某天然氣制尿素工廠蒸汽管網安全保護設施有效性分析

余 化，王志峰，夏炎華

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

某天然氣制尿素工廠包括一套2 000t/d合成氨裝置和一套3 200t/d尿素裝置，以及配套熱電站、給排水系統、氨罐、尿素包裝儲運等公用工程和輔助設施。為提高能量利用效率，主要動設備均采用高壓和中壓蒸汽透平驅動。當某臺蒸汽透平事故停車時，透平入口速關閥關閉，管網富余的蒸汽將對整個蒸汽管網造成巨大的沖擊[1]，嚴重時可能引發安全事故。蒸汽管網上設置的安全保護設施是否能在事故時保障蒸汽管網的平穩運行和安全，需要對其有效性進行分析。

1 蒸汽管網的構成

該工廠設有高、中、低壓3個等級蒸汽管網，分別為11.0MPa，510℃的高壓蒸汽管網；4.1MPa，380℃的中壓蒸汽管網以及0.4MPa，220℃的低壓蒸汽管網。高壓蒸汽由工藝裝置的廢熱鍋爐回收天然氣轉化、CO變換和氨合成的工藝余熱得到；中壓蒸汽由高壓蒸汽透平抽汽得到；低壓蒸汽由中壓蒸汽透平抽汽得到。工廠開車階段所需蒸汽由開車鍋爐提供。全廠蒸汽管網設置見圖1。

正常生產時，下級蒸汽管網蒸汽主要來自上級蒸汽管網蒸汽透平抽汽，蒸汽透平故障停車不僅對本級蒸汽管網的安穩造成影響，還會影響下級蒸汽管網的安穩。由于高、中壓蒸汽管網蒸汽壓力高、溫度高，發生事故危害大，因此本文將針對高、中壓蒸汽管網安全保護設施的設置進行事故情景分析，確認安全保護設施的有效性。

2 蒸汽管網安全保護設施

蒸汽管網安全保護設施主要包括減溫減壓器、放空閥和安全閥。

2.1 減溫減壓器

在不同等級的蒸汽總管之間設有減溫減壓器，將上級蒸汽管網內蒸汽減溫減壓后送入下級蒸汽管網，既可增強蒸汽管網調節能力，也可作為上級管網的安全保護措施。減溫減壓器在蒸汽透平跳車后首先開啟，將本級富余蒸汽送至下級蒸汽管網，減少本級蒸汽放空帶來的損失，并滿足下級蒸汽管網穩定運行的需要。減溫減壓器的設置需綜合考慮工廠開車、事故、停車等多種工況，并以此來確定臺數和對應的能力[2]。

2.2 放空閥

減溫減壓器開啟后，如蒸汽管網壓力持續上升，到達放空閥的設定壓力時，放空閥開啟，將多余的蒸汽放空，以維持蒸汽管網壓力。一段時間后，該放空閥可轉入壓力調節，根據蒸汽管網壓力調節閥門開度，以維持管網壓力的平穩。放空閥的設置同樣需綜合考慮工廠開車、事故、停車等多種工況，并結合減溫減壓器的設置來確定臺數和對應的能力。

2.3 安全閥

安全閥是蒸汽管網安全最后的保障措施，在放空閥和減溫減壓器失效時保護蒸汽管網安全。在實際生產中，安全閥起跳往往被視為發生生產事故，可能導致全廠不必要的停車，應盡量避免。

3 蒸汽管網事故情景分析

當某臺蒸汽透平事故停車時，透平入口速關閥關閉，管網蒸汽產生富余，如不能及時排出，將導致管網超壓?？筛鶕p溫減壓器和放空閥的開啟時間、蒸汽管網容積以及放空閥流量特性曲線等信息，計算蒸汽管網壓力隨時間波動情況，來判斷減溫減壓器、放空閥的設置是否有效。

3.1 高壓蒸汽管網事故情景分析

高壓蒸汽管網蒸汽來自轉化廢鍋，蒸汽輸入量350t/h，主要用戶為氨壓縮機透平和合成氣壓縮機透平，蒸汽消耗量分別為153t/h和197t/h。高壓蒸汽管網安全保護設施設置見表1。

表1 高壓蒸汽管網安全保護設施

如表1所示，減溫減壓器和放空閥總泄放能力為385t/h，大于轉化廢鍋產汽能力350t/h，理論上可保障高壓蒸汽管網安全。

本項目聯鎖設置如下：①當氨壓縮機跳車時，聯鎖停合成氣壓縮機；②當合成氣壓縮機跳車，氨壓機進入低負荷運轉，不停車。因此，氨壓縮機跳車為最不利情況，此時氨壓縮機透平和合成氣壓縮機透平均不接汽，管網富余蒸汽350t/h。其中有315t/h通過2臺減溫減壓器排放到中壓蒸汽管網，剩余的35t/h通過管網放空閥放空?；诶硐霘怏w狀態方程，逐秒計算單位時間蒸汽管網壓力變化，得出時間與管網壓力的關系，并繪圖而得到高壓蒸汽管網壓力隨時間的波動(見圖2)。

