荒煤氣轉化爐自控系統設計及應用

汪志偉，蔡丹，趙振強，詹信，嚴義剛

(中國五環工程有限公司， 湖北 武漢 430223)

中國存在數量較大的煤層氣、頁巖氣、焦爐氣和荒煤氣等非常規可燃氣，非常規可燃氣資源具有低碳、潔凈、綠色、低污染的特性[1-2]。在高溫加壓無催化劑下，非常規可燃氣與氧氣進行部分燃燒生產合成氣(CO+H2)并放出大量熱量的過程稱為非催化部分氧化，該工藝形成于20世紀50年代早期，但以大型裝置為目標的研究較少見諸報道[3]。近年來，隨著頁巖氣在美國的成功開發，以及合成氣作為中間產物生成液態烴或化工原料(如氨、甲醇、乙二醇、二甲醚)等工藝的日趨成熟，發展非催化氧化技術再次引起人們的關注[4-5]。

荒煤氣是一種焦爐煤氣，由H2,CO,CO2,CH4,多碳烷烴，硫，氨，苯萘和焦油等多種成分組成。某項目以荒煤氣為原料，基于非催化部分氧化技術生成以CO和H2為有效成分的合成氣，每臺轉化爐的荒煤氣處理量約為9×103m3/h。本文基于該項目提出一種荒煤氣轉化爐自動監控系統的設計方案。該系統共設分散控制系統(DCS)、安全儀表系統(SIS)和可燃和有毒氣體檢測報警系統(GDS)等，分別完成裝置區的基本過程監視和控制、轉化爐負荷調整、安全聯鎖停車和可燃/有毒氣體泄漏監測及報警等功能。此外，針對荒煤氣轉化爐的工藝特點，還設計了轉化爐表面熱電偶、高溫熱電偶、氧氣管線儀表及荒煤氣管線儀表等特殊儀表選型方法。

1 工藝流程說明

本文所述荒煤氣非催化氧化技術的工藝流程如圖1所示，包括： 轉化爐、廢熱鍋爐、換熱器、蒸汽過熱器、燒嘴和鍋爐給水泵等設備組成。來自上游空分裝置的氧氣經廢熱鍋爐產出的飽和蒸汽在換熱器內敷熱后送入燒嘴；來自界區的荒煤氣經轉化后的合成氣在換熱器內敷熱后進入燒嘴，氧氣與荒煤氣進入轉化爐爐膛混合并發生反應，最終形成以CO，H2，CO2和水蒸氣為主要成分的合成氣，并經余熱回收后送至下游工序。

轉化爐反應溫度約為1 100～1 300 ℃，燒嘴在高溫下工作，通過設置閉式循環冷卻系統保護燒嘴，防止其高溫損壞。燒嘴冷卻水系統故障，會引起燒嘴高溫損壞，導致可燃氣體外泄發生爆炸，因此燒嘴冷卻水系統故障需引起轉化系統的停車。荒煤氣轉化工藝流程如圖1所示。

圖1 荒煤氣轉化工藝流程示意

2 自控系統設計

2.1 自控系統架構

荒煤氣轉化爐自控系統由DCS，SIS和GDS等部分組成，架構如圖2所示。DCS為基本過程控制系統，實現基本的生產操作、轉化爐負荷調節和非安全聯鎖等功能，保障裝置的安全、平穩運行。當DCS失控時，SIS自動介入，接管對轉化爐的控制，使轉化爐安全停車，預防災害事故的發生。本文轉化爐啟、停順控邏輯、燒嘴冷卻水控制邏輯等均在SIS中實現。

圖2 荒煤氣轉化系統控制架構示意

依據GB 50058—2014《爆炸危險環境電力裝置設計規范》[6]，轉化爐框架屬于爆炸危險區域，現場儀表優先采用本安防爆型式，當儀表的制造工藝無法達到本安要求時，采用隔爆型式。現場儀表均通過4～20 mA+HART信號接入DCS，在DCS中實現顯示、調節、報警和聯鎖等功能。當現場儀表信號既參與DCS調節又參與SIS聯鎖控制時，在SIS中設置“一進二出”安全柵或信號分配器，使信號同時接入DCS和SIS。此外，該系統在DCS中配置時鐘服務器，并通過DCS同步SIS和GDS的時鐘，確保所有系統具有共同時間基準。

SIS采用TCS-900系統，處理器掃描周期最快可達10 ms，I/O模塊采用三重化冗余架構和硬件容錯技術，大幅提高了控制的可靠性，系統整體滿足TüV SIL 3認證要求。另外，考慮到轉化爐的開車順控邏輯在SIS中實現，該系統為SIS設置獨立操作站，輔助開車過程中的各項操作。

