汪志偉，蔡丹，趙振強(qiáng)，詹信，嚴(yán)義剛

(中國五環(huán)工程有限公司， 湖北 武漢 430223)

中國存在數(shù)量較大的煤層氣、頁巖氣、焦?fàn)t氣和荒煤氣等非常規(guī)可燃?xì)?，非常?guī)可燃?xì)赓Y源具有低碳、潔凈、綠色、低污染的特性[1-2]。在高溫加壓無催化劑下，非常規(guī)可燃?xì)馀c氧氣進(jìn)行部分燃燒生產(chǎn)合成氣(CO+H2)并放出大量熱量的過程稱為非催化部分氧化，該工藝形成于20世紀(jì)50年代早期，但以大型裝置為目標(biāo)的研究較少見諸報(bào)道[3]。近年來，隨著頁巖氣在美國的成功開發(fā)，以及合成氣作為中間產(chǎn)物生成液態(tài)烴或化工原料(如氨、甲醇、乙二醇、二甲醚)等工藝的日趨成熟，發(fā)展非催化氧化技術(shù)再次引起人們的關(guān)注[4-5]。

荒煤氣是一種焦?fàn)t煤氣，由H2,CO,CO2,CH4,多碳烷烴，硫，氨，苯萘和焦油等多種成分組成。某項(xiàng)目以荒煤氣為原料，基于非催化部分氧化技術(shù)生成以CO和H2為有效成分的合成氣，每臺(tái)轉(zhuǎn)化爐的荒煤氣處理量約為9×103m3/h。本文基于該項(xiàng)目提出一種荒煤氣轉(zhuǎn)化爐自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)共設(shè)分散控制系統(tǒng)(DCS)、安全儀表系統(tǒng)(SIS)和可燃和有毒氣體檢測報(bào)警系統(tǒng)(GDS)等，分別完成裝置區(qū)的基本過程監(jiān)視和控制、轉(zhuǎn)化爐負(fù)荷調(diào)整、安全聯(lián)鎖停車和可燃/有毒氣體泄漏監(jiān)測及報(bào)警等功能。此外，針對(duì)荒煤氣轉(zhuǎn)化爐的工藝特點(diǎn)，還設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)化爐表面熱電偶、高溫?zé)犭娕肌⒀鯕夤芫€儀表及荒煤氣管線儀表等特殊儀表選型方法。

1 工藝流程說明

本文所述荒煤氣非催化氧化技術(shù)的工藝流程如圖1所示，包括： 轉(zhuǎn)化爐、廢熱鍋爐、換熱器、蒸汽過熱器、燒嘴和鍋爐給水泵等設(shè)備組成。來自上游空分裝置的氧氣經(jīng)廢熱鍋爐產(chǎn)出的飽和蒸汽在換熱器內(nèi)敷熱后送入燒嘴；來自界區(qū)的荒煤氣經(jīng)轉(zhuǎn)化后的合成氣在換熱器內(nèi)敷熱后進(jìn)入燒嘴，氧氣與荒煤氣進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐爐膛混合并發(fā)生反應(yīng)，最終形成以CO，H2，CO2和水蒸氣為主要成分的合成氣，并經(jīng)余熱回收后送至下游工序。

轉(zhuǎn)化爐反應(yīng)溫度約為1 100～1 300 ℃，燒嘴在高溫下工作，通過設(shè)置閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)保護(hù)燒嘴，防止其高溫?fù)p壞。燒嘴冷卻水系統(tǒng)故障，會(huì)引起燒嘴高溫?fù)p壞，導(dǎo)致可燃?xì)怏w外泄發(fā)生爆炸，因此燒嘴冷卻水系統(tǒng)故障需引起轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的停車?；拿簹廪D(zhuǎn)化工藝流程如圖1所示。

圖1 荒煤氣轉(zhuǎn)化工藝流程示意

2 自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 自控系統(tǒng)架構(gòu)

