一种防逆流系统

技术领域

本发明涉及高压反应系统相关技术领域，特别是一种防逆流系统。

背景技术

高压窜低压是化工装置普遍存在的安全风险之一，可能造成低压系统物料污染，设备超压破裂，甚至是爆炸起火、人员伤亡等等。

在高压反应系统中，因其操作压力往往远高于低压原料罐的设计压力，一旦发生高压窜低压逆流工况，其风险更高。因此高压反应采取一种防止逆流超压的安全保护策略非常重要。

之前某事故原因是循环氢压缩机因润滑油压力低而联锁停车，进而联锁高压泵停车，但高压泵出口手阀未及时关闭且止回阀失效。反应器内压力为5.7MPaG的高压反应液通过进料泵出入口逆流进入加氢原料缓冲罐，导致缓冲罐超压爆炸着火。这是一起典型的高压反应系统泵停逆流超压事故。

现有的防止逆流超压的安全技术措施一般包括提高低压系统设计压力、进料管线增加止回阀、低压系统配备安全阀等措施。提高设计压力作为本质安全的手段在确保安全的同时大量增加了设备投资，在很多高压反应系统中使用并不经济。而进料管线增加止回阀仅仅在一定程度上缓解了逆流工况的发生，根据API 521中的描述，即使采用双止回阀串联仍然可能有10％的逆流量，并不能从源头上阻止低压设备超压。而在低压设备上配备安全阀虽然可以有效泄压，但在上下游压差非常大的情况下，逆流量往往很大，低压设备上安全阀的泄放量和泄放口径随之增大，对其选型和安装造成很大困难，也增大了泄放设备的投资。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术的防逆流系统安全性不足的技术问题，提供一种防逆流系统。

本发明提供一种防逆流系统，包括：流量调节阀、切断阀、止回阀、压差低联锁、以及信号处理单元，进料泵依次与所述流量调节阀、所述止回阀、所述切断阀连通后与高压反应器连通，所述压差低联锁一端与连通所述进料泵和所述流量调节阀的入口管线连通，另一端与连通所述切断阀和所述高压反应器的出口管线连通，所述压差低联锁的输出端与所述信号处理单元的输入端通信连接，所述信号处理单元的输出端与所述流量调节阀的控制端、所述切断阀的控制端通信连接，所述信号处理单元根据所述压差低联锁两端压差控制所述流量调节阀和所述切断阀的通断。

进一步地，还包括检测所述出口管线的管线流量的流量低联锁，所述流量低联锁的输出端与所述信号处理单元的输入端通信连接。

更进一步地，所述信号处理单元包括：第一与门，所述第一与门的第一输入端与所述流量低联锁的输出端通信连接，所述第一与门的第二输入端与所述压差低联锁的输入端通信连接，所述第一与门的输出端分别与所述流量调节阀的控制端以及所述切断阀的控制端通信连接。

再进一步地，所述信号处理单元的输入端还与所述进料泵的运行信号端和/或外部联锁信号端通信连接，所述信号处理单元还包括第二与门以及或门，所述进料泵的运行信号与所述或门的第一输入端通信连接，所述流量低联锁的输出端与所述或门的第二输入端通信连接，所述或门的输出端分别与所述第一与门的第一输入端以及所述第二与门的第二输入端通信连接，所述第二与门的第一输入端与所述外部联锁信号通信连接，所述第二与门的输出端与所述第一与门的第三输入端通信连接。

再进一步地：

所述进料泵的运行信号端通过第一脉冲元件与所述或门的第一输入端通信连接，所述第一脉冲元件在接收到信号跳变时，输出第一脉冲信号；和/或

所述或门的输出端通过第二脉冲元件与所述第二与门的第二输入端通信连接，所述第二脉冲元件在接收到信号跳变时，输出第二脉冲信号。

再进一步地，所述或门的输出端通过延时元件与所述第一与门的第一输入端通信连接。

再进一步地，所述第二与门的输出端还与所述进料泵的控制端通信连接，控制所述进料泵的开启或关闭。

再进一步地，还包括检测所述出口管线的管线流量的第一流量控制器，所述第一流量控制器根据所述出口管线的管线流量控制所述流量调节阀的阀门开度，所述第一与门输出端还与所述第一流量控制器的控制端通信连接，控制所述第一流量控制器的开启或关闭。

