近年來，一些煉油裝置的多級(jí)離心泵出口設(shè)置聯(lián)鎖閥的現(xiàn)象越來越普遍，主要用于避免停泵時(shí)的高壓介質(zhì)反串。為分析聯(lián)鎖設(shè)置對(duì)泵安全的影響，本文在對(duì)多級(jí)離心泵出口設(shè)置聯(lián)鎖閥的充分必要性進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)置聯(lián)鎖閥可能產(chǎn)生的誤跳車情況及其可能的水錘現(xiàn)象進(jìn)行深入分析。結(jié)果表明，多級(jí)離心泵出口設(shè)置聯(lián)鎖閥的必要性值得商榷，設(shè)置時(shí)要充分考慮閥門的關(guān)閉時(shí)間對(duì)系統(tǒng)安全的影響。

1、引言

　　多級(jí)離心泵由于能提供足夠高壓頭和大流量，一直作為化工流程泵的首選應(yīng)用于涉及中高壓的石化等過程裝置中。如加氫裂化裝置的加氫進(jìn)料泵壓頭高達(dá)16.8MPa，泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率高達(dá)2750kW。加氫進(jìn)料泵一旦發(fā)生故障，將直接導(dǎo)致全裝置流程的中斷，后果十分嚴(yán)重，如何確保此類大型高參數(shù)設(shè)備的安全是石化等流程裝置操作人員重點(diǎn)關(guān)注的問題。

　　近年來，隨著功能安全完整性評(píng)估技術(shù)的發(fā)展，在一些對(duì)全裝置甚至全廠具有至關(guān)重要的關(guān)鍵設(shè)備上設(shè)置用于安全保障的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)(SIS)已成為業(yè)界的普遍做法。特別是隨著國(guó)際電工學(xué)會(huì)推出IEC61508 及IEC61511 標(biāo)準(zhǔn)后，采用安全聯(lián)鎖系統(tǒng)對(duì)設(shè)備及工藝過程提供安全保護(hù)已越來越普遍。然而SIS在實(shí)際應(yīng)用中，由于設(shè)備制造企業(yè)與設(shè)備使用單位在安全保障目標(biāo)方面存在的不一致，往往可能導(dǎo)致聯(lián)鎖設(shè)置不合理，嚴(yán)重時(shí)聯(lián)鎖設(shè)置存在的副作用可能導(dǎo)致工藝或設(shè)備發(fā)生危險(xiǎn)，因此在一些新設(shè)備或新工藝上設(shè)置安全聯(lián)鎖系統(tǒng)需要進(jìn)行系統(tǒng)分析。

　　多級(jí)高壓離心泵出口是否需要設(shè)置聯(lián)鎖閥，以及聯(lián)鎖閥設(shè)置的目的及可能的影響一直是近年來加氫裂化裝置設(shè)備管理人員所面臨的問題。一些在多級(jí)離心泵上設(shè)置的聯(lián)鎖不盡合理，如洛陽工程公司宋小寧等對(duì)某加氫進(jìn)料泵出口流量聯(lián)鎖的充分必要性進(jìn)行了分析，指出聯(lián)鎖設(shè)置存在一定的安全隱患，并給出了相應(yīng)的解決方案。隨著千萬噸煉油裝置的不斷興建，一些在多級(jí)離心泵上設(shè)置的聯(lián)鎖閥已越來越多地出現(xiàn)在裝置的工藝設(shè)計(jì)中，這些聯(lián)鎖設(shè)置的充分必要性及對(duì)裝置安全的影響還存在一定爭(zhēng)議。本文以近年來開展的功能安全完整性評(píng)估(SIL)技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)多級(jí)離心泵出口聯(lián)鎖設(shè)置對(duì)裝置安全的影響進(jìn)行分析。

