王建華 李春亮 申玉輝 高興隆(中石油華東設(shè)計院有限公司，山東 青島 266071)

0 引言

工業(yè)實體經(jīng)濟規(guī)模日益大型化，整體生產(chǎn)系統(tǒng)面臨的風(fēng)險也隨之增大，為保證生產(chǎn)長周期安全運行，設(shè)置對可能事故進行預(yù)判并采取相應(yīng)動作的安全監(jiān)控系統(tǒng)是必不可少的。工業(yè)爐是煉油裝置中重要的能量來源，運行高溫帶壓，爐管、儀表等任一處的失效可能造成人力財力的巨大消耗，針對一定裝置報警聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)立已成為設(shè)計中的重要一步[1]。其中DCS集散控制系統(tǒng)以PID控制為主，控制等級較低；SIS安全聯(lián)鎖系統(tǒng)可通過評估定級和HAZOP分析后，實現(xiàn)較高級別聯(lián)鎖。本文以某煉廠70萬噸/年加氫裝置工業(yè)爐為例，對聯(lián)鎖設(shè)計進行說明和展望。

工業(yè)爐安全聯(lián)鎖是為了能在由于各種原因引起的工作異常和緊急情況下對系統(tǒng)進行保護。聯(lián)鎖機構(gòu)需要對爐內(nèi)各工況下的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)視收集，傳感器采集數(shù)據(jù)進行分析判斷，從而控制安全生產(chǎn)。這些數(shù)據(jù)主要有以下幾類：

1 主要操控參數(shù)

1.1 氧含量和負(fù)壓

為保證燃燒效果，爐頂氧含量正常值一般為3%～5%，過低通常燃料燃燒不充分，容易使管材脫碳；氧含量過高導(dǎo)致NOx排出量和有效熱量排出增加。爐頂氧含量≤2%低報警；≥5%高報警。當(dāng)鼓風(fēng)機正常工作時，通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機電機頻率保證氧含量，鼓風(fēng)機不工作時，手動調(diào)節(jié)燃燒器風(fēng)門擋板實現(xiàn)[2]。

工業(yè)爐為特殊的帶有燃燒系統(tǒng)的工藝設(shè)備，為增加安全性，確保高溫?zé)煔獠粡目椿痖T噴出危及操作人員和設(shè)備安全，維持燃燒空氣過剩量，減少燃料消耗量，一般通過煙囪抽力或風(fēng)機實現(xiàn)負(fù)壓操作，爐頂負(fù)壓正常值在-50～-25Pa。當(dāng)引風(fēng)機正常工作時，通過調(diào)節(jié)電機頻率保持負(fù)壓正常值；引風(fēng)機故障時，通過調(diào)節(jié)煙囪擋板或預(yù)熱器前熱煙道擋板控制爐頂壓力。

若當(dāng)有兩爐及以上共用空氣預(yù)熱系統(tǒng)時，以兩爐及以上中爐頂壓力平均值高者為控制變量來調(diào)節(jié)擋板。

1.2 管壁溫度

為檢測溫度場同時防止?fàn)t管過熱，在輻射段爐管向火面60°范圍內(nèi)設(shè)置管壁熱電偶。管壁溫度報警值建議取介質(zhì)出口溫度120℃、管材最高使用溫度-30℃、最高油膜溫度15℃，通過調(diào)整燃料和介質(zhì)流量實現(xiàn)調(diào)節(jié)。

1.3 前置空氣預(yù)熱器空氣出口溫度

為增加換熱效果，本裝置中設(shè)置了前置預(yù)熱器，通過熱媒預(yù)熱空氣后進入空氣預(yù)熱器，當(dāng)空氣出口溫度低時，聯(lián)鎖切斷燃料，停鼓風(fēng)機，打開快開風(fēng)門。

1.4 火焰檢測

為保證工業(yè)爐安全運行，通過紫外火檢或紅外火檢對長明燈火焰進行檢測并設(shè)置聯(lián)鎖，當(dāng)火檢檢測到火焰信號全無或信號超過一半無時，聯(lián)鎖停爐。

