可燃氣體爆炸限檢測在VOCs處理設施中的應用

吉安霞

（中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101）

近年來環境保護工作形勢嚴峻，VOCs已成為大氣污染防治的重點控制污染物[1]，國家和各級地方政府對其排放限制都做出了明確規定。石化企業均在末端建設高效的收集治理設施，VOCs綜合整治工作得到全面落實。

某天然氣脫碳項目尾氣設有VOCs處理設施，投產后由于原料氣的成分改變，使得進氣的VOCs濃度過高，存在燃爆風險。針對此問題，本文對處理設施進行改造，增加在線分析儀及相應的控制方案。

1 項目背景

某天然氣脫碳項目，采用活化MDEA溶液吸收-再生工藝，對含CO2的再生廢氣進行處理排放。廢氣主要含大量CO2、少量甲烷、乙烷、丙烷等烷烴類。廢氣總烴含量最大1848mg/Nm3，壓力10kPa(g)。VOCs成分為乙烷、丙烷、丁烷等，無氯化物、含氟化合物、含硅化合物、含氮化合物，及有機廢氣入口無O2（氧含量＜0.5%）。VOCs處理設施采用“活性炭纖維吸附+催化氧化”工藝，將廢氣在催化劑的作用下無焰燃燒處理，實現凈化，達到排放要求。

在項目投產后，原料氣中重烴組分氣體濃度高出原設計值，脫碳裝置運行雖良好，但廢氣中的總烴含量達到了4000 mg/Nm3～5000 mg/Nm3。VOCs處理設施存在以下安全隱患：

1）蓄熱催化氧化爐飛溫，導致催化劑喪失活性，設備損壞。

2）爐膛可燃氣體濃度超標，存在燃爆風險。

2 項目方案

針對以上問題，并根據HAZOP分析、LOPA分析及SIL等級分析結果，項目解決方案為：在VOCs處理設施進氣入口處增加可燃氣體爆炸限監測分析儀，實現可燃氣體濃度的在線監測，并將氣體濃度送至控制系統中，調節新風閥開度，加新風稀釋廢氣至爆炸下限以下，再進入VOCs處理設施。如果稀釋后可燃氣體濃度仍然超標，則觸發進氣切斷放空停爐聯鎖，保證人員和設施的安全運行。

3 可燃氣體爆炸限監測分析儀

3.1 可燃氣體爆炸限監測的原理

目前，在線分析儀大多采用火焰離子檢測（FID）原理或火焰溫度（FTA）原理[2]。本項目采用FTA原理分析儀，廢氣中的可燃氣體和蒸氣在氫火焰中燃燒，檢測火焰的溫升并轉換為電信號，溫升與可燃氣體LEL濃度為正比關系，從而計算得到氣體的LEL值。

3.2 可燃氣體爆炸限監測儀的技術參數

根據SH/T 3005-2015和SH/T 3174-2013對分析儀系統設計的要求，本項目可燃氣體爆炸限監測儀供貨范圍包括[3,4]：取樣探頭、預處理單元（除水裝置、過濾器等）、取樣伴熱管線（含溫控器等）、分析單元、分析儀標定單元、分析儀表柜（帶遮陽遮雨棚），以及保證分析儀正常運行所必需的所有附件。

分析儀的技術參數如下：

采樣點溫度：常溫。

采樣點壓力：10kPa(G)。

樣品濕度：比較大，可能會出現超過100%RH情況。

測量范圍：0%～100%LEL，超量程報警。

響應時間：測量池響應時間＜1s，儀器響應時間＜1.5s。

測量精度：±3%FS，或標定氣體的10%。

測量重復性：＜1%FS。

供電電源：220V AC（UPS+GPS）。

輸出信號：4mA～20mA+Modbus RTU RS485，故障報警。

就地指示：LCD。

防護等級：IP65。

防爆等級：Exd IIBT4。

采樣管材質：304SS。

外殼材質：304SS。

SIL認證：IEC61508 SIL1 Capable 認證，提供安全手冊、SIL評估報告、失效計算數據。

圖1 可燃氣體爆炸限監測儀流程圖Fig.1 Flow diagram of gas flammability analyzer

3.3 可燃氣體爆炸限監測儀的安裝

根據本項目的工況，可燃氣體爆炸限監測儀供貨商提供流程圖如圖1所示。分析儀配有預處理單元，采用渦旋制冷器除去樣品氣中的飽和水，整個氣動采樣管路采用電伴熱加熱。設有文丘里引射器的采樣快速回路，保證分析儀的響應時間。

