水煤漿氣化裝置的安全聯(lián)鎖控制關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)的實(shí)施

任 翔 伍 凌 程 興

(浙江中控技術(shù)股份有限公司，杭州 310053)

煤氣化技術(shù)是現(xiàn)代煤化工的基礎(chǔ)，是通過煤高溫下直接氣化制得合成氣，再以合成氣為原料制取甲醇、合成油及天然氣等一級(jí)產(chǎn)品，同時(shí)以甲醇為原料制得乙烯及丙烯等二級(jí)化工產(chǎn)品的技術(shù)，國內(nèi)有學(xué)者分別從焦?fàn)t廢氣作煤調(diào)濕系統(tǒng)載氣的實(shí)施分析，煤制天然氣項(xiàng)目甲烷化廢熱鍋爐系統(tǒng)的技術(shù)探討，煤調(diào)濕蒸汽管回轉(zhuǎn)干燥機(jī)密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，煤氣化爐水冷壁振打除灰的力學(xué)性能優(yōu)化和焦化行業(yè)煤調(diào)濕技術(shù)(CMC)的應(yīng)用方面進(jìn)行了研究和論述[1～5]。在煤氣化技術(shù)中，氣化爐是整個(gè)工藝流程的核心，典型的水煤漿氣化裝置包括德士古氣化技術(shù)[6～8]、GE氣化技術(shù)及國內(nèi)自主研發(fā)的多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化技術(shù)等。

煤氣化裝置屬高危裝置，采用安全儀表控制系統(tǒng)對(duì)裝置進(jìn)行關(guān)鍵控制及聯(lián)鎖保護(hù)等措施，既是氣化裝置本身高危險(xiǎn)性的需求，也是保障裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行的需求，更是發(fā)展現(xiàn)代大型煤化工，實(shí)現(xiàn)企業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?、利益最大化的有力保障[9～12]。在此，介紹由浙江中控集成的羅克韋爾ICS Trusted安全儀表控制系統(tǒng)，對(duì)目前國內(nèi)最大規(guī)模的多噴嘴水煤漿氣化爐裝置進(jìn)行安全聯(lián)鎖控制過程中相關(guān)的聯(lián)鎖控制關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。

如圖1所示，多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化裝置主要由煤漿制備、氣化、燒嘴冷卻水、氮?dú)獗Ｗo(hù)、鎖斗、合成氣洗滌及黑水閃蒸渣水分離等單元組成。氧氣和水煤漿經(jīng)工藝燒嘴在燃燒室迅速霧化并進(jìn)行部分氧化反應(yīng)，放出大量熱，生成以CO+H2為主要成分的煤氣，主要的化學(xué)反應(yīng)：2C+O2═2CO，2CO+O2═2CO2，C+H2O═CO+H2，CO2+H2═CO+H2O，所有反應(yīng)在6.6MPa、1 300℃的高溫高壓環(huán)境下快速進(jìn)行，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體經(jīng)水激冷降溫和初步除塵后，煤氣與汽化的水蒸氣一起離開氣化爐激冷室進(jìn)入煤氣洗滌子系統(tǒng)。反應(yīng)熔渣經(jīng)冷卻后被固化，沉降到底部后定期排渣至渣池，未反應(yīng)的碳與氣化爐的黑水一起送入黑水閃蒸渣水分離單元。

煤漿制備單元為氣化環(huán)節(jié)提供合格的水煤漿，高壓煤漿泵的聯(lián)鎖保護(hù)進(jìn)入安全儀表控制系統(tǒng)。燒嘴冷卻水單元為保護(hù)燒嘴而單獨(dú)設(shè)置，燒嘴長期置于高溫環(huán)境，采用冷卻水循環(huán)方式為燒嘴降溫。鎖斗單元是氣化裝置的排渣單元，通過程序的循環(huán)定時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)熔渣的定期排出。氣化爐的粗合成氣經(jīng)混合器濕潤和旋風(fēng)分離器分離出大部分濕潤的細(xì)灰，再經(jīng)水洗塔進(jìn)一步洗滌除塵，將合成氣含塵量降至1mg/m3(標(biāo))以下。水洗塔中部含固體量較低的洗滌黑水經(jīng)黑水循環(huán)泵加壓后分兩路，一路經(jīng)黑水過濾器過濾后送入氣化爐激冷環(huán)節(jié)作為激冷室冷卻水，另一路送入蒸發(fā)熱水塔作為冷卻洗滌和濕潤水。

圖1 多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化裝置工藝流程

2 安全聯(lián)鎖控制中關(guān)鍵點(diǎn)的實(shí)施

水煤漿裝置工藝過程復(fù)雜，聯(lián)鎖控制關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，為了裝置更可靠平穩(wěn)地運(yùn)行，常規(guī)控制系統(tǒng)需配上安全儀表控制系統(tǒng)來保證裝置和整個(gè)流程的安全平穩(wěn)生產(chǎn)[13]。

2.1 安全儀表控制系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)氣化裝置的特點(diǎn)，分別為每臺(tái)氣化爐配置一套三重化安全儀表控制系統(tǒng)，共4個(gè)機(jī)柜。為了方便于系統(tǒng)的調(diào)試，現(xiàn)場機(jī)柜之間設(shè)置有工程師站兼事件順序記錄站(Sequence of Event，SOE)，并采用冗余工業(yè)以太網(wǎng)方式與系統(tǒng)通信，中央控制室和系統(tǒng)的連接則采用冗余光纖通信模式，操作站通過光纖實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的操作。安全儀表控制系統(tǒng)和過程系統(tǒng)的通信采用Modbus協(xié)議進(jìn)行通信。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與硬件配置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與硬件配置

