劉廣超

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

火炬系統(tǒng)是石油化工生產(chǎn)裝置重要的安全環(huán)保設(shè)施，主要用于處理生產(chǎn)裝置啟停、生產(chǎn)異常和應(yīng)急等過(guò)程中不能有效回收的各種可燃?xì)怏w混合物，如果氣體混合物不能通過(guò)火炬燃燒，就會(huì)造成生產(chǎn)裝置超壓，引發(fā)嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。火炬種類繁多，可按照不同分類劃分，按照燃燒器與地面之間的安裝方式可分為高架火炬和地面火炬。為了確保人身和生產(chǎn)裝置的安全，防止爆炸和火災(zāi)事故的發(fā)生，需要設(shè)置合理的火炬控制系統(tǒng)，以保證火炬系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。丙烷脫氫裝置(PDH)火炬系統(tǒng)作為一種典型的地面火炬，用來(lái)處理丙烷脫氫裝置發(fā)生事故工況時(shí)排放的氣體。地面火炬燃燒相對(duì)安全，具有良好的流量彈性，可以通過(guò)排放量自動(dòng)分級(jí)燃燒控制，相較于高架火炬，地面火炬還存在沒(méi)有光污染、熱輻射，運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，這種環(huán)保型地面火炬系統(tǒng)正逐步成為石化企業(yè)燃燒處理火炬氣的首選[1]。該火炬系統(tǒng)通常為全自動(dòng)控制，無(wú)需人為干預(yù)操作，自動(dòng)控制系統(tǒng)需要保證火炬能夠?qū)⒎趴諝怏w混合物及時(shí)、可靠、安全地燃燒[2]。結(jié)合工藝與安全的需求，通過(guò)合適地吹掃、點(diǎn)火，進(jìn)料系統(tǒng)及超溫超壓的保護(hù)控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體混合物的充分燃燒。

火炬控制系統(tǒng)一般選用工控機(jī)、單片機(jī)或者PLC，目前主流的火炬控制系統(tǒng)為集成PLC[3]。PLC具有操作簡(jiǎn)單、功能豐富、可靠性高、體積小、功耗低的特點(diǎn)，還可以作為下位機(jī)與DCS通信，適于在工業(yè)環(huán)境下運(yùn)行[4]。本文設(shè)計(jì)的基于PLC的PDH火炬控制系統(tǒng)不僅滿足了化工生產(chǎn)的安全要求，同時(shí)也提高了控制系統(tǒng)的可操作性和可靠性。因此，以下重點(diǎn)介紹該火炬控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

1 PDH火炬控制方案

來(lái)自PDH裝置的火炬氣進(jìn)入火炬分液罐進(jìn)行氣液分離，分離出的凝液(污水)由凝液泵送出火炬界外處理，火炬氣體經(jīng)由水封罐內(nèi)突破水封后送入火炬燃燒器中進(jìn)行燃燒處理?；鹁娌捎梅旨?jí)燃燒控制，第一級(jí)燃燒器支管的管道常開(kāi)，其余各級(jí)燃燒器支管的管道上設(shè)置啟動(dòng)切斷閥。PDH火炬系統(tǒng)基本工藝流程如圖1所示。

1.1 點(diǎn)火控制

點(diǎn)火控制是火炬控制邏輯的核心部分[5]，火炬的長(zhǎng)明燈需要保持常燃的狀態(tài)，否則會(huì)使得火炬熄滅從而導(dǎo)致火炬氣排空，因此，長(zhǎng)明燈持續(xù)且穩(wěn)定的燃燒是保障火炬系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

火炬點(diǎn)火裝置可以將生產(chǎn)裝置在正常生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的無(wú)法回收利用的工業(yè)廢氣或者在生產(chǎn)波動(dòng)及事故狀態(tài)下產(chǎn)生的可燃?xì)怏w放空點(diǎn)火燃燒，以保證整個(gè)生產(chǎn)裝置和設(shè)備的安全。每支長(zhǎng)明燈配有一套電點(diǎn)火裝置，在長(zhǎng)明燈頭部由點(diǎn)火電極產(chǎn)生的高壓電弧引燃燃料氣。另外，還需要長(zhǎng)明燈火焰檢測(cè)設(shè)備來(lái)判斷長(zhǎng)明燈是否正常燃燒，通常會(huì)通過(guò)在長(zhǎng)明燈上安裝雙支鎧裝熱電偶或在防風(fēng)墻上設(shè)置紫外線火檢來(lái)監(jiān)控長(zhǎng)明燈的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)點(diǎn)火，其性能的好壞將直接影響到整個(gè)火炬控制系統(tǒng)的運(yùn)行。