分析儀安裝空間要求安裝平臺面積＞1.5m×2m，承重＞600kg，保證人身安全。

分析儀采樣接口：過程接口ASME B16.5 CL150 2”RF，取樣點的位置在廢氣管道中心線上。

分析儀預處理單元：尺寸約200mm×200mm，直接安裝于分析儀采樣口法蘭上。

分析儀取樣管線安裝：取樣管線敷設坡度應不小于1%。

分析儀快速回路返回接口：返回口氣量150L/h，壓力10kPa(G)，過程接口ASME B16.5 CL150 2”RF，接至裝置放空管網。

分析儀供電：分析儀本體為UPS供電，伴熱為GPS供電，分別從氣UPS和GPS電源柜供出，采用0.6/1KV供電電纜，線徑不低于2.5mm2。

分析儀信號：分析儀共輸出模擬量、數字量、Modbus通信3路信號，分別敷設至控制系統，采用計算機電纜，線徑不低于1.5mm2。

分析儀標氣及燃料氣系統：分析儀需要量程氣（乙烯：1.15%V）、零點氣（空氣，O2：21%V）、燃料氣（H2，不低于99.999%），直接采購8L/40L鋼瓶氣，與分析儀1/4”OD卡套連接。

圖2 VOCs處理設施改造后流程圖Fig.2 Flow diagram of VOCs treatment facilities after transformation

分析儀公用工程：分析儀需儀表風用作儀表吹掃，助燃以及動力使用。耗量約為20L/min@1.4bar，由裝置儀表風管網供出。

4 分析儀的自動控制方案

為保證系統的平穩運行，本項目共新增可燃氣體爆炸限監測儀3臺，將參與控制和參與聯鎖的分析儀分別設置，用于過程控制和聯鎖切斷，流程如圖2所示。

4.1 催化氧化爐新風量超馳控制

原VOCs設施催化燃燒的新鮮風由風機C-101提供，已有尾氣出口氧氣分析儀，設定值3%，由氧含量控制VOCs處理設施內催化氧化爐的新風量。

增加可燃氣體爆炸限監測分析儀后，由可燃氣濃度AT-16531、氧含量AT-16512、供風閥AV-16512構成超馳控制，UC-16512為選擇控制器。

在正常情況下（AT-16531＜20%LEL），AIC-16512調節閥門AV-16512進行進風控制；當可燃氣濃度超標情況 下（AT-16531≥20%LEL），由AIC-16531取 代AIC-16512調節閥門AV-16512進行進風控制。UC-16512對兩個控制器的輸出進行選擇，實現對閥門AV-16512的兩種控制方式的切換。為確保燃燒爐的安全，進風調節閥AV-16512選用氣關，AIC-16512選用正作用特性；AIC-16531選用反作用特性。參數整定時，AIC-16531的控制作用應較常規強烈，做到取代及時。

表1 SIL 定級分析清單Table 1 SIL grading analysis list

4.2 備用風機邏輯控制

C-101為原有風機，風量滿足原VOCs系統正常燃燒時的供風量。改造后，增加稀釋用的備用風機C-102。

當AV-16512的開度達到80%時，打開備用風機C-102，風機完全啟動后打開XV-16527，向系統內提供新鮮風。

4.3 可燃氣濃度超限聯鎖

當稀釋后的入口廢氣可燃氣體濃度仍然超標，可燃氣體爆炸限監測分析儀AT-16532A/B信號二取一觸發報警聯鎖，高高聯鎖關閉VOCs處理設施入口緊急切斷閥SDV-16505，打開緊急放空閥BDV-16506，同時觸發停爐邏輯。

可燃氣濃度超限聯鎖回路為SIL 1，SIL定級分析結果見表1。分析儀的SIL要求應不低于SIL1。考慮分析儀的故障維護時間較長，此處采用“1oo2”的冗余設置，使其硬件故障裕度達到1，提高回路的可靠性。

5 結束語

該項目實施后順利投產，滿足了原VOCs處理設施的進氣要求，整個系統平穩運行，VOCs排放濃度滿足裝置所在地的工業廢氣排放標準。