2.2 關(guān)鍵控制方案

為保障多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化裝置的安全運(yùn)行，開車順控、聯(lián)鎖保護(hù)和停車吹掃是整個(gè)安全儀表控制系統(tǒng)的控制重點(diǎn)，是裝置順利開車和平穩(wěn)運(yùn)行的保障。

2.2.1開車順控

在開車順控中，安全儀表控制系統(tǒng)依次動(dòng)作氧氣放空閥、煤漿循環(huán)閥及煤漿截止閥等，完成管線的氮?dú)獯祾吆兔簼{氧氣入爐(各類閥的選型和應(yīng)用參見文獻(xiàn)[14～19])。在投料過程初始階段，通過系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)，自動(dòng)地將所有聯(lián)鎖條件切除，待裝置點(diǎn)火成功后再將所有聯(lián)鎖條件投入。裝置反應(yīng)物料為高純度氧氣，為防止?fàn)t內(nèi)過氧，在開車邏輯中確保煤漿先于氧氣進(jìn)入爐內(nèi)，并且通過現(xiàn)場閥門的反饋信號(hào)對(duì)氧氣截止閥動(dòng)作時(shí)間準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，一旦時(shí)間不能滿足要求即發(fā)出停車信號(hào)。

安全儀表控制系統(tǒng)的順序控制通過比較系統(tǒng)的命令輸出和現(xiàn)場反饋信號(hào)的一致性，按約定的步驟完成煤漿循環(huán)、氧氣放空、煤漿投料、氧氣管線吹掃和氧氣投料5個(gè)步驟，裝置的開車狀態(tài)通過硬接線信號(hào)送至DCS。

2.2.2裝置聯(lián)鎖保護(hù)

四噴嘴水煤漿氣化裝置運(yùn)行過程中，爐內(nèi)溫度高、壓力大，屬高危裝置。為了確保裝置的安全運(yùn)行，保護(hù)設(shè)備和人身安全，對(duì)裝置的重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，參與聯(lián)鎖的信號(hào)均采用三選二表決方式實(shí)現(xiàn)，設(shè)置煤漿流量低低聯(lián)鎖、高壓煤漿泵運(yùn)行信號(hào)、激冷室液位、合成氣出口溫度引入停車信號(hào)。四噴嘴水煤漿氣化裝置的聯(lián)鎖保護(hù)邏輯如圖3所示。

圖3 四噴嘴水煤漿氣化裝置的聯(lián)鎖保護(hù)邏輯

2.2.3停車順控

氣化裝置的停車順序和啟動(dòng)相應(yīng)的保護(hù)措施均有特殊要求，觸發(fā)系統(tǒng)停車信號(hào)除來自裝置聯(lián)鎖保護(hù)程序段外，對(duì)每對(duì)燒嘴設(shè)置單獨(dú)的緊急停車按鈕，按鈕集成在中央控制室的操作臺(tái)。

在停車順控中，安全儀表控制系統(tǒng)有先后順序地關(guān)閉物料閥門、打開氮吹保護(hù)閥，及時(shí)順利地將裝置置于安全狀態(tài)，減少事故損失，為裝置再開車贏得有利條件。

3 安全聯(lián)鎖的控制重點(diǎn)

將高壓煤漿泵的運(yùn)行、電流、轉(zhuǎn)速聯(lián)鎖信號(hào)引入安全儀表控制系統(tǒng)，防止由于煤漿電磁流量計(jì)監(jiān)測流量(流量監(jiān)測儀表的選型參見文獻(xiàn)[20])存在一定時(shí)間的延遲，氣化爐持續(xù)運(yùn)行導(dǎo)致爐內(nèi)過氧，造成事故。

氣化爐停車后氧氣管線氮?dú)獯祾唛y立即打開，并滯后于煤漿管線吹掃閥關(guān)閉，煤漿管線氮?dú)獯祾唛y后開先關(guān)，防止煤漿等混合氣體串入氧氣管線，引起氧氣管線爆炸，氧氣管線必須馬上吹掃。

系統(tǒng)復(fù)位后需要將氮?dú)庑×髁块y打開，氣化爐開車，爐內(nèi)溫度已經(jīng)達(dá)到1 000℃以上，且煤漿先于氧氣進(jìn)入爐內(nèi)氣化，為保護(hù)氧氣管線打開氮?dú)庑×髁块y。

4 裝置實(shí)際運(yùn)行效果

該裝置的日投煤量3 000t，其氧耗、煤耗比同類型水煤漿氣化裝置低3%～5%，碳轉(zhuǎn)化率在98%以上，有效氣體成分轉(zhuǎn)化率82%～85%，其穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)適用性和先進(jìn)性有目共睹。裝置近半年的運(yùn)行情況表明，安全儀表控制系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)監(jiān)測工況、準(zhǔn)確發(fā)出停車信號(hào)、確保生命財(cái)產(chǎn)安全的良好性能，其穩(wěn)定性和可靠性完全優(yōu)于工藝要求。

5 結(jié)束語

浙江中控集成的羅克韋爾ICS Trusted安全儀表控制系統(tǒng)在煤化工氣化爐裝置的大量成功應(yīng)用表明，經(jīng)過SIL3安全認(rèn)證，采用三重化技術(shù)的安全儀表控制系統(tǒng)的投用，使最危險(xiǎn)的氣化裝置的安全性得到了極大的提高。安全儀表控制系統(tǒng)在避免工業(yè)災(zāi)難、減少工業(yè)事故損失、保障企業(yè)長周期平穩(wěn)滿負(fù)荷生產(chǎn)方面起到了積極和重要的作用，為工業(yè)過程中要求最大安全與連續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵控制提供了一種最佳選擇。

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