任志光
(洛陽三隆安裝檢修有限公司,河南 洛陽 471012)
近年來,為了提高石油化工企業(yè)的加熱爐熱效率,一般采用預(yù)熱空氣回收預(yù)熱的方法,將空氣由鼓風(fēng)機(jī)送入空氣預(yù)熱器預(yù)熱,預(yù)熱后的空氣送入加熱爐上裝設(shè)的燃燒器內(nèi),供燃料燃燒使用。一旦鼓風(fēng)機(jī)發(fā)生故障,而燃料油或瓦斯仍然不斷噴入爐中,有可能引起爆炸的危險(xiǎn)[1]。目前,一般采用快開風(fēng)門解決此隱患,當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)突然故障停運(yùn)時(shí),通過聯(lián)鎖控制系統(tǒng)(例如:SIS系統(tǒng))控制,將強(qiáng)制送風(fēng)切換為自然通風(fēng)來排除這種爆炸事故的危險(xiǎn),并保證加熱爐繼續(xù)運(yùn)行[2]。目前,二聯(lián)合S Zorb裝置以及四聯(lián)合瀝青裝置加熱爐均采用這種方法來避免鼓風(fēng)機(jī)故障或停運(yùn)導(dǎo)致的爆炸隱患。
為了滿足鼓風(fēng)機(jī)故障停用時(shí)迅速打開快開風(fēng)門,通常設(shè)計(jì)為當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)故障或出口壓力低低時(shí),加熱爐所有快開風(fēng)門打開。如圖1所示為四聯(lián)合瀝青裝置加熱爐快開風(fēng)門聯(lián)鎖設(shè)計(jì)邏輯,該邏輯為典型的空氣預(yù)熱回收快開風(fēng)門邏輯,實(shí)現(xiàn)了加熱爐在鼓風(fēng)機(jī)故障時(shí),強(qiáng)制通風(fēng)向自然通風(fēng)過程安全轉(zhuǎn)換的需求——加熱爐所有快開風(fēng)門打開[3]。
圖1 四聯(lián)合瀝青裝置加熱爐快開風(fēng)門聯(lián)鎖設(shè)計(jì)邏輯Fig.1 Interlocking design logic of quick opening damper of heating furnace in four joint asphalt plant
圖2 快開風(fēng)門氣路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Air circuit structure of quick opening damper
快開風(fēng)門氣路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。假設(shè)整個(gè)聯(lián)鎖邏輯為故障安全型,快開風(fēng)門的工作原理如下:
1)電磁閥失電時(shí),電磁閥由其彈簧控制,即:電磁閥排放口E與電磁閥輸出口A聯(lián)通,氣缸負(fù)責(zé)關(guān)的部分與大氣聯(lián)通,泄壓,在氣缸彈簧的作用下,快開風(fēng)門打開。
2)電磁閥帶電時(shí),電磁閥由帶電線圈控制,即:電磁閥進(jìn)氣口P與電磁閥輸出口A聯(lián)通,氣缸負(fù)責(zé)關(guān)的部分與氣源聯(lián)通,沖壓,快開風(fēng)門關(guān)閉。
3)儀表風(fēng)停風(fēng)時(shí),由于快開風(fēng)門為故障開類型,所以儀表風(fēng)停用時(shí),在氣缸彈簧的作用下,快開風(fēng)門打開。
