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石油化工油品储罐罐根控制阀工程设计

发布时间:

2023-08-25 09:21

油品储罐是石油化工生产的重要设备,用于存储液态烃类物料。油品储罐所存物料具有易燃、易爆或有毒的特点,因此,油品罐区一般都是重大危险源。近年来,油品储罐是政府重点监管的设施,为此出台了许多法规法令和监管标准,更新、增补了工程设计标准、设计程序,在这些新的法规法令、标准规范中,提升监控水平是新增的重要内容。石油化工油品储罐监控主要包括两类措施:

 

1) 液位、温度、压力等运行参数的连续检测、连续指示、超限报警;可燃气体、有毒气体、火灾等的连续检测、连续指示、超限报警。

2) 运行参数超过安全运行限值时联锁停车,罐区发生火灾时联锁停车,联动消防。

在上述监控措施中,检测、指示、报警是基本措施,联锁停车是关键措施。联锁停车是新的法规法令、标准规范中特别强调的措施,也是安全检查的重点。联锁停车主要是关闭储罐进料或出料,或同时关闭进料和出料。根据安全分析,及时远程关闭进料、出料的罐根控制阀是最有效、最彻底的方式。因此,在新的标准规范、法规法令中强调了罐根控制阀的设置要求。

罐根控制阀包括进料阀和出料阀。因石油化工油品储罐不会同时进料和出料,因此进料阀、出料阀常常合用1台控制阀。罐根控制阀主要有如下用途:液位高高时联锁切断进料,液位低低时联锁切断出料。罐区发生泄漏、火灾等严重事故时同时切断进料和出料。

尽管法规法令、标准规范对罐根控制阀也有一些要求,但这些信息是碎片化的,内容不系统,要求不全面,相互之间要求还有许多不一致之处。在执行过程中,技术人员之间理解不一致,导致设计方案五花八门。设计院与业主之间、企业与安全管理行政部门之间争议不断,给设计、施工、生产、安全监管人员造成许多烦恼,这无疑会影响罐根控制阀的安全可靠性、运行可用性、投资经济性。

罐根控制阀承担多种功能,对其有多方面的要求。罐根控制阀是1套比较复杂的单元组合式设备。要完成该设备功能需要对其整体性能和阀体、执行机构、控制器件、信号类型、控制电缆等各单元、各部分性能全面考虑,综合兼顾,详细设计。对此,笔者进行了多方面的研究、探索、实践,在此分享粗浅认识,供参考、批评、指正。

1 设计策略

在开展罐根控制阀设计前,首先要有正确的设计策略。笔者认为至少应包括如下几点:

1) 理清工艺要求。罐根控制阀可能承担多项工艺要求,应逐一理清。清楚了工艺要求,才能明确控制阀的功能,才可能完整、正确地实现所需的功能。

2) 理清可靠性需求与措施。针对控制阀的用途,理清安全功能需求和非安全功能需求。根据HAZOP,LOPA分析报告,确定罐根控制阀是否承载了SIL1~SIL3级别的安全功能。如果承载了安全功能,则可靠性需要达到相应的SIL等级,其配置要达到故障安全型,应由安全仪表系统(SIS)控制。

3) 理清可用性需求与措施。针对阀门的用途,理清可用性需求。当罐根控制阀作为下游装置的进料控制阀或上游装置的出料控制阀时,一旦关闭,将造成与之相连的装置停车,这种用途的罐根控制阀必须高度重视其可用性。要落实在执行机构的选型、动力源的保障、电磁阀的冗余配置和冗余结构、控制信号机制等方面。

4) 理清防火需求与措施。针对用途和标准规范、法规法令要求,理清防火要求。当罐根控制阀有火灾安全需求时,需要对阀门采取防火措施。发生火灾时,在有限的时间内仍能够远程遥控阀门关闭。

