水煤漿氣化裝置的安全聯鎖控制關鍵點和難點的實施

任 翔 伍 凌 程 興

(浙江中控技術股份有限公司，杭州 310053)

煤氣化技術是現代煤化工的基礎，是通過煤高溫下直接氣化制得合成氣，再以合成氣為原料制取甲醇、合成油及天然氣等一級產品，同時以甲醇為原料制得乙烯及丙烯等二級化工產品的技術，國內有學者分別從焦爐廢氣作煤調濕系統載氣的實施分析，煤制天然氣項目甲烷化廢熱鍋爐系統的技術探討，煤調濕蒸汽管回轉干燥機密封結構的設計，煤氣化爐水冷壁振打除灰的力學性能優化和焦化行業煤調濕技術(CMC)的應用方面進行了研究和論述[1～5]。在煤氣化技術中，氣化爐是整個工藝流程的核心，典型的水煤漿氣化裝置包括德士古氣化技術[6～8]、GE氣化技術及國內自主研發的多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化技術等。

煤氣化裝置屬高危裝置，采用安全儀表控制系統對裝置進行關鍵控制及聯鎖保護等措施，既是氣化裝置本身高危險性的需求，也是保障裝置長周期穩定運行的需求，更是發展現代大型煤化工，實現企業產業規模化、利益最大化的有力保障[9～12]。在此，介紹由浙江中控集成的羅克韋爾ICS Trusted安全儀表控制系統，對目前國內最大規模的多噴嘴水煤漿氣化爐裝置進行安全聯鎖控制過程中相關的聯鎖控制關鍵點和難點。

如圖1所示，多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化裝置主要由煤漿制備、氣化、燒嘴冷卻水、氮氣保護、鎖斗、合成氣洗滌及黑水閃蒸渣水分離等單元組成。氧氣和水煤漿經工藝燒嘴在燃燒室迅速霧化并進行部分氧化反應，放出大量熱，生成以CO+H2為主要成分的煤氣，主要的化學反應：2C+O2═2CO，2CO+O2═2CO2，C+H2O═CO+H2，CO2+H2═CO+H2O，所有反應在6.6MPa、1 300℃的高溫高壓環境下快速進行，反應產生的氣體經水激冷降溫和初步除塵后，煤氣與汽化的水蒸氣一起離開氣化爐激冷室進入煤氣洗滌子系統。反應熔渣經冷卻后被固化，沉降到底部后定期排渣至渣池，未反應的碳與氣化爐的黑水一起送入黑水閃蒸渣水分離單元。

煤漿制備單元為氣化環節提供合格的水煤漿，高壓煤漿泵的聯鎖保護進入安全儀表控制系統。燒嘴冷卻水單元為保護燒嘴而單獨設置，燒嘴長期置于高溫環境，采用冷卻水循環方式為燒嘴降溫。鎖斗單元是氣化裝置的排渣單元，通過程序的循環定時控制，實現熔渣的定期排出。氣化爐的粗合成氣經混合器濕潤和旋風分離器分離出大部分濕潤的細灰，再經水洗塔進一步洗滌除塵，將合成氣含塵量降至1mg/m3(標)以下。水洗塔中部含固體量較低的洗滌黑水經黑水循環泵加壓后分兩路，一路經黑水過濾器過濾后送入氣化爐激冷環節作為激冷室冷卻水，另一路送入蒸發熱水塔作為冷卻洗滌和濕潤水。

圖1 多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化裝置工藝流程

2 安全聯鎖控制中關鍵點的實施

水煤漿裝置工藝過程復雜，聯鎖控制關聯性強，為了裝置更可靠平穩地運行，常規控制系統需配上安全儀表控制系統來保證裝置和整個流程的安全平穩生產[13]。

2.1 安全儀表控制系統硬件配置

根據氣化裝置的特點，分別為每臺氣化爐配置一套三重化安全儀表控制系統，共4個機柜。為了方便于系統的調試，現場機柜之間設置有工程師站兼事件順序記錄站(Sequence of Event，SOE)，并采用冗余工業以太網方式與系統通信，中央控制室和系統的連接則采用冗余光纖通信模式，操作站通過光纖實現對系統的操作。安全儀表控制系統和過程系統的通信采用Modbus協議進行通信。系統網絡與硬件配置結構示意圖如圖2所示。

