燃燒器管理系統(tǒng)在加熱爐中的應(yīng)用

王輝，時(shí)宇環(huán)，周曉龍，楊春

(中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司，山東 青島 266071)

在中國煉油裝置中，加熱爐的啟動(dòng)一般在現(xiàn)場采用手動(dòng)操作，在燃燒器未點(diǎn)著或者點(diǎn)著隨后熄滅的情況下，現(xiàn)場操作人員需要立即關(guān)閉燃料閥門，然后采取吹掃措施后重新進(jìn)行點(diǎn)火。然而，由于人員操作和指揮的不確定性，在操作過程中容易導(dǎo)致加熱爐內(nèi)可燃?xì)鉂舛瘸^爆炸下限，容易造成閃爆，因此采用燃燒器管理系統(tǒng)(BMS)來管理加熱爐燃燒過程中的各項(xiàng)操作，對于安全生產(chǎn)至關(guān)重要。在北美和歐洲地區(qū)，NFPA85，NFPA86和NFPA 87規(guī)范被廣泛應(yīng)用，這些規(guī)范明確了鍋爐、加熱爐和液體加熱器的BMS硬件要求和軟件功能。

1 燃燒器管理系統(tǒng)簡介

BMS主要在加熱爐啟動(dòng)、停止和正常運(yùn)行等各種工況下，連續(xù)監(jiān)測燃燒系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，為操作人員提供必要的協(xié)助，防止誤操作和損壞燃燒設(shè)備，減少隱患和減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，可靠啟動(dòng)和中斷向加熱爐的不安全燃料供給，在事故工況下按照安全順序自動(dòng)操作，避免燃料和空氣在爐膛內(nèi)積聚，防止加熱爐出現(xiàn)事故，保障加熱爐的安全運(yùn)行。

2 BMS功能設(shè)計(jì)

BMS要求在加熱爐啟動(dòng)至停止的整個(gè)過程中起作用，因此BMS應(yīng)滿足在啟動(dòng)、運(yùn)行、緊急狀況等過程的控制和管理，應(yīng)具有以下功能：

1)燃料閥泄漏測試。加熱爐點(diǎn)火前應(yīng)該完成燃料系統(tǒng)的泄漏測試。泄漏檢測程序檢驗(yàn)燃料系統(tǒng)根部隔離閥、緊急切斷閥及放空閥是否關(guān)斷嚴(yán)密，防止燃料在吹掃過程中進(jìn)入爐膛內(nèi)，同時(shí)確保在聯(lián)鎖動(dòng)作后燃料不會(huì)泄漏至爐膛。如果泄漏檢測不滿足要求，將不允許繼續(xù)下一步操作，待閥門修復(fù)嚴(yán)密后重新進(jìn)行泄漏檢測。

2)爐膛吹掃。當(dāng)泄漏測試完成后，應(yīng)進(jìn)行爐膛吹掃。吹掃的目的是為了清除積聚在爐膛內(nèi)的可燃?xì)猓乐箍扇細(xì)庠邳c(diǎn)火過程中出現(xiàn)閃爆危險(xiǎn)。根據(jù)NFPA規(guī)定，一次吹掃周期至少采用系統(tǒng)體積4倍的新鮮空氣或惰性氣體進(jìn)行吹掃。

3)點(diǎn)火控制。點(diǎn)火過程中，BMS檢測并確認(rèn)加熱爐的點(diǎn)火條件，指導(dǎo)操作人員按照預(yù)設(shè)程序完成點(diǎn)火操作。同時(shí)實(shí)時(shí)檢測工藝過程參數(shù)，在危險(xiǎn)情況下緊急切除燃燒器。

4)過程監(jiān)測與聯(lián)鎖。在加熱爐運(yùn)行中，監(jiān)測各項(xiàng)重要運(yùn)行參數(shù)，當(dāng)參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，聯(lián)鎖切斷燃料，停止加熱爐運(yùn)行。

3 燃燒器管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該項(xiàng)目包含： 常壓蒸餾裝置、連續(xù)重整裝置、催化裂化裝置和硫磺回收裝置。裝置內(nèi)加熱爐、反應(yīng)爐等均要求具備燃燒器管理功能。根據(jù)NFPA要求，BMS應(yīng)選用符合燃燒安全應(yīng)用的PLC，當(dāng)PLC不能表明可用于燃燒安全場合時(shí)，其控制器及其部件應(yīng)符合IEC 61508 SIL2及更高認(rèn)證。該項(xiàng)目BMS硬件采用TRICON控制器及部件，滿足IEC 61508 SIL3認(rèn)證，并通過TüV AK6認(rèn)證。

該項(xiàng)目采用中心控制室和現(xiàn)場機(jī)柜室模式，各裝置現(xiàn)場機(jī)柜室距離中心控制室約400～800 m。系統(tǒng)控制機(jī)柜布置在現(xiàn)場機(jī)柜室，機(jī)柜內(nèi)安裝控制器及卡件，輔助操作臺(tái)和工程師站布置在中心控制室。輔助操作臺(tái)與控制機(jī)柜之間采用硬接線連接。該項(xiàng)目BMS不設(shè)置顯示站，通過RS-485 Modbus通信協(xié)議與分散控制系統(tǒng)(DCS)通信，在DCS上監(jiān)測BMS的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)在DCS執(zhí)行部分操作，例如遠(yuǎn)程啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)、控制燃料壓力等。