由于減溫減壓器和放空閥的快速開啟導致高壓蒸汽管網泄壓，高壓蒸汽管網壓力最大上升至11.73MPa，低于安全閥整定壓力，安全閥不起跳。高壓蒸汽管網安全保護設施設置可行。

3.2 中壓蒸汽管網事故情景分析

中壓蒸汽管網蒸汽來自氨壓縮機透平和合成氣壓縮機透平抽汽，合計330t/h。主要蒸汽透平用戶為CO2壓縮機透平，蒸汽消耗量112t/h；空壓機透平，蒸汽消耗量54t/h；其他如轉化爐鼓風機和引風機透平、鍋爐給水泵透平等，蒸汽消耗量37t/h。中壓蒸汽管網安全保護設施設置見表2。

表2 中壓蒸汽管網安全保護設施

如表2所示，減溫減壓器和放空閥總泄放能力為345t/h，大于中壓蒸汽管網總輸入蒸汽量，理論上可保障中壓蒸汽管網安全。

因CO2壓縮機透平和空壓機透平為中壓蒸汽管網最大兩個用戶，其事故跳車對管網安全影響最大。

3.2.1CO2壓縮機透平跳車

CO2壓縮機跳車時，CO2壓縮機透平速關閥、補氣閥和抽氣閥關閉，管網富余蒸汽112t/h。其中有30t/h通過減溫減壓器排放到低壓蒸汽管網，剩余的82t/h通過管網放空閥放空。中壓蒸汽管網壓力隨時間的波動見圖3。

由于減溫減壓器和放空閥的快速開啟將中壓蒸汽管網泄壓，此事故情景下，中壓蒸汽管網壓力最大上升至4.44MPa，低于安全閥整定壓力，安全閥不起跳。

3.2.2空壓機透平跳車

空壓機透平跳車觸發的聯鎖如下：①空壓機透平蒸汽速關閥和補汽閥關閉；②二段爐及下游裝置聯鎖跳車；③氨壓縮機和合成氣壓縮機聯鎖跳車，氨壓縮機透平和合成氣透平速關閥和抽汽閥關閉；④因工藝裝置停止生產CO2，CO2壓縮機由于進口CO2壓力低低聯鎖跳車，透平速關閥、補氣閥和抽汽閥關閉；⑤合成氣壓縮機跳車觸發高壓蒸汽管網，減溫減壓器打開，高壓蒸汽通過減溫減壓器減壓到中壓管網。上述聯鎖觸發后，引起中壓蒸汽管網壓力隨時間波動的情況變化有兩個階段(見圖4)。

(1)管網減溫減壓器開啟期間，中壓蒸汽管網蒸汽來源由高壓蒸汽透平抽汽改為減溫減壓器減溫減壓，中壓蒸汽管網蒸汽減少約134t/h，管網壓力降至3.95MPa。

(2)管網減溫加壓器開啟后，中壓蒸汽管網蒸汽增加176t/h，管網壓力開始上升。放空閥開啟，當管網蒸汽進出達到平衡時，計算管網壓力已上升4.702MPa，高于安全閥整定壓力4.70MPa，安全閥起跳。

在本事故情景下，空壓機透平跳車將觸發高、中壓管網多臺透平跳車，高、中壓蒸汽管網壓力發生較大波動。由于中壓管網放空閥開啟時間較慢，中壓管網安全閥將起跳。根據過往工程經驗，空壓機事故跳車概率較高，為避免安全閥頻繁起跳引發全廠不必要的停車，需對當前設計進行調整。

根據項目實際建設情況，該放空閥已生產制造，無法通過縮短閥門開啟時間或者修改閥門流量特性曲線來避免管網超壓。通過核查設計參數，原設計安全閥整定壓力為4.70MPa，低于蒸汽管網設計壓力4.80MPa，經與安全閥制造廠確認，可通過調整安全閥彈簧，將安全閥整定壓力調高與蒸汽管網設計壓力一致，即高于本事故情景下蒸汽能達到的最高壓力，以使安全閥不起跳。該整改措施避免了因重新采購安全閥而導致的浪費。該安全閥經調整整定壓力并經校驗后投入使用。

4 結語

(1)在設計蒸汽管網安全保護設施時，安全閥是最后的保護措施，工程設計應盡量避免安全閥起跳。為避免更大的損失，仍可將安全閥作為最后一道保護措施。

(2)減溫減壓器和放空閥的設置，除了考慮其泄放量外，應對不同的事故情景進行分析，結合管網容積、閥門流量特性曲線、閥門開啟時間等，來判斷當前的設計能否將管網富余蒸汽及時排出，以避免安全閥起跳，發生生產事故。

(3)本分析為識別蒸汽管網安全保護設施設置的有效性提供了一種指導方法，也可用于合理確定減溫減壓器和放空閥的開啟時間，既可避免盲目地要求“一秒閥”而導致閥門造價增加，也可避免閥門因開啟時間緩慢而導致泄放能力“虛高”，不能真正保護蒸汽管網安全。