燒嘴冷卻水聯(lián)鎖保護系統(tǒng)的優(yōu)化改進

宋成凱，陳 霞

［1.山東兗礦國拓科技工程股份有限公司，山東 滕州 277500；2.新能鳳凰（滕州）能源有限公司，山東 滕州 277500］

0 引 言

水煤漿加壓氣化工藝有單噴嘴氣化爐工藝和多噴嘴對置式氣化爐工藝，工藝燒嘴是水煤漿加壓氣化裝置的核心設備之一，其主要任務是輸送煤漿和氧氣，并由氧氣將煤漿霧化實現(xiàn)物料的充分混合。目前已運行的水煤漿加壓氣化裝置，氣化爐爐膛溫度一般在1250℃左右，氣化壓力主要有4.0MPa、6.5MPa和8.7MPa幾種等級。工藝燒嘴頭部在氣化爐爐膛內(nèi)工作，處于高溫環(huán)境中，為延長工藝燒嘴的使用壽命，其頭部設有冷卻水室，通入冷卻水對工藝燒嘴進行冷卻，起到保護作用。工藝燒嘴冷卻水一般采用脫鹽水（43℃、約2.8MPa），由于工藝燒嘴在高溫、高壓、易燃易爆的環(huán)境中運行，易受到物料的沖刷磨損、氣體的高溫熱輻射和有害氣體的侵蝕等的共同作用，工藝燒嘴頭部及燒嘴冷卻水系統(tǒng)可能會發(fā)生嚴重磨損及冷卻水泄漏等現(xiàn)象，一旦工藝燒嘴頭部或盤管損壞，高溫、高壓可燃氣體將竄入燒嘴冷卻水系統(tǒng)，大量高溫粗煤氣竄入，可能導致冷卻水出口管線超溫損壞，引起管線破裂，繼而引發(fā)火災爆炸及人員傷害事故。因此，工藝燒嘴冷卻水聯(lián)鎖保護系統(tǒng)的合理設計尤為重要，要求其測量準確有效、聯(lián)鎖判斷及時、進出口閥門關閉響應迅速。

1 燒嘴冷卻水系統(tǒng)簡介

水煤漿加壓氣化裝置燒嘴冷卻水系統(tǒng)流程示意如圖1（多噴嘴對置式氣化爐則有4條同樣設置的冷卻水管線）。工藝燒嘴冷卻水泄漏一般均發(fā)生在工藝燒嘴頭部水室及進出水室盤管處，因此在燒嘴冷卻水進出口管線上設有測量儀表，監(jiān)控冷卻水的流量、溫度和壓力，在回水管線上還設有CO在線檢測儀。燒嘴冷卻水系統(tǒng)發(fā)生泄漏后，測量儀表的示數(shù)會表現(xiàn)為：燒嘴冷卻水進口流量因阻力增大而降低；因高溫高壓粗煤氣竄入，燒嘴冷卻水進口壓力、出口溫度、出口流量均表現(xiàn)為升高（出口溫度反應較慢，進口流量、出口流量反應較為靈敏；微量泄漏時進口壓力、出口流量反應較為靈敏，CO在線檢測儀也能較早判斷出微量泄漏）。因此，燒嘴冷卻水系統(tǒng)是否發(fā)生泄漏，可以憑借以上儀表示數(shù)的變化作出判斷，聯(lián)鎖保護系統(tǒng)也會根據(jù)聯(lián)鎖設定自動執(zhí)行停爐、關閉燒嘴冷卻水進出口閥等指令。

2 燒嘴冷卻水系統(tǒng)現(xiàn)有聯(lián)鎖保護方案分析

從上世紀末由國外引進時算起，水煤漿氣化工藝在我國的應用已有20多年。在其工業(yè)化應用過程中，研究單位、工程公司、技術用戶不斷對燒嘴冷卻水保護系統(tǒng)進行完善和優(yōu)化，也提出了各種聯(lián)鎖保護方案。以下對大多數(shù)廠家目前使用的聯(lián)鎖方式進行比較，以期得出聯(lián)鎖保護優(yōu)化方案。

圖1 燒嘴冷卻水系統(tǒng)流程示意

2.1 四選二聯(lián)鎖

早期水煤漿氣化裝置中燒嘴冷卻水聯(lián)鎖保護系統(tǒng)采用燒嘴冷卻水進口流量低低、出口流量高高、進口壓力高高、出口溫度高高的四選二聯(lián)鎖（如圖2所示），4個指標中有2個偏離聯(lián)鎖值，聯(lián)鎖保護系統(tǒng)即執(zhí)行關閉冷卻水進出口切斷閥并停車的動作（多噴嘴氣化爐則僅關閉觸發(fā)聯(lián)鎖的工藝燒嘴冷卻水進出口閥門）。但此聯(lián)鎖保護系統(tǒng)僅適用于工藝燒嘴頭部端面或工藝燒嘴盤管損壞的情況，若冷卻水泵損壞不打量或其他原因斷水時，則無法及時實現(xiàn)保護。