荒煤氣轉(zhuǎn)化爐自控系統(tǒng)由DCS，SIS和GDS等部分組成，架構(gòu)如圖2所示。DCS為基本過程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基本的生產(chǎn)操作、轉(zhuǎn)化爐負(fù)荷調(diào)節(jié)和非安全聯(lián)鎖等功能，保障裝置的安全、平穩(wěn)運(yùn)行。當(dāng)DCS失控時(shí)，SIS自動(dòng)介入，接管對(duì)轉(zhuǎn)化爐的控制，使轉(zhuǎn)化爐安全停車，預(yù)防災(zāi)害事故的發(fā)生。本文轉(zhuǎn)化爐啟、停順控邏輯、燒嘴冷卻水控制邏輯等均在SIS中實(shí)現(xiàn)。

圖2 荒煤氣轉(zhuǎn)化系統(tǒng)控制架構(gòu)示意

依據(jù)GB 50058—2014《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]，轉(zhuǎn)化爐框架屬于爆炸危險(xiǎn)區(qū)域，現(xiàn)場儀表優(yōu)先采用本安防爆型式，當(dāng)儀表的制造工藝無法達(dá)到本安要求時(shí)，采用隔爆型式?，F(xiàn)場儀表均通過4～20 mA+HART信號(hào)接入DCS，在DCS中實(shí)現(xiàn)顯示、調(diào)節(jié)、報(bào)警和聯(lián)鎖等功能。當(dāng)現(xiàn)場儀表信號(hào)既參與DCS調(diào)節(jié)又參與SIS聯(lián)鎖控制時(shí)，在SIS中設(shè)置“一進(jìn)二出”安全柵或信號(hào)分配器，使信號(hào)同時(shí)接入DCS和SIS。此外，該系統(tǒng)在DCS中配置時(shí)鐘服務(wù)器，并通過DCS同步SIS和GDS的時(shí)鐘，確保所有系統(tǒng)具有共同時(shí)間基準(zhǔn)。

SIS采用TCS-900系統(tǒng)，處理器掃描周期最快可達(dá)10 ms，I/O模塊采用三重化冗余架構(gòu)和硬件容錯(cuò)技術(shù)，大幅提高了控制的可靠性，系統(tǒng)整體滿足TüV SIL 3認(rèn)證要求。另外，考慮到轉(zhuǎn)化爐的開車順控邏輯在SIS中實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)為SIS設(shè)置獨(dú)立操作站，輔助開車過程中的各項(xiàng)操作。

GDS檢測轉(zhuǎn)化爐框架內(nèi)CO，H2S，CH4，H2等氣體的泄漏情況，當(dāng)濃度超標(biāo)時(shí)，通過聯(lián)鎖觸發(fā)現(xiàn)場聲光報(bào)警器，警示現(xiàn)場操作/巡檢人員撤離，同時(shí)打開泵房風(fēng)機(jī)，促進(jìn)氣體逸散?？扇肌⒂卸練怏w檢測器的數(shù)量及位置根據(jù)GB 50493—2019《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報(bào)警設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[7]的要求來設(shè)定。GDS設(shè)置獨(dú)立的操作站，用以顯示現(xiàn)場檢測器的濃度及報(bào)警情況；同時(shí)，將GDS中可燃?xì)怏w的第二級(jí)報(bào)警信號(hào)和控制器單元故障信號(hào)送至火災(zāi)報(bào)警控制器(FACP)進(jìn)行圖形顯示和報(bào)警。

轉(zhuǎn)化爐表面熱偶遠(yuǎn)程I/O為第三方子系統(tǒng)，通過Modbus RTU協(xié)議與DCS通信，將其監(jiān)測的信號(hào)送入DCS顯示并報(bào)警。

2.2 轉(zhuǎn)化爐負(fù)荷調(diào)節(jié)

