70萬噸/年汽油加氫裝置工業爐的聯鎖邏輯

王建華 李春亮 申玉輝 高興隆(中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071)

0 引言

工業實體經濟規模日益大型化，整體生產系統面臨的風險也隨之增大，為保證生產長周期安全運行，設置對可能事故進行預判并采取相應動作的安全監控系統是必不可少的。工業爐是煉油裝置中重要的能量來源，運行高溫帶壓，爐管、儀表等任一處的失效可能造成人力財力的巨大消耗，針對一定裝置報警聯鎖系統的設立已成為設計中的重要一步[1]。其中DCS集散控制系統以PID控制為主，控制等級較低；SIS安全聯鎖系統可通過評估定級和HAZOP分析后，實現較高級別聯鎖。本文以某煉廠70萬噸/年加氫裝置工業爐為例，對聯鎖設計進行說明和展望。

工業爐安全聯鎖是為了能在由于各種原因引起的工作異常和緊急情況下對系統進行保護。聯鎖機構需要對爐內各工況下的數據進行實時監視收集，傳感器采集數據進行分析判斷，從而控制安全生產。這些數據主要有以下幾類：

1 主要操控參數

1.1 氧含量和負壓

為保證燃燒效果，爐頂氧含量正常值一般為3%～5%，過低通常燃料燃燒不充分，容易使管材脫碳；氧含量過高導致NOx排出量和有效熱量排出增加。爐頂氧含量≤2%低報警；≥5%高報警。當鼓風機正常工作時，通過調節鼓風機電機頻率保證氧含量，鼓風機不工作時，手動調節燃燒器風門擋板實現[2]。

工業爐為特殊的帶有燃燒系統的工藝設備，為增加安全性，確保高溫煙氣不從看火門噴出危及操作人員和設備安全，維持燃燒空氣過剩量，減少燃料消耗量，一般通過煙囪抽力或風機實現負壓操作，爐頂負壓正常值在-50～-25Pa。當引風機正常工作時，通過調節電機頻率保持負壓正常值；引風機故障時，通過調節煙囪擋板或預熱器前熱煙道擋板控制爐頂壓力。

若當有兩爐及以上共用空氣預熱系統時，以兩爐及以上中爐頂壓力平均值高者為控制變量來調節擋板。

1.2 管壁溫度

為檢測溫度場同時防止爐管過熱，在輻射段爐管向火面60°范圍內設置管壁熱電偶。管壁溫度報警值建議取介質出口溫度120℃、管材最高使用溫度-30℃、最高油膜溫度15℃，通過調整燃料和介質流量實現調節。

1.3 前置空氣預熱器空氣出口溫度

為增加換熱效果，本裝置中設置了前置預熱器，通過熱媒預熱空氣后進入空氣預熱器，當空氣出口溫度低時，聯鎖切斷燃料，停鼓風機，打開快開風門。

1.4 火焰檢測

為保證工業爐安全運行，通過紫外火檢或紅外火檢對長明燈火焰進行檢測并設置聯鎖，當火檢檢測到火焰信號全無或信號超過一半無時，聯鎖停爐。

2 安全聯鎖邏輯選取

工業爐聯鎖系統的主要作用是在生產過程中對可能引發事故的參數設定極限值，當參數達到設定值或設備故障時即進入DCS系統實現聯鎖動作，支配相關設備，切斷危險源，以保障人員安全，保證設備安全運行，避免或降低風險。如表1所示，左側為本裝置中觸發聯鎖的主要參數，右側為觸發聯鎖后的動作。

表1 主要聯鎖參數表

2.1 壓力聯鎖

空氣預熱系統作為重要的節能降耗系統，為保護空氣預熱系統中相關設備，需要在相應設備設高高或低低聯鎖。空氣預熱器出口煙氣壓力高高會對引風機造成損害，一般≥-400Pa聯鎖停引風機，打開煙道旁路擋板，通過自動調節煙囪擋板開度保持爐頂負壓；鼓風機出口空氣壓力低低對空氣預熱器換熱性能造成一定影響，從而降低工業爐綜合熱效率，當壓力≤400Pa時聯鎖停引風機，打開煙道旁路擋板，關熱煙進預熱器擋板，同時聯鎖停鼓風機，打開爐底快開風門，通過自動調節煙囪擋板開度保持爐頂負壓；空氣預熱器出口空氣壓力低低時，進風中氧含量低會導致燃燒不充分，設置≤130Pa聯鎖停燃料，同時停鼓風機，打開快開風門。

