PDH地面火炬控制系統設計

劉廣超

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

火炬系統是石油化工生產裝置重要的安全環保設施，主要用于處理生產裝置啟停、生產異常和應急等過程中不能有效回收的各種可燃氣體混合物，如果氣體混合物不能通過火炬燃燒，就會造成生產裝置超壓，引發嚴重的生產事故。火炬種類繁多，可按照不同分類劃分，按照燃燒器與地面之間的安裝方式可分為高架火炬和地面火炬。為了確保人身和生產裝置的安全，防止爆炸和火災事故的發生，需要設置合理的火炬控制系統，以保證火炬系統能夠穩定運行。丙烷脫氫裝置(PDH)火炬系統作為一種典型的地面火炬，用來處理丙烷脫氫裝置發生事故工況時排放的氣體。地面火炬燃燒相對安全，具有良好的流量彈性，可以通過排放量自動分級燃燒控制，相較于高架火炬，地面火炬還存在沒有光污染、熱輻射，運行費用低等優點，這種環保型地面火炬系統正逐步成為石化企業燃燒處理火炬氣的首選[1]。該火炬系統通常為全自動控制，無需人為干預操作，自動控制系統需要保證火炬能夠將放空氣體混合物及時、可靠、安全地燃燒[2]。結合工藝與安全的需求，通過合適地吹掃、點火，進料系統及超溫超壓的保護控制，來實現氣體混合物的充分燃燒。

火炬控制系統一般選用工控機、單片機或者PLC，目前主流的火炬控制系統為集成PLC[3]。PLC具有操作簡單、功能豐富、可靠性高、體積小、功耗低的特點，還可以作為下位機與DCS通信，適于在工業環境下運行[4]。本文設計的基于PLC的PDH火炬控制系統不僅滿足了化工生產的安全要求，同時也提高了控制系統的可操作性和可靠性。因此，以下重點介紹該火炬控制系統的設計應用。

1 PDH火炬控制方案

來自PDH裝置的火炬氣進入火炬分液罐進行氣液分離，分離出的凝液(污水)由凝液泵送出火炬界外處理，火炬氣體經由水封罐內突破水封后送入火炬燃燒器中進行燃燒處理。火炬采用分級燃燒控制，第一級燃燒器支管的管道常開，其余各級燃燒器支管的管道上設置啟動切斷閥。PDH火炬系統基本工藝流程如圖1所示。

1.1 點火控制

點火控制是火炬控制邏輯的核心部分[5]，火炬的長明燈需要保持常燃的狀態，否則會使得火炬熄滅從而導致火炬氣排空，因此，長明燈持續且穩定的燃燒是保障火炬系統可靠運行的關鍵。

火炬點火裝置可以將生產裝置在正常生產過程中產生的無法回收利用的工業廢氣或者在生產波動及事故狀態下產生的可燃氣體放空點火燃燒，以保證整個生產裝置和設備的安全。每支長明燈配有一套電點火裝置，在長明燈頭部由點火電極產生的高壓電弧引燃燃料氣。另外，還需要長明燈火焰檢測設備來判斷長明燈是否正常燃燒，通常會通過在長明燈上安裝雙支鎧裝熱電偶或在防風墻上設置紫外線火檢來監控長明燈的工作狀態，實現自動點火，其性能的好壞將直接影響到整個火炬控制系統的運行。

當地面火炬爐膛內的任意一支長明燈熄滅，雙支熱電偶或紫外線火檢將發出報警信號，同時控制系統啟動自動點火程序，重新點燃長明燈。點火方式包括中心控制室遠程點火、PLC自動點火和點火器現場手動點火三種方式。為了維持長明燈的燃燒狀態，一般情況下點火控制都處于自動控制狀態，由PLC保證點火系統的正常穩定運行。

1.2 禁止點火控制

當爐膛內所有長明燈全部熄滅且有火炬氣排放時，此時爐膛一定會有易燃易爆氣體聚集，如果此時發出點火命令，那么長明燈的高壓拉弧會造成爐膛內的閃爆，引起嚴重的安全后果。因此，控制系統會發出“禁止點火命令”，所有長明燈禁止點火，包括自動點火和現場手動點火。

