硫磺裝置制硫爐點(diǎn)火槍控制方案探討

王福兵

（中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086）

某企業(yè)硫磺裝置選用克勞斯硫回收工藝包，克勞斯硫回收技術(shù)是從酸性氣體中回收硫磺的主流工藝。硫磺裝置制硫爐相對常減壓、加氫、重整、焦化常規(guī)煉油裝置物料加熱爐有以下特點(diǎn)：貧氧燃燒、正壓爐（25 KPaG ～80 KPaG）、高溫爐（1200℃～1500℃）。貧氧燃燒要求制硫爐在點(diǎn)火前合理調(diào)整好進(jìn)入點(diǎn)火槍內(nèi)的瓦斯和空氣流量配比，高溫和正壓工況要求點(diǎn)火故障率盡可能低。若點(diǎn)火失敗，拆修點(diǎn)火槍的安全風(fēng)險(xiǎn)較大，苛刻的工藝條件要求制硫爐的點(diǎn)火順序控制程序和聯(lián)鎖保護(hù)邏輯較多。

自動點(diǎn)火控制盤內(nèi)配置一套點(diǎn)火槍火焰檢測模塊，能夠?qū)崟r(shí)檢測點(diǎn)火槍頭火焰信號。若火焰信號消失，點(diǎn)火控制盤向SIS 系統(tǒng)發(fā)出聯(lián)鎖信號，觸發(fā)點(diǎn)火系統(tǒng)聯(lián)鎖，關(guān)閉點(diǎn)火瓦斯和配風(fēng)系統(tǒng)切斷閥。同時(shí)，點(diǎn)火槍在正常生產(chǎn)時(shí)作為制硫爐長明燈使用（點(diǎn)火器火嘴火焰一直點(diǎn)燃）。

1 點(diǎn)火槍功能結(jié)構(gòu)介紹

點(diǎn)火控制系統(tǒng)由現(xiàn)場①點(diǎn)火控制箱和?點(diǎn)火槍組成，④點(diǎn)火變壓器、⑥火焰檢測模塊和⑦點(diǎn)火控制繼電器都被安裝在點(diǎn)火控制箱內(nèi)。

點(diǎn)火控制系統(tǒng)是一個(gè)點(diǎn)火和電離結(jié)合的系統(tǒng)，開工啟動點(diǎn)火按鈕時(shí)，點(diǎn)火變壓器先讓點(diǎn)火槍芯與外殼之間產(chǎn)生5000V 電壓，進(jìn)而在點(diǎn)火槍末端發(fā)生電打火，同時(shí)點(diǎn)火控制繼電器向SIS 系統(tǒng)發(fā)出啟動點(diǎn)火信號，SIS 系統(tǒng)接收到點(diǎn)火信號后打開點(diǎn)火瓦斯和配風(fēng)系統(tǒng)隔斷閥，點(diǎn)火配風(fēng)直接進(jìn)入點(diǎn)火槍芯與外殼之間的空腔內(nèi)，點(diǎn)火槍外殼設(shè)計(jì)為雙層空腔夾層結(jié)構(gòu)形式，點(diǎn)火瓦斯先進(jìn)入外殼的雙層空腔夾層內(nèi)，最終在點(diǎn)火槍末端釋放出來，與點(diǎn)火配風(fēng)匯合，在電打火作用下點(diǎn)燃點(diǎn)火槍。

當(dāng)點(diǎn)火時(shí)間到后，點(diǎn)火控制箱內(nèi)的火焰檢測模塊讓點(diǎn)火槍芯與外殼之間產(chǎn)生220V 電壓，此時(shí)點(diǎn)火槍處于電離狀態(tài)。此時(shí)若點(diǎn)火槍正常著火，點(diǎn)火槍末端的點(diǎn)火槍芯與外殼之間以火焰為媒介產(chǎn)生電離信號，火焰檢測模塊檢測到電離信號后向SIS 系統(tǒng)反饋點(diǎn)火槍火檢正常信號。若點(diǎn)火失敗，點(diǎn)火槍末端的點(diǎn)火槍芯與外殼之間由于沒有火焰無法產(chǎn)生電離信號，火焰檢測模塊無法向SIS 系統(tǒng)反饋點(diǎn)火槍火檢信號，SIS 系統(tǒng)觸發(fā)點(diǎn)火槍系統(tǒng)聯(lián)鎖，關(guān)閉點(diǎn)火瓦斯和配風(fēng)系統(tǒng)隔斷閥。

