加熱爐最新控制及聯(lián)鎖保護設(shè)置

張述旺

（中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101）

加熱爐是煉油系統(tǒng)裝置中重要的工藝設(shè)備，將工藝介質(zhì)連續(xù)加熱到所需溫度，進(jìn)入后續(xù)設(shè)備進(jìn)行分餾、裂解或反應(yīng)，其能耗占全廠總能耗的65%～80%，其操作費用占60%～70%[1]。正常生產(chǎn)時加熱爐自動控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）對加熱爐進(jìn)行快速、精確地調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能增效、減少污染的效果。

加熱爐操作介質(zhì)多為易燃易爆的石油烴類，且為火焰直接加熱，一旦發(fā)生事故，輕則造成裝置停工，重則引起爆炸，爐毀人亡,嚴(yán)重影響裝置的安全、長周期生產(chǎn)。加熱爐的安全聯(lián)鎖保護是裝置SIS系統(tǒng)（Safety Interlocking System或Safety Instrumented System[2]）的一部分，是近年來隨著安全生產(chǎn)要求從DCS中獨立并發(fā)展起來的。

1 加熱爐及余熱回收系統(tǒng)的最新設(shè)置

近年來隨著裝置大型化和環(huán)保的需求，加熱爐及其余熱回收系統(tǒng)設(shè)置發(fā)生了一些變化，自動控制也出現(xiàn)了相應(yīng)變化。

1.1 加熱爐系統(tǒng)的通常設(shè)置

煉油裝置通常有1～2臺加熱爐，共用一套余熱回收系統(tǒng)，正常狀態(tài)下采用鼓風(fēng)機、引風(fēng)機強制通風(fēng)，空氣在預(yù)熱器經(jīng)煙氣加熱后通過風(fēng)道進(jìn)燃燒器助燃。每臺燃燒器設(shè)置火焰監(jiān)測，監(jiān)控燃燒狀況。

爐底風(fēng)道設(shè)快開風(fēng)門，在風(fēng)機或空氣預(yù)熱器出現(xiàn)故障不能正常供風(fēng)時快速打開爐底快開風(fēng)門，改為自然通風(fēng)模式，上部靠爐頂?shù)臒焽璩榱Ρ３譅t膛負(fù)壓，每臺加熱爐可以單獨靈活操作，受外部影響小。

1.2 余熱回收雙鼓風(fēng)機模式

近年來隨著裝置的大型化和設(shè)計理念的更新，余熱回收系統(tǒng)逐漸采用雙鼓風(fēng)機模式，如圖1所示。裝置長周期運行下風(fēng)機出現(xiàn)故障不可避免，但兩臺風(fēng)機同時出現(xiàn)問題的概率極小，這樣，無論什么情況下，風(fēng)機可持續(xù)供風(fēng)，至少有一臺風(fēng)機可保證在略低于正常負(fù)荷下供風(fēng)，不致于停爐停產(chǎn)。

圖1 典型的最新加熱爐及余熱回收系統(tǒng)示意圖

強制供風(fēng)可有效減少進(jìn)入爐膛的多余空氣，使過?？諝庀禂?shù)保持在較低的水平，燃料穩(wěn)定充分燃燒，爐膛熱強度較高，能強化傳熱、提高熱效率，還可抑制SO3等污染物的產(chǎn)生[3]。經(jīng)測算，即便在不經(jīng)煙氣余熱回收情況下，僅自然通風(fēng)改強制通風(fēng)，整爐熱效率就可提高至少1%，在當(dāng)今裝置越來越大型化的今天，節(jié)能、環(huán)保效益更為明顯。

由于不再考慮自然通風(fēng)，爐底風(fēng)道的快開風(fēng)門也不再設(shè)置，不但減少了風(fēng)門本身及其連帶的控制儀表投資，也減少了空氣泄漏點，同時也簡化了加熱爐的控制。

1.3 煙氣在線監(jiān)測要求

隨著對環(huán)保的重視，要求對加熱爐所有排放口的污染物（煙氣）進(jìn)行實時監(jiān)測，新建加熱爐不再設(shè)置單獨煙囪，各爐煙氣回收余熱后經(jīng)共用煙囪排放，如圖1所示。對于爐數(shù)量少的裝置，還可和鄰近裝置的加熱爐共同設(shè)置余熱回收系統(tǒng)及煙囪。這樣，在煙氣總的排放口——煙囪上設(shè)一套煙氣在線監(jiān)測（CEMS）即可實現(xiàn)對煙氣排放的統(tǒng)一監(jiān)測；再者獨立煙囪鋼結(jié)構(gòu)較加熱爐本身簡單得多，容易設(shè)置滿足人工比對煙氣采樣要求的Z字型斜梯或45°盤梯[4]。

2 加熱爐的自動控制

加熱爐的自動控制在正常狀態(tài)下連續(xù)監(jiān)測，對生產(chǎn)過程進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，保證加熱爐高效、經(jīng)濟運行。

