吉安霞

（中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101）

近年來(lái)環(huán)境保護(hù)工作形勢(shì)嚴(yán)峻，VOCs已成為大氣污染防治的重點(diǎn)控制污染物[1]，國(guó)家和各級(jí)地方政府對(duì)其排放限制都做出了明確規(guī)定。石化企業(yè)均在末端建設(shè)高效的收集治理設(shè)施，VOCs綜合整治工作得到全面落實(shí)。

某天然氣脫碳項(xiàng)目尾氣設(shè)有VOCs處理設(shè)施，投產(chǎn)后由于原料氣的成分改變，使得進(jìn)氣的VOCs濃度過(guò)高，存在燃爆風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)此問(wèn)題，本文對(duì)處理設(shè)施進(jìn)行改造，增加在線(xiàn)分析儀及相應(yīng)的控制方案。

1 項(xiàng)目背景

某天然氣脫碳項(xiàng)目，采用活化MDEA溶液吸收-再生工藝，對(duì)含CO2的再生廢氣進(jìn)行處理排放。廢氣主要含大量CO2、少量甲烷、乙烷、丙烷等烷烴類(lèi)。廢氣總烴含量最大1848mg/Nm3，壓力10kPa(g)。VOCs成分為乙烷、丙烷、丁烷等，無(wú)氯化物、含氟化合物、含硅化合物、含氮化合物，及有機(jī)廢氣入口無(wú)O2（氧含量＜0.5%）。VOCs處理設(shè)施采用“活性炭纖維吸附+催化氧化”工藝，將廢氣在催化劑的作用下無(wú)焰燃燒處理，實(shí)現(xiàn)凈化，達(dá)到排放要求。

在項(xiàng)目投產(chǎn)后，原料氣中重?zé)N組分氣體濃度高出原設(shè)計(jì)值，脫碳裝置運(yùn)行雖良好，但廢氣中的總烴含量達(dá)到了4000 mg/Nm3～5000 mg/Nm3。VOCs處理設(shè)施存在以下安全隱患：

1）蓄熱催化氧化爐飛溫，導(dǎo)致催化劑喪失活性，設(shè)備損壞。

2）爐膛可燃?xì)怏w濃度超標(biāo)，存在燃爆風(fēng)險(xiǎn)。

2 項(xiàng)目方案

針對(duì)以上問(wèn)題，并根據(jù)HAZOP分析、LOPA分析及SIL等級(jí)分析結(jié)果，項(xiàng)目解決方案為：在VOCs處理設(shè)施進(jìn)氣入口處增加可燃?xì)怏w爆炸限監(jiān)測(cè)分析儀，實(shí)現(xiàn)可燃?xì)怏w濃度的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，并將氣體濃度送至控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)新風(fēng)閥開(kāi)度，加新風(fēng)稀釋廢氣至爆炸下限以下，再進(jìn)入VOCs處理設(shè)施。如果稀釋后可燃?xì)怏w濃度仍然超標(biāo)，則觸發(fā)進(jìn)氣切斷放空停爐聯(lián)鎖，保證人員和設(shè)施的安全運(yùn)行。

3 可燃?xì)怏w爆炸限監(jiān)測(cè)分析儀

3.1 可燃?xì)怏w爆炸限監(jiān)測(cè)的原理

目前，在線(xiàn)分析儀大多采用火焰離子檢測(cè)（FID）原理或火焰溫度（FTA）原理[2]。本項(xiàng)目采用FTA原理分析儀，廢氣中的可燃?xì)怏w和蒸氣在氫火焰中燃燒，檢測(cè)火焰的溫升并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，溫升與可燃?xì)怏wLEL濃度為正比關(guān)系，從而計(jì)算得到氣體的LEL值。

3.2 可燃?xì)怏w爆炸限監(jiān)測(cè)儀的技術(shù)參數(shù)