電離系統(tǒng)機(jī)理：一個(gè)燃燒區(qū)存在相當(dāng)數(shù)量的自由電子，當(dāng)接上交流電源的兩個(gè)不同尺寸的電極放到火焰中，一股均勻的直流電流會流過兩極之間，火焰檢測模塊只對由不同尺寸電極產(chǎn)生的直流電流起作用，通過檢測直流電流強(qiáng)度（通常超過3μA）來判斷點(diǎn)火槍是否點(diǎn)火成功。

圖1 點(diǎn)火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of ignition system

點(diǎn)火控制箱的接線圖如圖2 所示。

圖2 點(diǎn)火控制箱接線圖Fig.2 Wiring diagram of ignition control box

點(diǎn)火控制過程如下：

當(dāng)啟動按鈕（START）被按下，TR5（點(diǎn)火繼電器）線圈（A1/A2）上電，常開觸點(diǎn)（13/14）閉合，TR5 自鎖，常開觸點(diǎn)（10/11）閉合向硫磺SIS 系統(tǒng)發(fā)出啟動點(diǎn)火指令，SIS 系統(tǒng)接收到點(diǎn)火指令后將點(diǎn)火槍瓦斯切斷閥和空氣切斷閥打開，吹掃放空閥關(guān)閉，同時(shí)啟動15s 點(diǎn)火計(jì)時(shí)系統(tǒng)，15s 內(nèi)需接收到點(diǎn)火槍火檢信號，否則啟動點(diǎn)火槍聯(lián)鎖，重新關(guān)閉點(diǎn)火槍瓦斯切斷閥和空氣切斷閥，打開吹掃放空閥。

由于TR5 的常開觸點(diǎn)（57/58）和常閉觸點(diǎn)（65/66）帶延時(shí)動作功能，默認(rèn)設(shè)置的延時(shí)時(shí)間為8s，即TR5 線圈上電后延時(shí)8s 常開觸點(diǎn)（57/58）和常閉觸點(diǎn)（65/66）動作，在8s 內(nèi)點(diǎn)火槍火嘴瓦斯氣和壓縮空氣的電磁閥會打開，點(diǎn)火變壓器被激活將220VAC 轉(zhuǎn)換為5000VAC 實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火槍電打火。

8s 后，TR5 帶延時(shí)功能的常開觸點(diǎn)（57/58）和常閉觸點(diǎn)（65/66）動作，即常開觸點(diǎn)（57/58）閉合，常閉觸點(diǎn)（65/66）斷開，點(diǎn)火變壓器斷電，并激活TR6（電離繼電器）線圈（A1/A2），TR6 觸點(diǎn)（21/22）斷開，觸點(diǎn)（13/14）閉合，將點(diǎn)火變壓器的二級線圈從點(diǎn)火模式切換到電離檢測模式。

TR6 常閉觸點(diǎn)（65/66）帶延時(shí)動作功能，默認(rèn)設(shè)置的延時(shí)時(shí)間為1.5s，即TR6 線圈上電后延時(shí)1.5s 常閉觸點(diǎn)（65/66）斷開，在1.5s 內(nèi)，若火焰檢測模塊D-1055-10 檢測到電離信號，其11/12 觸點(diǎn)閉合，K12 繼電器線圈（A1/A2）帶電，K12 常開觸點(diǎn)（13/14）閉合，讓TR5 保持自鎖狀態(tài)，K12 常開觸點(diǎn)（33/34）閉合，向SIS 系統(tǒng)反饋點(diǎn)火槍火焰著火信號。若火焰檢測模塊D-1055-10 沒檢測到電離信號，K12 繼電器線圈不能上電，K12 常開觸點(diǎn)（13/14）和（33/34）斷開，TR5 線圈失電，SIS 系統(tǒng)觸發(fā)點(diǎn)火槍聯(lián)鎖關(guān)閉點(diǎn)火槍瓦斯氣和壓縮空氣切斷閥。

