宋成凱，陳 霞

［1.山東兗礦國拓科技工程股份有限公司，山東 滕州 277500；2.新能鳳凰（滕州）能源有限公司，山東 滕州 277500］

0 引 言

水煤漿加壓氣化工藝有單噴嘴氣化爐工藝和多噴嘴對(duì)置式氣化爐工藝，工藝燒嘴是水煤漿加壓氣化裝置的核心設(shè)備之一，其主要任務(wù)是輸送煤漿和氧氣，并由氧氣將煤漿霧化實(shí)現(xiàn)物料的充分混合。目前已運(yùn)行的水煤漿加壓氣化裝置，氣化爐爐膛溫度一般在1250℃左右，氣化壓力主要有4.0MPa、6.5MPa和8.7MPa幾種等級(jí)。工藝燒嘴頭部在氣化爐爐膛內(nèi)工作，處于高溫環(huán)境中，為延長工藝燒嘴的使用壽命，其頭部設(shè)有冷卻水室，通入冷卻水對(duì)工藝燒嘴進(jìn)行冷卻，起到保護(hù)作用。工藝燒嘴冷卻水一般采用脫鹽水（43℃、約2.8MPa），由于工藝燒嘴在高溫、高壓、易燃易爆的環(huán)境中運(yùn)行，易受到物料的沖刷磨損、氣體的高溫?zé)彷椛浜陀泻怏w的侵蝕等的共同作用，工藝燒嘴頭部及燒嘴冷卻水系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重磨損及冷卻水泄漏等現(xiàn)象，一旦工藝燒嘴頭部或盤管損壞，高溫、高壓可燃?xì)怏w將竄入燒嘴冷卻水系統(tǒng)，大量高溫粗煤氣竄入，可能導(dǎo)致冷卻水出口管線超溫?fù)p壞，引起管線破裂，繼而引發(fā)火災(zāi)爆炸及人員傷害事故。因此，工藝燒嘴冷卻水聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)尤為重要，要求其測(cè)量準(zhǔn)確有效、聯(lián)鎖判斷及時(shí)、進(jìn)出口閥門關(guān)閉響應(yīng)迅速。

1 燒嘴冷卻水系統(tǒng)簡介

水煤漿加壓氣化裝置燒嘴冷卻水系統(tǒng)流程示意如圖1（多噴嘴對(duì)置式氣化爐則有4條同樣設(shè)置的冷卻水管線）。工藝燒嘴冷卻水泄漏一般均發(fā)生在工藝燒嘴頭部水室及進(jìn)出水室盤管處，因此在燒嘴冷卻水進(jìn)出口管線上設(shè)有測(cè)量儀表，監(jiān)控冷卻水的流量、溫度和壓力，在回水管線上還設(shè)有CO在線檢測(cè)儀。燒嘴冷卻水系統(tǒng)發(fā)生泄漏后，測(cè)量儀表的示數(shù)會(huì)表現(xiàn)為：燒嘴冷卻水進(jìn)口流量因阻力增大而降低；因高溫高壓粗煤氣竄入，燒嘴冷卻水進(jìn)口壓力、出口溫度、出口流量均表現(xiàn)為升高（出口溫度反應(yīng)較慢，進(jìn)口流量、出口流量反應(yīng)較為靈敏；微量泄漏時(shí)進(jìn)口壓力、出口流量反應(yīng)較為靈敏，CO在線檢測(cè)儀也能較早判斷出微量泄漏）。因此，燒嘴冷卻水系統(tǒng)是否發(fā)生泄漏，可以憑借以上儀表示數(shù)的變化作出判斷，聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)也會(huì)根據(jù)聯(lián)鎖設(shè)定自動(dòng)執(zhí)行停爐、關(guān)閉燒嘴冷卻水進(jìn)出口閥等指令。

