褐煤干燥安全保護(hù)控制系統(tǒng)的研究

董清生

（天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計(jì)院有限公司 甘肅省蘭州市 730060）

褐煤干燥安全保護(hù)控制系統(tǒng)的研究

董清生

（天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計(jì)院有限公司 甘肅省蘭州市 730060）

褐煤干燥技術(shù)對于解決全球能源問題具有重要意義。由于褐煤燃點(diǎn)低，干燥過程中有燃燒爆炸的危險(xiǎn)，合理且可靠的安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)是保證褐煤干燥系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文分析了褐煤干燥控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵控制點(diǎn)及設(shè)計(jì)過程中對聯(lián)鎖邏輯的分析改進(jìn)。

褐煤干燥；氧含量；聯(lián)鎖邏輯

1 引言

目前我國褐煤預(yù)測資源量約1903億t，占全國煤炭預(yù)測資源量的41.18％，主要分布在內(nèi)蒙、云南、東北等地[1]。褐煤是煤化程度較低的煤種，具有含水量高（20～50％）、熱值低、揮發(fā)性強(qiáng)、熱穩(wěn)定性差、易自燃等特點(diǎn)，難以運(yùn)輸、存儲和銷售。褐煤的高含水量直接增加了運(yùn)輸成本、裝置建設(shè)和運(yùn)行成本，甚至影響生產(chǎn)裝置的正常運(yùn)行，降低了以褐煤為原料的發(fā)電或煤化工項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。如何高效地脫除褐煤的水分是解決上述問題的重要途徑之一。

通過干燥降低褐煤的水分，一方面可以提高熱值和能量密度，降低運(yùn)輸成本，另一方面還可以提高下游裝置的利用效率，降低設(shè)備規(guī)模。因此，褐煤干燥技術(shù)的開發(fā)有利于擴(kuò)大褐煤的綜合利用途徑，可以很大程度上提高褐煤的市場競爭力。對此，我院對褐煤干燥進(jìn)行了多年研究并成功開發(fā)了蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)褐煤干燥技術(shù)，經(jīng)過實(shí)踐證明該技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

控制系統(tǒng)是褐煤干燥技術(shù)中的一個重要組成部分。由于褐煤含水量高、揮發(fā)性強(qiáng)及易自燃等特性，褐煤干燥控制系統(tǒng)必須具有相應(yīng)的特殊性，其中的尤其以安全保護(hù)系統(tǒng)復(fù)雜和重要。安全聯(lián)鎖保護(hù)控制系統(tǒng)能夠保證褐煤干燥工藝過程正常的開、停，以及在異常情況下確保人員和設(shè)備安全或盡可能地減少損失。

2 褐煤干燥工藝介紹

2.1 工藝概述

我院為云南某鋁廠煤氣化站設(shè)計(jì)了兩套蒸汽管干燥機(jī)褐煤干燥系統(tǒng)。單套設(shè)計(jì)處理濕褐煤能力為75t/h，原料濕褐煤含水量為35％，產(chǎn)品干煤粉含水量低于12％。褐煤蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥系統(tǒng)主要由蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)、煤粉計(jì)量給料單元、空氣預(yù)熱單元、產(chǎn)品冷卻單元、載氣處理單元、凝液回收單元、干燥水分控制單元、安全保護(hù)單元及潤滑油單元等組成，簡化后的工藝流程圖見圖1。

2.2 褐煤干燥中危險(xiǎn)及原因分析

褐煤具有高揮發(fā)份、高水分、低灰份、低硫分和發(fā)熱量稍低等特點(diǎn)。干燥過程中存在自燃、爆炸的危險(xiǎn)。煤粉爆炸的原因主要是煤緩慢氧化導(dǎo)致煤的熱解，產(chǎn)生可燃?xì)怏w，可燃?xì)怏w與空氣混合，達(dá)到一定濃度比例后遇火發(fā)生連鎖爆炸。煤粉的燃燒爆炸需要三個基本條件，即煤粉的存在、合適的氧濃度和足夠的點(diǎn)火能量。影響煤粉爆炸的因素主要包括煤質(zhì)特性、煤粉溫度、煤粉細(xì)度和煤粉濃度等。表1給出了引起煤粉爆炸的濃度極限及爆炸壓力[2]。通過對褐煤的煤質(zhì)特性分析，根據(jù)煤粉爆炸的原因、發(fā)生爆炸條件、影響因素等方面進(jìn)行了分析，在褐煤干燥過程中我們主要采取的措施包括控制載氣中的氧含量和煤粉溫度，使其始終處于安全范圍內(nèi)。