轉(zhuǎn)化爐通過調(diào)節(jié)入口氧氣和荒煤氣的流量的比例(氧煤比)調(diào)整生產(chǎn)負(fù)荷。不同負(fù)荷下氧煤比需控制在要求的工藝指標(biāo)內(nèi)，才能保證轉(zhuǎn)化爐出口合成氣的效率和品質(zhì)。另外，入口氧氣流量是影響轉(zhuǎn)化爐溫度的關(guān)鍵因素，氧氣過量會(huì)引起轉(zhuǎn)化爐超溫使相關(guān)設(shè)備發(fā)生故障，繼而導(dǎo)致爐內(nèi)可燃有毒氣體泄漏，遇明火易發(fā)生爆炸。因此，當(dāng)荒煤氣流量過低或氧煤比超過一定指標(biāo)時(shí)，SIS直接介入，強(qiáng)制轉(zhuǎn)化爐停車。

基于以上考慮，為防止氧氣過量對(duì)轉(zhuǎn)化效率及裝置安全造成的影響，轉(zhuǎn)化爐在負(fù)荷調(diào)整過程中，始終將氧氣流量作為副調(diào)節(jié)量進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。即在升負(fù)荷時(shí)先增大荒煤氣流量，再增加氧氣流量；在降負(fù)荷時(shí)，先減小氧氣流量，再降低荒煤氣流量。

2.3 廢熱鍋爐三沖量調(diào)節(jié)

廢熱鍋爐的產(chǎn)氣量約120 t/h，為克服蒸汽負(fù)荷量波動(dòng)造成“假液位”現(xiàn)象，減少廢熱鍋爐汽包液位對(duì)給水流量的影響，將給水流量和蒸汽流量引入廢熱鍋爐汽包液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，組成三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 廢熱鍋爐三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)流程示意

圖3中，三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)為前饋-串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，蒸汽流量(FI-01)為前饋信號(hào)，克服蒸汽流量波動(dòng)對(duì)汽包液位造成的影響；汽包水位(LIC-01)為主參數(shù)，給水流量(FIC-02)為副參數(shù)構(gòu)成串級(jí)調(diào)節(jié)，能夠在給水壓力擾動(dòng)情況下快速響應(yīng)汽包液位，提高控制品質(zhì)。LY-01為DCS運(yùn)算模塊，F(xiàn)I-01和LIC-01在LY-01中進(jìn)行三沖量運(yùn)算后，結(jié)果作為FIC-02和給水控制閥(LV-01)所組成調(diào)節(jié)回路的輸入值。

該設(shè)計(jì)中，廢熱鍋爐的副產(chǎn)蒸汽用于向外提供熱源，故障狀態(tài)下為保護(hù)廢熱鍋爐安全，LV-01選擇故障開(FO)狀態(tài)。副產(chǎn)蒸汽管線流量測量過程中引入溫壓補(bǔ)償，提高蒸汽流量測量精確度。

3 儀表選型

3.1 表面熱電偶溫度計(jì)選型

由工藝流程可知，轉(zhuǎn)化反應(yīng)在1 100～1 300 ℃高溫下進(jìn)行，爐內(nèi)采用耐火磚襯里，將高溫爐膛與金屬爐壁(爐壁正常溫度為300 ℃)隔離。轉(zhuǎn)化爐運(yùn)行過程中，爐內(nèi)耐火磚在高溫下會(huì)溶蝕，并受氣體和溶渣的沖刷，使耐火磚變薄甚至脫落，引起爐壁表面溫度升高，導(dǎo)致爐外殼強(qiáng)度降低，使設(shè)備安全性降低，引發(fā)安全事故。該項(xiàng)目在爐壁表面敷設(shè)表面熱電偶，全面監(jiān)測轉(zhuǎn)化爐外表溫度，溫度超過閾值時(shí)通過報(bào)警提醒操作人員檢修。