2、多級(jí)離心泵出口聯(lián)鎖設(shè)置

　　早期的加氫裂化裝置中，一般不設(shè)置專門用于停泵時(shí)逆流保護(hù)的聯(lián)鎖，避免停泵時(shí)高壓側(cè)液體反串主要采用單向閥，通常由兩只串聯(lián)的單向閥進(jìn)行保護(hù)。隨著加氫裂化裝置生產(chǎn)能力的提高，一些用于加氫進(jìn)料泵保護(hù)的聯(lián)鎖逐漸得到應(yīng)用，最典型的是加氫進(jìn)料泵總管出口設(shè)置聯(lián)鎖閥。某220萬噸/年加氫進(jìn)料泵出口設(shè)置的聯(lián)鎖如圖1 所示。

圖1 加氫進(jìn)料泵P&ID 簡(jiǎn)圖

　　從圖可以看出，泵上設(shè)置了入口流量聯(lián)鎖與出口流量聯(lián)鎖。裝置的聯(lián)鎖邏輯圖顯示，聯(lián)鎖的目的主要包括以下3 個(gè)，即入口流量低低停泵聯(lián)鎖、出口流量低低停泵聯(lián)鎖以及出口流量低低切斷總管出口閥聯(lián)鎖。本文重點(diǎn)對(duì)出口流量低低時(shí)停泵以及流量低低時(shí)切斷出口聯(lián)鎖閥的充分必要性進(jìn)行分析。

3、聯(lián)鎖設(shè)置的充分必要性

　　依據(jù)IEC61511 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，開展針對(duì)聯(lián)鎖系統(tǒng)的安全完整性等級(jí)評(píng)估中，需要對(duì)聯(lián)鎖的充分必要性進(jìn)行分析，即需要對(duì)觸發(fā)聯(lián)鎖動(dòng)作的原因、聯(lián)鎖動(dòng)作的后果進(jìn)行深入分析。針對(duì)多級(jí)離心泵聯(lián)鎖設(shè)置的實(shí)際情況，依據(jù)IEC61511 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了聯(lián)鎖的充分必要性分析，如表1、2 所示。

表1 離心泵聯(lián)鎖設(shè)置的充分性分析

表2 離心泵聯(lián)鎖設(shè)置的必要性分析

　　從表中可以看出，出口流量低低聯(lián)鎖設(shè)置后，從充分性上分析可以避免泵發(fā)生特定情況的失效，但從必要性方面分析表明，避免上述失效后果的產(chǎn)生，都具有不止一個(gè)措施。就串壓防護(hù)而言，有3 個(gè)可供選擇的處理方法; 就泵低流量防護(hù)而言，有2 個(gè)可供選擇的處理方法。可見，上述聯(lián)鎖設(shè)置的充分性足夠，但必要性不強(qiáng)。聯(lián)鎖設(shè)置不恰當(dāng)可能會(huì)帶來嚴(yán)重的副作用，如總管出口聯(lián)鎖閥誤關(guān)可能導(dǎo)致泵出口發(fā)生水錘現(xiàn)象，可能威脅到泵及管道的安全，本文將針對(duì)總管出口聯(lián)鎖閥的誤跳車可能引發(fā)的液擊進(jìn)行分析。

4、誤跳引發(fā)的水錘現(xiàn)象及聯(lián)鎖設(shè)置要求

　　針對(duì)某加氫裂化裝置加氫進(jìn)料泵聯(lián)鎖閥的設(shè)置特點(diǎn)，對(duì)聯(lián)鎖閥發(fā)生誤跳的后果進(jìn)行分析，并用于指導(dǎo)聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)置。

　　某裝置設(shè)計(jì)管道直徑為DN300，管道公稱壓力42MPa，設(shè)計(jì)壓力21MPa，設(shè)計(jì)溫度為350℃，材料為碳鋼。泵的最大工作流量為87.4kg /s，額定排出壓力為16.8MPa，輸送溫度為185℃，密度為814.7kg/m3 的高溫蠟油。采用InstruCalc 軟件對(duì)聯(lián)鎖閥誤關(guān)可能導(dǎo)致的水錘現(xiàn)象可能引發(fā)的超壓進(jìn)行了分析。

