高壓氧氣管網自動控制系統技術改造實踐

張曉恩，張琪(陜西潤中清潔能源有限公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

高壓氧氣管網是現代煤化工企業內部非常重要又非常特殊的管網之一。隨著大型空分技術的日趨成熟，煤化工行業規模化、大型化的步伐迅速加快。

在總結企業大量實際生產運行數據的基礎上，對高壓氧氣管網自動控制系統進行技術改造，優化放空閥的壓力調節模式，在一臺或兩臺氣化爐同時跳車時，將放空閥開度迅速調節到對應一定氧氣放空量(放空閥開度既要滿足泄放大量氧氣的要求，氧氣流速也不能超出氧氣安全流速的限定)的安全開度的基礎上，壓力控制器(PIC，下同)繼而跟蹤管網實際檢測到的壓力變化值，由壓力控制器按照管網壓力設定值自動調節。這樣，既保證了管網氧氣泄放量迅速達到泄放要求，節省了調節時間，同時由壓力控制器繼續實施自動調節，維持管網的壓力穩定，保證了其余設備氧氣用量需求不受影響的繼續供給，整套生產系統運行穩定不中斷及高壓氧氣管網的平穩安全運行，也確保了設備及人員的安全。

1 技術改造實施

1.1 改造可行性調查及各項條件確認

(1)查閱工藝包、項目工程設計文件，核對相關條件滿足改造要求。經查閱相關文件，設計的空分高壓氧氣放空閥和安全閥的最大泄放量是88 000 Nm3/h；依據最近3年的數據，氣化在滿負荷時需要的高壓氧氣最大值是最大泄放值，實際工作用量小于該值。因此，實際流速小于額定值，運行時更可靠、更安全。放空閥后進行了二級擴徑設計，可以減緩放空閥后氧氣的流動速度，確保其速度在安全范圍內。同時，其生產材料采用銅合金制作，更科學、更安全。

(2)請工藝包供應商核算，確認重要條件滿足要求。工藝包供應商(即技術供應商，為林德工程公司)設計經理根據業主初步構想再次查閱設計文件，確認業主計劃實施的技術改造所必須具備的幾個條件均滿足技改要求。

(3)請工程設計單位核查設計滿足技術要求。經與華陸工程科技有限責任公司溝通，相關設計人員再次查閱、核對，確認設計文件完全遵從工藝包商提供的技術數據和相關要求進行設計。

(4)與供貨單位對接，檢查供貨情況、訂貨及供貨合格。林德公司采購部門再次審查供貨合同各項參數，均與技術規格書中的指標完全一致，確認供貨完全遵從工藝包設計文件要求，滿足初步構想、付諸實施所必須的各項條件要求，最終確認技改初步構想方案可行。

(5)核對所有設備銘牌及質量證明文件，確認實際供貨無誤。重點核對高壓氧氣閥、管材套件，采用德國工藝，由德國公司提供，質量過硬有保障，實際采購供貨各參數與工藝包技術規格書一致。

(6)現場檢測各重要設備及管材材質與設計文件完全一致。用光譜儀現場檢測各重要設備、管道、材料材質，主要包括放空閥及安全閥閥體、閥座、閥芯等部件及氧管線、變徑、螺栓螺母、支架等材質，均為蒙乃爾或不銹鋼，為氧管線常用的防爆優質材料，與設計文件技術要求完全一致。

(7)核查工程過程資料，確保氧系統所有工程質量達標。再次核查項目工程竣工文件，核查氧氣系統的閥門、管材、管件等，及材料到場驗收；施工過程中重要設備脫脂過程監督見證、脫脂結果檢查驗收；管道接口前檢查見證簽字；焊接過程中監理、林德駐場代表見證檢查簽字；甲方車間包抓人員的見證檢查簽字；竣工驗收時，氧氣系統工程質量驗收合格簽字；試車前管線再次抽檢等所有程序的核查。檢查結果是：清潔度等級全部達到林德公司要求的LB141—74 S2級以上，全程施工質量達到林德公司技術要求，施工質量優良。