根據(jù)SH/T 3005-2015和SH/T 3174-2013對(duì)分析儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，本項(xiàng)目可燃?xì)怏w爆炸限監(jiān)測(cè)儀供貨范圍包括[3,4]：取樣探頭、預(yù)處理單元（除水裝置、過(guò)濾器等）、取樣伴熱管線(xiàn)（含溫控器等）、分析單元、分析儀標(biāo)定單元、分析儀表柜（帶遮陽(yáng)遮雨棚），以及保證分析儀正常運(yùn)行所必需的所有附件。

分析儀的技術(shù)參數(shù)如下：

采樣點(diǎn)溫度：常溫。

采樣點(diǎn)壓力：10kPa(G)。

樣品濕度：比較大，可能會(huì)出現(xiàn)超過(guò)100%RH情況。

測(cè)量范圍：0%～100%LEL，超量程報(bào)警。

響應(yīng)時(shí)間：測(cè)量池響應(yīng)時(shí)間＜1s，儀器響應(yīng)時(shí)間＜1.5s。

測(cè)量精度：±3%FS，或標(biāo)定氣體的10%。

測(cè)量重復(fù)性：＜1%FS。

供電電源：220V AC（UPS+GPS）。

輸出信號(hào)：4mA～20mA+Modbus RTU RS485，故障報(bào)警。

就地指示：LCD。

防護(hù)等級(jí)：IP65。

防爆等級(jí)：Exd IIBT4。

采樣管材質(zhì)：304SS。

外殼材質(zhì)：304SS。

SIL認(rèn)證：IEC61508 SIL1 Capable 認(rèn)證，提供安全手冊(cè)、SIL評(píng)估報(bào)告、失效計(jì)算數(shù)據(jù)。

圖1 可燃?xì)怏w爆炸限監(jiān)測(cè)儀流程圖Fig.1 Flow diagram of gas flammability analyzer

3.3 可燃?xì)怏w爆炸限監(jiān)測(cè)儀的安裝

根據(jù)本項(xiàng)目的工況，可燃?xì)怏w爆炸限監(jiān)測(cè)儀供貨商提供流程圖如圖1所示。分析儀配有預(yù)處理單元，采用渦旋制冷器除去樣品氣中的飽和水，整個(gè)氣動(dòng)采樣管路采用電伴熱加熱。設(shè)有文丘里引射器的采樣快速回路，保證分析儀的響應(yīng)時(shí)間。

分析儀安裝空間要求安裝平臺(tái)面積＞1.5m×2m，承重＞600kg，保證人身安全。

分析儀采樣接口：過(guò)程接口ASME B16.5 CL150 2”RF，取樣點(diǎn)的位置在廢氣管道中心線(xiàn)上。

分析儀預(yù)處理單元：尺寸約200mm×200mm，直接安裝于分析儀采樣口法蘭上。

分析儀取樣管線(xiàn)安裝：取樣管線(xiàn)敷設(shè)坡度應(yīng)不小于1%。

分析儀快速回路返回接口：返回口氣量150L/h，壓力10kPa(G)，過(guò)程接口ASME B16.5 CL150 2”RF，接至裝置放空管網(wǎng)。

分析儀供電：分析儀本體為UPS供電，伴熱為GPS供電，分別從氣UPS和GPS電源柜供出，采用0.6/1KV供電電纜，線(xiàn)徑不低于2.5mm2。

分析儀信號(hào)：分析儀共輸出模擬量、數(shù)字量、Modbus通信3路信號(hào)，分別敷設(shè)至控制系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)電纜，線(xiàn)徑不低于1.5mm2。

分析儀標(biāo)氣及燃料氣系統(tǒng)：分析儀需要量程氣（乙烯：1.15%V）、零點(diǎn)氣（空氣，O2：21%V）、燃料氣（H2，不低于99.999%），直接采購(gòu)8L/40L鋼瓶氣，與分析儀1/4”O(jiān)D卡套連接。

圖2 VOCs處理設(shè)施改造后流程圖Fig.2 Flow diagram of VOCs treatment facilities after transformation