GDS檢測轉化爐框架內CO，H2S，CH4，H2等氣體的泄漏情況，當濃度超標時，通過聯鎖觸發現場聲光報警器，警示現場操作/巡檢人員撤離，同時打開泵房風機，促進氣體逸散。可燃、有毒氣體檢測器的數量及位置根據GB 50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計標準》[7]的要求來設定。GDS設置獨立的操作站，用以顯示現場檢測器的濃度及報警情況；同時，將GDS中可燃氣體的第二級報警信號和控制器單元故障信號送至火災報警控制器(FACP)進行圖形顯示和報警。

轉化爐表面熱偶遠程I/O為第三方子系統，通過Modbus RTU協議與DCS通信，將其監測的信號送入DCS顯示并報警。

2.2 轉化爐負荷調節

轉化爐通過調節入口氧氣和荒煤氣的流量的比例(氧煤比)調整生產負荷。不同負荷下氧煤比需控制在要求的工藝指標內，才能保證轉化爐出口合成氣的效率和品質。另外，入口氧氣流量是影響轉化爐溫度的關鍵因素，氧氣過量會引起轉化爐超溫使相關設備發生故障，繼而導致爐內可燃有毒氣體泄漏，遇明火易發生爆炸。因此，當荒煤氣流量過低或氧煤比超過一定指標時，SIS直接介入，強制轉化爐停車。

基于以上考慮，為防止氧氣過量對轉化效率及裝置安全造成的影響，轉化爐在負荷調整過程中，始終將氧氣流量作為副調節量進行控制和調節。即在升負荷時先增大荒煤氣流量，再增加氧氣流量；在降負荷時，先減小氧氣流量，再降低荒煤氣流量。

2.3 廢熱鍋爐三沖量調節

廢熱鍋爐的產氣量約120 t/h，為克服蒸汽負荷量波動造成“假液位”現象，減少廢熱鍋爐汽包液位對給水流量的影響，將給水流量和蒸汽流量引入廢熱鍋爐汽包液位調節系統，組成三沖量水位調節系統，如圖3所示。

圖3 廢熱鍋爐三沖量水位調節系統流程示意

圖3中，三沖量調節系統為前饋-串級調節系統，蒸汽流量(FI-01)為前饋信號，克服蒸汽流量波動對汽包液位造成的影響；汽包水位(LIC-01)為主參數，給水流量(FIC-02)為副參數構成串級調節，能夠在給水壓力擾動情況下快速響應汽包液位，提高控制品質。LY-01為DCS運算模塊，FI-01和LIC-01在LY-01中進行三沖量運算后，結果作為FIC-02和給水控制閥(LV-01)所組成調節回路的輸入值。

該設計中，廢熱鍋爐的副產蒸汽用于向外提供熱源，故障狀態下為保護廢熱鍋爐安全，LV-01選擇故障開(FO)狀態。副產蒸汽管線流量測量過程中引入溫壓補償，提高蒸汽流量測量精確度。

3 儀表選型

3.1 表面熱電偶溫度計選型

由工藝流程可知，轉化反應在1 100～1 300 ℃高溫下進行，爐內采用耐火磚襯里，將高溫爐膛與金屬爐壁(爐壁正常溫度為300 ℃)隔離。轉化爐運行過程中，爐內耐火磚在高溫下會溶蝕，并受氣體和溶渣的沖刷，使耐火磚變薄甚至脫落，引起爐壁表面溫度升高，導致爐外殼強度降低，使設備安全性降低，引發安全事故。該項目在爐壁表面敷設表面熱電偶，全面監測轉化爐外表溫度，溫度超過閾值時通過報警提醒操作人員檢修。

該表面熱電偶測量元件由芯線、填充物和保護管三部分組成。內部填充物采用具有負電阻溫度特性(NTC)的錳基氧化物半導體陶瓷材料，常溫時呈高阻態，溫度升高時電阻快速降低。芯線為K型熱電極，埋在熱敏填充材料中，并與熱敏材料保持良好電接觸。當測量元件敷設區域出現高溫點時，該處NTC材料電阻值最低，K型熱電極在該處形成熱接點，熱電偶返回點的溫度，即表面熱電偶始終測量所敷設路徑上最高點溫度。外部保護管采用Inconel 600高溫耐熱合金，長期使用溫度可達800～950 ℃，最高使用溫度1 100 ℃。此外，表面熱電偶補償導線采用兩端引出冗余結構設計，如圖4所示，允許感溫段中間斷開一次仍可正常工作。

圖4 表面熱電偶冗余結構示意

表面熱電偶輸出K型毫伏信號，通過補償導線接入現場遠程I/O柜的信號輸入模塊，現場遠程I/O柜通過Modbus RTU協議接入DCS，最終在DCS中顯示和報警。該項目中相鄰2支表面熱電偶敷設間距為200 mm，根據轉化爐的高度、外徑以及設備開孔位置，最終爐壁表面共敷設60支表面熱電偶。現場遠程I/O柜由信號輸入模塊、電源模塊和通信模塊等組成，布置在轉化爐旁的常溫區，其防爆等級為Exd IICT4，采用立柱式安裝。

