70萬(wàn)噸/年汽油加氫裝置工業(yè)爐的聯(lián)鎖邏輯

王建華 李春亮 申玉輝 高興隆(中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司，山東 青島 266071)

0 引言

工業(yè)實(shí)體經(jīng)濟(jì)規(guī)模日益大型化，整體生產(chǎn)系統(tǒng)面臨的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增大，為保證生產(chǎn)長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，設(shè)置對(duì)可能事故進(jìn)行預(yù)判并采取相應(yīng)動(dòng)作的安全監(jiān)控系統(tǒng)是必不可少的。工業(yè)爐是煉油裝置中重要的能量來(lái)源，運(yùn)行高溫帶壓，爐管、儀表等任一處的失效可能造成人力財(cái)力的巨大消耗，針對(duì)一定裝置報(bào)警聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)立已成為設(shè)計(jì)中的重要一步[1]。其中DCS集散控制系統(tǒng)以PID控制為主，控制等級(jí)較低；SIS安全聯(lián)鎖系統(tǒng)可通過(guò)評(píng)估定級(jí)和HAZOP分析后，實(shí)現(xiàn)較高級(jí)別聯(lián)鎖。本文以某煉廠70萬(wàn)噸/年加氫裝置工業(yè)爐為例，對(duì)聯(lián)鎖設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明和展望。

工業(yè)爐安全聯(lián)鎖是為了能在由于各種原因引起的工作異常和緊急情況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)需要對(duì)爐內(nèi)各工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視收集，傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，從而控制安全生產(chǎn)。這些數(shù)據(jù)主要有以下幾類：

1 主要操控參數(shù)

1.1 氧含量和負(fù)壓

為保證燃燒效果，爐頂氧含量正常值一般為3%～5%，過(guò)低通常燃料燃燒不充分，容易使管材脫碳；氧含量過(guò)高導(dǎo)致NOx排出量和有效熱量排出增加。爐頂氧含量≤2%低報(bào)警；≥5%高報(bào)警。當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)頻率保證氧含量，鼓風(fēng)機(jī)不工作時(shí)，手動(dòng)調(diào)節(jié)燃燒器風(fēng)門(mén)擋板實(shí)現(xiàn)[2]。

工業(yè)爐為特殊的帶有燃燒系統(tǒng)的工藝設(shè)備，為增加安全性，確保高溫?zé)煔獠粡目椿痖T(mén)噴出危及操作人員和設(shè)備安全，維持燃燒空氣過(guò)剩量，減少燃料消耗量，一般通過(guò)煙囪抽力或風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)負(fù)壓操作，爐頂負(fù)壓正常值在-50～-25Pa。當(dāng)引風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)頻率保持負(fù)壓正常值；引風(fēng)機(jī)故障時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)煙囪擋板或預(yù)熱器前熱煙道擋板控制爐頂壓力。

若當(dāng)有兩爐及以上共用空氣預(yù)熱系統(tǒng)時(shí)，以兩爐及以上中爐頂壓力平均值高者為控制變量來(lái)調(diào)節(jié)擋板。

1.2 管壁溫度

為檢測(cè)溫度場(chǎng)同時(shí)防止?fàn)t管過(guò)熱，在輻射段爐管向火面60°范圍內(nèi)設(shè)置管壁熱電偶。管壁溫度報(bào)警值建議取介質(zhì)出口溫度120℃、管材最高使用溫度-30℃、最高油膜溫度15℃，通過(guò)調(diào)整燃料和介質(zhì)流量實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。

1.3 前置空氣預(yù)熱器空氣出口溫度

為增加換熱效果，本裝置中設(shè)置了前置預(yù)熱器，通過(guò)熱媒預(yù)熱空氣后進(jìn)入空氣預(yù)熱器，當(dāng)空氣出口溫度低時(shí)，聯(lián)鎖切斷燃料，停鼓風(fēng)機(jī)，打開(kāi)快開(kāi)風(fēng)門(mén)。

1.4 火焰檢測(cè)

為保證工業(yè)爐安全運(yùn)行，通過(guò)紫外火檢或紅外火檢對(duì)長(zhǎng)明燈火焰進(jìn)行檢測(cè)并設(shè)置聯(lián)鎖，當(dāng)火檢檢測(cè)到火焰信號(hào)全無(wú)或信號(hào)超過(guò)一半無(wú)時(shí)，聯(lián)鎖停爐。