2 阀型选择

2.1 通用要求

罐根控制阀的特殊位置、特殊功能决定了对其有特定要求。至少包括如下要求:关闭严密,泄漏量小;阀门质量小,减少对罐体的影响;阀门体积小,减少对安装空间的需求。

2.2 阀型分析

根据上述要求,可供选择的阀型包括:闸阀、球阀、蝶阀,并具有各自的特点。

2.2.1 闸阀

闸阀为直行程阀,具有技术成熟、运行可靠、价格便宜、关闭严密的特点;但体积大,尤其是高度高,所需安装空间大,所需维护辅助设施也高大。阀杆行程长,关阀所需时间长。

闸阀按闸板数量和切断方式分为单闸板和双闸板闸阀。单闸板闸阀结构简单、体积小、质量小,但所需要的开启力大。双闸板闸阀关闭严密性更好,所需开启力小,但结构更复杂,体积更大,质量更大。

单闸板闸阀根据闸板形式分为楔式闸阀和平板闸阀。两者相比较,楔式闸阀比平板闸阀关闭严密,但是制造加工难度大,价格贵。

平板闸阀又分为普通型和带导流孔型。带导流孔型适用于有通球工况的管道,或工艺介质含固体颗粒、残渣或介质易结晶、易凝固的管道。

2.2.2 球阀

球阀为角行程阀,具有体积小、行程小、关闭时间短、关闭严密、运行可靠的特点,且所需安装空间小,所需安装、维护设施简单。但制造加工难度大,价格高,尤其是大口径球阀,价格昂贵。

2.2.3 蝶阀

蝶阀为角行程阀,蝶阀集中了闸阀、球阀的优点,克服了闸阀、球阀的劣势。但是,看似简单的蝶阀,所需制造加工技术水平很高,否则,可能会因阀板振动大,导致控制阀故障率高,可用性低;可能会关闭不严密,泄漏量大,不能有效完成切断功能。因此,目前蝶阀应用的不多。但随着制造技术水平的提高,蝶阀应用前景良好。

2.3 常压罐、低压罐罐根控制阀阀型选择

根据上述分析比较,笔者对常压罐、低压罐罐根控制阀阀型选择意见如下:

1) 储存汽油、煤油、柴油等无特殊腐蚀、无固体杂质、高黏度介质的储罐,罐根控制阀宜选用普通型单闸板闸阀。阀门口径小于DN 150时,宜选用单闸板楔式闸阀;阀门口径不小于DN 150时,宜选用单闸板平板闸阀。

2) 储存苯等对橡胶等有机物溶解性较强的介质的储罐,罐根控制阀宜选用双闸板闸阀,避免介质对阀板与阀座间密封环溶解损坏,导致阀门内漏。

3) 储存高毒液体介质的储罐,罐根控制阀宜选用双闸板闸阀,提高关闭严密性、可靠性。

4) 储存原油、渣油、污油等可能含固体杂质或高黏度介质的储罐,罐根控制阀宜选用带导流孔型单闸板平板闸阀。

2.4 压力罐

储存液化石油气、丙烯、氨等介质的压力罐,笔者建议罐根控制阀宜采用球阀。

3 执行机构类别选择

罐根控制阀执行机构的选择要遵守SH/T 3005—2016《石油化工自动化仪表选型设计规范》。除此之外,还应特别注意遵守国家、当地政府、本企业集团标准针对该阀的相关规定。例如:AQ 3053—2015《立式圆筒形钢制焊接储罐安全技术规程》规定:立式钢制储罐罐根控制阀可选用的执行机构有气动执行机构、电动执行机构、电液执行机构。《中国石油化工集团公司液化烃球罐区安全技术管理暂行规定》(中石化安〔2010〕635号)和《液化烃球罐紧急切断阀选型设计规定》(中国石化〔2011〕建518号)规定:球罐罐根控制阀执行机构可选用气动执行机构、电动执行机构、电液执行机构,优先选用气动执行机构。