2 點(diǎn)火失敗常見的工藝技術(shù)原因

1）由于點(diǎn)火槍在正常生產(chǎn)時(shí)通常作為長明燈使用，硫磺制硫爐爐膛溫度長期保持在1300℃左右，爐膛內(nèi)部為高濃度酸性氣（主要成分是H2S 和SO2），點(diǎn)火槍選用耐高溫的2520 不銹鋼材料，但從實(shí)際使用效果來看，在裝置經(jīng)歷一個(gè)生產(chǎn)周期（3 ～4 年）后，點(diǎn)火槍末端呈現(xiàn)鋸齒狀損壞脫落現(xiàn)象（見圖3），同時(shí)高溫以及酸性氣工況易損壞點(diǎn)火槍芯與外殼之間的陶瓷絕緣支撐，導(dǎo)致點(diǎn)火槍芯和外殼絕緣偏低無法打火。

圖3 點(diǎn)火槍末端照片F(xiàn)ig.3 Photo of the end of the ignition gun

2）點(diǎn)火瓦斯和配風(fēng)系統(tǒng)管道內(nèi)的雜質(zhì)較多，通常為鐵銹和灰塵，容易堵塞瓦斯、配風(fēng)自力閥或者點(diǎn)火槍外殼夾層，點(diǎn)火瓦斯和配風(fēng)的壓力不足導(dǎo)致點(diǎn)火失敗。

3）點(diǎn)火瓦斯和配風(fēng)壓力配比調(diào)整不當(dāng)，點(diǎn)火瓦斯和配風(fēng)裝配圖如圖4 所示。

圖4 點(diǎn)火瓦斯和配風(fēng)圖Fig.4 Ignition gas and air distribution diagram

點(diǎn)火槍廠家推薦的點(diǎn)火瓦斯和配風(fēng)壓力見表1。

表1 點(diǎn)火瓦斯和配風(fēng)壓力參數(shù)Table 1 Ignition gas and air distribution pressure parameters

由于系統(tǒng)瓦斯成分時(shí)常變化，根據(jù)維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，按照廠家推薦的點(diǎn)火瓦斯和配風(fēng)壓力通常不能正常點(diǎn)火，瓦斯和配風(fēng)進(jìn)入點(diǎn)火槍的壓力都需設(shè)在1.0bar（100kPa）左右。

點(diǎn)火瓦斯氣組分含量波動，正常工況時(shí)系統(tǒng)瓦斯氣中C1 含量約40%（體積比），C2 含量約20%（體積比），H2含量約39%（體積比），其他介質(zhì)1%，點(diǎn)火前工藝人員一般只采樣分析瓦斯氣內(nèi)O2含量<0.5%（體積比）。由于瓦斯氣內(nèi)可燃?xì)饨M分變化較大，尤其是裝置開工初期，系統(tǒng)瓦斯氣量不夠時(shí)工藝人員時(shí)常將液化氣氣化后補(bǔ)充到瓦斯管網(wǎng)里，同時(shí)裝置開工初期向瓦斯系統(tǒng)管網(wǎng)并氣時(shí)可能將大量N2帶入到全廠瓦斯管網(wǎng)系統(tǒng)里，瓦斯氣組分的大幅波動將影響點(diǎn)火槍的穩(wěn)定工作。在實(shí)際生產(chǎn)中就發(fā)生過在點(diǎn)火槍已經(jīng)正常著火后，由于瓦斯組分波動大導(dǎo)致重新熄滅的現(xiàn)象，故在點(diǎn)火前需要在點(diǎn)火槍瓦斯線上外接軟管將瓦斯引出燃燒置換一段時(shí)間后再點(diǎn)火，同時(shí)需要根據(jù)不同的瓦斯組分調(diào)整相應(yīng)的點(diǎn)火配風(fēng)壓力。

