水煤漿氣化工藝的SIS 設計

胡 楠

（中海石油華鶴煤化有限公司）

中海石油華鶴煤化有限公司建設的煤制合成氨和尿素項目中的氣化技術采用德士古水煤漿氣化技術，與其他化工裝置一樣，它具有高溫、高壓、易燃、易爆等化工行業的典型特點。 根據國家安全監管總局于2014 年11 月13 日提出的《加強化工安全儀表系統管理的指導意見》，生產企業的重點危險工藝中必須安裝獨立于集散型控制系統的安全儀表系統（Safety Instrument System，SIS）［1］， 以便在生產過程中監測裝置的重要參數指標，當生產過程中出現異常時，可迅速找到原因并及時按照預設程序停車， 排除危險，減少事故的發生。

1 工藝流程

水煤漿氣化工藝主要分為3 個流程——煤漿制備、煤氣化和渣水處理，具體流程如圖1 所示。

圖1 水煤漿氣化工藝流程

煤漿制備部分中，倉庫中的原料煤和石灰石經稱量， 給料機將其按一定比例送至磨煤機，在磨煤機中磨成煤粉； 同時加入8%木質素磺酸鈉作為添加劑將水和煤粉混合成濃度為60%～65%的水煤漿，隨后通過高壓煤漿泵送至氣化爐［2］。

煤氣化部分中， 空分來的具有一定溫度、壓力、 流量和純度的氧氣通過支管進入工藝燒嘴，與煤漿共同噴入氣化爐進行氣化反應，燒嘴為三流式燒嘴。 氣化反應在約1 400 ℃、6.5 MPa 條件下進行，在氣化爐反應段（燃燒室）瞬間完成，生成CO、H2、CO2、H2O 和少量CH4、H2S 等氣體［3］。生成的熱氣體和熔渣進入氣化爐下段激冷室，被水淬冷后溫度降為248 ℃；出氣化爐的高溫氣體首先通過文丘里洗滌器噴水潤濕后進洗滌塔，經洗滌塔頂部折流板除沫器除去氣體夾帶的霧沫后送出氣化界區［4］。

渣水處理部分中，氣化爐內的熔渣和未反應的碳經激冷水降溫固化后，從氣化爐底部進入鎖斗并定期排出，氣化和洗滌過程中產生的廢水通過閃蒸后重新進入循環［5］。

2 SIS 設計應用

SIS 的組成元件包括傳感器、 邏輯運算器和執行元件，它屬于靜態系統，投用后正常工況下不會干擾系統的運行［6］，在后臺監測生產裝置中各閥門、儀表參數，當生產出現異常參數或者判斷出現可能危及安全的工況時，SIS 立即介入，觸發聯鎖動作，使氣化工藝平穩停止運行，避免發生安全事故［7］。

本項目SIS 采用美國GE 公司的GMR 系統。該系統是GE 公司面向SIS 開發的一套三重化冗余控制系統，通過了SIL3 認證［8］。 SIS 結構如圖2所示。

圖2 SIS 結構簡圖

2.1 系統硬件設計

GMR 系統從輸入模塊到CPU 處理， 再到輸出模塊，都可以采用多種冗余方法。 GMR 系統由3 部分組成：輸入子系統、輸出子系統和控制器子系統［9］。

輸入子系統。 本設計中輸入傳感器連接到3個獨立的輸入通道以形成三選二的冗余表決方式［10］。 在 此 系 統 中，所 選 的 數 字 輸 入 模 塊 為IC660BBD024，模擬輸入模塊為IC200ALG260。

輸出子系統。 輸出子系統設計架構包括I 型冗余輸出結構、T 型冗余輸出結構和H 型冗余輸出結構［11］。 在本設計中，選用高可靠性和高安全性的H 型冗余輸出結構，所選的數字輸出模塊是IC660BBD024，它是一個32 點I/O 模塊，正邏輯，24 V（DC），模擬量和數字量輸出模塊分別連接到3 個總線。

控制器子系統。 控制器子系統由3 組冗余和容錯CPU 組成。 CPU 模塊通過3 條總線與輸入和輸出模塊相連。 現場輸入信號進入輸入模塊，通過3 條總線傳輸到三重化CPU 中，即一個現場傳感器最終進入到9 個邏輯單元中，每重邏輯控制器經過運算和最終表決后輸出控制命令至現場設備。 控制器子系統中使用的CPU 模塊是IC697CPM790，它具有64 MHz，80486CPU，32 位字長，并支持浮點的運算［12］。