BMS設(shè)置現(xiàn)場就地控制盤，就地控制盤上布置加熱爐復(fù)位按鈕、長明燈泄漏測試按鈕、主燃料泄漏測試按鈕、吹掃按鈕、長明燈啟動(dòng)按鈕、主燃料啟動(dòng)按鈕、緊急停車按鈕、長明燈指示燈、泄漏檢測失敗指示燈、吹掃進(jìn)行指示燈、吹掃完成指示燈、燃料壓力低低指示燈等。該項(xiàng)目BMS基本構(gòu)架如圖1所示。

圖1 燃燒器管理系統(tǒng)基本構(gòu)架示意

4 燃燒器管理系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)

一般加熱爐燃料和空氣預(yù)熱系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。燃料系統(tǒng)包括： 長明燈緊急切斷閥和放空閥、主燃料氣緊急切斷閥和放空閥、調(diào)節(jié)系統(tǒng)、壓力變送器、火焰檢測器等，空氣預(yù)熱系統(tǒng)包括： 鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、空氣-煙氣預(yù)熱器、空氣擋板和煙氣擋板等。

BMS邏輯程序包括： 燃料泄漏測試程序；加熱爐吹掃程序；長明燈點(diǎn)火程序；主燃料氣點(diǎn)火程序；緊急停車程序。

張滬寅(通信作者) 男，1962年生于江蘇蘇州，教授、博士、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)QoS、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、新一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu).

4.1 燃料泄漏測試程序

4.1.1允許泄漏檢測

當(dāng)執(zhí)行泄漏檢測程序前，需要確認(rèn)滿足以下條件： 長明燈離子棒檢測器無信號(hào)，燃料氣第1道和第2道緊急切斷閥XV-01，XV-02關(guān)閉，自動(dòng)放空閥XV-03打開，主燃料氣切斷閥XV-04和XV-05關(guān)閉，自動(dòng)放空閥XV-06打開，引風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)未處于聯(lián)鎖模式，煙道擋板HV-04全開，空氣預(yù)熱系統(tǒng)切除，HV-01，HV-02，HV-05和HV-06全關(guān)，旁通空氣擋板HV-03全開。

圖2 加熱爐燃料和空氣預(yù)熱系統(tǒng)流程示意

當(dāng)上述狀態(tài)確認(rèn)后，“準(zhǔn)備長明燈泄漏測試”指示燈HZL-10和“準(zhǔn)備主燃料氣泄漏測試” 指示燈HZL-13亮，操作員可以執(zhí)行下一步長明燈和主燃料氣泄漏檢測程序。

4.1.2長明燈燃料氣泄漏檢測

長明燈燃料氣泄漏檢測步驟包括： 手動(dòng)隔離閥密封性檢測，XV-01，XV-02，XV-03密封性檢測，流程如圖3所示。

當(dāng)泄漏檢測成功時(shí)， “長明燈泄漏檢測完成”指示燈HZL-11停止閃爍并保持常亮。如果泄漏檢測失敗，HZL-11熄滅，同時(shí)，“長明燈泄漏檢測失敗”指示燈HZL-12開始閃爍。

4.1.3主燃料氣泄漏檢測

為節(jié)省啟動(dòng)時(shí)間，主燃料氣泄漏檢測和長明燈泄漏檢測可同時(shí)進(jìn)行。主燃料氣泄漏檢測步驟包括： 手動(dòng)隔離閥密封性檢測；自動(dòng)放空閥XV-06密封性檢測；XV-01，XV-02密封性檢測。每步執(zhí)行程序與長明燈泄漏檢測程序一致。

當(dāng)泄漏檢測成功時(shí)，“主燃料氣泄漏檢測完成”指示燈HZL-14停止閃爍并保持常亮。如果泄漏檢測失敗，HZL-14熄滅，“主燃料氣泄漏檢測失敗”指示燈HZL-15開始閃爍。

4.2 加熱爐吹掃程序

如果上述泄漏檢測程序完成，“加熱爐準(zhǔn)備啟動(dòng)”指示燈亮。此時(shí)操作員從DCS操作站上開啟1臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，當(dāng)空氣流量高于預(yù)先設(shè)定的最低吹掃流量值時(shí)，操作員按下現(xiàn)場就地控制盤“吹掃”按鈕HZS-02，BMS執(zhí)行下列動(dòng)作：

1)觸發(fā)吹掃計(jì)時(shí)器，啟動(dòng)加熱爐吹掃程序。在一次吹掃周期內(nèi)，至少保證系統(tǒng)體積4倍的新鮮空氣通過加熱爐爐膛。