在裝置開工加熱爐點(diǎn)爐過程中,包含自然通風(fēng)向強(qiáng)制通風(fēng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的步驟,即:鼓風(fēng)機(jī)打開,調(diào)整風(fēng)量后關(guān)閉所有快開風(fēng)門,以使加熱爐用風(fēng)完全為鼓風(fēng)機(jī)提供。按設(shè)計(jì)邏輯操作應(yīng)為:點(diǎn)擊“復(fù)位按鈕”即可,但點(diǎn)擊“復(fù)位按鈕”后,所有快開風(fēng)門同時(shí)迅速關(guān)閉,此時(shí)加熱爐所有風(fēng)量由鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量加上自然通風(fēng)風(fēng)量瞬間變?yōu)橹挥泄娘L(fēng)機(jī)的風(fēng)量,需迅速調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量以滿足燃燒需要。如調(diào)整不及時(shí),輕則由于風(fēng)量不夠?qū)е氯剂喜荒艹浞秩紵?,進(jìn)而導(dǎo)致CO含量瞬間偏高,重則導(dǎo)致所有燃燒器熄火,進(jìn)而導(dǎo)致加熱爐處于燜爐狀態(tài),此時(shí)燃料油或瓦斯仍然不斷噴入爐中,有可能引起爆炸的危險(xiǎn)。所以,所有快開風(fēng)門同時(shí)關(guān)閉是一件非常危險(xiǎn)的操作。
二聯(lián)合S Zorb裝置、四聯(lián)合瀝青裝置操作人員開工過程中意識(shí)到邏輯設(shè)計(jì)本身存在的這個(gè)問題,并未按照設(shè)計(jì)邏輯進(jìn)行操作。實(shí)際操作如下:
1)停掉現(xiàn)場(chǎng)所有快開風(fēng)門的儀表供風(fēng),以保證室內(nèi)點(diǎn)擊“復(fù)位按鈕”后現(xiàn)場(chǎng)快開風(fēng)門不會(huì)同時(shí)關(guān)閉。
2)點(diǎn)擊“復(fù)位按鈕”,觀察現(xiàn)場(chǎng)快開風(fēng)門,應(yīng)該均不動(dòng)作,處于打開狀態(tài)。
3)依次恢復(fù)快開風(fēng)門儀表風(fēng),使快開風(fēng)門關(guān)閉,同時(shí)與內(nèi)操確認(rèn),內(nèi)操同時(shí)負(fù)責(zé)調(diào)整風(fēng)量以保證加熱爐正常運(yùn)行。
該操作避免了快開風(fēng)門同時(shí)關(guān)閉帶來的爆炸隱患,但由于該操作屬于一個(gè)非常規(guī)的操作,本身也存在一定安全隱患以及勞動(dòng)強(qiáng)度的增加:
a)快開風(fēng)門停儀表風(fēng)操作過程相對(duì)較專業(yè),并非直接關(guān)閉儀表風(fēng)球閥這么簡(jiǎn)單。如果只關(guān)閉氣源球閥,快開風(fēng)門系統(tǒng)內(nèi)儀表風(fēng)依然殘存壓力,點(diǎn)擊“復(fù)位按鈕”,所有風(fēng)門在殘存的氣源壓力下,依然存在可能全部關(guān)閉進(jìn)而帶來爆炸的隱患。正確操作為:關(guān)閉氣源球閥后,通過排放過濾減壓閥或拆除汽缸相應(yīng)風(fēng)線接頭,將快開風(fēng)門本身儀表風(fēng)系統(tǒng)的氣源壓力卸掉,才能保證快開風(fēng)門在復(fù)位后不會(huì)關(guān)閉。這一系列的操作對(duì)于操作人員來說相對(duì)較復(fù)雜,所以現(xiàn)場(chǎng)操作均由儀表人員操作。如果現(xiàn)場(chǎng)操作不當(dāng),可能會(huì)存在損壞過濾減壓閥或者存在帶壓拆除風(fēng)線接頭,導(dǎo)致人身傷害的隱患。
b)該操作需要外操人員和儀表人員在現(xiàn)場(chǎng)操作,且該操作存在于點(diǎn)爐開工階段,加熱爐以及其他裝置設(shè)備工作狀態(tài)并不穩(wěn)定,現(xiàn)場(chǎng)泄漏、著火甚至爆炸出現(xiàn)的幾率高于平時(shí),現(xiàn)場(chǎng)操作無疑增加了這些異常情況對(duì)人員的傷害幾率。