进一步地，还包括与所述入口管线连通的进料调节阀、以及检测所述入口管线的管线流量的第二流量控制器，所述进料调节阀与进料缓冲罐连通，所述第二流量控制器根据所述入口管线的管线流量控制所述进料调节阀的阀门开度。

进一步地，还包括与连通所述流量调节阀和所述止回阀的管线连通的安全阀，所述安全阀与火炬和/或进料缓冲罐连通。

本发明在高压反应器进料泵出口增加压差低联锁、止回阀和切断阀，流量调节阀可切断，采用压差低联锁信号引入信号处理单元，同时关闭切断阀和流量调节阀，以实现防止高压窜低压的目的。若联锁失效，阀门未及时切断，低压设备仍可凭借止回阀和自身安全阀泄压，避免低压设备超压破裂。通过构建高度集成的防逆流系统，实现对高压窜低压工况的多级保护，提高高压反应系统的安全性。

附图说明

图1为本发明一实施例一种防逆流系统的系统原理图；

图2为为本发明一实施例一种防逆流系统的信号处理单元的原理图。

标记说明

1-流量调节阀；2-切断阀；3-止回阀；31-第一止回阀；32-第二止回阀；4-压差低联锁；5-信号处理单元；51-第一与门；52-第二与门； 53-或门；54-第一脉冲元件；55-第二脉冲元件；56-延时元件；57-第一警示灯；58-第二警示灯；6-进料泵；61-运行信号端；7-流量低联锁； 8-第一流量控制器；9-进料调节阀；10-第二流量控制器；11-安全阀； 12-第一电磁阀；13-第二电磁阀；14-入口管线；15-出口管线。

具体实施方式

下面结合附图来进一步说明本发明的具体实施方式。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1所示为本发明一实施例一种防逆流系统，包括：流量调节阀1、切断阀2、止回阀3、压差低联锁4、以及信号处理单元5，进料泵6依次与所述流量调节阀1、所述止回阀3、所述切断阀2连通后与高压反应器连通，所述压差低联锁4一端与连通所述进料泵6和所述流量调节阀1 的入口管线14连通，另一端与连通所述切断阀2和所述高压反应器的出口管线15连通，所述压差低联锁4的输出端与所述信号处理单元5的输入端通信连接，所述信号处理单元5的输出端与所述流量调节阀1的控制端、所述切断阀2的控制端通信连接，所述信号处理单元5根据所述压差低联锁4两端压差控制所述流量调节阀1和所述切断阀2的通断。

具体来说，本实施例的防逆流系统应用在高压反应系统中，在高压反应器进料泵6到高压反应器之间流量调节阀1、切断阀2、止回阀3、压差低联锁4、以及信号处理单元5。压差低联锁4检测入口管线14和出口管线15的两端压差，并根据压差控制流量调节阀1和切断阀2的通断。

具体地，压差低联锁4检测入口管线14压力减去出口管线15压力的压力差值，当压力差值大于预设压力差值阈值时，出口管线15压力正常，此时压差低联锁4向信号处理单元5输出逻辑信号1，信号处理单元 5开启流量调节阀1和切断阀2，保持进料泵6到高压反应器的连通。当出口管线15压力上升或入口管线14压力降低，导致压力差值小于等于预设压力差值阈值时，压差低联锁4向信号处理单元5输出逻辑信号0，触发信号处理单元5关断流量调节阀1和切断阀2。其中，流量调节阀1 和切断阀2可以通过电磁阀控制通断。

本发明在高压反应器进料泵出口增加压差低联锁、止回阀和切断阀，流量调节阀可切断，采用压差低联锁信号引入信号处理单元，同时关闭切断阀和流量调节阀，以实现防止高压窜低压的目的。若联锁失效，阀门未及时切断，低压设备仍可凭借止回阀和自身安全阀泄压，避免低压设备超压破裂。通过构建高度集成的防逆流系统，实现对高压窜低压工况的多级保护，提高高压反应系统的安全性。

