水煤漿氣化工藝的SIS 設(shè)計(jì)

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(shè)的煤制合成氨和尿素項(xiàng)目中的氣化技術(shù)采用德士古水煤漿氣化技術(shù)，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(yè)的典型特點(diǎn)。 根據(jù)國(guó)家安全監(jiān)管總局于2014 年11 月13 日提出的《加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見(jiàn)》，生產(chǎn)企業(yè)的重點(diǎn)危險(xiǎn)工藝中必須安裝獨(dú)立于集散型控制系統(tǒng)的安全儀表系統(tǒng)（Safety Instrument System，SIS）［1］， 以便在生產(chǎn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)裝置的重要參數(shù)指標(biāo)，當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)異常時(shí)，可迅速找到原因并及時(shí)按照預(yù)設(shè)程序停車， 排除危險(xiǎn)，減少事故的發(fā)生。

1 工藝流程

水煤漿氣化工藝主要分為3 個(gè)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(cāng)庫(kù)中的原料煤和石灰石經(jīng)稱量， 給料機(jī)將其按一定比例送至磨煤機(jī)，在磨煤機(jī)中磨成煤粉； 同時(shí)加入8%木質(zhì)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(guò)高壓煤漿泵送至氣化爐［2］。

煤氣化部分中， 空分來(lái)的具有一定溫度、壓力、 流量和純度的氧氣通過(guò)支管進(jìn)入工藝燒嘴，與煤漿共同噴入氣化爐進(jìn)行氣化反應(yīng)，燒嘴為三流式燒嘴。 氣化反應(yīng)在約1 400 ℃、6.5 MPa 條件下進(jìn)行，在氣化爐反應(yīng)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(jìn)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(guò)文丘里洗滌器噴水潤(rùn)濕后進(jìn)洗滌塔，經(jīng)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(qū)［4］。

渣水處理部分中，氣化爐內(nèi)的熔渣和未反應(yīng)的碳經(jīng)激冷水降溫固化后，從氣化爐底部進(jìn)入鎖斗并定期排出，氣化和洗滌過(guò)程中產(chǎn)生的廢水通過(guò)閃蒸后重新進(jìn)入循環(huán)［5］。

2 SIS 設(shè)計(jì)應(yīng)用

SIS 的組成元件包括傳感器、 邏輯運(yùn)算器和執(zhí)行元件，它屬于靜態(tài)系統(tǒng)，投用后正常工況下不會(huì)干擾系統(tǒng)的運(yùn)行［6］，在后臺(tái)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)裝置中各閥門(mén)、儀表參數(shù)，當(dāng)生產(chǎn)出現(xiàn)異常參數(shù)或者判斷出現(xiàn)可能危及安全的工況時(shí)，SIS 立即介入，觸發(fā)聯(lián)鎖動(dòng)作，使氣化工藝平穩(wěn)停止運(yùn)行，避免發(fā)生安全事故［7］。

本項(xiàng)目SIS 采用美國(guó)GE 公司的GMR 系統(tǒng)。該系統(tǒng)是GE 公司面向SIS 開(kāi)發(fā)的一套三重化冗余控制系統(tǒng)，通過(guò)了SIL3 認(rèn)證［8］。 SIS 結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SIS 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

GMR 系統(tǒng)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(tǒng)由3 部分組成：輸入子系統(tǒng)、輸出子系統(tǒng)和控制器子系統(tǒng)［9］。

輸入子系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)中輸入傳感器連接到3個(gè)獨(dú)立的輸入通道以形成三選二的冗余表決方式［10］。 在 此 系 統(tǒng) 中，所 選 的 數(shù) 字 輸 入 模 塊 為IC660BBD024，模擬輸入模塊為IC200ALG260。

輸出子系統(tǒng)。 輸出子系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)包括I 型冗余輸出結(jié)構(gòu)、T 型冗余輸出結(jié)構(gòu)和H 型冗余輸出結(jié)構(gòu)［11］。 在本設(shè)計(jì)中，選用高可靠性和高安全性的H 型冗余輸出結(jié)構(gòu)，所選的數(shù)字輸出模塊是IC660BBD024，它是一個(gè)32 點(diǎn)I/O 模塊，正邏輯，24 V（DC），模擬量和數(shù)字量輸出模塊分別連接到3 個(gè)總線。

控制器子系統(tǒng)。 控制器子系統(tǒng)由3 組冗余和容錯(cuò)CPU 組成。 CPU 模塊通過(guò)3 條總線與輸入和輸出模塊相連。 現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)進(jìn)入輸入模塊，通過(guò)3 條總線傳輸?shù)饺鼗疌PU 中，即一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器最終進(jìn)入到9 個(gè)邏輯單元中，每重邏輯控制器經(jīng)過(guò)運(yùn)算和最終表決后輸出控制命令至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。 控制器子系統(tǒng)中使用的CPU 模塊是IC697CPM790，它具有64 MHz，80486CPU，32 位字長(zhǎng)，并支持浮點(diǎn)的運(yùn)算［12］。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)第1 節(jié)對(duì)水煤漿氣化工藝流程的分析，將停車邏輯細(xì)分為4 個(gè)單元，即氧氣煤漿進(jìn)料單元、燒嘴冷卻水系統(tǒng)、氣化爐激冷水系統(tǒng)和閥門(mén)故障系統(tǒng)。 氣化停車T 聯(lián)鎖由以上4 個(gè)單元共計(jì)23 條聯(lián)鎖組成，任意一條聯(lián)鎖觸發(fā)都可以使氣化爐安全停車。 下面逐一對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究。