c)該操作增加了勞動(dòng)強(qiáng)度,該操作至少需要兩名內(nèi)操(一人監(jiān)視SIS,一人監(jiān)視DCS)、一名外操(確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)快開風(fēng)門開關(guān)情況)、兩名儀表人員(兩人作業(yè)制度要求)來完成作業(yè)。
d)該操作延長(zhǎng)了自然通風(fēng)向強(qiáng)制通風(fēng)切換的時(shí)間,切換時(shí)需要的準(zhǔn)備工作如下:工藝人員需先聯(lián)系儀表人員,儀表人員開具作業(yè)許可證、現(xiàn)場(chǎng)就位,室內(nèi)外溝通確認(rèn)、停儀表風(fēng),室內(nèi)外再次溝通確認(rèn)停風(fēng)狀態(tài)等,從決定切換到快開風(fēng)門達(dá)到可以關(guān)閉的條件至少需要1 h。
圖3 四聯(lián)合原加熱爐快開風(fēng)門的氣路原理圖Fig.3 Schematic diagram of gas path of quick opening air valve of four combined heating furnace
表1 觸發(fā)器功能塊真值表Table 1 Trigger function block truth table
隨著自動(dòng)化控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,如果在滿足鼓風(fēng)機(jī)故障時(shí)快開風(fēng)門迅速打開的安全要求下,能通過室內(nèi)軟邏輯實(shí)現(xiàn)快開風(fēng)門的開關(guān),可解決現(xiàn)場(chǎng)停儀表風(fēng)帶來的安全隱患與勞動(dòng)強(qiáng)度增加的問題。
四聯(lián)合瀝青裝置在DCS系統(tǒng)改造之前,加熱爐快開風(fēng)門是通過現(xiàn)場(chǎng)氣動(dòng)控制箱與室內(nèi)PLC系統(tǒng)共同完成自然通風(fēng)向強(qiáng)制通風(fēng)切換過程的,只需在鼓風(fēng)機(jī)正常開啟,室內(nèi)點(diǎn)擊復(fù)位按鈕后,現(xiàn)場(chǎng)操作氣動(dòng)控制箱按鈕即可,整個(gè)切換過程無需現(xiàn)場(chǎng)停儀表風(fēng)。以此為模型,通過軟邏輯對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換,可實(shí)現(xiàn)不停儀表風(fēng)進(jìn)而完成自然通風(fēng)向強(qiáng)制通風(fēng)轉(zhuǎn)換的過程。
2.2.1 模型工作原理
如圖3所示為四聯(lián)合原加熱爐快開風(fēng)門的氣路原理圖,其工作原理如下:
室內(nèi)產(chǎn)生聯(lián)鎖信號(hào),開線圈帶電,快開風(fēng)門打開,無論按哪個(gè)按鈕,快開風(fēng)門均不會(huì)關(guān)閉。
1)開線圈失電時(shí),導(dǎo)致快開風(fēng)門開的氣缸泄壓,但由于氣缸為雙作用氣缸,負(fù)責(zé)風(fēng)門關(guān)的氣缸并沒有進(jìn)氣,不按任何按鈕的話,風(fēng)門將處于保位狀態(tài),即仍處于打開狀態(tài)。
2)線圈失電后,快開風(fēng)門的開關(guān)由現(xiàn)場(chǎng)氣動(dòng)控制箱的按鈕控制,且按鈕均為彈簧自復(fù)位按鈕,結(jié)合雙作用氣缸,可以做到關(guān)按鈕按下后,在按鈕彈簧作用下按鈕自動(dòng)彈出,按鈕作用消失。但在雙作用氣缸的保位作用下,風(fēng)門不會(huì)因按鈕作用消失即再次打開,只有再次點(diǎn)擊開按鈕或者鼓風(fēng)機(jī)故障時(shí),風(fēng)門才會(huì)再次打開。
3)線圈失電后,同時(shí)按下開、關(guān)按鈕或者同時(shí)松開開、關(guān)按鈕,風(fēng)門處于保位狀態(tài)。