圖1 簡化后的工藝流程圖

表1 引起煤粉爆炸的濃度極限及爆炸壓力

根據(jù)干燥過程中物料走向和溫度分布，可分析出干燥系統(tǒng)需要重點(diǎn)監(jiān)測和保護(hù)的設(shè)備為布袋除塵器、干燥機(jī)出料箱和屋脊式冷卻器。布袋除塵器中載氣含有較高濃度的懸浮煤粉，載氣溫度必須高于載氣露點(diǎn)防止結(jié)露造成煤粉粘壁，故設(shè)置氮?dú)夂驼羝Ｗo(hù)控制氧含量在安全范圍內(nèi)并摻混干凈載氣降低煤粉濃度是一種有效的保護(hù)措施。在干燥機(jī)出料箱和屋脊式冷卻器煤粉堆積多，溫度過高會有煤粉自燃的危險(xiǎn)，監(jiān)測出料溫度，在溫度過高時通入氮?dú)饨档脱鹾亢蛦⑼娏芟到y(tǒng)降溫都是可行的安全保護(hù)措施。

3 控制系統(tǒng)介紹

褐煤干燥控制系統(tǒng)采用FOXBORO公司的I/A Series DCS系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)吸收了最先進(jìn)的通信和微電子技術(shù)，應(yīng)用了最新的信號處理和高速網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可靠的軟件平臺以及現(xiàn)場總線技術(shù)，并采用高性能的微處理器和成熟的先進(jìn)控制算法，其數(shù)字化、結(jié)構(gòu)靈活和完善的功能可以適應(yīng)廣泛、復(fù)雜的現(xiàn)場需求。冗余和實(shí)時故障同步診測等特殊功能，提高了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

4 主要聯(lián)鎖邏輯及控制的實(shí)現(xiàn)

褐煤干燥控制系統(tǒng)的聯(lián)鎖邏輯程序是干燥系統(tǒng)安全運(yùn)行的保障，聯(lián)鎖邏輯程序能夠保證褐煤干燥工藝過程正常的開、停，以及在異常情況下確保人員和設(shè)備安全或盡可能地減少損失。本系統(tǒng)設(shè)置了必要的運(yùn)行狀態(tài)顯示，尤其是非正常工況下的報(bào)警提示。為了確保安全聯(lián)鎖和重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)可靠，系統(tǒng)對重要的監(jiān)測點(diǎn)和控制回路設(shè)置冗余。褐煤干燥流程中的聯(lián)鎖包括：除塵器出口氧含量報(bào)警聯(lián)鎖、出料溫度聯(lián)鎖、主電機(jī)啟停聯(lián)鎖、凝液泵壓力聯(lián)鎖及計(jì)量罐料位聯(lián)鎖等。本文只以其中幾個較為重要的聯(lián)鎖為例來說明。

4.1 除塵器出口氧含量報(bào)警聯(lián)鎖

由于氧含量是褐煤煤粉發(fā)生燃燒爆炸極為重要的因素，在干燥系統(tǒng)運(yùn)行時控制系統(tǒng)內(nèi)氧含量是杜絕煤粉燃燒爆炸發(fā)生的有效方法之一。為此，在褐煤干燥系統(tǒng)中設(shè)置氧含量聯(lián)鎖控制回路，聯(lián)鎖回路由安裝在布袋除塵器出口的氧含量分析儀AT1103、DCS的控制器AIC1103A、氮?dú)鈨晌婚yAV1103A和XV1103A及蒸汽兩位閥AV1103B和XV1103B組成，氧含量聯(lián)鎖控制回路圖見圖2。

當(dāng)氧含量分析儀AT1103檢測到氧含量超過11％時，DCS的控制器AIC1103A立即發(fā)出氧含量上限報(bào)警，并啟動氮?dú)獗Ｗo(hù)迅速打開氮?dú)鈨晌婚yAV1103A和XV1103A分別從干燥機(jī)載氣入口和除塵器載氣入口向干燥系統(tǒng)注入氮?dú)猓♂尭稍镙d氣中的氧含量。為確保系統(tǒng)安全，干燥系統(tǒng)增加蒸汽保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)氧含量上限報(bào)警后，氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)未正確啟動或氮?dú)饬坎蛔阄茨苡行Ы档脱鹾浚鹾坷^續(xù)升至13％時，DCS的控制器AIC1103A立即發(fā)出氧含量上上限報(bào)警，并啟動蒸汽保護(hù)迅速打開蒸汽兩位閥AV1103A和XV1103A分別從干燥機(jī)載氣入口和除塵器載氣入口向干燥系統(tǒng)注入過熱蒸汽，稀釋干燥載氣中的氧含量。