如图1和图2所示，本发明另一实施例中一种防逆流系统，包括：流量调节阀1、切断阀2、止回阀3、压差低联锁4、以及信号处理单元5，进料泵6依次与所述流量调节阀1、所述止回阀3、所述切断阀2连通后与高压反应器连通，所述压差低联锁4一端与连通所述进料泵6和所述流量调节阀1的入口管线14连通，另一端与连通所述切断阀2和所述高压反应器的出口管线15连通，所述压差低联锁4的输出端与所述信号处理单元5的输入端通信连接，所述信号处理单元5的输出端与所述流量调节阀1的控制端、所述切断阀2的控制端通信连接，所述信号处理单元5根据所述压差低联锁4两端压差控制所述流量调节阀1和所述切断阀2的通断；

还包括检测所述出口管线15的管线流量的流量低联锁7，所述流量低联锁7的输出端与所述信号处理单元5的输入端通信连接；

所述信号处理单元5包括：第一与门51，所述第一与门51的第一输入端与所述流量低联锁7的输出端通信连接，所述第一与门51的第二输入端与所述压差低联锁4的输入端通信连接，所述第一与门51的输出端分别与所述流量调节阀1的控制端以及所述切断阀2的控制端通信连接，所述信号处理单元5的输入端还与所述进料泵6的运行信号端61和/或外部联锁信号端通信连接，所述信号处理单元5还包括第二与门52以及或门53，所述进料泵6的运行信号与所述或门53的第一输入端通信连接，所述流量低联锁7的输出端与所述或门53的第二输入端通信连接，所述或门53的输出端分别与所述第一与门51的第一输入端以及所述第二与门52的第二输入端通信连接，所述第二与门52的第一输入端与所述外部联锁信号通信连接，所述第二与门52的输出端与所述第一与门51的第三输入端通信连接；

所述进料泵6的运行信号端61通过第一脉冲元件54与所述或门53 的第一输入端通信连接，所述第一脉冲元件54在接收到信号跳变时，输出第一脉冲信号；和/或

所述或门53的输出端通过第二脉冲元件55与所述第二与门52的第二输入端通信连接，所述第二脉冲元件55在接收到信号跳变时，输出第二脉冲信号；

所述或门53的输出端通过延时元件56与所述第一与门51的第一输入端通信连接；

还包括检测所述出口管线15的管线流量的第一流量控制器8，所述第一流量控制器8根据所述出口管线15的管线流量控制所述流量调节阀 1的阀门开度，所述第一与门51输出端还与所述第一流量控制器8的控制端通信连接，控制所述第一流量控制器8的开启或关闭，所述第二与门52的输出端还与所述进料泵6的控制端通信连接，控制所述进料泵6 的开启或关闭；

还包括与所述入口管线14连通的进料调节阀9、检测所述入口管线 14的管线流量的第二流量控制器10以及与连通所述流量调节阀1和所述止回阀3的管线连通的安全阀11，所述进料调节阀9与进料缓冲罐连通，所述第二流量控制器10根据所述入口管线14的管线流量控制所述进料调节阀9的阀门开度，所述安全阀11与火炬和/或进料缓冲罐连通。

具体来说，本实施例在高压反应器进料泵6到高压反应器之间流量调节阀1、切断阀2、止回阀3、压差低联锁4、以及信号处理单元5。采用压差低联锁4和流量低联锁7的信号引入信号处理单元5。压差低联锁 4检测入口管线14和出口管线15的两端压差，流量低联锁7检测出口管线15的管线流量，并根据压差和出口管线的管线流量控制流量调节阀1 和切断阀2的通断。通过同时关闭切断阀2和流量调节阀1，以实现防止高压窜低压的目的。若联锁失效，阀门未及时切断，低压设备，例如缓冲罐等，仍可凭借止回阀3及自身安全阀泄压，避免低压设备超压破裂。优选地，止回阀3包括第一止回阀31和第二止回阀32。图1中，L为低报警值、LL为低低联锁值、IA为仪表空气(Instrument Air)的缩写。

