PDH地面火炬控制系統(tǒng)設(shè)計

劉廣超

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

火炬系統(tǒng)是石油化工生產(chǎn)裝置重要的安全環(huán)保設(shè)施，主要用于處理生產(chǎn)裝置啟停、生產(chǎn)異常和應(yīng)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(chǎn)裝置超壓，引發(fā)嚴(yán)重的生產(chǎn)事故?；鹁娣N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(chǎn)裝置的安全，防止爆炸和火災(zāi)事故的發(fā)生，需要設(shè)置合理的火炬控制系統(tǒng)，以保證火炬系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。丙烷脫氫裝置(PDH)火炬系統(tǒng)作為一種典型的地面火炬，用來處理丙烷脫氫裝置發(fā)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(yōu)點，這種環(huán)保型地面火炬系統(tǒng)正逐步成為石化企業(yè)燃燒處理火炬氣的首選[1]。該火炬系統(tǒng)通常為全自動控制，無需人為干預(yù)操作，自動控制系統(tǒng)需要保證火炬能夠?qū)⒎趴諝怏w混合物及時、可靠、安全地燃燒[2]。結(jié)合工藝與安全的需求，通過合適地吹掃、點火，進料系統(tǒng)及超溫超壓的保護控制，來實現(xiàn)氣體混合物的充分燃燒。

火炬控制系統(tǒng)一般選用工控機、單片機或者PLC，目前主流的火炬控制系統(tǒng)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(yè)環(huán)境下運行[4]。本文設(shè)計的基于PLC的PDH火炬控制系統(tǒng)不僅滿足了化工生產(chǎn)的安全要求，同時也提高了控制系統(tǒng)的可操作性和可靠性。因此，以下重點介紹該火炬控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)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(jīng)由水封罐內(nèi)突破水封后送入火炬燃燒器中進行燃燒處理?；鹁娌捎梅旨壢紵刂?，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(shè)置啟動切斷閥。PDH火炬系統(tǒng)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(tài)，否則會使得火炬熄滅從而導(dǎo)致火炬氣排空，因此，長明燈持續(xù)且穩(wěn)定的燃燒是保障火炬系統(tǒng)可靠運行的關(guān)鍵。

火炬點火裝置可以將生產(chǎn)裝置在正常生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的無法回收利用的工業(yè)廢氣或者在生產(chǎn)波動及事故狀態(tài)下產(chǎn)生的可燃氣體放空點火燃燒，以保證整個生產(chǎn)裝置和設(shè)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(chǎn)生的高壓電弧引燃燃料氣。另外，還需要長明燈火焰檢測設(shè)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(fēng)墻上設(shè)置紫外線火檢來監(jiān)控長明燈的工作狀態(tài)，實現(xiàn)自動點火，其性能的好壞將直接影響到整個火炬控制系統(tǒng)的運行。

當(dāng)?shù)孛婊鹁鏍t膛內(nèi)的任意一支長明燈熄滅，雙支熱電偶或紫外線火檢將發(fā)出報警信號，同時控制系統(tǒng)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(xiàn)場手動點火三種方式。為了維持長明燈的燃燒狀態(tài)，一般情況下點火控制都處于自動控制狀態(tài)，由PLC保證點火系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。

1.2 禁止點火控制

當(dāng)爐膛內(nèi)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(fā)出點火命令，那么長明燈的高壓拉弧會造成爐膛內(nèi)的閃爆，引起嚴(yán)重的安全后果。因此，控制系統(tǒng)會發(fā)出“禁止點火命令”，所有長明燈禁止點火，包括自動點火和現(xiàn)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(tǒng)發(fā)生管線內(nèi)爆炸，火炬系統(tǒng)各分級管線設(shè)有氮氣緊急吹掃氣動開關(guān)閥，利用氮氣將管道內(nèi)的氣體置換。氮氣緊急吹掃管線上的氣動開關(guān)閥根據(jù)其對應(yīng)的火炬氣分級管線上各氣動開關(guān)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(shè)1臺凝液泵，啟停由分液罐液位變送器的信號控制，當(dāng)液位信號大于高設(shè)定值時，聯(lián)鎖開泵，凝液泵開始運行，將罐內(nèi)污水排放至污水處理裝置；當(dāng)液位信號小于低設(shè)定值時，聯(lián)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(shè)定值時，補水氣動開關(guān)閥全開，將罐內(nèi)新鮮水補充到合適高度；水封罐液位信號大于高設(shè)定值時，補水氣動開關(guān)閥全關(guān)。

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(dāng)排放量較大時，通過周圍環(huán)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(chǎn)生黑煙，因此，需要人工干預(yù)，采取相應(yīng)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(huán)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(diào)節(jié)閥由水封立管上的壓力信號實現(xiàn)開關(guān)控制，由集氣總管上的壓力信號實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制。當(dāng)有火炬氣排放時，該氣動調(diào)節(jié)閥開啟，隨后根據(jù)集氣總管上的壓力信號實現(xiàn)對應(yīng)控制。

