火炬自動(dòng)電打火系統(tǒng)在DCS中的實(shí)現(xiàn)

謝文奮

(中國(guó)石油天然氣有限公司 獨(dú)山子分公司 信息網(wǎng)絡(luò)公司，新疆 獨(dú)山子 833699)

某石化火炬裝置，主要負(fù)責(zé)老區(qū)各裝置緊急狀態(tài)下壓力泄放時(shí)的氣體燃燒，最大限度地減少有毒性氣體及可燃物對(duì)大氣環(huán)境的影響，確保裝置的安全運(yùn)行。自動(dòng)電打火系統(tǒng)若不能正常工作，將導(dǎo)致火炬無法燃燒，介質(zhì)排放到大氣中將嚴(yán)重污染環(huán)境，還會(huì)對(duì)人體造成傷害。由于可燃?xì)怏w密度比空氣的大，未完全燃燒時(shí)將沉積、蔓延在地面，當(dāng)空氣中可燃?xì)獾捏w積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定比例時(shí)，易引起燃燒并且發(fā)生爆炸，給裝置的安全生產(chǎn)帶來較大的危害。

1 火炬自動(dòng)電打火系統(tǒng)

火炬自動(dòng)電打火系統(tǒng)按點(diǎn)火方式可分為電弧傳燃式、地面導(dǎo)爆式、高能火花式、電梯直燃式和直燃式等，該裝置電打火系統(tǒng)采用電弧傳燃式。

1.1 自動(dòng)電打火系統(tǒng)的組成

該火炬裝置自動(dòng)電打火系統(tǒng)主要由程控儀、程控儀控制柜、高壓發(fā)生器、火焰探測(cè)器、火焰探測(cè)轉(zhuǎn)換器、點(diǎn)火電極、高壓電纜、支撐絕緣子、點(diǎn)火電磁閥、繼電器、接觸器、壓力變送器、手動(dòng)點(diǎn)火按鈕等組成。自動(dòng)電打火系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 自動(dòng)電打火系統(tǒng)工作原理示意

由于該火炬裝置自動(dòng)電打火系統(tǒng)的儀表設(shè)備運(yùn)行已10多年，絕大部分設(shè)備的元器件老化，故障率高，已不能滿足該廠自動(dòng)化控制水平的需求。為確保火炬自動(dòng)電打火系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需對(duì)該點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，更換現(xiàn)場(chǎng)部分儀表設(shè)備，消除存在的安全隱患，確保火炬自動(dòng)電打火系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1.2 火炬自動(dòng)電打火系統(tǒng)工作原理

火炬自動(dòng)電打火系統(tǒng)的核心是程控儀，通過程控儀可對(duì)火炬進(jìn)行全自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)、硬手動(dòng)四種點(diǎn)火操作。

1)程控儀運(yùn)行于全自動(dòng)點(diǎn)火操作時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)水封罐水封被排放氣突破，水封罐壓力變送器將檢測(cè)壓力信號(hào)傳輸至程控儀控制柜內(nèi)，與水封罐壓力設(shè)定值進(jìn)行比較：

a)當(dāng)水封罐壓力變送器的檢測(cè)信號(hào)大于設(shè)定值時(shí)，且紫外火焰探測(cè)器檢測(cè)無火焰信號(hào)時(shí)，程控儀輸出控制信號(hào)至現(xiàn)場(chǎng)電磁閥和高壓發(fā)生器，對(duì)火炬進(jìn)行全自動(dòng)控制點(diǎn)火；當(dāng)火炬點(diǎn)燃后，紫外火焰探測(cè)器檢測(cè)到火焰信號(hào)后，并將火焰信號(hào)傳輸給程控儀，由程控儀輸出信號(hào)關(guān)閉電磁閥及高壓發(fā)生器的點(diǎn)火信號(hào)；紫外火焰探測(cè)器持續(xù)監(jiān)測(cè)火炬燃燒狀況；燃燒過程中，當(dāng)火炬意外熄滅時(shí)，紫外火焰探測(cè)器檢測(cè)無火焰時(shí)，程控儀重新對(duì)火炬進(jìn)行點(diǎn)火。火炬自動(dòng)點(diǎn)火原理如圖2所示。