具体由以下部分组成：

流量调节阀1为根据第一流量控制器8输出调节阀门开度的控制阀。流量调节阀1通过第一电磁阀12关闭。第一电磁阀12通过信号处理单元5控制得电和失电。

切断阀2通过第二电磁阀13关闭。第二电磁阀13通过信号处理单元5控制得电和失电。

止回阀3包括第一止回阀31和第二止回阀32。第一止回阀31和第二止回阀32为两个不同型式和厂家的止回阀，设置在流量调节阀1和切断阀2之间。防止当切断阀2失效和安全阀11起跳同时发生时，高温液体/气体通过安全阀11逆流。

压差低联锁4，为压力差检测器，当两端的压降(或称为压力差)，即流量调节阀1，切断阀2、第一止回阀31和第二止回阀32的压降低于预设联锁值时，输出信号，启动信号处理单元5的防逆流保护逻辑。

信号处理单元5，根据各种联锁信号执行防逆流保护逻辑。

进料泵6的运行信号端61，用于输入信号处理单元5以执行防逆流保护逻辑。

流量低联锁7，为流量检测器，当检测的流量低于预设联锁值时，输出信号，联锁触发信号处理单元5动作。

第一流量控制器8，通常用于控制流股流量。

进料调节阀9将入口管线14与进料缓冲罐连通，根据第二流量控制器10输出调节阀门开度。

第二流量控制器10为进料泵6提供最小流量保护，当检测到流量低时控制进料调节阀9阀门开度开大，避免憋泵。

安全阀11与火炬/进料缓冲罐连通，保护反应釜，避免由于进料泵出口压力高而超压的安全阀。

第一电磁阀12，联锁关闭流量调节阀1。

第二电磁阀13，联锁关闭切断阀2。

本系统将在如下条件满足的情况下启动联锁关闭进料阀流量调节阀 1和切断阀2：

压差低联锁4压差低于联锁值、流量低联锁7流量低于联锁值，或其它工艺联锁(按需设置)触发。当进料管线切断联锁失效时，可借助管线上的第一止回阀31、第二止回阀32配合低压设备上的安全阀泄压，例如缓冲罐上的安全阀，以实现逆流超压工况的多级保护。

以下对防逆流超压保护系统优选的仪表和阀门相对位置进行说明：

流量低联锁7，其测量仪表须位于切断阀2下游，因为如果位于安全阀11上游，该联锁无法保护安全阀11误跳造成的逆流。

第一流量控制器8，可使用与流量低联锁7相同的测量装置。

压差低联锁4，须测量切断阀2、第一止回阀31、第二止回阀32和流量调节阀1的总压差。从而可确保正常进料时维持一定的正压差。如果压差低联锁4不含切断阀2，启泵后P1时间内流量低联锁4解除，第一流量控制器8投自动状态，由于流量调节阀1后管线无流量，第一流量控制器8会把流量调节阀1开到最大，但切断阀2还是关闭状态，此时压差计两端检测的均是泵的静压力，压差为零，无法达到开车时压差低联锁可以在泵启动建立压力后解除的效果。而压差低联锁4两取压点包含切断阀2，则由于开车时切断阀2处于关闭状态且位于压差低联锁4 的两个压力检测点之间，在开车启动进料泵6后，进料泵6后至流量调节阀1之间管线压力升高，切断阀2后管线压力不变，导致压差低联锁4 示数为正压，流量调节阀1和切断阀2可正常打开，不会触发信号处理单元5的联锁导致流量调节阀1和切断阀2无法打开，因此无需为此设计压差低联锁的开车旁路。

安全阀11位于流量调节阀1下游，用以防止进料泵6压头高导致安全阀11误跳的工况。同时由于位于第一止回阀31、第二止回阀32和切断阀2的上游，避免安全阀11误跳导致的高压反应液逆流。

