合成氨技术
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对我们所有人而言，工艺安全无疑是个十分重要的话题。现今，我们看到在世界各地行业内的每家公司都制定了挑战性的政策和目标，以提高安全性能。理所当然的，我们必须首先考虑安全，以防止我们自己和邻居受到因我们的活动而产生的不利影响。而且，安全将是长周期无事故生产的关键因素，以获得和维持社会其他领域对我们活动的认可。
为保持所谓的‘运营许可’，我们生产工艺的安全是十分重要的，而且我们还应能证明我们的安全规程和标准达到了‘世界级’水平。在这方面，认识到安全标准是不断演变的，这一点十分重要。100年前完全接受的东西在现在是完全不能接受的。
以此作为例子。
本论文中，我们将更详细地讲述在典型的斯塔米卡邦尿素装置上应用这些最近的‘世界标准’的影响。
2 将风险图法用于典型的斯塔米卡邦尿素装置设计
最近，我们在当前标准尿素工艺设计中进行了设计阶段危险研究（DHS）。此研究最重要的边界条件可总结如下：
• 基层尿素装置
• 大型（3200 t/d）
• 斯塔米卡邦二氧化碳汽提工艺。
• 使用高压汽提塔、高压池式冷凝器和高压洗涤塔的合成配置。
• 采用防爆设计的高压洗涤塔。
• 通过催化燃烧消除二氧化碳中的氢气。
• 专为斯塔米卡邦机械造粒工艺设计的低压循环、蒸发和废水处理。
• 离心式氨和甲铵泵。
• 离心式二氧化碳压缩机。
严格来说，尽管此研究的结果将仅适用于满足上述边界条件的装置，但是我们认为很多结论具有很大的通用性，因此，我们认为此时此刻向大家介绍最重要的结果是有益的。如果对这些结论对其他具体装置设计是否也有效存有疑问，当然可向斯塔米卡邦公司咨询。
下面按工段介绍工艺。
2.1 二氧化碳压缩
报告称事故是由于带有固态二氧化碳的二氧化碳设备安全阀（PSV）的排放管被堵塞。根据二氧化碳的初始温度和压力，二氧化碳在膨胀后会（部分）固化。根据众所周知的热力学性质，可以容易地得出关于纯二氧化碳的下列图表。
图1
应正确防止压力安全阀和其他排放装置中的尾气管道在动作时被堵塞的危险。1. 应意识到与压力安全阀进口处停滞管路相关的危险。此停滞管段内的物质可能处于环境温度，导致在压力安全阀或排放装置动作时有固体形成。因此，此类停滞管段应短；或在环境温度可能低于上述阈值的情况下，停滞管段应提供伴热和进行保温处理。
图2
2 对于压力安全阀和其他排放装置，应检查排放装置进口侧二氧化碳温度是否高于上述阈值。特别是，中间冷却器下游的二氧化碳压缩机第三和第四段的条件可能不符合安全阈温度要求。在这种情况下，斯塔米卡邦建议采用本质安全设计，如将排放装置重新安放在中间冷却器的上游位置。
图3
2.2 NH3泵送尿素装置中高压氨泵的吸入系统通常并非旨在承受这些泵的排放压力。可识别数次有害回流情况，可导致这些吸入系统中压力过高。传统上，在泵排放期间通过吸入系统中的压力安全阀和非回流式设备（止回阀和快速关闭阀）防止吸入系统出现高压。在设计阶段危险研究中已确定存在与吸入系统中任何组件的灾难性故障相关的重大危险，该灾难性故障由不受控制地供应大量来自界区的NH3导致（如果此不受控供应不受供应商保护）。
根据所用的风险图法，此事件的安全完整性归类为第3级。如上所述的现行保护措施对来自界区的NH3供应仅提供了部分保护。为此，在新基层装置的标准设计中，我们已在向界区处的尿素装置提供NH3的管线上增加了一个快速关闭阀（XPV）。高压氨泵的吸入系统处于高压时，此快速关闭阀关闭，从而避免泄漏时从氨装置持续供应氨。使用压力安全阀和高压开关（PSH）进行联合保护确保了能达到要求的保护水平（PFD < 10-3），其条件是所用组件质量高。当然可以考虑和选择其他方法，只要这些方法满足安全完整性第3级的要求。
