只保证罐内液体溢流,而不考虑罐内 气体泄放。 3 PVSV的类型和工作特性 为了保护常压方罐免于真空和过压危险, PVSV一般同时组合了压力泄放阀和真空吸人阀 两个方面的功能,其形式有直动式和先导式(图 3),其操作特性见表l。 图3 PVSV的典型结构 表1 PVSV的操作特性 b.先导式 特性 PVSV的类型 直动式先导式 万方数据 第38卷第1期化工机械45 图4 典型PVSV的流量/过压特性曲线 由表l和图4中可以看出,直动式PVSV全 开启需要超压70%一100%。而先导式PVSV的全 开启需要超压10%。同时PVSV还有一个微泄漏 系数的要求,微泄漏系数是罐内的实际工作压力 与PVSV的设定点之间的比值,也就是说当方罐 内的工作压力大于或等于微泄漏系数×PVSV的 设定点时,PVSV未启跳但是开始有微量的泄漏, 罐内的压力越接近设定压力,阀座泄漏就越严重。 4 PCV、PVSV设定点同液封高度之间的关系 海洋平台上的生产系统中带有密封气方罐的 设计压力,一般在一2kPa(G)一FULL WATER+ 35 kPa(G)之间,其上部气相空间的操作压力由 PCV控制,由图I中可以看出,PCV是由一组吸 人和呼出阀组成,吸入的设定值一般为1 kPa (G),根据PVSV的工作特性,PCV的呼出设定值 不应超过PVSV的设定点×微泄漏系数,如直动 式PVSV呼出设定压力的75%或者先导式PVSV 呼出设定压力的90%。 PVSV为方罐提供了超压和负压保护,故 PVSV有两个设定点,一是负压时吸人设定点,另 一是超压时泄放设定点。首先依据PVSV特性可 以看出罐内压力达到PVSV设定值时才刚刚开 启,只有达到一个超压百分数后才能完全开启,达 到额定泄放奄。但在PVSV的实际选型时,考虑 到设计上的裕量.最大超压泄放量并非就是 PVSV的额定泄放{蠹,也就是说.最大超压泄放量 一般都要小于PVSV的额定泄放{蠹。因此,对于 同一个PVSV来说最大超压泄放蜒对应的最大允 许超压百分数也小于全启超压百分数。此时, PVSV的最大泄放压力=PVSV的设定点压力× (1+PVSV最大允许超压百分数),即:PVSV的设 定点应小于罐的最大允许工作压力/(1+PVSV 最大允许超压百分数)。其次,由于直动式PVSV 无波纹管,不能平衡来自排放系统的背压(包括 叠加背压和积聚背压),因此,选型时厂家会根据 工艺数据表中提供的预设背压,在设置PVSV时 将按照预设背压扣减。所以,PVSV的实际启跳 压力可计算为: PVSV实际启跳压力=PVSV设定点一预设 背压+实际背压 对于先导式PVSV因受背压的影响非常小,相 当于预设背压等于实际背压,因此实际的起跳压力 就等PVSV设定点。但PVSV的微漏压力和PVSV 的实际开始启跳压力的大小无法比较,所以在实际 的设计中应该通过校核,使PCV的呼出设定点值 小于这两者中的较小者。可以推出,PVSV的设定 点存在这样一个关系式t(PCV呼出阀设定值+预 设背压一实际背压)与(PCV呼出阀设定值/PVSV 的微泄漏压力系数)两者中的大值
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