止回阀3，包括第一止回阀31和第二止回阀32，止回阀3位于流量调节阀1和切断阀2之间，用以防止因安全阀误跳和切断阀2失效导致的高压反应液逆流。

切断阀2为严密关断阀(Tight-Shutoff，TSO)，对阀门的关闭密封性要求较高，可以严密关断，因此切断阀2设置距反应工段最近。反应工段即高压反应系统。

如图2所示，为信号处理单元5的系统逻辑图。

进料泵运行信号端61的进料泵运行信号送入第一脉冲元件54，输出值与流量低联锁7输出的进料流量低联锁信号通过或门53相连，或门 53表决结果分两路：一路送入第二脉冲元件55再与其它工艺联锁信号 (按需设置)通过第二与门52相连，第二与门52表决结果作为第一与门 51的输入之一；或门53表决结果的另一路送入延时元件56，表决结果也作为第一与门51输入之一。压差低联锁4的压差低联锁信号作为第一与门51的最后一个输入。根据第一与门51的表决结果联锁关闭调节阀流量调节阀1、切断阀2和流量控制器第一流量控制器8。可选地，第二与门52的表决结果联锁停进料泵6。

压差低联锁4压差低于联锁值、流量低联锁7流量低于联锁值，或其它工艺联锁(按需设置)触发，第一与门51的输出变为0，第二与门 52的输出变为0，进料泵6停且流量调节阀1、切断阀2和流量控制器第一流量控制器8关闭。

具体来说，压差低联锁4检测入口管线14压力减去出口管线15压力的压差。如果压差大于等于预设联锁值，则压差低联锁4输出逻辑信号1，如果压差小于预设联锁值，则压差低联锁4输出逻辑信号0。

流量低联锁7检测出口管线15的管线流量，如果检测的流量大于等于预设联锁值，则流量低联锁7输出逻辑信号1，如果检测的流量小于预设联锁值，则流量低联锁7输出逻辑信号0。其他工艺联锁则按需要输出逻辑信号1或逻辑信号0。

若非其它工艺联锁触发或联锁条件解除后，进料泵6可以通过点击“启泵”按钮启动，第一脉冲元件54在时间P1内输出信号1旁路流量低联锁7输出的逻辑信号0，或门53输出逻辑信号1，同时延时元件56启动开始计时。启泵后压力重新建立，一旦入口管线14压力减去出口管线 15压力的压差超过压差低联锁4的联锁值，压差低联锁4的输出值恢复信号1，且延时元件56达到延迟响应时间T1后，第一与门51输出可恢复1，此时流量调节阀1、切断阀2开启。随后出口管线14的管线流量会高于流量低联锁7设定的联锁值，流量低联锁7输出值恢复1。因此，虽然时间P1到了之后第一脉冲元件54输出恢复0，但流量低联锁7输出的信号1会旁路第一脉冲元件54输出的信号0，或门53输出能够维持信号1，保证流量调节阀1、切断阀2处于开启状态。

各元件及参数设置说明如下：

第一与门51，所有输入均为逻辑信号1时，第一与门51输出逻辑信号1，任意一输入为逻辑信号0时，第一与门51输出逻辑信号0。

第二与门52，所有输入均为逻辑信号1时，第二与门52输出逻辑信号1，任意一输入为逻辑信号0时，第二与门52输出逻辑信号0。

或门53，任意一输入为逻辑信号1时，或门53输出逻辑信号1，所有输入均为逻辑信号0时，或门53输出逻辑信号0。

第一脉冲元件54，当检测到逻辑信号0变为逻辑信号1时，在时间 P1内输出逻辑信号1，之后输出逻辑信号0。时间P1默认值20s。最大设定值根据泵允许的启停时间定。时间必须保证能够使流量调节阀1、切断阀2开启，以使得流量值高于流量低联锁7的联锁值。

第二脉冲元件55，当检测到逻辑信号1变为逻辑信号0时，在时间 P2内输出逻辑信号0，之后输出逻辑信号1。时间P2默认值20s。功能是当流量低于流量低联锁7的联锁值时，生成信号0联锁停泵。联锁后，信号在经过时间P2后恢复1，以保证后续启动泵。