2.3 合成段高压
在设计阶段危险研究中，已识别出导致合成段高压的情况。主要是因为合成段在高温高压情况下存在大量有毒物质（氨），此时风险图法显示安全完整性等级为3。这意味着要避免合成段中压力过高，仅使用压力安全阀进行保护是不够的：根据公布的可靠性数据，众所周知，仅用压力安全阀进行保护不能达到第3级安全完整性要求的小于10-3的要求故障概率（PFD）。
因此，通过高压开关（PSH），在我们现行的基层装置标准设计中，我们增加了安全仪表系统（SIS）。高压开关的设定值比压力安全阀的设定值略低，这样，由于副效应，在很多情况下可以避免主合成压力安全阀的泄压排放。激活后进行动作时，高压开关基本上使合成工段处于堵塞状态，能源（蒸汽）供应切断。
假如压力安全阀和高压开关都选用高质量组件，现在使用高压开关和压力安全阀进行联合保护可达到所需的要求故障概率（PFD < 10-3）。
2.4 蒸汽侧的安全隔膜
传统上，尿素合成工段中高压热交换器的低压侧用安全隔膜进行保护，以防止换热管发生破裂时低压侧压力过高。虽然这些安全隔膜有明确的安全功能，但也会发现使用安全隔膜后的一些弊端。
其中一些弊端涉及安全，其他涉及经济：
• 经验表明安全隔膜会因腐蚀和/或温差而失效。在这类‘假激活’情况下，安全隔膜不关闭。因此，安全隔膜的假激活导致整个装置停车。
• 传统上，也可用压力安全阀保护这些热交换器的低压侧，以控制其他（非爆管相关）安全情况下发生的高压情况。根据爆管的性质以及压力安全阀的尺寸和设定值，在实际爆管情况下可能导致这样的状况：只有压力安全阀动作。的确，在某些爆管场合中，已报道过因此导致的装置出现危险状况，因为爆管会导致大量有毒氨气在非设计氨气释放区释放！
对大型装置中的高压汽提塔和高压甲铵冷凝器低压侧（蒸汽侧）预期压力升高值的临界评定已表明：发生爆管时对采用安全隔膜进行保护无严格必要性；对于这些热交换器而言，压力安全阀即足够。因此，在我们大型基层装置的现行标准设计中，现今传统安全隔膜和压力安全阀的功能集成在单一的压力安全阀中。
对于高压洗涤塔，设计中必须保留安全隔膜。对于此热交换器，低压侧注满液体。这导致发生爆管时低压侧压力陡增，只能用安全隔膜进行保护，因为压力安全阀反应过慢。
2.5 CO2 + NH3气体设备中压力安全阀的伴热和蒸汽冲洗装置的配置（“甲铵气体设备”）
在尿素装置中，可以看到数个用于保护含有氨气和二氧化碳气体混合物的充气空间的压力安全阀。虽然理论上不符合命名规则，但是这些压力安全阀常被称为“甲铵气体设备”。
例如，这些压力安全阀包括：
• 合成压力安全阀
• 循环压力安全阀
• 解吸和水解工段的压力安全阀
• 低压吸收塔中的压力安全阀
含二氧化碳和NH3的气体混合物在冷却后易形成固体；为此，需要采取措施来确保压力安全阀的进口和排放管路始终无固体。传统上，通常通过给压力安全阀的进口管路提供伴热、为压力安全阀加上夹套和为排放管路提供蒸汽吹扫（最好尽可能靠近压力安全阀中的实际位置）实现无固体存在，这三种设备（伴热/夹套/蒸汽吹扫）中的一种不可用表明不能确保保护设备在需要时可用。
目前已得出结论，若就蒸汽供应而言，这三种设备全部整合成一个单一的设备，就可大大提高需要时的可用概率。
图4
2.6 循环系统中高压数次出现了可以导致循环工段压力过高的情况。这里根据风险图法分类，已属于安全完整性等级第二级。压力安全阀采用合适材料制造，且按图3中所示进行加热，是可以达到希望的PFD要求的，即在只用压力安全阀提供保护的情况下，防止在安全完整性等级为2级情况下压力过高。但是，考虑到实际运行中高压循环的出现频率相对较高，斯塔米卡邦公司已决定增加仪表高压开关（PSH）以防止这些压力安全阀频繁泄压喷吹。