2 安全聯(lián)鎖邏輯選取

工業(yè)爐聯(lián)鎖系統(tǒng)的主要作用是在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)可能引發(fā)事故的參數(shù)設(shè)定極限值，當(dāng)參數(shù)達(dá)到設(shè)定值或設(shè)備故障時(shí)即進(jìn)入DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖動(dòng)作，支配相關(guān)設(shè)備，切斷危險(xiǎn)源，以保障人員安全，保證設(shè)備安全運(yùn)行，避免或降低風(fēng)險(xiǎn)。如表1所示，左側(cè)為本裝置中觸發(fā)聯(lián)鎖的主要參數(shù)，右側(cè)為觸發(fā)聯(lián)鎖后的動(dòng)作。

表1 主要聯(lián)鎖參數(shù)表

2.1 壓力聯(lián)鎖

空氣預(yù)熱系統(tǒng)作為重要的節(jié)能降耗系統(tǒng)，為保護(hù)空氣預(yù)熱系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備，需要在相應(yīng)設(shè)備設(shè)高高或低低聯(lián)鎖。空氣預(yù)熱器出口煙氣壓力高高會(huì)對(duì)引風(fēng)機(jī)造成損害，一般≥-400Pa聯(lián)鎖停引風(fēng)機(jī)，打開(kāi)煙道旁路擋板，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)煙囪擋板開(kāi)度保持爐頂負(fù)壓；鼓風(fēng)機(jī)出口空氣壓力低低對(duì)空氣預(yù)熱器換熱性能造成一定影響，從而降低工業(yè)爐綜合熱效率，當(dāng)壓力≤400Pa時(shí)聯(lián)鎖停引風(fēng)機(jī)，打開(kāi)煙道旁路擋板，關(guān)熱煙進(jìn)預(yù)熱器擋板，同時(shí)聯(lián)鎖停鼓風(fēng)機(jī)，打開(kāi)爐底快開(kāi)風(fēng)門(mén)，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)煙囪擋板開(kāi)度保持爐頂負(fù)壓；空氣預(yù)熱器出口空氣壓力低低時(shí)，進(jìn)風(fēng)中氧含量低會(huì)導(dǎo)致燃燒不充分，設(shè)置≤130Pa聯(lián)鎖停燃料，同時(shí)停鼓風(fēng)機(jī)，打開(kāi)快開(kāi)風(fēng)門(mén)。

當(dāng)主燃料氣壓力低低時(shí)，一般小于0.01MPa時(shí)易造成燃燒不充分，需要切斷燃料；而主燃料氣壓力高高時(shí)，一般高于0.3MPa時(shí)，易造成脫火十分危險(xiǎn)，此時(shí)也需要切斷燃料。長(zhǎng)明燈用燃料氣壓力較低，一般正常在0.01～0.1MPa，當(dāng)?shù)陀诨蚋哂谙拗禃r(shí)，應(yīng)切斷燃料氣同時(shí)停風(fēng)機(jī)、打開(kāi)快開(kāi)風(fēng)門(mén)和熱煙道旁路擋板。

2.2 溫度聯(lián)鎖

空氣預(yù)熱器入口煙氣溫度高高在預(yù)熱器熱負(fù)荷一定時(shí)，排煙溫度過(guò)高。本裝置煙氣溫度高高觸發(fā)聯(lián)鎖值取450℃，聯(lián)鎖停引風(fēng)機(jī)，打開(kāi)煙道旁路擋板，關(guān)熱煙進(jìn)預(yù)熱器擋板，同時(shí)聯(lián)鎖停鼓風(fēng)機(jī)，打開(kāi)爐底快開(kāi)風(fēng)門(mén)，自動(dòng)調(diào)節(jié)煙囪擋板開(kāi)度實(shí)現(xiàn)控制。引風(fēng)機(jī)入口煙氣溫度高高聯(lián)鎖停引風(fēng)機(jī)，打開(kāi)煙道旁路擋板，DCS系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)預(yù)熱器旁路擋板，調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)入口煙氣溫度。爐膛溫度通常指輻射頂部煙氣溫度，溫度高高會(huì)引起爐管局部過(guò)熱結(jié)焦，對(duì)爐管吊拉鉤、管板等鑄件安全性也會(huì)有影響，當(dāng)爐膛溫度高高時(shí)聯(lián)鎖停燃料，保護(hù)設(shè)備安全。對(duì)空氣預(yù)熱入口煙氣溫度的高高聯(lián)鎖，為防止誤操作，也可加入延時(shí)15s再進(jìn)入聯(lián)鎖。