2.1 輻射頂負(fù)壓值控制

通常輻射室頂部的負(fù)壓值控制在-20 Pa，如果此處壓力值過高，容易出現(xiàn)正壓，造成高溫?zé)煔馔庑?，形成安全隱患；如果此處負(fù)壓值過低，爐體內(nèi)外壓差越大，外部空氣通過各種門、孔等的縫隙進(jìn)入爐內(nèi)就越多，這部分空氣并不參與燃燒，卻會隨煙氣帶走更多的熱量，造成熱效率下降，而且會加劇爐管氧化，也會生成更多的露點腐蝕介質(zhì)。

正常操作時擋板DG0關(guān)閉，如圖1所示，爐膛負(fù)壓由引風(fēng)機抽動煙氣保持，引風(fēng)機由變頻電機驅(qū)動，由變頻轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)爐膛負(fù)壓，爐頂擋板對各自爐膛負(fù)壓進(jìn)行微調(diào)；如果有兩臺以上加熱爐，其負(fù)壓值不同，會使風(fēng)機出現(xiàn)不同的調(diào)節(jié)，以其中一臺主要爐負(fù)壓為主進(jìn)行調(diào)節(jié)，另外加熱爐為輔。

引風(fēng)機故障時，則將余熱回收系統(tǒng)切出，DG0打開、Dh關(guān)閉，煙氣直接由爐頂煙道排入煙囪，負(fù)壓靠煙囪抽力保持。

2.2 氧含量控制

一般控制輻射室上部氧含量在3%～5%，氧含量由鼓風(fēng)機供給的風(fēng)量（空氣量）調(diào)節(jié)，風(fēng)量由變頻電機調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速控制，各支風(fēng)道擋板對進(jìn)燃燒器風(fēng)量進(jìn)行微調(diào)。

但在實際生產(chǎn)中，由于某些原因，位于輻射室頂部的氧含量檢測儀檢測出的數(shù)據(jù)并不能準(zhǔn)確反映燃燒器處實際參與燃燒的氧氣含量，比如爐膛漏風(fēng)、燃料氣波動、調(diào)節(jié)滯后等，由此引入CO含量控制。

當(dāng)入爐空氣合適或過大時，CO含量較低且?guī)缀醪蛔?，即使過?？諝饬吭诤侠砼浔赛c附近的一定范圍內(nèi)變化，對CO含量的影響幾乎不變，而且與負(fù)荷參數(shù)無關(guān)。而當(dāng)供風(fēng)量減少到?jīng)]有足夠的O2供完全燃燒時，CO濃度迅速上升。

一般認(rèn)為CO濃度值大于200×10-6時，燃料不能完全燃燒，應(yīng)加大供風(fēng)量，切換至模糊自尋優(yōu)控制。通過調(diào)整供風(fēng)量，使CO含量保持在（100～200）×10-6，此時加熱爐的熱效率最佳，若當(dāng)前為模糊控制方式則停止尋優(yōu)，若為O2校正方式則仍保持自動方式。CO低于100×10-6時，切換至O2的修正串級控制[5]。

2.3 雙風(fēng)機運行

2.3.1 雙風(fēng)機的控制

兩臺鼓風(fēng)機采用并聯(lián)方式，每臺風(fēng)機出口設(shè)密封擋板，正常情況下，兩臺風(fēng)機同時運行，由電機變頻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制風(fēng)道風(fēng)壓（風(fēng)量）。如果一臺鼓風(fēng)機故障時，將故障風(fēng)機出口擋板關(guān)閉，防止正常風(fēng)機鼓出的空氣從故障風(fēng)機串漏。

兩臺風(fēng)機同時運行會使風(fēng)機、電機處在較低的負(fù)荷下，總能耗較一臺風(fēng)機運行要高，但比兩臺風(fēng)機一開一備模式更安全。因為備用風(fēng)機難以在運行風(fēng)機故障時無間隙投用，入爐風(fēng)量快速下降，燃燒器火焰會逐漸熄滅，部分燃料不能充分燃燒、后續(xù)燃料氣仍源源不斷通入爐內(nèi)，此時，如果備用風(fēng)機自動啟動、大量空氣進(jìn)入爐內(nèi)，與爐膛內(nèi)積聚的燃料混合，由于爐內(nèi)仍處在高溫狀態(tài)下，如燃料氣濃度達(dá)到爆炸濃度時就會發(fā)生爆炸。

2.3.2 風(fēng)機故障的判斷

依據(jù)風(fēng)機出口壓力判斷風(fēng)機是否故障是最直接、準(zhǔn)確的，壓力正常時風(fēng)量正常，風(fēng)量下降時壓力也必然下降。但實際中存在問題是，由于兩臺風(fēng)機并聯(lián)，出口風(fēng)道是互通的，即便在一臺風(fēng)機已經(jīng)出現(xiàn)故障停機的狀態(tài)下，正常風(fēng)機的風(fēng)壓也會使故障風(fēng)機出口處壓力保持在較高范圍內(nèi)，即僅憑出口壓力，難以準(zhǔn)確判斷風(fēng)機是否出現(xiàn)故障。