气动执行机构技术成熟,维修简单,价格较低,可以实现故障安全模式。但是,它的尺寸、质量、配管配线工程量都大。

电动执行机构技术比较成熟,尺寸小,质量小,价格较高,配管配线工程量小。目前主流产品尚不能实现故障安全模式,只有少数厂商可提供带预储能的故障安全型产品,且多限制在小口径、小行程、直行程类阀门。可靠性有待进一步验证。

电液执行机构技术复杂,可实现故障安全模式,价格高,目前多为进口产品。

根据上述分析,罐根控制阀选择意见如下:如果用以承担联锁保护安全功能,应优先选用气动执行机构;如果不承担联锁保护安全功能,可选用气动执行机构,也可选用电动执行机构。

4 罐根控制阀故障模式选择与实现方式

罐根控制阀的故障模式应根据阀门的用途、功能选择,通过综合措施实现。

因电动阀基本用于非故障安全模式,电液阀、电动阀实现故障模式的工程设计简单,而气动阀实现故障模式的工程设计比较复杂,出错率高,因此以下主要讨论气动阀故障模式的实现。

4.1 执行安全功能的罐根控制阀

执行安全功能的罐根控制阀(安全完整性等级为SIL1~SIL3),其故障模式应选择故障关(FC)。

实现FC模式有两种方式:选择单作用式弹簧复位单气缸执行机构;选用双作用式双气缸执行机构,配事故风罐。

根据目前的制造水平,综合可靠性、可用性、经济性因素,笔者建议:口径小于DN300的阀门选用单作用式弹簧复位单气缸执行机构;口径不小于DN300的阀门选用双作用式双气缸执行机构,配事故风罐。

4.2 执行非安全功能的罐根控制阀

该类控制阀故障模式宜选择故障保位模式(FL),以提高可用性。FL模式实现方式:选用双作用式双气缸执行机构。

当储罐作为下游装置的进料罐,或上游装置的储料罐,罐根控制阀宜配事故风罐,既可保证供风中断时阀门能可靠保位,又能保证发生事故时能遥控关阀,同时提高了生产可用性和安全可靠性。

5 气动执行机构电磁阀配置

根据罐根控制阀的用途、功能配置电磁阀。

5.1 执行安全功能的罐根控制阀

电磁阀配置要保证可靠性。配置方式如下:

1) 采用1个“两位四通”电磁阀,或1个“两位五通”电磁阀,或2个“两位三通”电磁阀。

2) 选用单电控电磁阀。

3) 正常时电磁阀带电,控制阀打开;联锁时电磁阀失电,控制阀关闭;气源中断时控制阀关闭。

4) 阀门宜配套带控讯箱。从控讯箱至控制室的电缆有多种配线方案。例如:配置2个电磁阀时,最多可配8芯电缆,其中电磁阀用4芯,阀位回讯用4芯;最少可配5芯电缆,电磁阀用2芯,阀位回讯用2芯,两者公用中线。其他配置配线可以此类推。配线方案结合业主要求、所选控制阀、控制系统的需求决定。从控讯箱至现场遥控开关电缆采用2芯电缆。

5.2 执行非安全功能的罐根控制阀

电磁阀配置要注重可用性。配置方式如下:

1) 采用1个“两位四通”电磁阀,或1个“两位五通”电磁阀,或2个“两位三通”电磁阀。

2) 选用单电控电磁阀。

3) 正常时电磁阀不带电,控制阀打开;联锁时电磁阀带电,控制阀关闭;气源中断时控制阀保位。

4) 控讯箱、现场遥控开关、电缆配线方案同上,不再赘述。

6 防火要求和措施

6.1 要求

以前,国内标准规范、法规法令基本没有要求仪表设备防火问题。近年来,部分标准、法规提出了该方面的要求。但是,这些要求多是碎片化信息,理念不完整,要求不统一。因此,防火问题成了争议性大的热点话题,其中罐根控制阀是否要求防火就是热点中之焦点。因为罐根控制阀作用大,因此安全可靠性要求高。罐根控制阀体积大,数量多,防火措施投资大。目前做法常表现为两个极端:一个是认为有必要防火,或为了减少争议,不惜投资,全部防火;另一个是认为没必要,全部不防火,以上两点都不符合工程设计原则。