當(dāng)?shù)孛婊鹁鏍t膛內(nèi)的任意一支長(zhǎng)明燈熄滅，雙支熱電偶或紫外線火檢將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)控制系統(tǒng)啟動(dòng)自動(dòng)點(diǎn)火程序，重新點(diǎn)燃長(zhǎng)明燈。點(diǎn)火方式包括中心控制室遠(yuǎn)程點(diǎn)火、PLC自動(dòng)點(diǎn)火和點(diǎn)火器現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)點(diǎn)火三種方式。為了維持長(zhǎng)明燈的燃燒狀態(tài)，一般情況下點(diǎn)火控制都處于自動(dòng)控制狀態(tài)，由PLC保證點(diǎn)火系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 禁止點(diǎn)火控制

當(dāng)爐膛內(nèi)所有長(zhǎng)明燈全部熄滅且有火炬氣排放時(shí)，此時(shí)爐膛一定會(huì)有易燃易爆氣體聚集，如果此時(shí)發(fā)出點(diǎn)火命令，那么長(zhǎng)明燈的高壓拉弧會(huì)造成爐膛內(nèi)的閃爆，引起嚴(yán)重的安全后果。因此，控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出“禁止點(diǎn)火命令”，所有長(zhǎng)明燈禁止點(diǎn)火，包括自動(dòng)點(diǎn)火和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)點(diǎn)火。

1.3 氮?dú)饩o急吹掃控制

為了維持排放管道的微正壓，防止空氣倒流進(jìn)入排放氣管線，同時(shí)為了避免火炬系統(tǒng)發(fā)生管線內(nèi)爆炸，火炬系統(tǒng)各分級(jí)管線設(shè)有氮?dú)饩o急吹掃氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥，利用氮?dú)鈱⒐艿纼?nèi)的氣體置換。氮?dú)饩o急吹掃管線上的氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥根據(jù)其對(duì)應(yīng)的火炬氣分級(jí)管線上各氣動(dòng)開(kāi)關(guān)蝶閥的動(dòng)作指令進(jìn)行控制。

1.4 液位控制

1.4.1分液罐液位控制

分液罐設(shè)1臺(tái)凝液泵，啟停由分液罐液位變送器的信號(hào)控制，當(dāng)液位信號(hào)大于高設(shè)定值時(shí)，聯(lián)鎖開(kāi)泵，凝液泵開(kāi)始運(yùn)行，將罐內(nèi)污水排放至污水處理裝置；當(dāng)液位信號(hào)小于低設(shè)定值時(shí)，聯(lián)鎖停泵，凝液泵停止運(yùn)行。

1.4.2水封罐液位控制

水封罐液位信號(hào)小于低設(shè)定值時(shí)，補(bǔ)水氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥全開(kāi)，將罐內(nèi)新鮮水補(bǔ)充到合適高度；水封罐液位信號(hào)大于高設(shè)定值時(shí)，補(bǔ)水氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥全關(guān)。

1.5 蒸汽消煙控制

火炬氣能夠完全燃燒生成水和二氧化碳的前提是有足夠的氧氣，如果氧氣不充足，那么排放氣體就無(wú)法完全得到燃燒，此時(shí)會(huì)生成黑煙，從而造成大氣污染。當(dāng)排放量較大時(shí)，通過(guò)周圍環(huán)境的自然流動(dòng)的氧氣無(wú)法使排放氣體得到充分燃燒，容易產(chǎn)生黑煙，因此，需要人工干預(yù)，采取相應(yīng)措施使得氧氣能夠均勻分布于各個(gè)燃燒器，從而達(dá)到完全燃燒的目的。

通常的解決方式是在前幾級(jí)燃燒器中，利用蒸汽消除煙霧，蒸汽消煙可以使火炬不會(huì)排放出更多的黑煙，造成環(huán)境污染，并且可以使火炬氣得到更充分地燃燒[6]。

1)第一級(jí)蒸汽消煙的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥由水封立管上的壓力信號(hào)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制，由集氣總管上的壓力信號(hào)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制。當(dāng)有火炬氣排放時(shí)，該氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟，隨后根據(jù)集氣總管上的壓力信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)控制。