2 安全聯(lián)鎖邏輯選取

工業(yè)爐聯(lián)鎖系統(tǒng)的主要作用是在生產(chǎn)過程中對可能引發(fā)事故的參數(shù)設(shè)定極限值，當(dāng)參數(shù)達到設(shè)定值或設(shè)備故障時即進入DCS系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)鎖動作，支配相關(guān)設(shè)備，切斷危險源，以保障人員安全，保證設(shè)備安全運行，避免或降低風(fēng)險。如表1所示，左側(cè)為本裝置中觸發(fā)聯(lián)鎖的主要參數(shù)，右側(cè)為觸發(fā)聯(lián)鎖后的動作。

表1 主要聯(lián)鎖參數(shù)表

2.1 壓力聯(lián)鎖

空氣預(yù)熱系統(tǒng)作為重要的節(jié)能降耗系統(tǒng)，為保護空氣預(yù)熱系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備，需要在相應(yīng)設(shè)備設(shè)高高或低低聯(lián)鎖。空氣預(yù)熱器出口煙氣壓力高高會對引風(fēng)機造成損害，一般≥-400Pa聯(lián)鎖停引風(fēng)機，打開煙道旁路擋板，通過自動調(diào)節(jié)煙囪擋板開度保持爐頂負(fù)壓；鼓風(fēng)機出口空氣壓力低低對空氣預(yù)熱器換熱性能造成一定影響，從而降低工業(yè)爐綜合熱效率，當(dāng)壓力≤400Pa時聯(lián)鎖停引風(fēng)機，打開煙道旁路擋板，關(guān)熱煙進預(yù)熱器擋板，同時聯(lián)鎖停鼓風(fēng)機，打開爐底快開風(fēng)門，通過自動調(diào)節(jié)煙囪擋板開度保持爐頂負(fù)壓；空氣預(yù)熱器出口空氣壓力低低時，進風(fēng)中氧含量低會導(dǎo)致燃燒不充分，設(shè)置≤130Pa聯(lián)鎖停燃料，同時停鼓風(fēng)機，打開快開風(fēng)門。

當(dāng)主燃料氣壓力低低時，一般小于0.01MPa時易造成燃燒不充分，需要切斷燃料；而主燃料氣壓力高高時，一般高于0.3MPa時，易造成脫火十分危險，此時也需要切斷燃料。長明燈用燃料氣壓力較低，一般正常在0.01～0.1MPa，當(dāng)?shù)陀诨蚋哂谙拗禃r，應(yīng)切斷燃料氣同時停風(fēng)機、打開快開風(fēng)門和熱煙道旁路擋板。

2.2 溫度聯(lián)鎖

空氣預(yù)熱器入口煙氣溫度高高在預(yù)熱器熱負(fù)荷一定時，排煙溫度過高。本裝置煙氣溫度高高觸發(fā)聯(lián)鎖值取450℃，聯(lián)鎖停引風(fēng)機，打開煙道旁路擋板，關(guān)熱煙進預(yù)熱器擋板，同時聯(lián)鎖停鼓風(fēng)機，打開爐底快開風(fēng)門，自動調(diào)節(jié)煙囪擋板開度實現(xiàn)控制。引風(fēng)機入口煙氣溫度高高聯(lián)鎖停引風(fēng)機，打開煙道旁路擋板，DCS系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)預(yù)熱器旁路擋板，調(diào)節(jié)引風(fēng)機入口煙氣溫度。爐膛溫度通常指輻射頂部煙氣溫度，溫度高高會引起爐管局部過熱結(jié)焦，對爐管吊拉鉤、管板等鑄件安全性也會有影響，當(dāng)爐膛溫度高高時聯(lián)鎖停燃料，保護設(shè)備安全。對空氣預(yù)熱入口煙氣溫度的高高聯(lián)鎖，為防止誤操作，也可加入延時15s再進入聯(lián)鎖。