2 燒嘴冷卻水系統(tǒng)現(xiàn)有聯(lián)鎖保護(hù)方案分析

從上世紀(jì)末由國外引進(jìn)時(shí)算起，水煤漿氣化工藝在我國的應(yīng)用已有20多年。在其工業(yè)化應(yīng)用過程中，研究單位、工程公司、技術(shù)用戶不斷對(duì)燒嘴冷卻水保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行完善和優(yōu)化，也提出了各種聯(lián)鎖保護(hù)方案。以下對(duì)大多數(shù)廠家目前使用的聯(lián)鎖方式進(jìn)行比較，以期得出聯(lián)鎖保護(hù)優(yōu)化方案。

圖1 燒嘴冷卻水系統(tǒng)流程示意

2.1 四選二聯(lián)鎖

早期水煤漿氣化裝置中燒嘴冷卻水聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)采用燒嘴冷卻水進(jìn)口流量低低、出口流量高高、進(jìn)口壓力高高、出口溫度高高的四選二聯(lián)鎖（如圖2所示），4個(gè)指標(biāo)中有2個(gè)偏離聯(lián)鎖值，聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)即執(zhí)行關(guān)閉冷卻水進(jìn)出口切斷閥并停車的動(dòng)作（多噴嘴氣化爐則僅關(guān)閉觸發(fā)聯(lián)鎖的工藝燒嘴冷卻水進(jìn)出口閥門）。但此聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)僅適用于工藝燒嘴頭部端面或工藝燒嘴盤管損壞的情況，若冷卻水泵損壞不打量或其他原因斷水時(shí)，則無法及時(shí)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

圖2 燒嘴冷卻水系統(tǒng)四選二聯(lián)鎖

2.2 單參數(shù)三選二聯(lián)鎖

燒嘴冷卻水系統(tǒng)單參數(shù)三選二聯(lián)鎖（如圖3所示），即每個(gè)單參數(shù)——進(jìn)口流量低低三選二、出口流量高高三選二、進(jìn)口壓力高高三選二和出口溫度高高三選二聯(lián)鎖，當(dāng)任一參數(shù)聯(lián)鎖觸發(fā)，聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)即執(zhí)行關(guān)閉工藝燒嘴冷卻水進(jìn)出口閥并停車的動(dòng)作。

此聯(lián)鎖保護(hù)方案的優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)冷卻水泵損壞不打量或其他原因斷水時(shí)，進(jìn)口流量低低三選二能直接觸發(fā)聯(lián)鎖，彌補(bǔ)了四選二聯(lián)鎖（圖2）的部分缺陷。

此聯(lián)鎖保護(hù)方案的缺點(diǎn)是：每個(gè)參數(shù)都要增加現(xiàn)場儀表測(cè)點(diǎn)及SIS系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)，相應(yīng)增加了投資，尤其是對(duì)于多噴嘴氣化爐而言，增加的儀表較多，現(xiàn)場布置更為不便。

圖3 燒嘴冷卻水系統(tǒng)單參數(shù)三選二聯(lián)鎖

2.3 四選二聯(lián)鎖＋進(jìn)出口流量差聯(lián)鎖

在燒嘴冷卻水系統(tǒng)四選二聯(lián)鎖（圖2）的基礎(chǔ)上，增加燒嘴冷卻水進(jìn)出口流量差高高聯(lián)鎖（如圖4所示），當(dāng)四選二聯(lián)鎖觸發(fā)或進(jìn)出口流量差觸發(fā)時(shí)，聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)即執(zhí)行關(guān)閉工藝燒嘴冷卻水進(jìn)出口切斷閥并停車的動(dòng)作。

圖4 四選二聯(lián)鎖＋進(jìn)出口流量差高高聯(lián)鎖

此聯(lián)鎖保護(hù)方案的優(yōu)點(diǎn)是：不增加儀表測(cè)點(diǎn)和投資，能較快地觸發(fā)聯(lián)鎖。此聯(lián)鎖保護(hù)方案的缺點(diǎn)是：進(jìn)出口流量計(jì)為單表，當(dāng)任意1臺(tái)流量計(jì)出現(xiàn)故障時(shí)，極易因進(jìn)出口流量差觸發(fā)聯(lián)鎖停車，增加氣化爐誤停車的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 單參數(shù)聯(lián)鎖