在最近的许多工程中，已有过循环工段中压力（和液位）变送传感器出现假故障的报道。因此，为了尽量减少此系统发生假跳闸，配置了此高压开关，作为2/3表决系统。动作后，高压开关启动所谓的‘合成停止’，即合成处于堵塞状况（CO2、NH3和甲铵给料停止；蒸汽供应停止）。
2.7 通过甲铵泵和管路从合成工段回流至循环工段
毫无疑问，例如在合成工段堵塞期间或在泵跳闸情况下，应避免通过甲铵泵和管路从合成工段回流至循环工段。此回流可导致循环压力增高，而且回流可能对泵造成严重损坏。传统上，通过高压洗涤塔进口附近的止回阀和泵排放管路中的快速关闭阀（XPV）的结合保证了不发生此回流。快速关闭阀的功能常整合在甲铵泵排放管路中的液位控制阀（LPV）中。根据泵的类型和制造商，防止回流的附加保护装置可以或不必整合到甲铵泵自身中。实施设计阶段危险研究过程中，曾观察到其中快速关闭阀配有工艺超控开关（POS），以能用冷凝液冲洗管路（包括快速关闭阀）。根据风险图法，从合成工段回流被划分为安全完整性等级为2级的事件。因此，得出结论：安全保护系统，包括工艺操控开关，不会导致要求故障概率；特别是因为操作工况（管路冲洗）要求操作人员呆在受影响区。因此，我们决定在现行的基层装置标准设计中，在甲铵泵排放管路的主断流阀处增加阀位指示器。用此方法配置安全保护系统，这样在泵运行或两个泵停止运行且主断流阀处于关闭状态时，才能打开快速关闭阀。
图5
3 实施设计阶段危险研究的一些经验设计阶段危险研究是危险与可操作性分析（HAZOP）的一种特别情况，专门用于新基层装置。但是，实施此研究过程中获得的一些实际经验可广泛适用于所有危险与可操作性分析研究，值得分享：
• 此安全研究耗时长；让你们了解一下：斯塔米卡邦公司实施设计阶段危险研究花了约2500工时。
• 当所涉人员也实施其他研究时，只有此研究的实施得到公司高层管理人员的全力支持，才能成功实施此研究。
• 为取得好成果，实施此研究的团队应包括下列领域的专家：
o 工艺
o 工艺控制和仪表
o 机械
o 运营
而且，最重要的是要有一位主席能根据结构化程序对研究的实际过程进行控制。
• 应对团队所有成员进行实施安全研究中所用方法和程序方面的培训。
• 实施此研究的团队应安排有足够的时间进行研究。这包括会议准备、出席会议和中期制定会议中确定的行动要点。
• 应这样组织会议：人们能把精力集中在他们的任务上，而不因其他研究而被打扰。在这方面，组织中其他人员充分认识此研究重要性也十分重要。
• 报告是实施此研究中的重要部分。毕竟，研究工作惟一可见的成果就是研究报告。使用现代工具（个人电脑和投影仪），得以在会议过程中编制报告的主要部分，这样做证明是很有用的，最后也节省了时间。你们总应花些时间制定清晰、明确的规划：它将会使你们研究的最终结果更有用，也可传达给他人（包括组织内外的人）。
• 根据我们的经验，用风险图法作为情况归类的工具，已证明它是确定讨论目标的十分合适的工具。如果没有此工具，我们以前实施危险与可操作性分析相关研究的经验表明，易得出主观性更强的研究结果。因此，使用风险图法得出的结果对团队成员‘巧合’构成的依赖性不大。当然，前提条件是涉及的全部专家深入了解此工艺，在他们自己的领域内是专家，并接受使用所选方法进行安全研究培训。
4 总 结
最近，斯塔米卡邦公司对他们的标准尿素装置设计开展了工艺设计阶段危险研究，将用于新基层装置。设计阶段危险研究包括使用风险图法进行安全完整性等级划分。根据IEC标准，此法符合现行的安全研究‘世界标准’。
实施此设计阶段危险研究过程中，实现了与工艺安全保护相关的一些变化。在这方面，最重要的变化列在了本论文中。对于现有装置，确保装置符合适用的安全标准当然是所有者自己的责任。上述所列安全话题也可能对在现有装置中的实施有帮助。