2.2 系統軟件設計

根據第1 節對水煤漿氣化工藝流程的分析，將停車邏輯細分為4 個單元，即氧氣煤漿進料單元、燒嘴冷卻水系統、氣化爐激冷水系統和閥門故障系統。 氣化停車T 聯鎖由以上4 個單元共計23 條聯鎖組成，任意一條聯鎖觸發都可以使氣化爐安全停車。 下面逐一對系統設計進行分析研究。

2.2.1 氧氣煤漿進料單元

氧氣和煤漿的進料是氣化反應的基礎，由于氧氣和煤漿在氣化爐中反應迅速，且反應溫度和壓力都非常高，因此掌控好氧煤比極其關鍵。 氧煤比的高低既關乎產品質量， 也關乎反應安全。當出現煤漿流量低、氧氣流量低、氧煤比高、氧煤比高高及煤漿給料泵出現故障等安全隱患時，觸發安全聯鎖使氣化爐自動停車。 氧氣煤漿進料聯鎖邏輯如圖3 所示。

圖3 氧氣煤漿進料聯鎖邏輯

2.2.2 燒嘴冷卻水系統

氣化爐燒嘴工作的環境溫度為1 350 ℃，為避免高溫輻射對燒嘴造成損害，設置燒嘴冷卻水系統，通過低溫脫鹽水快速流動降低燒嘴頭部溫度［13］。 但是燒嘴處于還原氣、含硫的惡劣條件下，偶有燒嘴冷卻水盤管燒穿的事件發生，需要及時停車并切斷燒嘴冷卻水系統［14］。 根據燒嘴冷卻水盤管燒穿之后出現的工藝變化， 設置以下聯鎖：燒嘴冷卻水入口流量低、燒嘴冷卻水入口/出口流量差高、燒嘴冷卻水出口溫度高、燒嘴冷卻水出口/入口溫度差高和燒嘴冷卻水系統緊急停車按鈕。 燒嘴冷卻水系統聯鎖邏輯如圖4 所示。

圖4 燒嘴冷卻水系統聯鎖邏輯

2.2.3 氣化爐激冷水系統

氣化爐合成氣出口溫度高，在氣化工藝中設置了激冷水系統對其進行降溫處理，以免高溫合成氣在送至后續工段時對管道和設備產生危害。通過對出口合成氣溫度和激冷水液位來判斷激冷水系統是否出現故障，如出現故障應及時停車以保護設備。 氣化爐激冷水系統聯鎖邏輯如圖5所示。

圖5 氣化爐激冷水系統聯鎖邏輯圖

2.2.4 閥門故障系統

為了避免在開車或運行過程中各類事故的發生，系統對閥門的動作時間和閥位開度進行檢測， 當它們出現異常時立刻鎖定故障信號并停車。

閥門故障系統聯鎖邏輯圖如圖6 所示。

圖6 閥門故障系統聯鎖邏輯

2.3 系統調試

系統軟件設計完成后，將對安全聯鎖邏輯進行試驗，試驗包括閥門和聯鎖邏輯的調試。 試驗是為了在氣化爐開車投料前確保所有閥門動作正常，反應時間滿足要求，各傳感器顯示數值與現場一致以及聯鎖邏輯正常工作，避免投料失敗或在SIS 未正常運行的情況下開車。

對閥門進行單調時， 先將其切換到手動模式， 然后逐一手動對所有閥門進行開啟或者關閉，觀察中控室界面中對應的閥門是否與現場閥門狀態一致，同時檢測閥門全行程動作時間是否滿足開車程序要求。 在系統聯調時，將閥門調為自動模式，按下緊急停車按鈕或用信號發生器模擬任一聯鎖條件觸發值，觀察SIS 能否及時響應，并自動完成停車動作。 經過測試，系統可準確、及時地執行聯鎖動作， 發出警報并依次關閉閥門，使氣化爐安全停車，同時記錄異常數據的來源。

3 結束語

近年來煤化工行業發展迅猛，在實現產能高速增長的同時， 各種復雜的生產裝置應運而生，發生危險的可能性也隨之增大。 筆者根據氣化工藝的流程，針對工藝中重要設備，采用GMR 系統設計了一套SIS。 SIS 選用三重化輸入子系統、H型輸出子系統和三重化控制器，為氣化工藝安全運行提供了可靠性極高的硬件環境。 隨后通過對工藝流程中的危險因素進行分析，對氧氣煤漿進料單元、燒嘴冷卻水系統、氣化爐激冷水系統和閥門故障系統進行研究，將所有對設備正常運行會產生影響的因素設置為聯鎖條件，當觸發聯鎖條件時，經過邏輯運算，相應的設備產生動作使氣化裝置安全停車。 該系統有效地保障了氣化裝置滿負荷、穩定、安全、長周期運行，有助于工作人員的操作和日常維護。