2.3 風(fēng)機故障聯(lián)鎖

鼓引風(fēng)機故障時需要聯(lián)鎖進入自然通風(fēng)或半自然通風(fēng)狀態(tài)，鼓風(fēng)機故障時聯(lián)鎖停鼓引風(fēng)機，打開爐底快開風(fēng)門，打開煙道旁路擋板，即停爐操作；引風(fēng)機故障時聯(lián)鎖停引風(fēng)機，打開煙道旁路擋板。當(dāng)風(fēng)機有變頻裝置，變頻裝置故障時，由風(fēng)機各自的入口調(diào)節(jié)擋板調(diào)節(jié)煙風(fēng)量。本裝置上述的幾種控制聯(lián)鎖邏輯如圖1所示。

2.4 快開風(fēng)門、擋板故障聯(lián)鎖

為保證風(fēng)機故障時設(shè)備繼續(xù)運行，需要在爐底熱風(fēng)道設(shè)置快開風(fēng)門，以便進入自然通風(fēng)狀態(tài)。當(dāng)快開風(fēng)門故障或其他聯(lián)鎖打開快開風(fēng)門失效時，延時聯(lián)鎖停燃料。煙道旁路擋板故障或其他聯(lián)鎖打開失效時，同快開風(fēng)門故障聯(lián)鎖。

3 兩爐或兩爐以上聯(lián)鎖設(shè)計

3.1 聯(lián)鎖設(shè)計

工藝計算中，往往需要多爐共用一套空氣預(yù)熱系統(tǒng)的情況，此時應(yīng)盡量保證每座爐子可以獨立工作或切出，空氣預(yù)熱系統(tǒng)聯(lián)鎖設(shè)計一般近似，爐本體部分需要將各臺對應(yīng)部位的對應(yīng)參數(shù)加入聯(lián)鎖。純輻射工業(yè)爐可以將爐頂煙氣引入輻射-對流型爐子的對流底部，雙爐膛爐型需要在每臺爐膛設(shè)置聯(lián)鎖。

圖1 控制聯(lián)鎖示意圖

3.2 特殊位置的取值方式

在聯(lián)鎖設(shè)置中，為防止特殊位置的誤判，一般設(shè)置三取二聯(lián)鎖，三取二實際是開關(guān)量控制的投票制，在危及安全或停爐的部位設(shè)置即可。

特殊位置定位在輻射頂煙氣壓力，此處關(guān)系爐膛負(fù)壓安全操作，為保護回路，設(shè)置三取二聯(lián)鎖，當(dāng)此處壓力三取二高高時，聯(lián)鎖打開煙道旁路擋板；另外鼓風(fēng)機出口空氣壓力為避免發(fā)生停爐操作，也需要設(shè)置三取二，當(dāng)此處三取二低低時，聯(lián)鎖停燃料供應(yīng)、停鼓引風(fēng)機同時打開煙道旁路擋板。

3.3 監(jiān)視系統(tǒng)接入聯(lián)鎖的必要性淺析

為滿足污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，通常在距煙囪出口一定距離設(shè)CEMS在線監(jiān)測裝置，監(jiān)測表2項目，可否通過聯(lián)鎖來滿足排放標(biāo)準(zhǔn)也是需要考慮的方向。

表2 CEMS監(jiān)測項目

4 結(jié)語

本文結(jié)合工業(yè)爐特點和實際安全要求整理設(shè)計出一套聯(lián)鎖方案，通過傳感器實時采集數(shù)據(jù)輔以監(jiān)視系統(tǒng)，從而提升工業(yè)爐在生產(chǎn)中的安全性能。

實際生產(chǎn)過程中仍存在聯(lián)鎖過度或不足現(xiàn)象，通過不斷優(yōu)化總結(jié)，積極消除、填補，推進控制系統(tǒng)用于節(jié)能降耗，為生產(chǎn)提供安全保障。