2)其他級(jí)蒸汽消煙管線上的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥由火炬氣開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)關(guān)指令控制，由集氣總管上的壓力信號(hào)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制。當(dāng)某一級(jí)火炬氣開(kāi)關(guān)閥打開(kāi)時(shí)，對(duì)應(yīng)的蒸汽氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟，隨后蒸汽氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度將根據(jù)集氣總管上的壓力信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)控制。

1.6 分級(jí)燃燒控制

地面火炬的一個(gè)較大的特點(diǎn)是采用分級(jí)燃燒控制，可以根據(jù)火炬氣的排放量大小，通過(guò)控制分級(jí)閥組將排放氣體分配到多級(jí)燃燒器中燃燒處理，高效應(yīng)對(duì)各種排放工況。地面燃燒器將大股火炬排放氣體分成小股，以便火炬氣得到充分燃燒。

該分級(jí)燃燒控制通過(guò)各分級(jí)壓力信號(hào)進(jìn)行判斷，集氣總管壓力信號(hào)作為各分級(jí)管線上火炬氣閥門開(kāi)關(guān)的壓力信號(hào)，第一級(jí)處于常開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)集氣總管壓力信號(hào)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，各級(jí)的氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥會(huì)進(jìn)行開(kāi)閥泄壓。為了實(shí)現(xiàn)快速泄壓，分級(jí)燃燒系統(tǒng)除了具有逐級(jí)開(kāi)啟的功能，還具有跨級(jí)開(kāi)啟的功能。

2 火炬控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件是火炬控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，其合理性和正確性直接決定了系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行的穩(wěn)定性[7]。隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，PLC的種類也越來(lái)越多[8]，不同品牌的PLC，其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、編程方式等都各有不同，PLC的選擇應(yīng)從各個(gè)方面加以綜合考慮[9]。某PDH項(xiàng)目的火炬控制系統(tǒng)的軟硬件都采用某公司的PLC產(chǎn)品，組態(tài)、編程、通信以及數(shù)據(jù)集成的高度統(tǒng)一，強(qiáng)大的兼容性可以使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

該火炬控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括PLC供電設(shè)計(jì)和配置設(shè)計(jì)。

2.1.1供電設(shè)計(jì)

機(jī)柜整體采用220 V UPS供電，功率為2 kW，機(jī)柜進(jìn)線斷路器采用16 A兩極微型斷路器。另外，柜內(nèi)利用220 V轉(zhuǎn)24 V電源模塊將UPS電源轉(zhuǎn)換為模塊所需要的24 V電源。PLC輸入電路電源一般采用直流24 V，開(kāi)關(guān)電源容量選擇時(shí)需要考慮負(fù)載的大小，過(guò)大的負(fù)載會(huì)影響PLC的運(yùn)行。

2.1.2PLC配置設(shè)計(jì)

PLC控制柜內(nèi)由I/O接口模塊、CPU、通信模塊構(gòu)成。常用的I/O接口模塊包括數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出模塊等[10]；CPU作為核心設(shè)備，不斷地采集輸入信號(hào)，執(zhí)行用戶程序[11]；信號(hào)模塊可作為聯(lián)系外部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和CPU的橋梁[12]。I/O點(diǎn)數(shù)的確定是選用接口模塊的先決條件，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，統(tǒng)計(jì)I/O點(diǎn)數(shù)和類型并列出表格，進(jìn)而設(shè)計(jì)出合適類型的I/O接口模塊。

該火炬控制系統(tǒng)的PLC配置如圖2所示，PLC的主要模塊包括CPU、通信模塊、1塊數(shù)字量輸入模塊、2塊數(shù)字量輸出模塊、1塊模擬量輸出模塊以及3塊模擬量輸入模塊。PLC通過(guò)通信模塊利用Modbus RTU協(xié)議與中心控制室中DCS進(jìn)行通信。

圖2 PLC控制系統(tǒng)配置示意

2.2 程序設(shè)計(jì)

該火炬控制系統(tǒng)通過(guò)RS-485方式與全廠DCS實(shí)時(shí)通信，以便操作人員在中心控制室中的操作站上也能對(duì)火炬系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控[13]。

PDH火炬控制方案主要包括： 點(diǎn)火控制、禁止點(diǎn)火控制、氮?dú)獯祾呖刂?、液位控制、蒸汽消煙控制以及分?jí)燃燒控制。該火炬控制系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，把整個(gè)控制系統(tǒng)分成若干模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣便于以后的程序維護(hù)。以下以火炬點(diǎn)火控制及氮?dú)獯祾呖刂茷槔榻BPDH火炬的控制系統(tǒng)邏輯。點(diǎn)火控制邏輯如圖3所示。

