燃燒器管理系統在加熱爐中的應用

王輝，時宇環，周曉龍，楊春

(中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071)

在中國煉油裝置中，加熱爐的啟動一般在現場采用手動操作，在燃燒器未點著或者點著隨后熄滅的情況下，現場操作人員需要立即關閉燃料閥門，然后采取吹掃措施后重新進行點火。然而，由于人員操作和指揮的不確定性，在操作過程中容易導致加熱爐內可燃氣濃度超過爆炸下限，容易造成閃爆，因此采用燃燒器管理系統(BMS)來管理加熱爐燃燒過程中的各項操作，對于安全生產至關重要。在北美和歐洲地區，NFPA85，NFPA86和NFPA 87規范被廣泛應用，這些規范明確了鍋爐、加熱爐和液體加熱器的BMS硬件要求和軟件功能。

1 燃燒器管理系統簡介

BMS主要在加熱爐啟動、停止和正常運行等各種工況下，連續監測燃燒系統的各項參數，為操作人員提供必要的協助，防止誤操作和損壞燃燒設備，減少隱患和減輕操作人員的勞動強度，可靠啟動和中斷向加熱爐的不安全燃料供給，在事故工況下按照安全順序自動操作，避免燃料和空氣在爐膛內積聚，防止加熱爐出現事故，保障加熱爐的安全運行。

2 BMS功能設計

BMS要求在加熱爐啟動至停止的整個過程中起作用，因此BMS應滿足在啟動、運行、緊急狀況等過程的控制和管理，應具有以下功能：

1)燃料閥泄漏測試。加熱爐點火前應該完成燃料系統的泄漏測試。泄漏檢測程序檢驗燃料系統根部隔離閥、緊急切斷閥及放空閥是否關斷嚴密，防止燃料在吹掃過程中進入爐膛內，同時確保在聯鎖動作后燃料不會泄漏至爐膛。如果泄漏檢測不滿足要求，將不允許繼續下一步操作，待閥門修復嚴密后重新進行泄漏檢測。

2)爐膛吹掃。當泄漏測試完成后，應進行爐膛吹掃。吹掃的目的是為了清除積聚在爐膛內的可燃氣，防止可燃氣在點火過程中出現閃爆危險。根據NFPA規定，一次吹掃周期至少采用系統體積4倍的新鮮空氣或惰性氣體進行吹掃。

3)點火控制。點火過程中，BMS檢測并確認加熱爐的點火條件，指導操作人員按照預設程序完成點火操作。同時實時檢測工藝過程參數，在危險情況下緊急切除燃燒器。

4)過程監測與聯鎖。在加熱爐運行中，監測各項重要運行參數，當參數出現異常時，聯鎖切斷燃料，停止加熱爐運行。

3 燃燒器管理系統結構

該項目包含： 常壓蒸餾裝置、連續重整裝置、催化裂化裝置和硫磺回收裝置。裝置內加熱爐、反應爐等均要求具備燃燒器管理功能。根據NFPA要求，BMS應選用符合燃燒安全應用的PLC，當PLC不能表明可用于燃燒安全場合時，其控制器及其部件應符合IEC 61508 SIL2及更高認證。該項目BMS硬件采用TRICON控制器及部件，滿足IEC 61508 SIL3認證，并通過TüV AK6認證。

該項目采用中心控制室和現場機柜室模式，各裝置現場機柜室距離中心控制室約400～800 m。系統控制機柜布置在現場機柜室，機柜內安裝控制器及卡件，輔助操作臺和工程師站布置在中心控制室。輔助操作臺與控制機柜之間采用硬接線連接。該項目BMS不設置顯示站，通過RS-485 Modbus通信協議與分散控制系統(DCS)通信，在DCS上監測BMS的運行狀態。同時在DCS執行部分操作，例如遠程啟動鼓風機、控制燃料壓力等。

BMS設置現場就地控制盤，就地控制盤上布置加熱爐復位按鈕、長明燈泄漏測試按鈕、主燃料泄漏測試按鈕、吹掃按鈕、長明燈啟動按鈕、主燃料啟動按鈕、緊急停車按鈕、長明燈指示燈、泄漏檢測失敗指示燈、吹掃進行指示燈、吹掃完成指示燈、燃料壓力低低指示燈等。該項目BMS基本構架如圖1所示。

圖1 燃燒器管理系統基本構架示意

4 燃燒器管理系統邏輯設計

一般加熱爐燃料和空氣預熱系統工藝流程如圖2所示。燃料系統包括： 長明燈緊急切斷閥和放空閥、主燃料氣緊急切斷閥和放空閥、調節系統、壓力變送器、火焰檢測器等，空氣預熱系統包括： 鼓風機、引風機、空氣-煙氣預熱器、空氣擋板和煙氣擋板等。

BMS邏輯程序包括： 燃料泄漏測試程序；加熱爐吹掃程序；長明燈點火程序；主燃料氣點火程序；緊急停車程序。

張滬寅(通信作者) 男，1962年生于江蘇蘇州，教授、博士、博士生導師，主要研究方向為網絡QoS、計算機網絡、新一代互聯網體系結構.

