水煤漿氣化裝置的安全聯(lián)鎖控制關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)的實(shí)施

任 翔 伍 凌 程 興

(浙江中控技術(shù)股份有限公司，杭州 310053)

煤氣化技術(shù)是現(xiàn)代煤化工的基礎(chǔ)，是通過(guò)煤高溫下直接氣化制得合成氣，再以合成氣為原料制取甲醇、合成油及天然氣等一級(jí)產(chǎn)品，同時(shí)以甲醇為原料制得乙烯及丙烯等二級(jí)化工產(chǎn)品的技術(shù)，國(guó)內(nèi)有學(xué)者分別從焦?fàn)t廢氣作煤調(diào)濕系統(tǒng)載氣的實(shí)施分析，煤制天然氣項(xiàng)目甲烷化廢熱鍋爐系統(tǒng)的技術(shù)探討，煤調(diào)濕蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，煤氣化爐水冷壁振打除灰的力學(xué)性能優(yōu)化和焦化行業(yè)煤調(diào)濕技術(shù)(CMC)的應(yīng)用方面進(jìn)行了研究和論述[1～5]。在煤氣化技術(shù)中，氣化爐是整個(gè)工藝流程的核心，典型的水煤漿氣化裝置包括德士古氣化技術(shù)[6～8]、GE氣化技術(shù)及國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化技術(shù)等。

煤氣化裝置屬高危裝置，采用安全儀表控制系統(tǒng)對(duì)裝置進(jìn)行關(guān)鍵控制及聯(lián)鎖保護(hù)等措施，既是氣化裝置本身高危險(xiǎn)性的需求，也是保障裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的需求，更是發(fā)展現(xiàn)代大型煤化工，實(shí)現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模化、利益最大化的有力保障[9～12]。在此，介紹由浙江中控集成的羅克韋爾ICS Trusted安全儀表控制系統(tǒng)，對(duì)目前國(guó)內(nèi)最大規(guī)模的多噴嘴水煤漿氣化爐裝置進(jìn)行安全聯(lián)鎖控制過(guò)程中相關(guān)的聯(lián)鎖控制關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。

如圖1所示，多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化裝置主要由煤漿制備、氣化、燒嘴冷卻水、氮?dú)獗Ｗo(hù)、鎖斗、合成氣洗滌及黑水閃蒸渣水分離等單元組成。氧氣和水煤漿經(jīng)工藝燒嘴在燃燒室迅速霧化并進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，放出大量熱，生成以CO+H2為主要成分的煤氣，主要的化學(xué)反應(yīng)：2C+O2═2CO，2CO+O2═2CO2，C+H2O═CO+H2，CO2+H2═CO+H2O，所有反應(yīng)在6.6MPa、1 300℃的高溫高壓環(huán)境下快速進(jìn)行，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體經(jīng)水激冷降溫和初步除塵后，煤氣與汽化的水蒸氣一起離開(kāi)氣化爐激冷室進(jìn)入煤氣洗滌子系統(tǒng)。反應(yīng)熔渣經(jīng)冷卻后被固化，沉降到底部后定期排渣至渣池，未反應(yīng)的碳與氣化爐的黑水一起送入黑水閃蒸渣水分離單元。

煤漿制備單元為氣化環(huán)節(jié)提供合格的水煤漿，高壓煤漿泵的聯(lián)鎖保護(hù)進(jìn)入安全儀表控制系統(tǒng)。燒嘴冷卻水單元為保護(hù)燒嘴而單獨(dú)設(shè)置，燒嘴長(zhǎng)期置于高溫環(huán)境，采用冷卻水循環(huán)方式為燒嘴降溫。鎖斗單元是氣化裝置的排渣單元，通過(guò)程序的循環(huán)定時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)熔渣的定期排出。氣化爐的粗合成氣經(jīng)混合器濕潤(rùn)和旋風(fēng)分離器分離出大部分濕潤(rùn)的細(xì)灰，再經(jīng)水洗塔進(jìn)一步洗滌除塵，將合成氣含塵量降至1mg/m3(標(biāo))以下。水洗塔中部含固體量較低的洗滌黑水經(jīng)黑水循環(huán)泵加壓后分兩路，一路經(jīng)黑水過(guò)濾器過(guò)濾后送入氣化爐激冷環(huán)節(jié)作為激冷室冷卻水，另一路送入蒸發(fā)熱水塔作為冷卻洗滌和濕潤(rùn)水。

圖1 多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化裝置工藝流程

2 安全聯(lián)鎖控制中關(guān)鍵點(diǎn)的實(shí)施

水煤漿裝置工藝過(guò)程復(fù)雜，聯(lián)鎖控制關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，為了裝置更可靠平穩(wěn)地運(yùn)行，常規(guī)控制系統(tǒng)需配上安全儀表控制系統(tǒng)來(lái)保證裝置和整個(gè)流程的安全平穩(wěn)生產(chǎn)[13]。