延时元件56，对信号延时T1时间后输出。T1默认值为5s。该时间必须大于泵压力平衡建立的时间。

第一流量控制器8报警值L根据工艺确定，但是必须高于流量低联锁 7的联锁值。报警值L高于低流量联锁值可以在工艺异常时先报警后联锁，如果操作员接收到低报警信号，有足够的工艺安全时间进行干预，就可以避免触发联锁。这样设置符合一般规律，即能通过报警解决的先不触发联锁。

流量低联锁7根据工况确定联锁值。默认的联锁值为低于最小工艺流量的10％。

压差低联锁4默认的联锁值为控制流量调节阀1、切断阀2全通量时压降的50％。

第一警示灯57根据压差低联锁4或者流量低联锁7的输出信号点亮或关闭，当输出信号为信号1时关闭，当输出信号为信号0时点亮。

第二警示灯58根据进料泵运行信号端61的输出信号点亮或关闭，当输出信号为信号0时关闭，当输出信号为信号1时点亮。

本实施例通过构建防逆流系统实现了对高压反应系统逆流超压工况的多级保护，提高了高压反应系统的安全性。本实施例通过合理布置仪表和阀门的相对位置，增加逻辑运算块等手段，无需设置开车旁路，减轻了旁路管理的负担。其联锁停车和再次开车时基本不需要人工操作，避免了操作的复杂性和危险性。

实施例1

某氢甲酰化装置反应器操作压力18MPaG，反应过程中原料罐中的液相连续通过高压泵送至反应器中，原料罐设计压力为0.35MPaG。在HAZOP 分析中，识别出了进料泵6停导致的逆流超压工况，超压比远大于3，潜在的原料罐超压破裂人员伤亡的后果，场景可接受风险频率为1.0e-5。采用“防止逆流超压的安全保护策略”后，原料进料管线上增加双止回阀，切断阀，流量调节阀增加电磁阀，设置泵出口流量低低或原料进料管线压差低低关闭流量调节阀和切断阀的联锁，并核算原料罐的安全阀泄放量满足10％的高压物料逆流量。至此，逆流超压工况增加了2个独立保护层，一个是泵出口流量或管线压差低低联锁关闭流量调节阀和切断阀，另一个是双止回阀联合原料罐上的安全阀。其失效概率均可达到0.01，考虑泵停工况的发生频率为0.1次/年，减缓事件发生频率降低至 1.0e-5，使得风险降低到可接受范围。

实施例2

某氢化柠檬醛装置加氢反应器操作压力5MPaG，反应前原料铺底后关闭进料阀升压进行反应，原料罐设计压力为0.35MPaG。在HAZOP分析中，识别出了原料进料阀误开导致的逆流超压工况，超压比大于3，潜在的原料罐超压破裂人员伤亡的后果，场景可接受风险频率为1.0e-5。采用“防止逆流超压的安全保护策略”后，原料进料管线上增加双止回阀和切断阀，流量调节阀增加电磁阀，设置反应釜压力高于20kPaG或原料进料管线压差低低关闭流量调节阀和切断阀的联锁，并核算原料罐的安全阀泄放量满足10％的高压物料逆流量。至此，逆流超压工况增加了2个独立保护层，一个是反应釜压力高于20kPaG或原料进料管线压差低低联锁关闭流量调节阀和切断阀，另一个是双止回阀联合原料罐上的安全阀。其失效概率均可达到0.01，考虑人员操作失误原料进料阀门误开工况的发生频率为0.1次/年，减缓事件发生频率降低至1.0e-5，使得风险降低到可接受范围。

以上实例结合危害和可操作性分析(Hazard and Operability Analysis，HAZOP)和保护层分析(Layer of Protection Analysis，LOPA) 的分析方法，通过半定量的方式计算表明，高压反应采用“防止逆流超压的安全保护策略”后，高压窜低压工况发生的风险降低到了可接受范围内，安全性得到明显提升。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。