為防止聯(lián)鎖動作時氧含量在聯(lián)鎖值左右振蕩，造成閥門頻繁動作，設(shè)置報(bào)警聯(lián)鎖回差值為2％。

另外，在干燥系統(tǒng)停車后重新啟動時氧含量不應(yīng)超過8％，因?yàn)閱訒r干燥機(jī)內(nèi)蒸發(fā)的水分較少，載氣氧含量容易超標(biāo)，增加了系統(tǒng)的不安全性，此時應(yīng)向干燥機(jī)內(nèi)通入氮?dú)饪刂葡到y(tǒng)氧含量。另外在停車時，系統(tǒng)內(nèi)溫度仍較高，要注意關(guān)閉載氣回路上的調(diào)節(jié)閥、電動風(fēng)門和物料管路上的電液動插板閥，使系統(tǒng)仍保持較低的氧含量。

圖2 氧含量聯(lián)鎖控制回路圖

4.2 屋脊式冷卻器入口溫度報(bào)警聯(lián)鎖

由于干燥后的煤粉溫度較高存在發(fā)生自燃的危險(xiǎn)，不利于輸送和儲存，此次首次將自主開發(fā)的屋脊式冷卻器用于干燥后的煤粉冷卻。但煤粉在進(jìn)入屋脊冷卻器之前溫度仍然可能超標(biāo)，增加了系統(tǒng)的不安全性。因此必須在屋脊冷卻器入口設(shè)置溫度保護(hù)聯(lián)鎖。

此處的聯(lián)鎖為：當(dāng)屋脊冷卻器入口煤粉溫度超過85℃時，打開干燥機(jī)出料箱內(nèi)的水噴淋系統(tǒng)，向干燥機(jī)出料箱內(nèi)噴水，降低煤粉溫度，確保系統(tǒng)安全。在施工圖設(shè)計(jì)時對此處的聯(lián)鎖做了改進(jìn)，將啟動噴淋系統(tǒng)改為打開氮?dú)忾y門向屋脊式冷卻器內(nèi)通入氮?dú)狻Ｋ畤娏芟到y(tǒng)改為只在確認(rèn)發(fā)生著火時人工手動啟動。因?yàn)閲娝苋菀自斐擅悍壅潮凇⒍铝虾彤a(chǎn)品污染，清理難度大，甚至造成整個干燥系統(tǒng)停車，損失較大。

4.3 干燥機(jī)內(nèi)負(fù)壓控制

控制干燥機(jī)內(nèi)負(fù)壓時為了保持排氣量和蒸發(fā)量的平衡，使蒸發(fā)的水分能更快的排出，也避免或減少了干燥系統(tǒng)的煤粉泄漏。這樣避免了粉塵污染，保證了操作人員安全。負(fù)壓控制回路由安裝在除塵器載氣入口管道上的壓力變送器PT1112、DCS的控制器PIC1112和引風(fēng)機(jī)入口的電動調(diào)節(jié)風(fēng)門組成，控制方式為PID控制。此外載氣回路上的三臺風(fēng)機(jī)均由變頻器控制，載氣入口均設(shè)置流量調(diào)節(jié)回路，可以靈活調(diào)節(jié)載氣壓力、流量和溫度。

5 結(jié)語

上述褐煤干燥安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)系統(tǒng)已在國內(nèi)多個鋼廠的煤調(diào)濕項(xiàng)目中運(yùn)行，無重大安全事故發(fā)生。褐煤干燥系統(tǒng)的控制系統(tǒng)并不復(fù)雜，但安全保護(hù)聯(lián)鎖對干燥系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行十分重要，生產(chǎn)中對這部分必須格外重視，同時，在目前褐煤干燥應(yīng)用中，須不斷總結(jié)系統(tǒng)生產(chǎn)特性，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，不斷完善安全保護(hù)系統(tǒng)，以保證生產(chǎn)的安全連續(xù)運(yùn)行。

[1]高俊榮，陶秀祥，侯彤，萬永周.褐煤干燥脫水技術(shù)的研究進(jìn)展[J].潔凈煤技術(shù)，2008，14（6）：73～75.

[2]王勝.燃用印尼煤時直吹式制粉系統(tǒng)安全運(yùn)行探討[J].鍋爐制造，2006（12）；21～23.

TP273

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1004-7344（2016）23-0258-02

2016-7-20