燒嘴冷卻水系統(tǒng)單參數(shù)聯(lián)鎖（如圖5所示），即進(jìn)口流量低低、出口流量高高、進(jìn)口壓力高高、出口溫度高高4個(gè)單參數(shù)，當(dāng)任一參數(shù)觸發(fā)時(shí)，聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)即執(zhí)行關(guān)閉工藝燒嘴冷卻水進(jìn)出口切斷閥并停車的動(dòng)作。

該方案設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)主要是基于燒嘴冷卻水水質(zhì)較好、儀表故障率較低以及不增加投資的考慮，且觸發(fā)聯(lián)鎖響應(yīng)較快。但實(shí)際生產(chǎn)中，無論是儀表還是系統(tǒng)，均有一定的失效概率，因此考慮到因儀表故障而觸發(fā)聯(lián)鎖停車的風(fēng)險(xiǎn)，需要提高每臺(tái)儀表及回路的SIL等級(jí)來降低風(fēng)險(xiǎn)，如此一來實(shí)際上投資還是會(huì)相應(yīng)增加。

圖5 燒嘴冷卻水系統(tǒng)單參數(shù)聯(lián)鎖

3 聯(lián)鎖優(yōu)化改進(jìn)方案

通過上述的對(duì)比分析，山東兗礦國拓科技工程股份有限公司（簡稱兗礦國拓）工藝及儀控人員經(jīng)反復(fù)討論，在不增加燒嘴冷卻水系統(tǒng)檢測(cè)儀表的前提下，提出了如下聯(lián)鎖保護(hù)優(yōu)化改進(jìn)方案：在原有四選二聯(lián)鎖的基礎(chǔ)上，增加燒嘴冷卻水出口流量低低聯(lián)鎖，即形成進(jìn)口流量低低、出口流量高高或低低、進(jìn)口壓力高高、出口溫度高高的四選二聯(lián)鎖（如圖6所示）。

此聯(lián)鎖保護(hù)方案完全包含了原有的四選二聯(lián)鎖功能，當(dāng)工藝燒嘴端面或工藝燒嘴盤管損壞時(shí)，4個(gè)指標(biāo)中有2個(gè)偏離聯(lián)鎖值，聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)即執(zhí)行關(guān)閉冷卻水進(jìn)出口切斷閥并停車的動(dòng)作；此外，在冷卻水泵故障不打量或斷水的情況下，因設(shè)置有進(jìn)口流量低低和出口流量低低聯(lián)鎖，同樣可觸發(fā)聯(lián)鎖保護(hù)，關(guān)閉燒嘴冷卻水進(jìn)出口切斷閥并停車，從而起到預(yù)防斷水后工藝燒嘴盤管損壞而造成大量高溫粗煤氣竄入冷卻水管線內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 四選二聯(lián)鎖＋出口流量低低聯(lián)鎖

4 結(jié)束語

優(yōu)化改進(jìn)后的燒嘴冷卻水系統(tǒng)聯(lián)鎖保護(hù)方案，既彌補(bǔ)了原有四選二聯(lián)鎖的缺陷，又不增加任何的硬件測(cè)點(diǎn)和投資，而且能達(dá)到及時(shí)有效全面防護(hù)的目的，更趨完善。在今后的技術(shù)許可轉(zhuǎn)讓中，兗礦國拓將全面推行“四選二聯(lián)鎖＋出口流量低低聯(lián)鎖”的燒嘴冷卻水聯(lián)鎖保護(hù)方案，并建議在役水煤漿氣化裝置也對(duì)SIS系統(tǒng)工藝燒嘴冷卻水聯(lián)鎖保護(hù)方式進(jìn)行升級(jí)完善，建議各用戶單位重視燒嘴頭部的保護(hù)工作，嚴(yán)格按照工藝包設(shè)計(jì)要求進(jìn)行工藝燒嘴的采購和維修。