圖2 系統網絡與硬件配置

2.2 關鍵控制方案

為保障多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化裝置的安全運行，開車順控、聯鎖保護和停車吹掃是整個安全儀表控制系統的控制重點，是裝置順利開車和平穩運行的保障。

2.2.1開車順控

在開車順控中，安全儀表控制系統依次動作氧氣放空閥、煤漿循環閥及煤漿截止閥等，完成管線的氮氣吹掃和煤漿氧氣入爐(各類閥的選型和應用參見文獻[14～19])。在投料過程初始階段，通過系統程序的設計，自動地將所有聯鎖條件切除，待裝置點火成功后再將所有聯鎖條件投入。裝置反應物料為高純度氧氣，為防止爐內過氧，在開車邏輯中確保煤漿先于氧氣進入爐內，并且通過現場閥門的反饋信號對氧氣截止閥動作時間準確計時，一旦時間不能滿足要求即發出停車信號。

安全儀表控制系統的順序控制通過比較系統的命令輸出和現場反饋信號的一致性，按約定的步驟完成煤漿循環、氧氣放空、煤漿投料、氧氣管線吹掃和氧氣投料5個步驟，裝置的開車狀態通過硬接線信號送至DCS。

2.2.2裝置聯鎖保護

四噴嘴水煤漿氣化裝置運行過程中，爐內溫度高、壓力大，屬高危裝置。為了確保裝置的安全運行，保護設備和人身安全，對裝置的重要參數進行實時監控，參與聯鎖的信號均采用三選二表決方式實現，設置煤漿流量低低聯鎖、高壓煤漿泵運行信號、激冷室液位、合成氣出口溫度引入停車信號。四噴嘴水煤漿氣化裝置的聯鎖保護邏輯如圖3所示。

圖3 四噴嘴水煤漿氣化裝置的聯鎖保護邏輯

2.2.3停車順控

氣化裝置的停車順序和啟動相應的保護措施均有特殊要求，觸發系統停車信號除來自裝置聯鎖保護程序段外，對每對燒嘴設置單獨的緊急停車按鈕，按鈕集成在中央控制室的操作臺。

在停車順控中，安全儀表控制系統有先后順序地關閉物料閥門、打開氮吹保護閥，及時順利地將裝置置于安全狀態，減少事故損失，為裝置再開車贏得有利條件。

3 安全聯鎖的控制重點

將高壓煤漿泵的運行、電流、轉速聯鎖信號引入安全儀表控制系統，防止由于煤漿電磁流量計監測流量(流量監測儀表的選型參見文獻[20])存在一定時間的延遲，氣化爐持續運行導致爐內過氧，造成事故。

氣化爐停車后氧氣管線氮氣吹掃閥立即打開，并滯后于煤漿管線吹掃閥關閉，煤漿管線氮氣吹掃閥后開先關，防止煤漿等混合氣體串入氧氣管線，引起氧氣管線爆炸，氧氣管線必須馬上吹掃。

系統復位后需要將氮氣小流量閥打開，氣化爐開車，爐內溫度已經達到1 000℃以上，且煤漿先于氧氣進入爐內氣化，為保護氧氣管線打開氮氣小流量閥。

4 裝置實際運行效果

該裝置的日投煤量3 000t，其氧耗、煤耗比同類型水煤漿氣化裝置低3%～5%，碳轉化率在98%以上，有效氣體成分轉化率82%～85%，其穩定性、經濟適用性和先進性有目共睹。裝置近半年的運行情況表明，安全儀表控制系統具備實時監測工況、準確發出停車信號、確保生命財產安全的良好性能，其穩定性和可靠性完全優于工藝要求。

5 結束語

浙江中控集成的羅克韋爾ICS Trusted安全儀表控制系統在煤化工氣化爐裝置的大量成功應用表明，經過SIL3安全認證，采用三重化技術的安全儀表控制系統的投用，使最危險的氣化裝置的安全性得到了極大的提高。安全儀表控制系統在避免工業災難、減少工業事故損失、保障企業長周期平穩滿負荷生產方面起到了積極和重要的作用，為工業過程中要求最大安全與連續生產的關鍵控制提供了一種最佳選擇。

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