2.2.2 模型的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)
相對(duì)于實(shí)際操作,模型的操作存在以下優(yōu)點(diǎn):
1)模型操作無需停儀表風(fēng),避免停儀表風(fēng)帶來損壞過濾減壓閥以及帶壓拆除風(fēng)線接頭導(dǎo)致人身傷害的隱患。
2)模型操作簡(jiǎn)單,無需儀表人員操作,只需內(nèi)操、外操溝通即可完成操作,人數(shù)可由5人降至3人。
3)由于無需停儀表風(fēng)且無需儀表人員操作,減少了聯(lián)系儀表人員、開具作業(yè)許可證,以及停儀表風(fēng)的環(huán)節(jié),切換準(zhǔn)備時(shí)間將大大縮短。
雖然模型操作可以解決停儀表風(fēng)的問題,但其本身也存在以下安全隱患:
a)雙作用氣缸的使用。雙作用氣缸在停風(fēng)的狀態(tài)下是處于保位狀態(tài)的,也就是說在裝置停儀表風(fēng)后,快開風(fēng)門將無法打開,如果鼓風(fēng)機(jī)此時(shí)出現(xiàn)故障,同樣會(huì)引起爆炸的危險(xiǎn)。
b)氣動(dòng)控制箱存在關(guān)按鈕故障的隱患。如果關(guān)按鈕故障,關(guān)按鈕作用長(zhǎng)期起作用,使負(fù)責(zé)關(guān)的氣缸長(zhǎng)期沖壓,若此時(shí)鼓風(fēng)機(jī)故障致其負(fù)責(zé)開的線圈帶電,需使開氣缸沖壓打開快開風(fēng)門,但此時(shí)風(fēng)門依然保位,即關(guān)閉狀態(tài),同樣會(huì)引起爆炸的危險(xiǎn)。
2.3.1 雙作用氣缸的模型轉(zhuǎn)換
目前,瀝青裝置和S Zorb裝置新上的快開風(fēng)門均為單作用氣缸。風(fēng)關(guān)閥,即停儀表風(fēng)后快開風(fēng)門打開,滿足了裝置停儀表風(fēng)時(shí)快開風(fēng)門打開的安全要求。
但模型操作中的保位功能均由雙作用氣缸來完成,即:鼓風(fēng)機(jī)故障恢復(fù)后需保位,復(fù)位按鈕按下后才允許關(guān)閉;開關(guān)按鈕按下,彈簧自復(fù)位后風(fēng)門同樣需要保位。
基于模型操作對(duì)保位功能的需求,需用一個(gè)帶有保位功能的軟邏輯功能塊來代替雙作用氣缸以實(shí)現(xiàn)保位功能,觸發(fā)器功能塊即可實(shí)現(xiàn)此功能,觸發(fā)器功能塊的真值見表1。
由真值表向雙作用氣缸遞推過程如下:
圖4 快開風(fēng)門的邏輯Fig.4 Logic of quick opening damper
1)當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)故障或鼓風(fēng)機(jī)無故障,且開按鈕按下時(shí),雙作用氣缸動(dòng)作如下:雙作用氣缸負(fù)責(zé)開的氣缸沖壓,快開風(fēng)門打開;觸發(fā)器動(dòng)作如下:S置1,此時(shí)R置0,觸發(fā)器輸出1,假設(shè)邏輯1代表快開風(fēng)門打開。
2)當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)故障恢復(fù),且開、關(guān)按鈕都未按下時(shí),雙作用氣缸動(dòng)作如下:雙作用氣缸負(fù)責(zé)開、關(guān)的氣缸均未沖壓,快開風(fēng)門處于保位狀態(tài);觸發(fā)器動(dòng)作如下:S置0,此時(shí)R置0,觸發(fā)器輸出為保位狀態(tài)。
3)當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)無故障,且按下關(guān)按鈕時(shí),雙作用氣缸動(dòng)作如下:雙作用氣缸負(fù)責(zé)關(guān)的氣缸沖壓,快開風(fēng)門關(guān)閉;觸發(fā)器動(dòng)作如下:S置0,R置1,觸發(fā)器輸出為0,即:快開風(fēng)門關(guān)閉。