笔者认为,关于罐根控制阀是否需要防火,应执行国家和当地安全法规法令的要求,本行业的标准规范要求,本企业集团的要求,并选择严格的条款执行。例如:

AQ3053—2015中,关于立式钢制储罐罐根控制阀防火要求:当执行机构为电动型时,其电源电缆、信号电缆和执行机构应作防火保护。《中国石油化工集团公司液化烃球罐区安全技术管理暂行规定》(中石化安〔2010〕635号),关于液化烃球罐罐根控制阀防火要求:当执行机构为电动型时,其电源电缆、信号电缆和执行机构应作防火保护。气动执行机构安装易熔塞,发生火灾时自动关闭。阀门密封填料选用耐火型。《液化烃球罐紧急切断阀选型设计规定》(中国石化〔2011〕建518号),关于液化烃球罐罐根控制阀防火要求:各类阀都要采取防火保护,防火罩应符合UL1709:2017 Standard for safety rapid rise fire tests of protection materials for structural steel,能够在1 093 ℃下,抵抗烃类火灾30 min。气动阀的气动控制管路或气缸要安装易熔塞。阀门密封填料选用耐火型。阀体应符合API 607:2016 Fire test for quarter turn valves and valves equippted with nonmetallic seats或API 6FA:2018 Standard for fire test for valves的耐火标准。《罐区隐患整改攻坚战指导意见》(中石化安〔2016〕39号),关于罐根控制阀防火要求:设置独立SIS的储罐,罐根控制阀要采取防火措施。SH/T 3005—2016要求,切断阀阀体应符合API 607:2016或API 6FA:2018的耐火标准。

笔者认为,在满足以上要求的基础上,设计单位和业主应根据存储介质性质、介质储量、阀门动作原理等进一步进行风险评估。根据风险、投资、业主安全理念来综合比较,确定除了标准已要求的,其他场景下的罐根控制阀是否需要进行防火设计。例如:有的标准要求电动阀应该防火,对其他阀没要求。笔者认为,在这种应用场景下,双作用式双气缸气动阀同样也需要作防火保护。因为两者都存在火灾时阀门执行机构失效从而无法遥控关闭阀门的问题。

6.2 措施

如果要求该阀防火,就要采取相应的防火措施。因对标准规范、法规法令理解的差异,众多标准规范、法规法令之间对防火措施要求也不尽相同,因而实际工程设计的防火措施区别很大,造成对设计合规性、防火可行性争议颇多。这无疑给防火效果带来不确定性,给安全生产带来隐患,投资有效性也很模糊。

笔者认为,防火措施首先应执行国家和当地安全法规法令的要求,本行业的标准规范要求,本企业集团的要求,并选择严格的条款执行。在该基础上要从本质上认识防火措施。防火措施源自安全、稳定、长周期生产目标对罐根控制阀的功能和性能需求。主要功能、性能需求:当发生事故后,阀门处于火灾区域时,在有限的时间内,能够远程关闭罐根阀,或罐根阀因受热而自动关闭;阀体不破裂泄漏,阀内件不内漏,阀盖处不外漏。防火措施就是保证上述功能的具体方法。防火措施包括阀体防火和执行机构防火;其次包括遥控阀门的控制信号电缆和电力电缆防火。主要措施如下。

6.2.1 阀体防火措施

阀体防火措施如下:

1) 压力等级不低于PN20(ASME CL150)。

2) 阀体材质至少为铸钢。

3) 阀体整体应符合API 607:2016或API 6FA:2018耐火实验标准。

4) 阀座与阀芯间应采用金属对金属的硬密封,或火灾受热的情况下,阀座与阀芯间达到金属对金属的硬密封。泄漏等级应符合API 598:2016 Valve inspection and testing,或达到FCI 70-2 Class V级。