當主燃料氣壓力低低時，一般小于0.01MPa時易造成燃燒不充分，需要切斷燃料；而主燃料氣壓力高高時，一般高于0.3MPa時，易造成脫火十分危險，此時也需要切斷燃料。長明燈用燃料氣壓力較低，一般正常在0.01～0.1MPa，當低于或高于限值時，應切斷燃料氣同時停風機、打開快開風門和熱煙道旁路擋板。

2.2 溫度聯鎖

空氣預熱器入口煙氣溫度高高在預熱器熱負荷一定時，排煙溫度過高。本裝置煙氣溫度高高觸發聯鎖值取450℃，聯鎖停引風機，打開煙道旁路擋板，關熱煙進預熱器擋板，同時聯鎖停鼓風機，打開爐底快開風門，自動調節煙囪擋板開度實現控制。引風機入口煙氣溫度高高聯鎖停引風機，打開煙道旁路擋板，DCS系統自動調節預熱器旁路擋板，調節引風機入口煙氣溫度。爐膛溫度通常指輻射頂部煙氣溫度，溫度高高會引起爐管局部過熱結焦，對爐管吊拉鉤、管板等鑄件安全性也會有影響，當爐膛溫度高高時聯鎖停燃料，保護設備安全。對空氣預熱入口煙氣溫度的高高聯鎖，為防止誤操作，也可加入延時15s再進入聯鎖。

2.3 風機故障聯鎖

鼓引風機故障時需要聯鎖進入自然通風或半自然通風狀態，鼓風機故障時聯鎖停鼓引風機，打開爐底快開風門，打開煙道旁路擋板，即停爐操作；引風機故障時聯鎖停引風機，打開煙道旁路擋板。當風機有變頻裝置，變頻裝置故障時，由風機各自的入口調節擋板調節煙風量。本裝置上述的幾種控制聯鎖邏輯如圖1所示。

2.4 快開風門、擋板故障聯鎖

為保證風機故障時設備繼續運行，需要在爐底熱風道設置快開風門，以便進入自然通風狀態。當快開風門故障或其他聯鎖打開快開風門失效時，延時聯鎖停燃料。煙道旁路擋板故障或其他聯鎖打開失效時，同快開風門故障聯鎖。

3 兩爐或兩爐以上聯鎖設計

3.1 聯鎖設計

工藝計算中，往往需要多爐共用一套空氣預熱系統的情況，此時應盡量保證每座爐子可以獨立工作或切出，空氣預熱系統聯鎖設計一般近似，爐本體部分需要將各臺對應部位的對應參數加入聯鎖。純輻射工業爐可以將爐頂煙氣引入輻射-對流型爐子的對流底部，雙爐膛爐型需要在每臺爐膛設置聯鎖。

圖1 控制聯鎖示意圖

3.2 特殊位置的取值方式

在聯鎖設置中，為防止特殊位置的誤判，一般設置三取二聯鎖，三取二實際是開關量控制的投票制，在危及安全或停爐的部位設置即可。

特殊位置定位在輻射頂煙氣壓力，此處關系爐膛負壓安全操作，為保護回路，設置三取二聯鎖，當此處壓力三取二高高時，聯鎖打開煙道旁路擋板；另外鼓風機出口空氣壓力為避免發生停爐操作，也需要設置三取二，當此處三取二低低時，聯鎖停燃料供應、停鼓引風機同時打開煙道旁路擋板。

3.3 監視系統接入聯鎖的必要性淺析

為滿足污染物排放標準，通常在距煙囪出口一定距離設CEMS在線監測裝置，監測表2項目，可否通過聯鎖來滿足排放標準也是需要考慮的方向。

表2 CEMS監測項目

4 結語

本文結合工業爐特點和實際安全要求整理設計出一套聯鎖方案，通過傳感器實時采集數據輔以監視系統，從而提升工業爐在生產中的安全性能。

實際生產過程中仍存在聯鎖過度或不足現象，通過不斷優化總結，積極消除、填補，推進控制系統用于節能降耗，為生產提供安全保障。