1.3 氮氣緊急吹掃控制

為了維持排放管道的微正壓，防止空氣倒流進入排放氣管線，同時為了避免火炬系統發生管線內爆炸，火炬系統各分級管線設有氮氣緊急吹掃氣動開關閥，利用氮氣將管道內的氣體置換。氮氣緊急吹掃管線上的氣動開關閥根據其對應的火炬氣分級管線上各氣動開關蝶閥的動作指令進行控制。

1.4 液位控制

1.4.1分液罐液位控制

分液罐設1臺凝液泵，啟停由分液罐液位變送器的信號控制，當液位信號大于高設定值時，聯鎖開泵，凝液泵開始運行，將罐內污水排放至污水處理裝置；當液位信號小于低設定值時，聯鎖停泵，凝液泵停止運行。

1.4.2水封罐液位控制

水封罐液位信號小于低設定值時，補水氣動開關閥全開，將罐內新鮮水補充到合適高度；水封罐液位信號大于高設定值時，補水氣動開關閥全關。

1.5 蒸汽消煙控制

火炬氣能夠完全燃燒生成水和二氧化碳的前提是有足夠的氧氣，如果氧氣不充足，那么排放氣體就無法完全得到燃燒，此時會生成黑煙，從而造成大氣污染。當排放量較大時，通過周圍環境的自然流動的氧氣無法使排放氣體得到充分燃燒，容易產生黑煙，因此，需要人工干預，采取相應措施使得氧氣能夠均勻分布于各個燃燒器，從而達到完全燃燒的目的。

通常的解決方式是在前幾級燃燒器中，利用蒸汽消除煙霧，蒸汽消煙可以使火炬不會排放出更多的黑煙，造成環境污染，并且可以使火炬氣得到更充分地燃燒[6]。

1)第一級蒸汽消煙的氣動調節閥由水封立管上的壓力信號實現開關控制，由集氣總管上的壓力信號實現調節控制。當有火炬氣排放時，該氣動調節閥開啟，隨后根據集氣總管上的壓力信號實現對應控制。

2)其他級蒸汽消煙管線上的氣動調節閥由火炬氣開關閥的開關指令控制，由集氣總管上的壓力信號實現調節控制。當某一級火炬氣開關閥打開時，對應的蒸汽氣動調節閥開啟，隨后蒸汽氣動調節閥的開度將根據集氣總管上的壓力信號實現對應控制。

1.6 分級燃燒控制

地面火炬的一個較大的特點是采用分級燃燒控制，可以根據火炬氣的排放量大小，通過控制分級閥組將排放氣體分配到多級燃燒器中燃燒處理，高效應對各種排放工況。地面燃燒器將大股火炬排放氣體分成小股，以便火炬氣得到充分燃燒。

該分級燃燒控制通過各分級壓力信號進行判斷，集氣總管壓力信號作為各分級管線上火炬氣閥門開關的壓力信號，第一級處于常開狀態，當集氣總管壓力信號超過設定值時，各級的氣動開關閥會進行開閥泄壓。為了實現快速泄壓，分級燃燒系統除了具有逐級開啟的功能，還具有跨級開啟的功能。

2 火炬控制系統設計

2.1 硬件設計

硬件是火炬控制系統的重要環節，其合理性和正確性直接決定了系統功能的實現、運行的穩定性[7]。隨著PLC技術的發展，PLC的種類也越來越多[8]，不同品牌的PLC，其結構形式、性能、容量、編程方式等都各有不同，PLC的選擇應從各個方面加以綜合考慮[9]。某PDH項目的火炬控制系統的軟硬件都采用某公司的PLC產品，組態、編程、通信以及數據集成的高度統一，強大的兼容性可以使得系統更加穩定。

該火炬控制系統的硬件設計主要包括PLC供電設計和配置設計。

2.1.1供電設計

機柜整體采用220 V UPS供電，功率為2 kW，機柜進線斷路器采用16 A兩極微型斷路器。另外，柜內利用220 V轉24 V電源模塊將UPS電源轉換為模塊所需要的24 V電源。PLC輸入電路電源一般采用直流24 V，開關電源容量選擇時需要考慮負載的大小，過大的負載會影響PLC的運行。