5) 管道连接方式应为法兰连接或焊接,不得采用对夹式连接方式。

6.2.2 执行机构防火措施

执行机构防火措施如下:

1) 电动、电液执行机构应加防火罩;动力电缆、控制电缆选用耐火电缆,或作耐火保护;电动执行机构应设备用电源。

2) FL型双作用式双气缸执行机构应加防火罩,配事故风罐。控制信号电缆采用耐火电缆,或做耐火保护。有的规定要求该型气动执行机构除了加防火罩外,在气缸或控制气路再加装易熔塞。笔者认为无需再加装易熔塞,这是由双作用式双气缸气动执行机构的工作原理决定的。

3) FC型单作用式弹簧复位型单气缸执行机构可不加防火罩,控制信号电缆可不采用耐火电缆,不作耐火保护,而在气缸或控制气路上加装易熔塞。火灾时易熔塞熔化,执行机构失气,阀门在弹簧弹力作用下自行关闭。易熔塞熔点温度宜为250 ℃。一些规定要求该型气动执行机构除了加装易熔塞之外,还要求再加防火罩。笔者认为,仅仅为了实现火灾安全型的目的,对该型气动执行机构只需要加装易熔塞即可,没有必要再加防火罩,因为已经实现了关阀的目的。防火罩的防火性能符合UL1709:2017,能够在1 093 ℃下,抵抗烃类火灾30 min,防火罩保护的内部温度不高于70 ℃(或预选执行机构的最高工作温度)。

4) 电缆埋地敷设是电缆防火保护的有效措施,新建工程罐区电缆应采用埋地敷设方式。

7 其他附件的选择

7.1 阀盖与密封填料选择

罐根控制阀阀盖形式与密封填料选择意见如下:

1) 普通油品宜采用增强型柔性石墨(ρ≥1 360 kg/m3)密封填料,并配上下密封环。选用其他密封填料需满足API607:2016或API6FA:2018的要求。

2) 工艺介质为苯、液氨等高毒性物质或物料中wH2S≥1×10-3时,阀盖处要求低泄漏,泄漏标准符合ISO 15848-2:2006Industrial valves—measurement test and qualification procedures for fugitive emissions part 2: production acceptance test of valves要求。直行程阀可采取如下低泄漏措施:口径不大于DN 80的阀门,采用波纹管密封;口径大于DN 80的阀门,采用双层密封填料。

7.2 手轮与阀位开关

罐根控制阀应配置手轮机构。手轮应采用离合结构。日常采用铅封或加锁,防止误操作。

罐根控制阀应配置阀位开关,包括全开位置开关和全关位置开关;在控制室操作站应设置关阀超时报警,以确保阀门按命令真正关闭。

7.3 现场遥控开关

根据罐根控制阀的安全功能和AQ 3053—2015等标准的要求,应对罐根控制阀具有控制室遥控关闭和现场遥控关闭的功能。在罐区防火堤外巡检入口处,设现场遥控开关。遥控开关宜输出两对触点,其中一对接至阀门控讯箱,直接控制阀门关闭;另一对接至控制室进行报警、记录、联锁控制。建议该遥控开关在罐根控制阀规格书/数据表中一并设计,由控制阀成套提供,以便减少接口,正确接线,正确配线,准确实现所要求的功能。

8 结束语

以上主要表述了对罐根控制阀的额外要求或特殊要求,对控制阀的共性要求不再赘述,执行选型、安装等相关标准。笔者认为,对罐根控制阀的技术要求,目前国内还处于不断认识、不断完善、不断统一的过程。随着经济的发展,安全理念的提高,制造技术的进步,对罐根控制阀的技术要求也会变化,设计方案也会不断改进。

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