柴油加氫裝置加熱爐安全與環保改造項目研究及應用

谷越 靳南南 馬中華 常青 劉浩 趙紅建

DOI：10.20030/j.cnki.1000?3932.202403026

摘 要 某柴油加氫裝置加熱爐安全與環保指標無法滿足規范要求，對該裝置加熱爐空氣預熱器進行整體改造，包括DCS、SIS擴容升級，優化自動控制方案，完善鼓風機、引風機安全聯鎖回路，同時設計增加了加熱爐熄火報警保護系統，結合燃料氣壓力和加熱爐進料流量聯鎖，提升了裝置本質安全及自動化程度。改造后兩臺加熱爐氧含量得到有效控制，加熱爐熱效率顯著提高至93%以上。加熱爐燃料氣用量顯著降低，經核算每年節約燃料氣84 000 Nm3。

關鍵詞 空氣預熱器 加熱爐 DCS SIS 熄火報警保護 熱效率分析 聯鎖

中圖分類號 TP274?? 文獻標志碼 B?? 文章編號 1000?3932（2024）03?0549?07

作者簡介：谷越（1989-），高級工程師，從事石油化工自動化專業技術管理工作，guyue@cnooc.com.cn。

引用本文：谷越，靳南南，馬中華，等.柴油加氫裝置加熱爐安全與環保改造項目研究及應用[J].化工自動化及儀表，2024，51（3）：549-554;562.

“十四五”期間是中國能源低碳轉型、實現“雙碳”目標的關鍵時期，國家正在加速推動能源綠色低碳轉型，加快實施重點行業節能降碳。隨著能源日益匱乏，科技革命和產業變革日漸深入，人們的活動方式逐步向低碳化、智能化轉變，能源體系正在向非化石能源主導的階段發展。

加熱爐是加氫關鍵設備，煉油加熱爐的能耗占整個煉油行業能耗的35%，只有挖掘煉油加熱爐節能技術、提高煉油加熱爐的能效，才能達到節能降碳的目的，同時隨著國家對安全環保要求的不斷提升，對加熱爐的環保指標控制越來越嚴格，這就對加熱爐的使用過程提出新的要求。

1 改造前面臨的問題

某柴油加氫裝置目前使用兩臺加熱爐（反應加熱爐F?3001和分餾加熱爐F?3002），裝置在正常生產狀況下，反應加熱爐煙氣正常排放，且設置煙氣在線監測系統（CMES），分餾加熱爐煙道擋板全部關閉，煙氣匯入反應爐與反應爐煙氣一起排放[1]。由于該裝置加熱爐已使用近十六年之久，煙道擋板密封不嚴、調節卡頓現象日益嚴重。同時設備設施老化、熱負荷及效率較低、環保要求不達標，需進行加熱爐改造，以滿足裝置生產安全、環保等要求[2]，改造前工藝流程如圖1所示。

裝置正常生產時，分餾加熱爐頂煙囪煙道擋板密封不嚴，即使處于全關狀態下，使用熱成像儀檢測也清晰可見有煙氣排出，不符合《揮發性有機物無組織排放控制標準》，給環保專業造成很大影響。

裝置正常生產過程中，由于反應加熱爐耗用瓦斯量較小，調節閥調節精度較差，供風系統調節風門內漏量較大，并且原設計中無引風機，不利于加熱爐爐膛壓力控制，加熱爐氧含量長期在7%～9%之間波動，加熱爐計算熱效率較低，不能滿足上級單位對加熱爐熱效率的考核要求。

應急管理部辦公廳印發文件《淘汰落后危險化學品安全生產工藝技術設備目錄》通知，將無火焰監測和熄火保護系統的燃氣加熱爐、導熱油爐列為淘汰類設備，該柴油加氫裝置兩臺加熱爐將無法繼續開工運行，故必須利用本次項目改造機會增設加熱爐熄火報警保護系統。同時分餾加熱爐進料缺少流量低低聯鎖，給裝置安全生產帶來很大安全隱患;原有聯鎖回路無法滿足安全生產需要，缺少鼓、引風機停機聯鎖[3]。