1.2 技術改造方案的設計

技術改造方案初步構想概括如下。

在保留空分原有壓力控制聯鎖的基礎上，對高壓氧氣管網進行增氧，并迅速安全放空聯鎖。可以新增3臺氣化爐跳車信號，使其觸發氧氣放空閥，快速達到開大聯鎖，當一臺/多臺氣化爐同一時間發生停車，聯鎖停車信號將立即告知空分DCS集散控制系統，控制系統將迅速開大放空閥。高壓氧氣管網壓力控制器根據高壓氧氣管網壓力實時檢測值，按照系統設定的壓力值AUTO調整氧氣閥開度，確保氧氣快速放空量，從而實現迅速泄放、穩定高壓氧氣管網壓力、確保穩定、規避安全事故發生[1]。

為了確保技術改造質量，技術改造工作由公司總工辦直接負責實施，整體工作由工藝副總工程師總領，儀表副總工程師配合。工藝組編制工藝技術方面的各種要求，工藝副總工程師審核后轉給儀表組編制自動控制策略、繪制自動控制邏輯圖，儀表副總工程師審核結束后進行聯審。最后，設計方案再次發送給工藝包供貨商林德工程公司和項目工程設計單位華陸工程科技有限責任公司審核把關。使得高壓氧氣管網自動控制系統技術改造方案萬無一失。

1.3 技術改造方案工程實施

(1)氣化車間與空分車間新增網絡通訊，1#、2#、3#氣化爐停車時，空分高壓氧放空閥自動打開并瞬時調整開度至一定值。

(2)空分車間分餾崗位系統分別增加各氣化爐對應的聯鎖解除和投用軟開關，致使兩個車間在檢修或者調試時都會非常方便，各項工作按程序進行，增加了安全性。

(3)當氣化車間任何一臺氣化爐或者任意兩臺氣化爐停爐時其信號也同步通知給空分系統，系統按照事先設定好的閥門開度迅速開大高壓氧放空閥，原來在系統內供生產的部分氧氣被泄放掉，然后再由原有的壓力控制器跟蹤管網壓力，實時檢測值進行自動調節。

(4)為了降低空分車間分餾崗位操作工誤操作的幾率，在新增的切除和投用操作時都要進行再次確認程序。雖然看著麻煩和繁瑣，但經過實踐檢驗，確實能夠降低誤操作的幾率。

1.4 投用前各項檢查及準備工作

由于氧氣的特殊化學性質，周邊企業近年來均發生過氧閥爆炸、氧管線燃燒爆炸等安全事故，造成企業生產經營活動長時間不能恢復，企業效益受到嚴重影響，企業聲譽受到極大的損害。因此，高壓氧氣系統各項工作都要非常認真、慎重進行。本次技術改造是高壓氧氣系統的重大改造，對氧氣的流量、壓力、流速等瞬時指標都有較大影響。因此，與氧氣相關的所有環節都要保持嚴肅、科學、審慎的態度，檢查除了主要的控制方案及供貨等主要環節外，還要包括一些小細節、輔助環節，具體包括但不僅限于如下工作：

(1)由各專業組負責人親自掛帥逐個排查高壓氧系統內的一些容易出現問題的部位，重點是本公司和周邊幾家企業前幾次出現問題的部位。

(2)嚴格按照林德工程公司技術要求檢查高壓氧系統管網接地電阻和法蘭間電阻，使其實際數值分別不大于1.00 Ω、小于0.03 Ω。

(3)針對高壓氧自動控制系統的技術改造工程，編制完善《事故預案》并認真培訓，所有員工經考試合格后頒布實施。

(4)技術改造各項目完成后進行反復空試、系統聯合調試，直至完全合格。

(5)重新修訂高壓氧氣管網壓力自動控制系統管理制度，并組織車間全體干職員工認真學習，嚴格執行。

1.5 投用

(1)空分分餾崗位主操接到調度室指令后，按照《聯鎖管理制度》進行聯鎖的投用/解除程序操作。

(2)氣化車間應在氣化爐投用成功后及時、準確地匯報給生產調度室。

(3)生產調度室應在接到氣化車間某臺氣化爐投料成功后及時、準確地通知空分分餾主操。

(4)空分分餾主操接到調度室某臺氣化爐投料成功的通知指令后，必須及時、準確地投用該臺氣化爐對應的聯動氧氣放空閥聯鎖；空分分餾主操接到調度室某臺氣化爐停車(或跳車)的通知指令后，必須及時、準確地解除該臺氣化爐對應的聯動氧氣放空閥聯鎖。