3 點(diǎn)火槍常見故障和處理建議

1）點(diǎn)火槍芯與點(diǎn)火槍筒絕緣不好

點(diǎn)火槍芯與點(diǎn)火槍筒壁之間的電阻要求在6MΩ 以上，同時(shí)要求點(diǎn)火槍外殼牢固接地。點(diǎn)火槍芯與點(diǎn)火槍殼之間使用陶瓷絕緣支撐環(huán)，讓點(diǎn)火槍芯和筒壁之間保持合適距離，便于高壓放電。由于陶瓷絕緣支撐環(huán)在高溫下容易老化碎裂，導(dǎo)致絕緣不夠，無法打火，故點(diǎn)火前需檢查點(diǎn)火槍芯和外殼的絕緣和陶瓷絕緣支撐環(huán)的安裝情況。

2）點(diǎn)火槍管路堵塞，瓦斯氣和壓縮空氣流量比不合適

點(diǎn)火前需要多次吹掃清理點(diǎn)火瓦斯氣、配風(fēng)系統(tǒng)管線和點(diǎn)火槍本體，同時(shí)拆清瓦斯和空氣過濾器。點(diǎn)火槍內(nèi)瓦斯和空氣的體積比通常在1:10 左右時(shí)容易點(diǎn)著火，按照維護(hù)經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)火前在保持瓦斯和空氣系統(tǒng)壓力穩(wěn)定的前提下調(diào)整瓦斯自力閥后壓力為0.1MPA(G)左右，空氣自力閥后壓力為0.12MPA(G)左右，同時(shí)確認(rèn)現(xiàn)場瓦斯和空氣軟管及接頭無外漏，瓦斯系統(tǒng)內(nèi)的C3/C4 組分含量偏高可適當(dāng)提高配風(fēng)壓力。

3）點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)備老化

歷年硫磺裝置停工檢修時(shí)均發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火槍槍頭外壁出現(xiàn)鋸齒狀老化脫落，陶瓷絕緣支撐環(huán)碎裂，點(diǎn)火槍芯彎曲現(xiàn)象。同時(shí)發(fā)現(xiàn)由于裝置正常生產(chǎn)期間TR5（點(diǎn)火繼電器）線圈長期帶電，在停工后其常開觸點(diǎn)（10/11）在線圈失電時(shí)依然保持閉合狀態(tài)，導(dǎo)致硫磺裝置開工順控程序無法執(zhí)行的故障。在確定點(diǎn)火設(shè)備老化性能下降的情況下，一方面需要更換點(diǎn)火槍和TR5（點(diǎn)火繼電器）、TR6（電離繼電器）等配件，另一方面可適當(dāng)調(diào)整TR5（點(diǎn)火繼電器）和TR6（電離繼電器）的延時(shí)時(shí)間，將TR5 的延時(shí)時(shí)間調(diào)整至10s，目的是將點(diǎn)火變壓器的放電打火時(shí)間由8s 延長為10s，將TR6 的延時(shí)時(shí)間調(diào)整至5s 的效果是將火焰檢測模塊D-1055-10 檢測電離信號的時(shí)間由1.5s 延長為5s，有利于提高點(diǎn)火成功率。

4 結(jié)論

硫磺裝置點(diǎn)火系統(tǒng)采用自動點(diǎn)火程序，與SIS 順控邏輯完美融合，投用效果良好，能夠有效地防止人為誤操作現(xiàn)象的發(fā)生，提高了裝置的安全性，降低了操作人員的勞動強(qiáng)度，儀表維護(hù)人員熟悉點(diǎn)火控制過程就能保障點(diǎn)火系統(tǒng)長周期穩(wěn)定運(yùn)行。