該表面熱電偶測量元件由芯線、填充物和保護(hù)管三部分組成。內(nèi)部填充物采用具有負(fù)電阻溫度特性(NTC)的錳基氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料，常溫時(shí)呈高阻態(tài)，溫度升高時(shí)電阻快速降低。芯線為K型熱電極，埋在熱敏填充材料中，并與熱敏材料保持良好電接觸。當(dāng)測量元件敷設(shè)區(qū)域出現(xiàn)高溫點(diǎn)時(shí)，該處NTC材料電阻值最低，K型熱電極在該處形成熱接點(diǎn)，熱電偶返回點(diǎn)的溫度，即表面熱電偶始終測量所敷設(shè)路徑上最高點(diǎn)溫度。外部保護(hù)管采用Inconel 600高溫耐熱合金，長期使用溫度可達(dá)800～950 ℃，最高使用溫度1 100 ℃。此外，表面熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線采用兩端引出冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖4所示，允許感溫段中間斷開一次仍可正常工作。

圖4 表面熱電偶冗余結(jié)構(gòu)示意

表面熱電偶輸出K型毫伏信號(hào)，通過補(bǔ)償導(dǎo)線接入現(xiàn)場遠(yuǎn)程I/O柜的信號(hào)輸入模塊，現(xiàn)場遠(yuǎn)程I/O柜通過Modbus RTU協(xié)議接入DCS，最終在DCS中顯示和報(bào)警。該項(xiàng)目中相鄰2支表面熱電偶敷設(shè)間距為200 mm，根據(jù)轉(zhuǎn)化爐的高度、外徑以及設(shè)備開孔位置，最終爐壁表面共敷設(shè)60支表面熱電偶?，F(xiàn)場遠(yuǎn)程I/O柜由信號(hào)輸入模塊、電源模塊和通信模塊等組成，布置在轉(zhuǎn)化爐旁的常溫區(qū)，其防爆等級(jí)為Exd IICT4，采用立柱式安裝。

3.2 高溫?zé)犭娕紲囟扔?jì)選型

高溫?zé)犭娕加糜诒O(jiān)測轉(zhuǎn)化爐爐膛溫度。沿轉(zhuǎn)化爐縱向共設(shè)計(jì)3支高溫?zé)犭娕?，分別位于爐膛的上、中、下部，它們的操作溫度在1 100～1 300 ℃內(nèi)依次遞減。熱電偶水平安裝，熱端距耐火磚0～10 cm。另外，由3.1節(jié)可知，轉(zhuǎn)化爐爐膛內(nèi)氣相組分復(fù)雜且沖刷嚴(yán)重，常規(guī)的保護(hù)套管無法承受。

基于該種情況，高溫?zé)犭娕疾捎肂型偶絲(鉑銠30-鉑銠6)，能檢測600～1 600 ℃的溫度變化。而保護(hù)套管則采用二硅化鉬、碳化硅或高純度剛玉等高溫陶瓷材料，具有高熔點(diǎn)、高溫強(qiáng)度和較小的高溫蠕變性能，以及較好的耐熱振性、抗腐蝕、抗氧化、耐磨損及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在高溫領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。由于轉(zhuǎn)化爐的上部測點(diǎn)距離噴嘴最近，其所受沖刷程度高于中、下部測點(diǎn)，基于文獻(xiàn)[8]中某公司甲醇廠焦?fàn)t煤氣轉(zhuǎn)化爐的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，推薦上部測點(diǎn)的保護(hù)套管材料采用高純度剛玉，中下部測點(diǎn)可選用二硅化鉬或碳化硅。經(jīng)技術(shù)評(píng)審，最終3個(gè)測點(diǎn)均選用二硅化鉬內(nèi)襯剛玉材料的保護(hù)套管。

由于B型熱電偶在0～600 ℃內(nèi)的測量效果并不理想，而轉(zhuǎn)化爐開車烘爐階段需要根據(jù)烘爐曲線精確控制爐內(nèi)溫升速率，要求對(duì)溫度進(jìn)行高精度監(jiān)測，因此在上部測點(diǎn)設(shè)計(jì)K型烘爐熱電偶。低溫烘爐階段將K型熱電偶插入上部測點(diǎn)內(nèi)，通過K型熱電偶監(jiān)測爐內(nèi)溫度，當(dāng)爐溫達(dá)到600 ℃時(shí)，更換烘爐燒嘴，同時(shí)更換K型熱電偶。由于K型烘爐熱電偶僅作用在0～600 ℃過程中，因此其保護(hù)套管材料可采用GH3039，GH3030或Inconel 600等高溫合金材料。