b)當(dāng)水封罐壓力變送器的檢測(cè)信號(hào)小于設(shè)定值時(shí)，處于正常狀態(tài)，無需點(diǎn)火操作。

c)尾氣排放過程結(jié)束后，火炬自動(dòng)熄滅，程控儀處于自動(dòng)監(jiān)控狀態(tài)，等待下次尾氣排放。

2)程控儀運(yùn)行于半自動(dòng)點(diǎn)火操作時(shí)，水封罐壓力變送器檢測(cè)信號(hào)大于設(shè)定值時(shí)，無論紫外火焰探測(cè)器有無檢測(cè)到火焰信號(hào)，程控儀都將給現(xiàn)場(chǎng)電磁閥和高壓發(fā)生器發(fā)出控制信號(hào)，對(duì)火炬自動(dòng)點(diǎn)火；半自動(dòng)操作狀態(tài)下火炬的紫外火焰探測(cè)信號(hào)不參與自動(dòng)控制。

3)當(dāng)點(diǎn)火條件不滿足時(shí)，即水封罐壓力變送器檢測(cè)信號(hào)小于設(shè)定值，并且紫外火焰探測(cè)沒有檢測(cè)到火焰信號(hào)時(shí)，可用手動(dòng)點(diǎn)火操作模式。此時(shí)，程控儀按程序設(shè)定的時(shí)間給現(xiàn)場(chǎng)電磁閥和高壓發(fā)生器發(fā)出控制信號(hào)，對(duì)火炬進(jìn)行點(diǎn)火；也可通過硬手動(dòng)點(diǎn)火操作按扭對(duì)火炬進(jìn)行強(qiáng)制點(diǎn)火。

圖2 火炬自動(dòng)電打火原理示意

2 自動(dòng)電打火系統(tǒng)存在的隱患

該套火炬自動(dòng)電打火系統(tǒng)在使用過程中多次出現(xiàn)故障，出現(xiàn)故障時(shí)只能靠手動(dòng)人工點(diǎn)火，操作人員和維護(hù)人員增加了勞動(dòng)強(qiáng)度，嚴(yán)重影響裝置的安全生產(chǎn)。自動(dòng)電打火系統(tǒng)無法正常工作，主要集中在以下幾方面：

1)自動(dòng)電打火系統(tǒng)供電環(huán)節(jié)失電，導(dǎo)致程控儀及回路儀表設(shè)備無法正常工作。

2)現(xiàn)場(chǎng)接觸器及繼電器接線線路和端子老化。

3)高壓發(fā)生器和紫外火焰探測(cè)器轉(zhuǎn)換器現(xiàn)場(chǎng)安裝不符合規(guī)范，周圍環(huán)境因素使設(shè)備造成損壞。

4)火炬頂部消煙蒸汽，在冬季環(huán)境溫度低于零度左右時(shí)，易出現(xiàn)冷凝，形成的積冰從高空墜落造成紫外火焰探測(cè)器探頭角度變化或損壞，無法檢測(cè)到火炬火焰。

5)自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)程控儀PLC卡件損壞，控制儀無輸入、輸出信號(hào)。

6)自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)程控儀控制信號(hào)不滿足條件時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)，造成誤點(diǎn)火。

7)檢修時(shí)程控儀斷電，導(dǎo)致內(nèi)部程序丟失。

8)程控儀自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)設(shè)置不正確，自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)誤點(diǎn)火或不點(diǎn)火。

9)冬季北方天氣達(dá)零下30 ℃，水封罐壓力變送器伴熱保溫效果差，壓力變送器凍凝失靈，自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)誤點(diǎn)火或拒點(diǎn)火。