3.2 高溫熱電偶溫度計選型

高溫熱電偶用于監測轉化爐爐膛溫度。沿轉化爐縱向共設計3支高溫熱電偶，分別位于爐膛的上、中、下部，它們的操作溫度在1 100～1 300 ℃內依次遞減。熱電偶水平安裝，熱端距耐火磚0～10 cm。另外，由3.1節可知，轉化爐爐膛內氣相組分復雜且沖刷嚴重，常規的保護套管無法承受。

基于該種情況，高溫熱電偶采用B型偶絲(鉑銠30-鉑銠6)，能檢測600～1 600 ℃的溫度變化。而保護套管則采用二硅化鉬、碳化硅或高純度剛玉等高溫陶瓷材料，具有高熔點、高溫強度和較小的高溫蠕變性能，以及較好的耐熱振性、抗腐蝕、抗氧化、耐磨損及結構穩定性，在高溫領域應用廣泛。由于轉化爐的上部測點距離噴嘴最近，其所受沖刷程度高于中、下部測點，基于文獻[8]中某公司甲醇廠焦爐煤氣轉化爐的運行經驗，推薦上部測點的保護套管材料采用高純度剛玉，中下部測點可選用二硅化鉬或碳化硅。經技術評審，最終3個測點均選用二硅化鉬內襯剛玉材料的保護套管。

由于B型熱電偶在0～600 ℃內的測量效果并不理想，而轉化爐開車烘爐階段需要根據烘爐曲線精確控制爐內溫升速率，要求對溫度進行高精度監測，因此在上部測點設計K型烘爐熱電偶。低溫烘爐階段將K型熱電偶插入上部測點內，通過K型熱電偶監測爐內溫度，當爐溫達到600 ℃時，更換烘爐燒嘴，同時更換K型熱電偶。由于K型烘爐熱電偶僅作用在0～600 ℃過程中，因此其保護套管材料可采用GH3039，GH3030或Inconel 600等高溫合金材料。

3.3 氧氣管線儀表選型

氧氣流量以及氧煤比是控制轉化爐負荷，保障轉化爐安全的重要參數。氧氣管線共設3臺流量計，分別通過“三取中”和“三取二”進行調節和聯鎖控制，提高氧氣流量參數的可靠性。裝置入口處氧氣管線中介質為純氧，管線口徑為DN150，介質壓力為3.65 MPa，常溫。氧氣管線上的流量計和控制閥選型應滿足GB 50030—2013《氧氣站設計規范》[9]和GB 16912—2008《深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規程》[10]的要求。氧氣管線儀表設計方案如圖5所示。

由圖5可知，基于壓損和成本的綜合考慮，該項目采用文丘里流量計檢測入口氧氣管線流量，在節流元件處開3對取壓口，分別接3臺差壓變送器進行3組流量測量。每組取壓口大小均為DN15，配DN15氧氣專用球閥作為取壓根部閥。基于文獻[9-10]的要求，文丘里流量計喉部的壓力和流速乘積大于80 MPa·m/s時，應選用銅基或鎳基合金，該項目中文丘里流量計節流元件、取壓閥、導壓管及相關管閥件材質均為Inconel 600。

根據閥門的操作工況要求，氧氣管線閥門各參數選型情況見表1所列。表1中SIL等級來自HAZOP分析和SIL定級評審結果。

表1 氧氣管線閥門選型及參數

3.4 荒煤氣管線儀表選型

為防止荒煤氣焦油在導壓管內長期集聚，引起導壓管堵塞，本文采用隔膜方式測量荒煤氣管線上的壓力和流量。

荒煤氣主管口徑為DN600，基于成本和可行性的綜合考慮，荒煤氣流量采用楔式差壓流量計測量。節流元件與工藝管道對焊連接，采用DN50法蘭式取壓，取壓根部閥為法蘭式球閥，差壓變送器采用雙法蘭隔膜密封型式，硅油作為導壓填充液，過程接口為DN50PN63 RF[11]。考慮到介質操作溫度為120 ℃，項目所在地年環境極端低溫為-33.9 ℃，極端高溫為45.1 ℃，填充液采用低溫型硅油。

4 結束語

荒煤氣非催化部分氧化技術對于發展新型能源化工具有重要意義及技術支撐。針對某單臺荒煤氣耗氣量約9×103m3/h的轉化爐項目的建設需求，本文提出一種荒煤氣轉化爐自動監控系統的設計方案并在該項目中成功應用。該系統由DCS，SIS和GDS等子系統組成。另外，針對荒煤氣轉化爐的工藝特點，還設計了轉化爐表面熱電偶、高溫熱電偶、氧氣管線儀表及荒煤氣管線儀表等特殊儀表。本文方案通過多個相對獨立的系統互相配合，共同保障裝置的安、穩、長、滿、優運行，運行效果良好。