圖2 燒嘴冷卻水系統(tǒng)四選二聯(lián)鎖

2.2 單參數(shù)三選二聯(lián)鎖

燒嘴冷卻水系統(tǒng)單參數(shù)三選二聯(lián)鎖（如圖3所示），即每個單參數(shù)——進口流量低低三選二、出口流量高高三選二、進口壓力高高三選二和出口溫度高高三選二聯(lián)鎖，當任一參數(shù)聯(lián)鎖觸發(fā)，聯(lián)鎖保護系統(tǒng)即執(zhí)行關閉工藝燒嘴冷卻水進出口閥并停車的動作。

此聯(lián)鎖保護方案的優(yōu)點是：當冷卻水泵損壞不打量或其他原因斷水時，進口流量低低三選二能直接觸發(fā)聯(lián)鎖，彌補了四選二聯(lián)鎖（圖2）的部分缺陷。

此聯(lián)鎖保護方案的缺點是：每個參數(shù)都要增加現(xiàn)場儀表測點及SIS系統(tǒng)點數(shù)，相應增加了投資，尤其是對于多噴嘴氣化爐而言，增加的儀表較多，現(xiàn)場布置更為不便。

圖3 燒嘴冷卻水系統(tǒng)單參數(shù)三選二聯(lián)鎖

2.3 四選二聯(lián)鎖＋進出口流量差聯(lián)鎖

在燒嘴冷卻水系統(tǒng)四選二聯(lián)鎖（圖2）的基礎上，增加燒嘴冷卻水進出口流量差高高聯(lián)鎖（如圖4所示），當四選二聯(lián)鎖觸發(fā)或進出口流量差觸發(fā)時，聯(lián)鎖保護系統(tǒng)即執(zhí)行關閉工藝燒嘴冷卻水進出口切斷閥并停車的動作。

圖4 四選二聯(lián)鎖＋進出口流量差高高聯(lián)鎖

此聯(lián)鎖保護方案的優(yōu)點是：不增加儀表測點和投資，能較快地觸發(fā)聯(lián)鎖。此聯(lián)鎖保護方案的缺點是：進出口流量計為單表，當任意1臺流量計出現(xiàn)故障時，極易因進出口流量差觸發(fā)聯(lián)鎖停車，增加氣化爐誤停車的風險。

2.4 單參數(shù)聯(lián)鎖

燒嘴冷卻水系統(tǒng)單參數(shù)聯(lián)鎖（如圖5所示），即進口流量低低、出口流量高高、進口壓力高高、出口溫度高高4個單參數(shù)，當任一參數(shù)觸發(fā)時，聯(lián)鎖保護系統(tǒng)即執(zhí)行關閉工藝燒嘴冷卻水進出口切斷閥并停車的動作。

該方案設計的出發(fā)點主要是基于燒嘴冷卻水水質(zhì)較好、儀表故障率較低以及不增加投資的考慮，且觸發(fā)聯(lián)鎖響應較快。但實際生產(chǎn)中，無論是儀表還是系統(tǒng)，均有一定的失效概率，因此考慮到因儀表故障而觸發(fā)聯(lián)鎖停車的風險，需要提高每臺儀表及回路的SIL等級來降低風險，如此一來實際上投資還是會相應增加。

圖5 燒嘴冷卻水系統(tǒng)單參數(shù)聯(lián)鎖

3 聯(lián)鎖優(yōu)化改進方案

通過上述的對比分析，山東兗礦國拓科技工程股份有限公司（簡稱兗礦國拓）工藝及儀控人員經(jīng)反復討論，在不增加燒嘴冷卻水系統(tǒng)檢測儀表的前提下，提出了如下聯(lián)鎖保護優(yōu)化改進方案：在原有四選二聯(lián)鎖的基礎上，增加燒嘴冷卻水出口流量低低聯(lián)鎖，即形成進口流量低低、出口流量高高或低低、進口壓力高高、出口溫度高高的四選二聯(lián)鎖（如圖6所示）。

此聯(lián)鎖保護方案完全包含了原有的四選二聯(lián)鎖功能，當工藝燒嘴端面或工藝燒嘴盤管損壞時，4個指標中有2個偏離聯(lián)鎖值，聯(lián)鎖保護系統(tǒng)即執(zhí)行關閉冷卻水進出口切斷閥并停車的動作；此外，在冷卻水泵故障不打量或斷水的情況下，因設置有進口流量低低和出口流量低低聯(lián)鎖，同樣可觸發(fā)聯(lián)鎖保護，關閉燒嘴冷卻水進出口切斷閥并停車，從而起到預防斷水后工藝燒嘴盤管損壞而造成大量高溫粗煤氣竄入冷卻水管線內(nèi)的風險。

圖6 四選二聯(lián)鎖＋出口流量低低聯(lián)鎖

4 結(jié)束語

優(yōu)化改進后的燒嘴冷卻水系統(tǒng)聯(lián)鎖保護方案，既彌補了原有四選二聯(lián)鎖的缺陷，又不增加任何的硬件測點和投資，而且能達到及時有效全面防護的目的，更趨完善。在今后的技術許可轉(zhuǎn)讓中，兗礦國拓將全面推行“四選二聯(lián)鎖＋出口流量低低聯(lián)鎖”的燒嘴冷卻水聯(lián)鎖保護方案，并建議在役水煤漿氣化裝置也對SIS系統(tǒng)工藝燒嘴冷卻水聯(lián)鎖保護方式進行升級完善，建議各用戶單位重視燒嘴頭部的保護工作，嚴格按照工藝包設計要求進行工藝燒嘴的采購和維修。