4.1、管道長(zhǎng)度對(duì)閥門最小關(guān)閉時(shí)間的要求

　　由于缺乏管道空視圖等詳細(xì)設(shè)計(jì)資料，為研究方便，本文僅對(duì)閥前管道長(zhǎng)度對(duì)聯(lián)鎖閥誤關(guān)時(shí)產(chǎn)生的水錘現(xiàn)象進(jìn)行分析。采用InstruCalc 計(jì)算得到設(shè)計(jì)壓力為21MPa 時(shí)，為確保水錘現(xiàn)象產(chǎn)生時(shí)引發(fā)的管內(nèi)壓力不大于管道設(shè)計(jì)壓力的閥門最小關(guān)閉時(shí)間，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 管道長(zhǎng)度對(duì)閥門最小關(guān)閉時(shí)間的影響

　　從圖中可以看出，隨著管道長(zhǎng)度的增加，避免聯(lián)鎖閥誤關(guān)引起的管內(nèi)因水錘而超壓的閥門關(guān)閉時(shí)間也逐漸增加�？傮w而言，閥門最小關(guān)閉時(shí)間與管道長(zhǎng)度呈正比。即就避免管道因閥門誤關(guān)而超壓損壞而言，閥前管道越長(zhǎng)，所需的聯(lián)鎖閥執(zhí)行時(shí)間也越長(zhǎng)。聯(lián)鎖閥執(zhí)行關(guān)閉越迅速，產(chǎn)生的水錘現(xiàn)象越嚴(yán)重，對(duì)管道及泵的安全影響越嚴(yán)重。可見，若泵總管出口要設(shè)置聯(lián)鎖閥，從降低閥門誤關(guān)時(shí)水錘的危害出發(fā)，宜將出口閥設(shè)置于距離泵相對(duì)較近的位置。若無法滿足要求，應(yīng)適當(dāng)提高聯(lián)鎖閥關(guān)閉時(shí)間。

4.2、設(shè)計(jì)壓力對(duì)閥門最小關(guān)閉時(shí)間的要求

　　采用同樣的方法，對(duì)管道設(shè)計(jì)壓力對(duì)多級(jí)離心泵出口總管上聯(lián)鎖閥的最小關(guān)閉時(shí)間的影響進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 管道設(shè)計(jì)壓力對(duì)閥門最小關(guān)閉時(shí)間的影響

　　從圖中可以看出，隨著管道設(shè)計(jì)壓力的增加，確保管道安全的閥門的最小關(guān)閉時(shí)間也相應(yīng)減小，但最小關(guān)閉時(shí)間的變化與管道設(shè)計(jì)壓力的變化并不呈線性關(guān)系。選用壓力等級(jí)越高的管道，管上閥門切斷時(shí)間要求越寬松。若管道設(shè)計(jì)壓力與泵壓頭相差較近，則應(yīng)適當(dāng)增加聯(lián)鎖閥關(guān)閉時(shí)間以確保安全。有關(guān)聯(lián)鎖閥關(guān)閉時(shí)間的要求，可以選配不同規(guī)格的電磁閥以進(jìn)行閥門開關(guān)時(shí)間的控制。

5、結(jié)語

　　本文針對(duì)多級(jí)離心泵在實(shí)際使用中設(shè)置的出口流量聯(lián)鎖進(jìn)行分析，對(duì)泵設(shè)置流量低低停泵和關(guān)出口閥兩個(gè)聯(lián)鎖回路的充分必要性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，總管出口流量低低聯(lián)鎖停泵與關(guān)泵總管出口聯(lián)鎖閥的充分性可以滿足要求，但必要性不足。特別是聯(lián)鎖閥的設(shè)置，一旦誤跳車可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果。針對(duì)總管出口閥誤關(guān)可能引發(fā)的水錘現(xiàn)象，分析表明總管出口閥距離泵越遠(yuǎn)，為避免水錘現(xiàn)象危及聯(lián)鎖閥的安全，聯(lián)鎖閥的關(guān)閉時(shí)間要求越長(zhǎng)。而管道設(shè)計(jì)壓力與接近多級(jí)泵的壓頭，避免水錘現(xiàn)象引發(fā)超壓，聯(lián)鎖閥的最小關(guān)閉時(shí)間越大�；�于上述分析結(jié)果對(duì)多級(jí)離心泵出口聯(lián)鎖設(shè)置具有一定的指導(dǎo)作用。