2.2.1 氧氣煤漿進(jìn)料單元

氧氣和煤漿的進(jìn)料是氣化反應(yīng)的基礎(chǔ)，由于氧氣和煤漿在氣化爐中反應(yīng)迅速，且反應(yīng)溫度和壓力都非常高，因此掌控好氧煤比極其關(guān)鍵。 氧煤比的高低既關(guān)乎產(chǎn)品質(zhì)量， 也關(guān)乎反應(yīng)安全。當(dāng)出現(xiàn)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(xiàn)故障等安全隱患時(shí)，觸發(fā)安全聯(lián)鎖使氣化爐自動(dòng)停車。 氧氣煤漿進(jìn)料聯(lián)鎖邏輯如圖3 所示。

圖3 氧氣煤漿進(jìn)料聯(lián)鎖邏輯

2.2.2 燒嘴冷卻水系統(tǒng)

氣化爐燒嘴工作的環(huán)境溫度為1 350 ℃，為避免高溫輻射對(duì)燒嘴造成損害，設(shè)置燒嘴冷卻水系統(tǒng)，通過(guò)低溫脫鹽水快速流動(dòng)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(pán)管燒穿的事件發(fā)生，需要及時(shí)停車并切斷燒嘴冷卻水系統(tǒng)［14］。 根據(jù)燒嘴冷卻水盤(pán)管燒穿之后出現(xiàn)的工藝變化， 設(shè)置以下聯(lián)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(tǒng)緊急停車按鈕。 燒嘴冷卻水系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯如圖4 所示。

圖4 燒嘴冷卻水系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯

2.2.3 氣化爐激冷水系統(tǒng)

氣化爐合成氣出口溫度高，在氣化工藝中設(shè)置了激冷水系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行降溫處理，以免高溫合成氣在送至后續(xù)工段時(shí)對(duì)管道和設(shè)備產(chǎn)生危害。通過(guò)對(duì)出口合成氣溫度和激冷水液位來(lái)判斷激冷水系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障，如出現(xiàn)故障應(yīng)及時(shí)停車以保護(hù)設(shè)備。 氣化爐激冷水系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯如圖5所示。

圖5 氣化爐激冷水系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯圖

2.2.4 閥門(mén)故障系統(tǒng)

為了避免在開(kāi)車或運(yùn)行過(guò)程中各類事故的發(fā)生，系統(tǒng)對(duì)閥門(mén)的動(dòng)作時(shí)間和閥位開(kāi)度進(jìn)行檢測(cè)， 當(dāng)它們出現(xiàn)異常時(shí)立刻鎖定故障信號(hào)并停車。

閥門(mén)故障系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯圖如圖6 所示。

圖6 閥門(mén)故障系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯

2.3 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)完成后，將對(duì)安全聯(lián)鎖邏輯進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)包括閥門(mén)和聯(lián)鎖邏輯的調(diào)試。 試驗(yàn)是為了在氣化爐開(kāi)車投料前確保所有閥門(mén)動(dòng)作正常，反應(yīng)時(shí)間滿足要求，各傳感器顯示數(shù)值與現(xiàn)場(chǎng)一致以及聯(lián)鎖邏輯正常工作，避免投料失敗或在SIS 未正常運(yùn)行的情況下開(kāi)車。

對(duì)閥門(mén)進(jìn)行單調(diào)時(shí)， 先將其切換到手動(dòng)模式， 然后逐一手動(dòng)對(duì)所有閥門(mén)進(jìn)行開(kāi)啟或者關(guān)閉，觀察中控室界面中對(duì)應(yīng)的閥門(mén)是否與現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)狀態(tài)一致，同時(shí)檢測(cè)閥門(mén)全行程動(dòng)作時(shí)間是否滿足開(kāi)車程序要求。 在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)，將閥門(mén)調(diào)為自動(dòng)模式，按下緊急停車按鈕或用信號(hào)發(fā)生器模擬任一聯(lián)鎖條件觸發(fā)值，觀察SIS 能否及時(shí)響應(yīng)，并自動(dòng)完成停車動(dòng)作。 經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)可準(zhǔn)確、及時(shí)地執(zhí)行聯(lián)鎖動(dòng)作， 發(fā)出警報(bào)并依次關(guān)閉閥門(mén)，使氣化爐安全停車，同時(shí)記錄異常數(shù)據(jù)的來(lái)源。

3 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)煤化工行業(yè)發(fā)展迅猛，在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能高速增長(zhǎng)的同時(shí)， 各種復(fù)雜的生產(chǎn)裝置應(yīng)運(yùn)而生，發(fā)生危險(xiǎn)的可能性也隨之增大。 筆者根據(jù)氣化工藝的流程，針對(duì)工藝中重要設(shè)備，采用GMR 系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套SIS。 SIS 選用三重化輸入子系統(tǒng)、H型輸出子系統(tǒng)和三重化控制器，為氣化工藝安全運(yùn)行提供了可靠性極高的硬件環(huán)境。 隨后通過(guò)對(duì)工藝流程中的危險(xiǎn)因素進(jìn)行分析，對(duì)氧氣煤漿進(jìn)料單元、燒嘴冷卻水系統(tǒng)、氣化爐激冷水系統(tǒng)和閥門(mén)故障系統(tǒng)進(jìn)行研究，將所有對(duì)設(shè)備正常運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生影響的因素設(shè)置為聯(lián)鎖條件，當(dāng)觸發(fā)聯(lián)鎖條件時(shí)，經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算，相應(yīng)的設(shè)備產(chǎn)生動(dòng)作使氣化裝置安全停車。 該系統(tǒng)有效地保障了氣化裝置滿負(fù)荷、穩(wěn)定、安全、長(zhǎng)周期運(yùn)行，有助于工作人員的操作和日常維護(hù)。