圖3 點(diǎn)火控制邏輯示意

由圖3可知，點(diǎn)火觸發(fā)信號(hào)由長(zhǎng)明燈熱電偶溫度信號(hào)決定，當(dāng)溫度低于120 ℃時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)定長(zhǎng)明燈熄滅，如果爐膛未發(fā)出長(zhǎng)明燈禁止點(diǎn)火信號(hào)，會(huì)啟動(dòng)點(diǎn)火程序，每次點(diǎn)火器點(diǎn)火25 s，停5 s，共點(diǎn)3次；若熱電偶檢測(cè)到火焰溫度高于120 ℃，說(shuō)明長(zhǎng)明燈已點(diǎn)燃，則停止點(diǎn)火；若3次點(diǎn)火完畢，熱電偶檢測(cè)溫度仍然低于120 ℃時(shí)，那么該火炬控制系統(tǒng)發(fā)出長(zhǎng)明燈點(diǎn)火失敗報(bào)警。

同理，當(dāng)發(fā)出火炬氣氣動(dòng)開(kāi)關(guān)蝶閥的關(guān)閥指令時(shí)，對(duì)應(yīng)的氮?dú)饩o急吹掃氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥也將自動(dòng)開(kāi)啟，具體氮?dú)獯祾呖刂迫缦拢?當(dāng)發(fā)出火炬氣氣動(dòng)開(kāi)關(guān)蝶閥的關(guān)閥指令時(shí)，氮?dú)饩o急吹掃氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥將自動(dòng)開(kāi)啟，延續(xù)15 min后關(guān)閉。閥門關(guān)閉后延續(xù)計(jì)時(shí)從零開(kāi)始。氮?dú)獯祾哌壿嬋鐖D4所示。

圖4 氮?dú)獯祾哌壿嬍疽?/p>

2.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面(HMI)與PLC連接，方便操作人員通過(guò)觸摸操作，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器的信息交互[14]。這不僅使操作人員無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)巡檢即可得知現(xiàn)場(chǎng)信息，更可以在第一時(shí)間掌握現(xiàn)場(chǎng)工況。觸摸屏具有人性化的HMI，其操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定，是目前最便捷的人機(jī)交互方式，能很好地在復(fù)雜環(huán)境中使用[15]。該火炬控制系統(tǒng)采用與PLC相同品牌的HMI，精簡(jiǎn)面板具備觸摸屏的基礎(chǔ)功能，性價(jià)比高。

在該火炬控制系統(tǒng)HMI與CPU之間通過(guò)Profinet通信，HMI觸摸屏分為多個(gè)控制界面，除了上述的控制方案外，還包括報(bào)警顯示界面和現(xiàn)場(chǎng)儀表參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，完全達(dá)到了項(xiàng)目的技術(shù)要求。操作人員可以在現(xiàn)場(chǎng)PLC機(jī)柜處直觀地了解到現(xiàn)場(chǎng)各臺(tái)儀表的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行控制處理，完全實(shí)現(xiàn)“傻瓜”式操作。當(dāng)有報(bào)警信息顯示的時(shí)候，操作人員能夠及時(shí)地對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行處理，消除隱患。觸摸屏的使用提高了整個(gè)火炬控制系統(tǒng)的便利性和安全性。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該火炬控制系統(tǒng)通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)HMI實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，操作方便，PLC把相關(guān)儀表參數(shù)和報(bào)警信號(hào)傳入有人值守的操作室，在中心控制室內(nèi)即可進(jìn)行正常的監(jiān)視工作。該火炬控制系統(tǒng)已投入試運(yùn)行，具有安全可靠，可維護(hù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使火炬系統(tǒng)及設(shè)備穩(wěn)定，處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了PDH火炬系統(tǒng)的控制方案，根據(jù)工藝要求和實(shí)際工況，設(shè)計(jì)出功能完善的控制系統(tǒng)及邏輯控制程序圖，通過(guò)HMI完成了現(xiàn)場(chǎng)集中控制、監(jiān)控等功能的實(shí)現(xiàn)，該火炬控制系統(tǒng)投資小，性能強(qiáng)，提高了火炬系統(tǒng)的自動(dòng)化控制水平，方便了操作，減輕了現(xiàn)場(chǎng)人員的操作難度。該火炬控制系統(tǒng)自投用以來(lái)，因其維護(hù)方便、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，保證了PDH火炬系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。