2)吹掃過程中，如果空氣流量持續(xù)15 s低于流量閾值或煙道擋板HV-04開回訊信號(hào)丟失15 s，BMS停止吹掃程序，就地控制盤“吹掃失敗”指示燈亮，同時(shí)重置吹掃計(jì)時(shí)器。在吹掃計(jì)時(shí)過程中空氣流量和煙道擋板開回訊信號(hào)均正常，計(jì)時(shí)結(jié)束后“吹掃完成”指示燈亮，同時(shí)“長明燈泄漏檢測完成”指示燈和“主燃料氣泄漏檢測完成”指示燈熄滅。

4.3 長明燈點(diǎn)火程序

在執(zhí)行長明燈點(diǎn)火程序前，需要確認(rèn)滿足以下條件： 吹掃完成，煙道擋板HV-04全開，XV-01和XV-02全關(guān)，XV-03全開，XV-04和XV-05全關(guān)，XV-06全開，至少1臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

當(dāng)所有條件滿足時(shí)，就地盤 “準(zhǔn)備啟動(dòng)長明燈”指示燈閃爍，操作員可以按下“長明燈啟動(dòng)”按鈕，BMS執(zhí)行下列動(dòng)作： 關(guān)閉長明燈XV-03，并確認(rèn)閥位正確；打開長明燈緊急切斷閥，并確認(rèn)閥位正確；確保長明燈燃料氣壓力PZT-01高于低低聯(lián)鎖值。當(dāng)收到相關(guān)反饋信號(hào)后，“準(zhǔn)備啟動(dòng)長明燈”指示燈常亮。操作員可采用便攜式點(diǎn)火器逐臺(tái)點(diǎn)燃長明燈。同時(shí)通過火焰檢測器檢測火焰，如點(diǎn)燃，則點(diǎn)亮就地盤上對應(yīng)的“長明燈火焰”指示燈。

當(dāng)點(diǎn)燃第1臺(tái)長明燈開始，操作員有15 min的點(diǎn)火時(shí)間，否則將聯(lián)鎖停車，同時(shí)啟動(dòng)新的啟動(dòng)邏輯。一般來說,點(diǎn)燃50%以上的長明燈，則認(rèn)為點(diǎn)火成功，推薦按照點(diǎn)火程序點(diǎn)燃所有長明燈。

圖3 長明燈燃料氣泄漏檢測流程示意

4.4 主燃料氣點(diǎn)火程序

當(dāng)執(zhí)行主燃料氣點(diǎn)火程序前，需要確認(rèn)滿足以下條件： 50%以上長明燈點(diǎn)亮，XV-04和XV-05關(guān)閉，XV-06打開，所有主燃料氣手動(dòng)隔離閥關(guān)閉，至少1臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

以上條件滿足，就地控制盤“準(zhǔn)備啟動(dòng)主燃料氣”指示燈閃爍。操作員可以按下“主燃料氣啟動(dòng)”按鈕，BMS執(zhí)行下列動(dòng)作： 關(guān)閉自動(dòng)放空閥，并確認(rèn)閥位正確；打開主燃料氣切斷閥，并確認(rèn)閥位正確；確保主燃料氣壓力PZT-02高于低低聯(lián)鎖值。

上述條件滿足，就地控制盤“準(zhǔn)備啟動(dòng)主燃燒器”指示燈HZL-06B常亮。操作員可以逐臺(tái)點(diǎn)燃主火嘴，首先確認(rèn)相關(guān)的長明燈點(diǎn)燃，然后打開手動(dòng)隔離閥，立刻觀察主火嘴狀態(tài)。如果主火嘴未點(diǎn)燃，操作員應(yīng)立刻關(guān)閉主火嘴手動(dòng)閥，并檢查原因及修復(fù)，然后重新點(diǎn)燃主火嘴或繼續(xù)點(diǎn)燃其他主火嘴。

4.5 緊急停車程序

緊急停車程序主要包括長明燈系統(tǒng)聯(lián)鎖和主燃料氣系統(tǒng)聯(lián)鎖，目前該部分聯(lián)鎖設(shè)計(jì)已經(jīng)非常完善，不再詳細(xì)說明。值得一提的是，在BMS設(shè)計(jì)中，吹掃、點(diǎn)火等程序要求受制于緊急停車程序，無論加熱爐處于何階段，BMS均能監(jiān)控過程參數(shù)并提供安全保護(hù)。

5 結(jié)束語

從實(shí)際應(yīng)用效果來看，采用可靠的BMS對加熱爐在啟動(dòng)、停車過程中的管理，保證了開工過程中的安全，在很大程度上減輕了操作人員的工作強(qiáng)度。近幾年國內(nèi)煉油行業(yè)發(fā)展迅速，煉油裝置的加熱爐流程已經(jīng)非常完善，但目前國內(nèi)規(guī)范對加熱爐的燃燒器管理功能沒有詳細(xì)要求，工程公司一般也不做邏輯設(shè)計(jì)，導(dǎo)致絕大部分加熱爐采用現(xiàn)場人工實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。通過對比國外煉油裝置BMS設(shè)計(jì)，國內(nèi)加熱爐在硬件上基本滿足實(shí)施BMS的條件，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上通過軟件升級，即可實(shí)現(xiàn)加熱爐管理的自動(dòng)化和規(guī)范化，從而保證加熱爐的安全。