10)點(diǎn)火電磁閥安裝在露天場(chǎng)所，無遮擋設(shè)施，雨雪天氣造成點(diǎn)火電磁閥拒動(dòng)作或是誤動(dòng)作。點(diǎn)火瓦斯線介質(zhì)臟，造成點(diǎn)火電磁閥卡澀或堵塞，點(diǎn)火瓦斯無法到達(dá)火炬頂端，無法點(diǎn)燃火炬。

11)火炬頂部的放電探針與火炬金屬支架接觸，造成高壓電接地。程控儀無過程參數(shù)記錄及歷史數(shù)據(jù)記錄，不便于設(shè)備故障診斷分析。

3 自動(dòng)電打火系統(tǒng)改進(jìn)方案

3.1 自動(dòng)電打火系統(tǒng)程控儀程序解讀

水封罐壓力變送器輸入信號(hào)與程控議的設(shè)定值比較，當(dāng)水封罐壓力不小于10 kPa時(shí)，經(jīng)程控儀PLC邏輯判斷，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，時(shí)長(zhǎng)為120 s；計(jì)時(shí)器分2路信號(hào)，1路開電磁閥控制信號(hào)，另1路是高壓發(fā)生器控制信號(hào)；開電磁閥信號(hào)經(jīng)計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器，選擇器至點(diǎn)火瓦斯電磁閥A和B；高壓發(fā)生器信號(hào)控制信號(hào)延遲15 s后，經(jīng)計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器，選擇器至高壓發(fā)生器A和B打火。程控儀根據(jù)紫外火焰探測(cè)器的檢測(cè)火焰狀況，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作：

1)當(dāng)紫外火焰探測(cè)器A和B均檢測(cè)到火焰信號(hào)時(shí)，程控儀邏輯控制高壓發(fā)生器A和B停止點(diǎn)火；火炬被點(diǎn)燃，則關(guān)閉點(diǎn)火瓦斯電磁閥A和B。

2)當(dāng)紫外火焰探測(cè)器A檢測(cè)到火焰信號(hào)、B未檢測(cè)到火焰信號(hào)時(shí)，點(diǎn)火瓦斯電磁閥A打開，高壓發(fā)生器A開始點(diǎn)火，持續(xù)點(diǎn)火3次，每次3 s，火炬點(diǎn)燃，則點(diǎn)火結(jié)束；未點(diǎn)燃則切換到點(diǎn)火瓦斯電磁閥B，高壓發(fā)生器B開始點(diǎn)火，持續(xù)點(diǎn)火3次，每次3 s，火炬點(diǎn)燃，則點(diǎn)火結(jié)束。120 s內(nèi)未點(diǎn)燃則點(diǎn)火失敗，則手動(dòng)強(qiáng)制點(diǎn)火。

3)當(dāng)紫外火焰探測(cè)器B檢測(cè)到火焰信號(hào)、A未檢測(cè)到火焰信號(hào)時(shí)，點(diǎn)火瓦斯電磁閥B打開，高壓發(fā)生器B開始點(diǎn)火，持續(xù)點(diǎn)火3次，每次3 s，火炬點(diǎn)燃，則點(diǎn)火結(jié)束；未點(diǎn)燃則切換到點(diǎn)火瓦斯電磁閥A，高壓發(fā)生器A開始點(diǎn)火，持續(xù)點(diǎn)火3次，每次3 s，火炬點(diǎn)燃，則點(diǎn)火結(jié)束。120 s內(nèi)未點(diǎn)燃則點(diǎn)火失敗，則手動(dòng)強(qiáng)制點(diǎn)火。

4)如紫外火焰探測(cè)器A和B未檢測(cè)到火炬火焰信號(hào)，則程控儀控制點(diǎn)火瓦斯電磁閥A和B，高壓發(fā)生器A和B間循環(huán)切換3次，對(duì)火炬進(jìn)行點(diǎn)火，且點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間為120 s，如在120 s內(nèi)火炬未被點(diǎn)燃，則點(diǎn)火失敗，結(jié)束本次點(diǎn)火并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒操作人員，改人工手動(dòng)點(diǎn)火。自動(dòng)電打火邏輯如圖3所示。