3.3 氧氣管線儀表選型

氧氣流量以及氧煤比是控制轉(zhuǎn)化爐負(fù)荷，保障轉(zhuǎn)化爐安全的重要參數(shù)。氧氣管線共設(shè)3臺(tái)流量計(jì)，分別通過“三取中”和“三取二”進(jìn)行調(diào)節(jié)和聯(lián)鎖控制，提高氧氣流量參數(shù)的可靠性。裝置入口處氧氣管線中介質(zhì)為純氧，管線口徑為DN150，介質(zhì)壓力為3.65 MPa，常溫。氧氣管線上的流量計(jì)和控制閥選型應(yīng)滿足GB 50030—2013《氧氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]和GB 16912—2008《深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》[10]的要求。氧氣管線儀表設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

由圖5可知，基于壓損和成本的綜合考慮，該項(xiàng)目采用文丘里流量計(jì)檢測入口氧氣管線流量，在節(jié)流元件處開3對(duì)取壓口，分別接3臺(tái)差壓變送器進(jìn)行3組流量測量。每組取壓口大小均為DN15，配DN15氧氣專用球閥作為取壓根部閥?；谖墨I(xiàn)[9-10]的要求，文丘里流量計(jì)喉部的壓力和流速乘積大于80 MPa·m/s時(shí)，應(yīng)選用銅基或鎳基合金，該項(xiàng)目中文丘里流量計(jì)節(jié)流元件、取壓閥、導(dǎo)壓管及相關(guān)管閥件材質(zhì)均為Inconel 600。

根據(jù)閥門的操作工況要求，氧氣管線閥門各參數(shù)選型情況見表1所列。表1中SIL等級(jí)來自HAZOP分析和SIL定級(jí)評(píng)審結(jié)果。

表1 氧氣管線閥門選型及參數(shù)

3.4 荒煤氣管線儀表選型

為防止荒煤氣焦油在導(dǎo)壓管內(nèi)長期集聚，引起導(dǎo)壓管堵塞，本文采用隔膜方式測量荒煤氣管線上的壓力和流量。

荒煤氣主管口徑為DN600，基于成本和可行性的綜合考慮，荒煤氣流量采用楔式差壓流量計(jì)測量。節(jié)流元件與工藝管道對(duì)焊連接，采用DN50法蘭式取壓，取壓根部閥為法蘭式球閥，差壓變送器采用雙法蘭隔膜密封型式，硅油作為導(dǎo)壓填充液，過程接口為DN50PN63 RF[11]?？紤]到介質(zhì)操作溫度為120 ℃，項(xiàng)目所在地年環(huán)境極端低溫為-33.9 ℃，極端高溫為45.1 ℃，填充液采用低溫型硅油。

4 結(jié)束語

荒煤氣非催化部分氧化技術(shù)對(duì)于發(fā)展新型能源化工具有重要意義及技術(shù)支撐。針對(duì)某單臺(tái)荒煤氣耗氣量約9×103m3/h的轉(zhuǎn)化爐項(xiàng)目的建設(shè)需求，本文提出一種荒煤氣轉(zhuǎn)化爐自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案并在該項(xiàng)目中成功應(yīng)用。該系統(tǒng)由DCS，SIS和GDS等子系統(tǒng)組成。另外，針對(duì)荒煤氣轉(zhuǎn)化爐的工藝特點(diǎn)，還設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)化爐表面熱電偶、高溫?zé)犭娕肌⒀鯕夤芫€儀表及荒煤氣管線儀表等特殊儀表。本文方案通過多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)互相配合，共同保障裝置的安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運(yùn)行，運(yùn)行效果良好。