2 改造方案

2.1 空氣預熱器改造

具體改造內容如下：

a. 將分餾加熱爐（F?3002）原頂立式煙囪拆除，改造為與反應加熱爐（F?3001）連接煙道統一排放。

b. 將F?3001頂部原有空氣預熱器拆除，改造為置地安裝組合式空氣預熱器，以達到預熱充分回收的目的，設計計算數據見表1。

c. 更新所有調節、聯鎖風門擋板，以保證調節精度和全關狀態下的泄漏量;更新與空氣預熱器連接的所有煙道、風道管線。

d. 為保證F?3001、F?3002獨立操作時有足夠的抽力，爐膛負壓平穩可控，新增加引風機及配套電機。

2.2 DCS新增自動控制回路

根據設計PID中需求檢測儀表及控制回路要求，DCS增加的I/O點位數據統計見表2。

本次改造新增的自動控制回路見表3。

自動控制回路模型基于JX?300XP系列DCS實現[4]，控制過程為：現場檢測儀表→安全柵→I/O卡件→XP243→PID自控回路→實時監控→輸出卡件→安全柵→調節擋板，系統所需硬件見表4。

2.3 SIS聯鎖回路優化

設計新增的SIS聯鎖回路基于Honeywell SM系統實現邏輯編程組態，該SM系統由QMR（四重模塊化冗余）的雙處理器CPU和冗余的I/O卡件構成，系統具有高可靠性、高安全性及高可用性[5]。本次改造所使用的SIS硬件、軟件均具備SIL3等級認證，系統選型為下一步HAZOP分析、SIL定級及驗證工作提供了有力數據基礎，改造增加的SIS硬件見表5。

以引風機入口煙氣溫度（TISA3518、TISA3519、TISA3520）三取二形式高高聯鎖打開煙囪旁路擋板HXV3512，收到HV3512打開的回訊后，關閉引風機，關閉預熱器入口煙道擋板XV3510。

以主熱風道壓力（PISA3523、PISA3524、PISA3525）三取二形式低低聯鎖打開各爐風道上的快開風門及煙囪旁路擋板HXV3512，收到各爐快開風門回迅打開三分之二后關閉鼓風機，收到HV3512打開的回訊后，關閉引風機，關閉預熱器入口煙道擋板XV3510。

分餾加熱爐入口流量計新增孔板流量計，孔板流量計采用四對取壓口，新增差壓流量計FT3219A/B/C，新增3臺變送器信號引至SIS實現三取二聯鎖，新增FT3219信號引至DCS實現FICA3219流量回路調節。

2.4 火焰監測和熄火保護系統

本次改造在反應加熱爐和分餾加熱爐各增設一臺高溫內窺攝像機，中控室集成一套熄火報警保護系統。后端處理系統對爐內設置的高溫攝像機視場內火焰的燃燒狀況進行計算處理，能及時發現火焰熄滅，對應噴嘴熄火指示燈可發出報警提示[6]。分析軟件可對高溫攝像機的進退及光圈大小進行控制。前段自動伸縮裝置用于保護火焰監視系統的攝像機，隔爆型高溫一體化攝像機依靠連續不斷的壓縮空氣，使暴露在惡劣環境下的內窺式鏡頭保持清潔和冷卻，一旦失去壓縮空氣，自動伸縮保護系統自動把攝像機拉出爐膛，從而避免人工撤回和推進攝像機，避免不當操作和損壞系統。

火焰監視系統由隔爆型高溫數字型一體化攝像機、自動回縮保護裝置、爐壁安裝套件、空氣過濾系統、現場設備箱、圖像數據服務器等組成，整體系統架構如圖2所示。

3 改造后效果分析

3.1 加熱爐熱效率分析

項目實施前，裝置在滿負荷處理量37.5 t/h下的相關數據見表6，F?3001和F?3002的燃料使用總量為210 Nm3/h，F?3001的平均氧含量為7.9%，F?3002的平均氧含量為8.7%，兩臺加熱爐的平均排煙溫度為109.38 ℃。由以上數據計算得出F?3001的加熱爐熱效率為91.41%，F?3002的加熱爐熱效率為91.03%。

熱效率計算公式為：

式中 [O]——加熱爐氧含量;

T——加熱爐排煙溫度;

η——加熱爐計算熱效率。

項目改造后兩臺加熱爐的熱效率都明顯得到提高，開工初期就可以達到93%以上，滿足節省燃料的要求。但是改造后的數據趨勢記錄顯示，加熱爐的排煙溫度為79.1 ℃，遠低于設計溫度100 ℃。排煙溫度遠低于露點溫度，存在露點腐蝕隱患，會危及裝置安全生產。另外排煙溫度過低，會使預熱器產生凝結水，冬天排煙溫度最低時比4月份低20～30 ℃，易造成預熱器低溫部位凍凝，引風機入口結冰，從而引發加熱爐的運行風險。