2)其他級蒸汽消煙管線上的氣動調(diào)節(jié)閥由火炬氣開關(guān)閥的開關(guān)指令控制，由集氣總管上的壓力信號實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制。當(dāng)某一級火炬氣開關(guān)閥打開時，對應(yīng)的蒸汽氣動調(diào)節(jié)閥開啟，隨后蒸汽氣動調(diào)節(jié)閥的開度將根據(jù)集氣總管上的壓力信號實現(xiàn)對應(yīng)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(jù)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(yīng)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(guān)的壓力信號，第一級處于常開狀態(tài)，當(dāng)集氣總管壓力信號超過設(shè)定值時，各級的氣動開關(guān)閥會進行開閥泄壓。為了實現(xiàn)快速泄壓，分級燃燒系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

硬件是火炬控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，其合理性和正確性直接決定了系統(tǒng)功能的實現(xiàn)、運行的穩(wěn)定性[7]。隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，PLC的種類也越來越多[8]，不同品牌的PLC，其結(jié)構(gòu)形式、性能、容量、編程方式等都各有不同，PLC的選擇應(yīng)從各個方面加以綜合考慮[9]。某PDH項目的火炬控制系統(tǒng)的軟硬件都采用某公司的PLC產(chǎn)品，組態(tài)、編程、通信以及數(shù)據(jù)集成的高度統(tǒng)一，強大的兼容性可以使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

該火炬控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括PLC供電設(shè)計和配置設(shè)計。

2.1.1供電設(shè)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(nèi)利用220 V轉(zhuǎn)24 V電源模塊將UPS電源轉(zhuǎn)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(guān)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(shè)計

PLC控制柜內(nèi)由I/O接口模塊、CPU、通信模塊構(gòu)成。常用的I/O接口模塊包括數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出模塊等[10]；CPU作為核心設(shè)備，不斷地采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序[11]；信號模塊可作為聯(lián)系外部現(xiàn)場設(shè)備和CPU的橋梁[12]。I/O點數(shù)的確定是選用接口模塊的先決條件，根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，統(tǒng)計I/O點數(shù)和類型并列出表格，進而設(shè)計出合適類型的I/O接口模塊。

該火炬控制系統(tǒng)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(shù)字量輸入模塊、2塊數(shù)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(xié)議與中心控制室中DCS進行通信。

圖2 PLC控制系統(tǒng)配置示意

2.2 程序設(shè)計

該火炬控制系統(tǒng)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(tǒng)進行監(jiān)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(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思路，把整個控制系統(tǒng)分成若干模塊進行設(shè)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(tǒng)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(fā)信號由長明燈熱電偶溫度信號決定，當(dāng)溫度低于120 ℃時，系統(tǒng)認定長明燈熄滅，如果爐膛未發(fā)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(tǒng)發(fā)出長明燈點火失敗報警。

同理，當(dāng)發(fā)出火炬氣氣動開關(guān)蝶閥的關(guān)閥指令時，對應(yīng)的氮氣緊急吹掃氣動開關(guān)閥也將自動開啟，具體氮氣吹掃控制如下： 當(dāng)發(fā)出火炬氣氣動開關(guān)蝶閥的關(guān)閥指令時，氮氣緊急吹掃氣動開關(guān)閥將自動開啟，延續(xù)15 min后關(guān)閉。閥門關(guān)閉后延續(xù)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(shè)計

人機界面(HMI)與PLC連接，方便操作人員通過觸摸操作，實現(xiàn)人與機器的信息交互[14]。這不僅使操作人員無需現(xiàn)場巡檢即可得知現(xiàn)場信息，更可以在第一時間掌握現(xiàn)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(wěn)定，是目前最便捷的人機交互方式，能很好地在復(fù)雜環(huán)境中使用[15]。該火炬控制系統(tǒng)采用與PLC相同品牌的HMI，精簡面板具備觸摸屏的基礎(chǔ)功能，性價比高。

在該火炬控制系統(tǒng)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(xiàn)場儀表參數(shù)的實時顯示，完全達到了項目的技術(shù)要求。操作人員可以在現(xiàn)場PLC機柜處直觀地了解到現(xiàn)場各臺儀表的實時數(shù)據(jù)，對現(xiàn)場情況進行控制處理，完全實現(xiàn)“傻瓜”式操作。當(dāng)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(tǒng)的便利性和安全性。

2.4 現(xiàn)場應(yīng)用

該火炬控制系統(tǒng)通過PLC實現(xiàn)自動控制，在現(xiàn)場通過HMI實現(xiàn)人機交互，操作方便，PLC把相關(guān)儀表參數(shù)和報警信號傳入有人值守的操作室，在中心控制室內(nèi)即可進行正常的監(jiān)視工作。該火炬控制系統(tǒng)已投入試運行，具有安全可靠，可維護性強等優(yōu)點，使火炬系統(tǒng)及設(shè)備穩(wěn)定，處于良好的運行狀態(tài)。

3 結(jié)束語

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