2.3 風(fēng)機(jī)故障聯(lián)鎖

鼓引風(fēng)機(jī)故障時(shí)需要聯(lián)鎖進(jìn)入自然通風(fēng)或半自然通風(fēng)狀態(tài)，鼓風(fēng)機(jī)故障時(shí)聯(lián)鎖停鼓引風(fēng)機(jī)，打開(kāi)爐底快開(kāi)風(fēng)門(mén)，打開(kāi)煙道旁路擋板，即停爐操作；引風(fēng)機(jī)故障時(shí)聯(lián)鎖停引風(fēng)機(jī)，打開(kāi)煙道旁路擋板。當(dāng)風(fēng)機(jī)有變頻裝置，變頻裝置故障時(shí)，由風(fēng)機(jī)各自的入口調(diào)節(jié)擋板調(diào)節(jié)煙風(fēng)量。本裝置上述的幾種控制聯(lián)鎖邏輯如圖1所示。

2.4 快開(kāi)風(fēng)門(mén)、擋板故障聯(lián)鎖

為保證風(fēng)機(jī)故障時(shí)設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行，需要在爐底熱風(fēng)道設(shè)置快開(kāi)風(fēng)門(mén)，以便進(jìn)入自然通風(fēng)狀態(tài)。當(dāng)快開(kāi)風(fēng)門(mén)故障或其他聯(lián)鎖打開(kāi)快開(kāi)風(fēng)門(mén)失效時(shí)，延時(shí)聯(lián)鎖停燃料。煙道旁路擋板故障或其他聯(lián)鎖打開(kāi)失效時(shí)，同快開(kāi)風(fēng)門(mén)故障聯(lián)鎖。

3 兩爐或兩爐以上聯(lián)鎖設(shè)計(jì)

3.1 聯(lián)鎖設(shè)計(jì)

工藝計(jì)算中，往往需要多爐共用一套空氣預(yù)熱系統(tǒng)的情況，此時(shí)應(yīng)盡量保證每座爐子可以獨(dú)立工作或切出，空氣預(yù)熱系統(tǒng)聯(lián)鎖設(shè)計(jì)一般近似，爐本體部分需要將各臺(tái)對(duì)應(yīng)部位的對(duì)應(yīng)參數(shù)加入聯(lián)鎖。純輻射工業(yè)爐可以將爐頂煙氣引入輻射-對(duì)流型爐子的對(duì)流底部，雙爐膛爐型需要在每臺(tái)爐膛設(shè)置聯(lián)鎖。

圖1 控制聯(lián)鎖示意圖

3.2 特殊位置的取值方式

在聯(lián)鎖設(shè)置中，為防止特殊位置的誤判，一般設(shè)置三取二聯(lián)鎖，三取二實(shí)際是開(kāi)關(guān)量控制的投票制，在危及安全或停爐的部位設(shè)置即可。

特殊位置定位在輻射頂煙氣壓力，此處關(guān)系爐膛負(fù)壓安全操作，為保護(hù)回路，設(shè)置三取二聯(lián)鎖，當(dāng)此處壓力三取二高高時(shí)，聯(lián)鎖打開(kāi)煙道旁路擋板；另外鼓風(fēng)機(jī)出口空氣壓力為避免發(fā)生停爐操作，也需要設(shè)置三取二，當(dāng)此處三取二低低時(shí)，聯(lián)鎖停燃料供應(yīng)、停鼓引風(fēng)機(jī)同時(shí)打開(kāi)煙道旁路擋板。

3.3 監(jiān)視系統(tǒng)接入聯(lián)鎖的必要性淺析

為滿足污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，通常在距煙囪出口一定距離設(shè)CEMS在線監(jiān)測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)表2項(xiàng)目，可否通過(guò)聯(lián)鎖來(lái)滿足排放標(biāo)準(zhǔn)也是需要考慮的方向。

表2 CEMS監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合工業(yè)爐特點(diǎn)和實(shí)際安全要求整理設(shè)計(jì)出一套聯(lián)鎖方案，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)輔以監(jiān)視系統(tǒng)，從而提升工業(yè)爐在生產(chǎn)中的安全性能。

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中仍存在聯(lián)鎖過(guò)度或不足現(xiàn)象，通過(guò)不斷優(yōu)化總結(jié)，積極消除、填補(bǔ)，推進(jìn)控制系統(tǒng)用于節(jié)能降耗，為生產(chǎn)提供安全保障。