4.1 燃料泄漏測試程序

4.1.1允許泄漏檢測

當執行泄漏檢測程序前，需要確認滿足以下條件： 長明燈離子棒檢測器無信號，燃料氣第1道和第2道緊急切斷閥XV-01，XV-02關閉，自動放空閥XV-03打開，主燃料氣切斷閥XV-04和XV-05關閉，自動放空閥XV-06打開，引風機和鼓風機未處于聯鎖模式，煙道擋板HV-04全開，空氣預熱系統切除，HV-01，HV-02，HV-05和HV-06全關，旁通空氣擋板HV-03全開。

圖2 加熱爐燃料和空氣預熱系統流程示意

當上述狀態確認后，“準備長明燈泄漏測試”指示燈HZL-10和“準備主燃料氣泄漏測試” 指示燈HZL-13亮，操作員可以執行下一步長明燈和主燃料氣泄漏檢測程序。

4.1.2長明燈燃料氣泄漏檢測

長明燈燃料氣泄漏檢測步驟包括： 手動隔離閥密封性檢測，XV-01，XV-02，XV-03密封性檢測，流程如圖3所示。

當泄漏檢測成功時， “長明燈泄漏檢測完成”指示燈HZL-11停止閃爍并保持常亮。如果泄漏檢測失敗，HZL-11熄滅，同時，“長明燈泄漏檢測失敗”指示燈HZL-12開始閃爍。

4.1.3主燃料氣泄漏檢測

為節省啟動時間，主燃料氣泄漏檢測和長明燈泄漏檢測可同時進行。主燃料氣泄漏檢測步驟包括： 手動隔離閥密封性檢測；自動放空閥XV-06密封性檢測；XV-01，XV-02密封性檢測。每步執行程序與長明燈泄漏檢測程序一致。

當泄漏檢測成功時，“主燃料氣泄漏檢測完成”指示燈HZL-14停止閃爍并保持常亮。如果泄漏檢測失敗，HZL-14熄滅，“主燃料氣泄漏檢測失敗”指示燈HZL-15開始閃爍。

4.2 加熱爐吹掃程序

如果上述泄漏檢測程序完成，“加熱爐準備啟動”指示燈亮。此時操作員從DCS操作站上開啟1臺鼓風機，當空氣流量高于預先設定的最低吹掃流量值時，操作員按下現場就地控制盤“吹掃”按鈕HZS-02，BMS執行下列動作：

1)觸發吹掃計時器，啟動加熱爐吹掃程序。在一次吹掃周期內，至少保證系統體積4倍的新鮮空氣通過加熱爐爐膛。

2)吹掃過程中，如果空氣流量持續15 s低于流量閾值或煙道擋板HV-04開回訊信號丟失15 s，BMS停止吹掃程序，就地控制盤“吹掃失敗”指示燈亮，同時重置吹掃計時器。在吹掃計時過程中空氣流量和煙道擋板開回訊信號均正常，計時結束后“吹掃完成”指示燈亮，同時“長明燈泄漏檢測完成”指示燈和“主燃料氣泄漏檢測完成”指示燈熄滅。

4.3 長明燈點火程序

在執行長明燈點火程序前，需要確認滿足以下條件： 吹掃完成，煙道擋板HV-04全開，XV-01和XV-02全關，XV-03全開，XV-04和XV-05全關，XV-06全開，至少1臺鼓風機運行。

當所有條件滿足時，就地盤 “準備啟動長明燈”指示燈閃爍，操作員可以按下“長明燈啟動”按鈕，BMS執行下列動作： 關閉長明燈XV-03，并確認閥位正確；打開長明燈緊急切斷閥，并確認閥位正確；確保長明燈燃料氣壓力PZT-01高于低低聯鎖值。當收到相關反饋信號后，“準備啟動長明燈”指示燈常亮。操作員可采用便攜式點火器逐臺點燃長明燈。同時通過火焰檢測器檢測火焰，如點燃，則點亮就地盤上對應的“長明燈火焰”指示燈。

當點燃第1臺長明燈開始，操作員有15 min的點火時間，否則將聯鎖停車，同時啟動新的啟動邏輯。一般來說,點燃50%以上的長明燈，則認為點火成功，推薦按照點火程序點燃所有長明燈。

圖3 長明燈燃料氣泄漏檢測流程示意

4.4 主燃料氣點火程序

當執行主燃料氣點火程序前，需要確認滿足以下條件： 50%以上長明燈點亮，XV-04和XV-05關閉，XV-06打開，所有主燃料氣手動隔離閥關閉，至少1臺鼓風機運行。

以上條件滿足，就地控制盤“準備啟動主燃料氣”指示燈閃爍。操作員可以按下“主燃料氣啟動”按鈕，BMS執行下列動作： 關閉自動放空閥，并確認閥位正確；打開主燃料氣切斷閥，并確認閥位正確；確保主燃料氣壓力PZT-02高于低低聯鎖值。

上述條件滿足，就地控制盤“準備啟動主燃燒器”指示燈HZL-06B常亮。操作員可以逐臺點燃主火嘴，首先確認相關的長明燈點燃，然后打開手動隔離閥，立刻觀察主火嘴狀態。如果主火嘴未點燃，操作員應立刻關閉主火嘴手動閥，并檢查原因及修復，然后重新點燃主火嘴或繼續點燃其他主火嘴。

4.5 緊急停車程序

緊急停車程序主要包括長明燈系統聯鎖和主燃料氣系統聯鎖，目前該部分聯鎖設計已經非常完善，不再詳細說明。值得一提的是，在BMS設計中，吹掃、點火等程序要求受制于緊急停車程序，無論加熱爐處于何階段，BMS均能監控過程參數并提供安全保護。

5 結束語

從實際應用效果來看，采用可靠的BMS對加熱爐在啟動、停車過程中的管理，保證了開工過程中的安全，在很大程度上減輕了操作人員的工作強度。近幾年國內煉油行業發展迅速，煉油裝置的加熱爐流程已經非常完善，但目前國內規范對加熱爐的燃燒器管理功能沒有詳細要求，工程公司一般也不做邏輯設計，導致絕大部分加熱爐采用現場人工實現點火。通過對比國外煉油裝置BMS設計，國內加熱爐在硬件上基本滿足實施BMS的條件，在現有基礎上通過軟件升級，即可實現加熱爐管理的自動化和規范化，從而保證加熱爐的安全。