2.1.2PLC配置設計

PLC控制柜內由I/O接口模塊、CPU、通信模塊構成。常用的I/O接口模塊包括數字量輸入、數字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出模塊等[10]；CPU作為核心設備，不斷地采集輸入信號，執行用戶程序[11]；信號模塊可作為聯系外部現場設備和CPU的橋梁[12]。I/O點數的確定是選用接口模塊的先決條件，根據生產工藝要求，統計I/O點數和類型并列出表格，進而設計出合適類型的I/O接口模塊。

該火炬控制系統的PLC配置如圖2所示，PLC的主要模塊包括CPU、通信模塊、1塊數字量輸入模塊、2塊數字量輸出模塊、1塊模擬量輸出模塊以及3塊模擬量輸入模塊。PLC通過通信模塊利用Modbus RTU協議與中心控制室中DCS進行通信。

圖2 PLC控制系統配置示意

2.2 程序設計

該火炬控制系統通過RS-485方式與全廠DCS實時通信，以便操作人員在中心控制室中的操作站上也能對火炬系統進行監控[13]。

PDH火炬控制方案主要包括： 點火控制、禁止點火控制、氮氣吹掃控制、液位控制、蒸汽消煙控制以及分級燃燒控制。該火炬控制系統采用模塊化的設計思路，把整個控制系統分成若干模塊進行設計，這樣便于以后的程序維護。以下以火炬點火控制及氮氣吹掃控制為例介紹PDH火炬的控制系統邏輯。點火控制邏輯如圖3所示。

圖3 點火控制邏輯示意

由圖3可知，點火觸發信號由長明燈熱電偶溫度信號決定，當溫度低于120 ℃時，系統認定長明燈熄滅，如果爐膛未發出長明燈禁止點火信號，會啟動點火程序，每次點火器點火25 s，停5 s，共點3次；若熱電偶檢測到火焰溫度高于120 ℃，說明長明燈已點燃，則停止點火；若3次點火完畢，熱電偶檢測溫度仍然低于120 ℃時，那么該火炬控制系統發出長明燈點火失敗報警。

同理，當發出火炬氣氣動開關蝶閥的關閥指令時，對應的氮氣緊急吹掃氣動開關閥也將自動開啟，具體氮氣吹掃控制如下： 當發出火炬氣氣動開關蝶閥的關閥指令時，氮氣緊急吹掃氣動開關閥將自動開啟，延續15 min后關閉。閥門關閉后延續計時從零開始。氮氣吹掃邏輯如圖4所示。

圖4 氮氣吹掃邏輯示意

2.3 人機界面設計

人機界面(HMI)與PLC連接，方便操作人員通過觸摸操作，實現人與機器的信息交互[14]。這不僅使操作人員無需現場巡檢即可得知現場信息，更可以在第一時間掌握現場工況。觸摸屏具有人性化的HMI，其操作簡單、功能強大、性能穩定，是目前最便捷的人機交互方式，能很好地在復雜環境中使用[15]。該火炬控制系統采用與PLC相同品牌的HMI，精簡面板具備觸摸屏的基礎功能，性價比高。

在該火炬控制系統HMI與CPU之間通過Profinet通信，HMI觸摸屏分為多個控制界面，除了上述的控制方案外，還包括報警顯示界面和現場儀表參數的實時顯示，完全達到了項目的技術要求。操作人員可以在現場PLC機柜處直觀地了解到現場各臺儀表的實時數據，對現場情況進行控制處理，完全實現“傻瓜”式操作。當有報警信息顯示的時候，操作人員能夠及時地對報警信息進行處理，消除隱患。觸摸屏的使用提高了整個火炬控制系統的便利性和安全性。

2.4 現場應用

該火炬控制系統通過PLC實現自動控制，在現場通過HMI實現人機交互，操作方便，PLC把相關儀表參數和報警信號傳入有人值守的操作室，在中心控制室內即可進行正常的監視工作。該火炬控制系統已投入試運行，具有安全可靠，可維護性強等優點，使火炬系統及設備穩定，處于良好的運行狀態。

3 結束語

本文介紹了PDH火炬系統的控制方案，根據工藝要求和實際工況，設計出功能完善的控制系統及邏輯控制程序圖，通過HMI完成了現場集中控制、監控等功能的實現，該火炬控制系統投資小，性能強，提高了火炬系統的自動化控制水平，方便了操作，減輕了現場人員的操作難度。該火炬控制系統自投用以來，因其維護方便、可靠性強等優點，保證了PDH火炬系統的安全穩定運行。