2.1 安全儀表控制系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)氣化裝置的特點(diǎn)，分別為每臺(tái)氣化爐配置一套三重化安全儀表控制系統(tǒng)，共4個(gè)機(jī)柜。為了方便于系統(tǒng)的調(diào)試，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜之間設(shè)置有工程師站兼事件順序記錄站(Sequence of Event，SOE)，并采用冗余工業(yè)以太網(wǎng)方式與系統(tǒng)通信，中央控制室和系統(tǒng)的連接則采用冗余光纖通信模式，操作站通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的操作。安全儀表控制系統(tǒng)和過(guò)程系統(tǒng)的通信采用Modbus協(xié)議進(jìn)行通信。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與硬件配置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與硬件配置

2.2 關(guān)鍵控制方案

為保障多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化裝置的安全運(yùn)行，開(kāi)車(chē)順控、聯(lián)鎖保護(hù)和停車(chē)吹掃是整個(gè)安全儀表控制系統(tǒng)的控制重點(diǎn)，是裝置順利開(kāi)車(chē)和平穩(wěn)運(yùn)行的保障。

2.2.1開(kāi)車(chē)順控

在開(kāi)車(chē)順控中，安全儀表控制系統(tǒng)依次動(dòng)作氧氣放空閥、煤漿循環(huán)閥及煤漿截止閥等，完成管線的氮?dú)獯祾吆兔簼{氧氣入爐(各類(lèi)閥的選型和應(yīng)用參見(jiàn)文獻(xiàn)[14～19])。在投料過(guò)程初始階段，通過(guò)系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)，自動(dòng)地將所有聯(lián)鎖條件切除，待裝置點(diǎn)火成功后再將所有聯(lián)鎖條件投入。裝置反應(yīng)物料為高純度氧氣，為防止?fàn)t內(nèi)過(guò)氧，在開(kāi)車(chē)邏輯中確保煤漿先于氧氣進(jìn)入爐內(nèi)，并且通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)的反饋信號(hào)對(duì)氧氣截止閥動(dòng)作時(shí)間準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，一旦時(shí)間不能滿(mǎn)足要求即發(fā)出停車(chē)信號(hào)。

安全儀表控制系統(tǒng)的順序控制通過(guò)比較系統(tǒng)的命令輸出和現(xiàn)場(chǎng)反饋信號(hào)的一致性，按約定的步驟完成煤漿循環(huán)、氧氣放空、煤漿投料、氧氣管線吹掃和氧氣投料5個(gè)步驟，裝置的開(kāi)車(chē)狀態(tài)通過(guò)硬接線信號(hào)送至DCS。

2.2.2裝置聯(lián)鎖保護(hù)

四噴嘴水煤漿氣化裝置運(yùn)行過(guò)程中，爐內(nèi)溫度高、壓力大，屬高危裝置。為了確保裝置的安全運(yùn)行，保護(hù)設(shè)備和人身安全，對(duì)裝置的重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，參與聯(lián)鎖的信號(hào)均采用三選二表決方式實(shí)現(xiàn)，設(shè)置煤漿流量低低聯(lián)鎖、高壓煤漿泵運(yùn)行信號(hào)、激冷室液位、合成氣出口溫度引入停車(chē)信號(hào)。四噴嘴水煤漿氣化裝置的聯(lián)鎖保護(hù)邏輯如圖3所示。

圖3 四噴嘴水煤漿氣化裝置的聯(lián)鎖保護(hù)邏輯

2.2.3停車(chē)順控

氣化裝置的停車(chē)順序和啟動(dòng)相應(yīng)的保護(hù)措施均有特殊要求，觸發(fā)系統(tǒng)停車(chē)信號(hào)除來(lái)自裝置聯(lián)鎖保護(hù)程序段外，對(duì)每對(duì)燒嘴設(shè)置單獨(dú)的緊急停車(chē)按鈕，按鈕集成在中央控制室的操作臺(tái)。

在停車(chē)順控中，安全儀表控制系統(tǒng)有先后順序地關(guān)閉物料閥門(mén)、打開(kāi)氮吹保護(hù)閥，及時(shí)順利地將裝置置于安全狀態(tài)，減少事故損失，為裝置再開(kāi)車(chē)贏得有利條件。

3 安全聯(lián)鎖的控制重點(diǎn)

將高壓煤漿泵的運(yùn)行、電流、轉(zhuǎn)速聯(lián)鎖信號(hào)引入安全儀表控制系統(tǒng)，防止由于煤漿電磁流量計(jì)監(jiān)測(cè)流量(流量監(jiān)測(cè)儀表的選型參見(jiàn)文獻(xiàn)[20])存在一定時(shí)間的延遲，氣化爐持續(xù)運(yùn)行導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)過(guò)氧，造成事故。

氣化爐停車(chē)后氧氣管線氮?dú)獯祾唛y立即打開(kāi)，并滯后于煤漿管線吹掃閥關(guān)閉，煤漿管線氮?dú)獯祾唛y后開(kāi)先關(guān)，防止煤漿等混合氣體串入氧氣管線，引起氧氣管線爆炸，氧氣管線必須馬上吹掃。