分析儀公用工程：分析儀需儀表風(fēng)用作儀表吹掃，助燃以及動(dòng)力使用。耗量約為20L/min@1.4bar，由裝置儀表風(fēng)管網(wǎng)供出。

4 分析儀的自動(dòng)控制方案

為保證系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，本項(xiàng)目共新增可燃?xì)怏w爆炸限監(jiān)測(cè)儀3臺(tái)，將參與控制和參與聯(lián)鎖的分析儀分別設(shè)置，用于過(guò)程控制和聯(lián)鎖切斷，流程如圖2所示。

4.1 催化氧化爐新風(fēng)量超馳控制

原VOCs設(shè)施催化燃燒的新鮮風(fēng)由風(fēng)機(jī)C-101提供，已有尾氣出口氧氣分析儀，設(shè)定值3%，由氧含量控制VOCs處理設(shè)施內(nèi)催化氧化爐的新風(fēng)量。

增加可燃?xì)怏w爆炸限監(jiān)測(cè)分析儀后，由可燃?xì)鉂舛華T-16531、氧含量AT-16512、供風(fēng)閥AV-16512構(gòu)成超馳控制，UC-16512為選擇控制器。

在正常情況下（AT-16531＜20%LEL），AIC-16512調(diào)節(jié)閥門(mén)AV-16512進(jìn)行進(jìn)風(fēng)控制；當(dāng)可燃?xì)鉂舛瘸瑯?biāo)情況 下（AT-16531≥20%LEL），由AIC-16531取 代AIC-16512調(diào)節(jié)閥門(mén)AV-16512進(jìn)行進(jìn)風(fēng)控制。UC-16512對(duì)兩個(gè)控制器的輸出進(jìn)行選擇，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門(mén)AV-16512的兩種控制方式的切換。為確保燃燒爐的安全，進(jìn)風(fēng)調(diào)節(jié)閥AV-16512選用氣關(guān)，AIC-16512選用正作用特性；AIC-16531選用反作用特性。參數(shù)整定時(shí)，AIC-16531的控制作用應(yīng)較常規(guī)強(qiáng)烈，做到取代及時(shí)。

表1 SIL 定級(jí)分析清單Table 1 SIL grading analysis list

4.2 備用風(fēng)機(jī)邏輯控制

C-101為原有風(fēng)機(jī)，風(fēng)量滿(mǎn)足原VOCs系統(tǒng)正常燃燒時(shí)的供風(fēng)量。改造后，增加稀釋用的備用風(fēng)機(jī)C-102。

當(dāng)AV-16512的開(kāi)度達(dá)到80%時(shí)，打開(kāi)備用風(fēng)機(jī)C-102，風(fēng)機(jī)完全啟動(dòng)后打開(kāi)XV-16527，向系統(tǒng)內(nèi)提供新鮮風(fēng)。

4.3 可燃?xì)鉂舛瘸蘼?lián)鎖

當(dāng)稀釋后的入口廢氣可燃?xì)怏w濃度仍然超標(biāo)，可燃?xì)怏w爆炸限監(jiān)測(cè)分析儀AT-16532A/B信號(hào)二取一觸發(fā)報(bào)警聯(lián)鎖，高高聯(lián)鎖關(guān)閉VOCs處理設(shè)施入口緊急切斷閥SDV-16505，打開(kāi)緊急放空閥BDV-16506，同時(shí)觸發(fā)停爐邏輯。

可燃?xì)鉂舛瘸蘼?lián)鎖回路為SIL 1，SIL定級(jí)分析結(jié)果見(jiàn)表1。分析儀的SIL要求應(yīng)不低于SIL1?？紤]分析儀的故障維護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)，此處采用“1oo2”的冗余設(shè)置，使其硬件故障裕度達(dá)到1，提高回路的可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

該項(xiàng)目實(shí)施后順利投產(chǎn)，滿(mǎn)足了原VOCs處理設(shè)施的進(jìn)氣要求，整個(gè)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，VOCs排放濃度滿(mǎn)足裝置所在地的工業(yè)廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)。