鑒于上述問題，裝置技術人員經過與空氣預熱器制造方技術人員核算參數，最終確認方案為在加熱爐鼓風機出口處安裝限流擋板，以減少進入空氣預熱器的冷風量，從而提高排煙溫度。方案實施后有效提高了加熱爐的排煙溫度，降低了露點腐蝕發生概率，減少了預熱器底部帶水的現象，保證了加熱爐的正常運行[7]。

改造項目投產后，從DCS歷史趨勢中隨機抽取數據（圖3、4）可知，改造后反應加熱爐和分餾加熱爐氧含量較為平穩，控制在3%～4%之間。排煙溫度可有效控制在100 ℃左右。

項目實施后，在柴油加氫裝置滿負荷處理量37.5 t/h下提取的DCS數據見表7，由表中數據可以看出加熱爐F?3001和F?3002的燃料氣使用總量在200 Nm3/h左右，F?3001的平均氧含量為3.37%，F?3002的平均氧含量為3.92%，可以計算兩臺加熱爐的熱效率。

經計算，實施改造后F?3001的平均熱效率為93.43%，F?3002的平均熱效率為93.29%。兩臺加熱爐燃料氣量合計節省10 Nm3/h以上，每年可節約瓦斯用量84 000 Nm3。

3.2 本質安全提升分析

DCS改造優化了加熱爐操作人機界面和自動控制回路，有利于加熱爐氧含量和爐膛負壓平穩操作控制。HMI界面組態時，將原反應加熱爐和分餾加熱爐兩頁操作界面整合為一頁操作（圖5），降低了頻繁切換界面而造成操作失誤的概率。接入SIS的I/O數據采用Modbus RTU通信協議傳輸至DCS中，用于兩套系統的實時參數比對及報警。

SIS完善了鼓風機、引風機安全聯鎖，保證事故發生時裝置切換至安全狀態，避免事故進一步擴大?，F場儀表聯鎖方案為三取二方式，保證了聯鎖的可靠性和可用性。裝置開工后聯鎖回路滿足百分之百的投用率指標。同時本次改造新增加熱爐聯鎖結合熄火報警保護系統，解決了加熱爐瀕臨淘汰的現狀，響應了國家應急管理部關于淘汰設備的整改要求。

加熱爐熄火保護系統配置依據《石油化工企業設計防火標準》要求。燃料氣系統設置聯鎖作為熄火保護措施，主燃料氣壓力低低聯鎖、長明燈燃料氣壓力低低聯鎖以及加熱爐進料流量低低聯鎖。中心控制室（CCR）內設置緊急停爐聯鎖按鈕，當現場或中心控制室操作人員按下緊急停爐按鈕時，SIS聯鎖切斷主燃料、長明燈及相關燃料。

4 結束語

從安全、環保兩個角度出發，對空氣預熱器、DCS、SIS、加熱爐熄火報警保護系統4個方面進行升級改造，取得了突出的應用成果，解決了分餾加熱爐無組織排放的隱患，加熱爐氧含量得以降低，熱效率顯著提高，燃料氣用量大幅度降低。同時裝置自動化程度及本質安全上升至新的臺階，本次改造為國內運行周期較長的石化裝置提供了良好借鑒。

參 考 文 獻

[1] 佟玉文.煉油企業實現能效約束標桿值策略研究[J].石油煉制與化工，2023，54（4）：98-105.

[2] 黃健，趙眾.延遲焦化加熱爐熱效率的機理建模與實時估計應用[J].化工學報，2020，71（7）：3140-3150.

[3] 錢伯章.世界最大分子篩裝置加熱爐熱效率達到91.29%[J].石油煉制與化工，2017，48（3）：80.

[4] 黃建林.利用JX300?XP DCS系統實現精硫槽的自動控制[J].硫酸工業，2021（3）：51-54.

[5] 孫珊珊，溫堅，付鐵柱.實現DCS到SIS通訊臨時聯鎖改進技術[J].化工生產與技術，2023，29（1）：33-35;9.

[6] 郭亮.提高油氣田加熱爐熱效率技術研究[J].石油石化節能，2023，13（3）：28-33.

[7] 鄒雄飛，李青，任玉龍，等.智能先進控制技術提升加熱爐熱效率的應用研究[J].化工自動化及儀表，2023，50（1）：99-103;111.

（收稿日期：2023-07-03，修回日期：2024-03-14）