近年來，一些煉油裝置的多級離心泵出口設(shè)置聯(lián)鎖閥的現(xiàn)象越來越普遍，主要用于避免停泵時的高壓介質(zhì)反串。為分析聯(lián)鎖設(shè)置對泵安全的影響，本文在對多級離心泵出口設(shè)置聯(lián)鎖閥的充分必要性進行深入分析的基礎(chǔ)上，對設(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)象進行深入分析。結(jié)果表明，多級離心泵出口設(shè)置聯(lián)鎖閥的必要性值得商榷，設(shè)置時要充分考慮閥門的關(guān)閉時間對系統(tǒng)安全的影響。

1、引言

　　多級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料泵壓頭高達16.8MPa，泵的驅(qū)動電機功率高達2750kW。加氫進料泵一旦發(fā)生故障，將直接導致全裝置流程的中斷，后果十分嚴重，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關(guān)注的問題。

　　近年來，隨著功能安全完整性評估技術(shù)的發(fā)展，在一些對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。特別是隨著國際電工學會推出IEC61508 及IEC61511 標準后，采用安全聯(lián)鎖系統(tǒng)對設(shè)備及工藝過程提供安全保護已越來越普遍。然而SIS在實際應用中，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方面存在的不一致，往往可能導致聯(lián)鎖設(shè)置不合理，嚴重時聯(lián)鎖設(shè)置存在的副作用可能導致工藝或設(shè)備發(fā)生危險，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)需要進行系統(tǒng)分析。

　　多級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某加氫進料泵出口流量聯(lián)鎖的充分必要性進行了分析，指出聯(lián)鎖設(shè)置存在一定的安全隱患，并給出了相應的解決方案。隨著千萬噸煉油裝置的不斷興建，一些在多級離心泵上設(shè)置的聯(lián)鎖閥已越來越多地出現(xiàn)在裝置的工藝設(shè)計中，這些聯(lián)鎖設(shè)置的充分必要性及對裝置安全的影響還存在一定爭議。本文以近年來開展的功能安全完整性評估(SIL)技術(shù)為基礎(chǔ)，對多級離心泵出口聯(lián)鎖設(shè)置對裝置安全的影響進行分析。

2、多級離心泵出口聯(lián)鎖設(shè)置

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

圖1 加氫進料泵P&ID 簡圖

　　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，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。本文重點對出口流量低低時停泵以及流量低低時切斷出口聯(lián)鎖閥的充分必要性進行分析。

3、聯(lián)鎖設(shè)置的充分必要性

　　依據(jù)IEC61511 相關(guān)標準，開展針對聯(lián)鎖系統(tǒng)的安全完整性等級評估中，需要對聯(lián)鎖的充分必要性進行分析，即需要對觸發(fā)聯(lián)鎖動作的原因、聯(lián)鎖動作的后果進行深入分析。針對多級離心泵聯(lián)鎖設(shè)置的實際情況，依據(jù)IEC61511 標準進行了聯(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，都具有不止一個措施。就串壓防護而言，有3 個可供選擇的處理方法; 就泵低流量防護而言，有2 個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。聯(lián)鎖設(shè)置不恰當可能會帶來嚴重的副作用，如總管出口聯(lián)鎖閥誤關(guān)可能導致泵出口發(fā)生水錘現(xiàn)象，可能威脅到泵及管道的安全，本文將針對總管出口聯(lián)鎖閥的誤跳車可能引發(fā)的液擊進行分析。

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

　　針對某加氫裂化裝置加氫進料泵聯(lián)鎖閥的設(shè)置特點，對聯(lián)鎖閥發(fā)生誤跳的后果進行分析，并用于指導聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)置。

　　某裝置設(shè)計管道直徑為DN300，管道公稱壓力42MPa，設(shè)計壓力21MPa，設(shè)計溫度為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 軟件對聯(lián)鎖閥誤關(guān)可能導致的水錘現(xiàn)象可能引發(fā)的超壓進行了分析。

4.1、管道長度對閥門最小關(guān)閉時間的要求

　　由于缺乏管道空視圖等詳細設(shè)計資料，為研究方便，本文僅對閥前管道長度對聯(lián)鎖閥誤關(guān)時產(chǎn)生的水錘現(xiàn)象進行分析。采用InstruCalc 計算得到設(shè)計壓力為21MPa 時，為確保水錘現(xiàn)象產(chǎn)生時引發(fā)的管內(nèi)壓力不大于管道設(shè)計壓力的閥門最小關(guān)閉時間，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 管道長度對閥門最小關(guān)閉時間的影響

　　從圖中可以看出，隨著管道長度的增加，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)閉時間也逐漸增加。總體而言，閥門最小關(guān)閉時間與管道長度呈正比。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，所需的聯(lián)鎖閥執(zhí)行時間也越長。聯(lián)鎖閥執(zhí)行關(guān)閉越迅速，產(chǎn)生的水錘現(xiàn)象越嚴重，對管道及泵的安全影響越嚴重。可見，若泵總管出口要設(shè)置聯(lián)鎖閥，從降低閥門誤關(guān)時水錘的危害出發(fā)，宜將出口閥設(shè)置于距離泵相對較近的位置。若無法滿足要求，應適當提高聯(lián)鎖閥關(guān)閉時間。

4.2、設(shè)計壓力對閥門最小關(guān)閉時間的要求

　　采用同樣的方法，對管道設(shè)計壓力對多級離心泵出口總管上聯(lián)鎖閥的最小關(guān)閉時間的影響進行了計算，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 管道設(shè)計壓力對閥門最小關(guān)閉時間的影響

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

5、結(jié)語

　　本文針對多級離心泵在實際使用中設(shè)置的出口流量聯(lián)鎖進行分析，對泵設(shè)置流量低低停泵和關(guān)出口閥兩個聯(lián)鎖回路的充分必要性進行了分析，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，一旦誤跳車可能導致嚴重后果。針對總管出口閥誤關(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，為避免水錘現(xiàn)象危及聯(lián)鎖閥的安全，聯(lián)鎖閥的關(guān)閉時間要求越長。而管道設(shè)計壓力與接近多級泵的壓頭，避免水錘現(xiàn)象引發(fā)超壓，聯(lián)鎖閥的最小關(guān)閉時間越大。基于上述分析結(jié)果對多級離心泵出口聯(lián)鎖設(shè)置具有一定的指導作用。