圖3 自動(dòng)電打火邏輯示意

3.2 自動(dòng)電打火系統(tǒng)在DCS中實(shí)現(xiàn)

改造前瓦斯回收裝置控制系統(tǒng)采用EURO小系統(tǒng)，自動(dòng)電打火系統(tǒng)和裝置控制系統(tǒng)相互獨(dú)立，自動(dòng)電打火系統(tǒng)未植入到EURO控制系統(tǒng)中。2015年瓦斯回收裝置控制系統(tǒng)升級(jí)改造，將自動(dòng)電打火系統(tǒng)邏輯關(guān)系植入到瓦斯回收裝置DCS中，取消了控制室內(nèi)的自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)控制柜，自動(dòng)電打火系統(tǒng)改造后在DCS中實(shí)現(xiàn)控制。

3.3 改造方案

為保證緊急排放狀態(tài)下火炬能及時(shí)、準(zhǔn)確、迅速被點(diǎn)燃，2015年對(duì)自動(dòng)電打火系統(tǒng)存在的隱患問題進(jìn)行了整改，并對(duì)點(diǎn)火系統(tǒng)控制方案進(jìn)行了改進(jìn)，主要完善了以下幾方面的內(nèi)容：

1)將原自動(dòng)電打火系統(tǒng)控制柜拆除，自動(dòng)電打火系統(tǒng)控制柜內(nèi)的供電、繼電器、接觸器均移至DCS控制柜內(nèi)，儀表信號(hào)重新分布設(shè)置。并將供電由原來的單路供電改為冗余供電，確保了自動(dòng)電打火系統(tǒng)供電的可靠性和穩(wěn)定性

2)自動(dòng)電打火系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)增加了2路水封壓力信號(hào)，并在DCS中采用“三取二”邏輯作為點(diǎn)火條件，避免由于水封壓力變送器故障，引起自動(dòng)點(diǎn)火裝置誤動(dòng)作導(dǎo)致的誤點(diǎn)燃火炬；完善了現(xiàn)場(chǎng)水封壓力變送器的伴熱保溫及儀表線纜管完好問題。

3)現(xiàn)場(chǎng)安裝在普通儀表箱內(nèi)的高壓發(fā)生器、紫外火焰探測(cè)轉(zhuǎn)換器均移到儀表防爆箱內(nèi)，并升級(jí)了紫外火焰探測(cè)轉(zhuǎn)換器，重新布置了接線，完善了接線標(biāo)示，滿足了防爆區(qū)域儀表安裝使用規(guī)范要求，消除了存在的安全隱患。

4)定期清理點(diǎn)火電磁閥過濾器，避免污物積累造成的點(diǎn)火電磁閥卡澀不動(dòng)作；在點(diǎn)火電磁閥頂部加裝防護(hù)罩，避免了雨雪天氣對(duì)點(diǎn)火電磁閥正常工作造成的干擾。

5)重新制做、固定火炬頂部的點(diǎn)火電極，避免點(diǎn)火電極與火炬支架接觸引起的故障。

6)為提高火炬自動(dòng)電打火系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，每?jī)芍軐?duì)自動(dòng)電打火系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)自動(dòng)點(diǎn)火運(yùn)行狀況。

4 結(jié)束語(yǔ)

火炬自動(dòng)電打火系統(tǒng)經(jīng)過改進(jìn)后，消除了存在的安全隱患，確保了火炬自動(dòng)電打火系統(tǒng)的正常工作，實(shí)現(xiàn)在DCS中控制火炬自動(dòng)點(diǎn)火，優(yōu)化了控制方案，確保自動(dòng)電打火系統(tǒng)的可靠性和安全性。同時(shí)，在DCS中對(duì)參與火炬自動(dòng)點(diǎn)火控制的相關(guān)參數(shù)建立歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，通過OPC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控，提高了自動(dòng)化控制水平，對(duì)類似裝置有很好的借鑒意義。