4)鼓風(fēng)機(jī)故障后未恢復(fù)時(shí),按下關(guān)按鈕,雙作用氣缸動(dòng)作如下:由于鼓風(fēng)機(jī)故障,氣動(dòng)控制箱開按鈕線圈帶電。此時(shí)負(fù)責(zé)開的氣缸沖壓,即使此時(shí)按下關(guān)按鈕,負(fù)責(zé)關(guān)的氣缸也沖壓,風(fēng)門依然處于保位狀態(tài),保持故障狀態(tài),即:開位置。觸發(fā)器動(dòng)作如下:S置1,R置1,觸發(fā)器輸出取決于SR的優(yōu)先級(jí)別。從安全角度著想,輸出1,即:讓風(fēng)門打開,所以選擇置位優(yōu)先觸發(fā)器。
由遞推過程與雙作用氣缸動(dòng)作原理比較,得知:觸發(fā)器可以完全代替雙作用氣缸,完成保位功能。
2.3.2 自復(fù)位按鈕模型轉(zhuǎn)換
模型中自復(fù)位按鈕是通過彈簧實(shí)現(xiàn)自復(fù)位功能,即:按下時(shí),快開風(fēng)門起切換作用,但松開時(shí),由于彈簧自復(fù)位功能,按鈕的切換作用消失。由于雙作用氣缸的保位作用,使風(fēng)門保持在按鈕按下的位置。正因?yàn)閺椈勺詮?fù)位功能,才避免了按鈕按下后忘記復(fù)位導(dǎo)致雙作用氣缸因?yàn)樨?fù)責(zé)開關(guān)氣缸同時(shí)沖壓帶來的錯(cuò)誤保位,即:無法動(dòng)作的現(xiàn)象。
控制系統(tǒng)下位邏輯中,實(shí)現(xiàn)自復(fù)位功需要多個(gè)邏輯共同搭建才能完成,相對(duì)較復(fù)雜,且按照按鈕在上位機(jī)畫面上操作的思路,利用上位軟件的“自復(fù)位按鈕”控件來代替模型中的帶彈簧的自復(fù)位按鈕。
2.3.3 快開風(fēng)門邏輯的實(shí)現(xiàn)
快開風(fēng)門打開的條件為:鼓風(fēng)機(jī)故障或者鼓風(fēng)機(jī)無故障時(shí)按下開按鈕,所以將這兩個(gè)條件連接至觸發(fā)器的置位功能端S端。
快開風(fēng)門關(guān)閉的條件為:鼓風(fēng)機(jī)無故障時(shí)按下關(guān)按鈕,所以將該條件連接至觸發(fā)器的復(fù)位功能端R端。
由以上條件針對(duì)每一個(gè)快開風(fēng)門編寫邏輯如圖4所示。
2.3.4 快開風(fēng)門軟邏輯實(shí)現(xiàn)的可行性
快開風(fēng)門軟邏輯只需在控制系統(tǒng)組態(tài)即可實(shí)現(xiàn),無需增加任何線路、風(fēng)線,以及相關(guān)設(shè)備等材料,也就是說將現(xiàn)有設(shè)備改造為軟邏輯控制,無需任何額外增加的材料費(fèi)用。所以,快開風(fēng)門邏輯實(shí)現(xiàn)的思路是完全可行而且經(jīng)濟(jì)的。
同時(shí),現(xiàn)場(chǎng)快開風(fēng)門有開、關(guān)兩個(gè)回訊,可通過回訊信號(hào)在控制系統(tǒng)上的切換顯示,判斷現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)門實(shí)際的開關(guān)狀態(tài),室內(nèi)軟邏輯操作可以完全代替現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)的過程。
該快開風(fēng)門的軟邏輯已在中化泉州石化的1200萬噸/年常減壓裝置(包括26個(gè)快開風(fēng)門)、160萬噸/年延遲焦化裝置(包括8個(gè)快開風(fēng)門)的加熱爐空氣預(yù)熱系統(tǒng)中完成組態(tài)并調(diào)試投用,目前使用正常。
快開風(fēng)門軟邏輯的操作方法如下:
1)開工過程,即自然通風(fēng)向強(qiáng)制通風(fēng)轉(zhuǎn)換過程中,SIS控制系統(tǒng)點(diǎn)擊“鼓風(fēng)機(jī)故障復(fù)位按鈕”復(fù)位鼓風(fēng)機(jī)故障信號(hào)后,點(diǎn)擊SIS畫面“關(guān)按鈕”即可關(guān)閉相應(yīng)快開風(fēng)門。內(nèi)操通過SIS系統(tǒng)依次關(guān)閉快開風(fēng)門,同時(shí)另一名內(nèi)操通過DCS系統(tǒng)調(diào)整爐膛負(fù)壓。
2)正常運(yùn)行過程中,如果遇到鼓風(fēng)機(jī)故障,所有快開風(fēng)門同時(shí)打開。
相對(duì)于目前實(shí)際操作以及模型操作,快開風(fēng)門軟邏輯既克服了之前設(shè)計(jì)邏輯與現(xiàn)場(chǎng)停風(fēng)操作存在的隱患,同時(shí)也克服了模型操作存在的問題,從安全性和勞動(dòng)強(qiáng)度方面的效果進(jìn)行了如下分析。
3.3.1 安全性
從安全方面考慮,快開風(fēng)門軟邏輯具有以下優(yōu)點(diǎn):
1)由于軟邏輯采用每個(gè)快開風(fēng)門獨(dú)立配置開、關(guān)按鈕,自然通風(fēng)向強(qiáng)制通風(fēng)切換過程,一個(gè)一個(gè)操作關(guān)閉,避免了原始設(shè)計(jì)邏輯中快開風(fēng)門同時(shí)關(guān)閉可能帶來的爆炸隱患。
2)操作時(shí)無需?,F(xiàn)場(chǎng)儀表風(fēng),避免了因停儀表風(fēng)帶來的設(shè)備損害及人身傷害的隱患。
3)操作時(shí)只需在室內(nèi)操作,無需現(xiàn)場(chǎng)操作,降低了現(xiàn)場(chǎng)開工時(shí)裝置設(shè)備不穩(wěn)定引起的泄漏、著火、爆炸等不穩(wěn)定因素對(duì)人造成的額外傷害的幾率。
4)現(xiàn)場(chǎng)快開風(fēng)門氣缸為單作用氣缸,儀表風(fēng)停用時(shí)快開風(fēng)門自動(dòng)打開,避免了模型操作中儀表風(fēng)停用帶來的爆炸隱患。
5)該邏輯的自復(fù)位按鈕采用組態(tài)軟件的控件組態(tài)完成,本身具有防粘連功能,避免了模型操作中機(jī)械按鈕因?yàn)闄C(jī)械故障導(dǎo)致的爆炸隱患。
3.3.2 勞動(dòng)強(qiáng)度
從降低勞動(dòng)強(qiáng)度方面考慮,快開風(fēng)門軟邏輯具有以下優(yōu)點(diǎn):
1)快開風(fēng)門軟邏輯操作只需在室內(nèi)DCS和SIS控制系統(tǒng)畫面操作,完成整個(gè)操作所需人數(shù)由之前的至少5人減為現(xiàn)在的2人。
2)由于軟邏輯操作只需內(nèi)操操作,無需儀表人員以及外操人員操作,減少了聯(lián)系儀表人員、開具作業(yè)許可證、現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)等所有環(huán)節(jié),所以從決定由自然通風(fēng)切換到強(qiáng)制通風(fēng)切換,再到快開風(fēng)門達(dá)到可以關(guān)閉的條件,所需時(shí)間由之前的至少1 h到現(xiàn)在的0 min,即:無需等待時(shí)間,需要切換隨時(shí)可以切換。
隨著洛陽石化1800萬噸/年的擴(kuò)建項(xiàng)目籌建在即,籌建過程中肯定會(huì)遇到加熱爐相關(guān)的快開風(fēng)門邏輯問題,利用本文所設(shè)計(jì)的軟邏輯控制快開風(fēng)門,既滿足了邏輯的安全需求,又大大降低了開工過程自然通風(fēng)向強(qiáng)制通風(fēng)切換過程中的勞動(dòng)強(qiáng)度和風(fēng)險(xiǎn),為新上加熱爐的快開風(fēng)門邏輯提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。