(5)匯總技術改造后所有氣化爐跳車期間氧氣放空閥等關鍵設備動作記錄、各工藝指標變化趨勢圖，并認真組織分析，客觀評價技術改造效果。

2 改造實施前后對比

2.1 改造前后技術方案對比

本次技術改造實施前的控制方案簡單概括為：高壓氧氣管網設置放空閥，管網壓力控制器通過根據管網上安裝的壓力檢測單元實際檢測到的管網壓力，并與設置的管網壓力值進行比對，根據比對結果相應的調整氧氣放空閥的開度，管網壓力高的時候，控制器根據比對結果開大放空閥，適當排放部分氧氣，直至壓力接近壓力的設定值；當管網壓力較低的時候，控制器根據實際檢測到的壓力值與設定值比對結果，適當關小放空閥的開度，減少泄放的氧氣量，直至壓力接近管網壓力控制器設定的壓力值。

技術改造后的控制方案簡單概括為：改造后增加了氣化爐聯鎖停車與氧氣放空閥聯動方案，即正常生產中，高壓氧氣管網壓力控制器按照管網壓力設定值進行自動調節，但當發生氣化爐聯鎖停車時，氣化爐停車信號同時傳輸至空分氧高壓控制系統，放空閥開度可以自動修正“20%+跳車釋放空閥實際量”，按照管網壓力的設定值由控制器自動進行管網壓力調整控制。

需要說明的是，即使一臺或多臺氣化爐同時跳車，觸發系統都會執行上述標準控制，而后再進行自動調整。之所以執行上述標準，是由于20%開度的氧氣放空閥的流量是1臺氣化爐的最低氧氣需求量。20%開度值可以確保當兩臺氣化爐為最小負載時兩臺氣化爐之間可以相互獨立運行，互不影響。同時可以確保放空閥大開度時調節作用更好[2]。

2.2 改造前后實際效果對比

(1)管網壓力波動情況較技術改造前明顯減小，改造前氣化爐跳車后，壓力波動最大可達±400 kPa，改造后波動最大僅為±130 kPa。

(2)改造前曾一度出現因一臺氣化爐停車后高壓氧氣用量瞬間大幅降低、放空閥調節滯后導致的另一臺正在運行的氣化爐聯鎖跳車(氧煤比高高聯鎖氣化爐停車)的次生生產事故的發生，改造后從未再出現過該類似次生生產事故的發生。

(3)改造前曾出現一套氣化爐跳車后壓力調節滯后致使安全閥動作，安全閥強大的排放反沖力致使安全閥連接管線嚴重變形。改造后無論一臺還是兩臺氣化爐同時停車，管網壓力調節都比較平穩，未再出現過安全閥動作的情況及安全閥連接管變形的生產事故[3]。

高壓氧氣管網自動控制系統技術改造后，管網壓力調節更及時、更精準，滿足了企業高壓氧氣管網嚴格的工藝要求及嚴苛的安全要求，技改結果是成功的。這次高壓氧氣管網自動控制系統的技術改造，是建立在本套空分裝置高壓氧氣管網放空閥配置按照全流量(即88 000 Nm3/h)放空設計及供貨的基礎上的，放空閥的主要部件材質為蒙乃爾、放空閥后變徑管(擴徑)材質為銅合金，其他關鍵設備材質滿足氧特殊化學性質和氧安全流速的前提下進行的，否則改造可能有不可控的安全風險。本次技術改造對原有的液氧泵轉速控制、回流閥控制等聯鎖未做任何改變，以減少不必的干擾因素，便于對技改效果、方案更好評估和調整[4]。

同時，本次技改是以生產企業內部工藝人員為主導進行的，主要目的是為了解決生產實際中出現的問題。由于技術改造過程缺乏高層次專業技術人才的全程指導和把關，技術改造各相關專業參與類別也不全面、專業素養局限等因素的存在，問題考慮可能不夠周全，系統方案可能還存在一定的瑕疵，后期還有較多需要改進完善的空間，需要相關高層次人才給與全面指導，生產管理人員、技術管理人員應繼續不斷地進行觀察、總結、完善，以求達到更完美的效果。

3 結語

本次高壓氧氣管網自動控制系統技術改造項目的成功，離不開工藝包供應商和項目工程設計單位的大力支持。工藝包供應商的設計經理從技術供應商的最初設計原理方面給予本次技術改造以核查把關，保障了技改的順利實施。