筆者認(rèn)為依據(jù)風(fēng)機葉輪或軸轉(zhuǎn)速判斷風(fēng)機是否正常是最合理的，風(fēng)機鼓風(fēng)量與轉(zhuǎn)速有一定關(guān)系，但不受風(fēng)機另外出口壓力值影響。

3 加熱爐的聯(lián)鎖設(shè)置

加熱爐聯(lián)鎖保護是當(dāng)出現(xiàn)危及加熱爐安全的情況時強烈報警，聯(lián)鎖啟動，確保加熱爐不發(fā)生危及爐本身及裝置的破壞性事故[6]。

3.1 管式加熱爐的聯(lián)鎖保護系統(tǒng)主要針對的幾個

方面

（1）在燃料氣、燃料油參數(shù)發(fā)生異常，壓力過高或過低，致使燃燒器不能正常燃燒時，聯(lián)鎖保護系統(tǒng)能保證加熱爐的安全，防止閃爆事故的發(fā)生。現(xiàn)裝置基本都采用燃料氣。

（2）在加熱爐爐膛溫度、壓力等參數(shù)發(fā)生異常時，聯(lián)鎖保護系統(tǒng)能保證加熱爐的安全，防止損壞爐體以及其他設(shè)備和其他事故的發(fā)生。

爐管、爐管支吊架及耐火材料都有一定的使用溫度限制，爐膛溫度過高會對零部件造成損壞。

爐膛壓力過高，超出外部大氣壓力，會造成高溫?zé)煔馔庑梗瑢ρ矙z人員造成威脅。

（3）在爐管內(nèi)冷流介質(zhì)流量過低或溫度過高時，會造成爐管局部干燒、結(jié)焦，嚴(yán)重者燒穿爐管。

（4）燃燒器熄滅數(shù)量過多時，提示爐內(nèi)不能正常燃燒，不能將介質(zhì)加熱到要求溫度，需停爐檢查。

（5）預(yù)熱器入口煙氣溫度過高，提示對流室超溫、預(yù)熱器入口超溫，影響預(yù)熱器安全，煙氣改走旁路。

（6）引風(fēng)機入口溫度過高時，說明預(yù)熱器可能失效、高溫?zé)煔鈱σL(fēng)機造成損壞，煙氣改走旁路。

3.2 加熱爐的聯(lián)鎖及報警

聯(lián)鎖保護與報警綜合考慮，所有觸發(fā)聯(lián)鎖條件的參數(shù)均應(yīng)設(shè)置報警，在參數(shù)未達(dá)到聯(lián)鎖條件時先行報警，提醒操作人員及時調(diào)整和關(guān)注相應(yīng)的參數(shù)。

聯(lián)鎖保護系統(tǒng)觸發(fā)時，應(yīng)同時發(fā)出與常規(guī)工藝參數(shù)報警有明顯區(qū)別的聲光報警，引起操作人員的注意。聯(lián)鎖保護系統(tǒng)應(yīng)具有在DCS或SIS系統(tǒng)人機界面上顯示聯(lián)鎖保護的內(nèi)容、投用狀態(tài)以及相關(guān)閥門和設(shè)備運行狀態(tài)的功能。

3.3 緊急停爐和復(fù)位

加熱爐聯(lián)鎖設(shè)置緊急停爐，當(dāng)現(xiàn)場或SIS按下緊急停爐按鈕時，聯(lián)鎖關(guān)閉主燃料系統(tǒng)、長明燈及相關(guān)燃料，實現(xiàn)停爐。

聯(lián)鎖保護系統(tǒng)設(shè)置“人工復(fù)位”確認(rèn)按鈕。聯(lián)鎖保護系統(tǒng)一旦動作，嚴(yán)禁聯(lián)鎖自動復(fù)位。

4 其它

控制系統(tǒng)和聯(lián)鎖保護系統(tǒng)是完全獨立的兩個系統(tǒng)，聯(lián)鎖系統(tǒng)投用后其中的設(shè)備就不能再參與操作調(diào)節(jié)（如圖1中煙道擋板DG0），但可以實現(xiàn)操作室遠(yuǎn)程手動調(diào)節(jié)。

5 結(jié)語

本文結(jié)合實際工程經(jīng)驗，對加熱爐自動控制參數(shù)的選取和設(shè)置提出自己的思路，通過盡可能少的聯(lián)鎖、控制的優(yōu)化設(shè)置以期實現(xiàn)加熱爐安全、長期、高效運行，亦可為工業(yè)爐工程技術(shù)人員提供參考。