系統(tǒng)復(fù)位后需要將氮?dú)庑×髁块y打開(kāi)，氣化爐開(kāi)車(chē)，爐內(nèi)溫度已經(jīng)達(dá)到1 000℃以上，且煤漿先于氧氣進(jìn)入爐內(nèi)氣化，為保護(hù)氧氣管線打開(kāi)氮?dú)庑×髁块y。

4 裝置實(shí)際運(yùn)行效果

該裝置的日投煤量3 000t，其氧耗、煤耗比同類(lèi)型水煤漿氣化裝置低3%～5%，碳轉(zhuǎn)化率在98%以上，有效氣體成分轉(zhuǎn)化率82%～85%，其穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)適用性和先進(jìn)性有目共睹。裝置近半年的運(yùn)行情況表明，安全儀表控制系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工況、準(zhǔn)確發(fā)出停車(chē)信號(hào)、確保生命財(cái)產(chǎn)安全的良好性能，其穩(wěn)定性和可靠性完全優(yōu)于工藝要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

浙江中控集成的羅克韋爾ICS Trusted安全儀表控制系統(tǒng)在煤化工氣化爐裝置的大量成功應(yīng)用表明，經(jīng)過(guò)SIL3安全認(rèn)證，采用三重化技術(shù)的安全儀表控制系統(tǒng)的投用，使最危險(xiǎn)的氣化裝置的安全性得到了極大的提高。安全儀表控制系統(tǒng)在避免工業(yè)災(zāi)難、減少工業(yè)事故損失、保障企業(yè)長(zhǎng)周期平穩(wěn)滿(mǎn)負(fù)荷生產(chǎn)方面起到了積極和重要的作用，為工業(yè)過(guò)程中要求最大安全與連續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵控制提供了一種最佳選擇。

[1] 毛雪華,汪洋,張建國(guó),等.焦?fàn)t廢氣作煤調(diào)濕系統(tǒng)載氣的實(shí)施分析[J].化工機(jī)械,2011,38(5):553～554,619.

[2] 張明.煤制天然氣項(xiàng)目甲烷化廢熱鍋爐系統(tǒng)的技術(shù)探討[J].化工機(jī)械,2012,39(2):121～123,161.

[3] 王玉平,張娟,竇巖,等.煤調(diào)濕蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].化工機(jī)械,2011,38(6):709～711.

[4] 林發(fā)現(xiàn),鄭小濤,喻九陽(yáng),等.煤氣化爐水冷壁振打除灰的力學(xué)性能優(yōu)化[J].化工機(jī)械,2012,39(2):170～173,225.

[5] 竇巖,馬耀宏,詹仲福,等.焦化行業(yè)煤調(diào)濕技術(shù)(CMC)的應(yīng)用[J].化工機(jī)械,2012,39(2):217～221.

[6] 易鋒.德士古煤氣化爐的制造和檢驗(yàn)[J].化工機(jī)械,2012,39(3):365～368.

[7] 閆順,邱峰,何春芳.GEHO高壓煤漿泵故障分析處理及其備件國(guó)產(chǎn)化[J].化工機(jī)械,2012,39(6):808～810.

[8] 張明.現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及展望[J].化工機(jī)械,2012,39(3):257～265.

[9] 張建國(guó).安全儀表控制系統(tǒng)在過(guò)程工業(yè)中的應(yīng)用[M].北京:中國(guó)電力出版社,2010:5～30.

[10] 陽(yáng)憲惠,郭海濤.安全儀表控制系統(tǒng)的功能安全[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007:4～20.

[11] 焦慧娟,李濤.淺談煤氣化爐中分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及選型[J].石油化工自動(dòng)化,2014,50(5):25～28.

[12] 曹輝.煤制烯烴主要控制系統(tǒng)的配置原則[J].石油化工自動(dòng)化,2013,49(5):43～45.

[13] 于遵宏,王輔臣.現(xiàn)代煤化工技術(shù)叢書(shū)——煤炭氣化技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010:35～50.

[14] 庚小飛,楊樹(shù)君,馮星星,等.煤化工用硬密封球閥損壞原因分析及解決方案[J].石油化工自動(dòng)化,2014,50(5):92～93.

[15] 周玉紅,楊恩杰,王常凱.盤(pán)閥在煤氣化裝置中的應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化,2014,50(1):67～68.

[16] 付榮申.煤化工中氧閥的選型[J].石油化工自動(dòng)化,2013,49(4):20～23.

[17] 劉志偉.煤氣化工況自控閥門(mén)選型探討[J].石油化工自動(dòng)化,2013,49(2):55～57.

[18] 嚴(yán)春明,嚴(yán)啟斌,吳斌,等.煤氣化裝置氧氣切斷閥的國(guó)產(chǎn)化及其應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化,2013,49(3):48～50.

[19] 賈瑋,李濤.水煤漿氣化裝置中氧氣切斷球閥的選型[J].石油化工自動(dòng)化,2013,49(5):72～75.

[20] 李冰,郭宏遠(yuǎn),李健,等.粉煤氣化裝置中流量測(cè)量?jī)x表的選型[J].石油化工自動(dòng)化,2014,50(1):58～60.