柴油加氫裝置加熱爐安全與環(huán)保改造項(xiàng)目研究及應(yīng)用

谷越 靳南南 馬中華 常青 劉浩 趙紅建

DOI：10.20030/j.cnki.1000?3932.202403026

摘 要 某柴油加氫裝置加熱爐安全與環(huán)保指標(biāo)無法滿足規(guī)范要求，對該裝置加熱爐空氣預(yù)熱器進(jìn)行整體改造，包括DCS、SIS擴(kuò)容升級，優(yōu)化自動控制方案，完善鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)安全聯(lián)鎖回路，同時設(shè)計增加了加熱爐熄火報警保護(hù)系統(tǒng)，結(jié)合燃料氣壓力和加熱爐進(jìn)料流量聯(lián)鎖，提升了裝置本質(zhì)安全及自動化程度。改造后兩臺加熱爐氧含量得到有效控制，加熱爐熱效率顯著提高至93%以上。加熱爐燃料氣用量顯著降低，經(jīng)核算每年節(jié)約燃料氣84 000 Nm3。

關(guān)鍵詞 空氣預(yù)熱器 加熱爐 DCS SIS 熄火報警保護(hù) 熱效率分析 聯(lián)鎖

中圖分類號 TP274?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B?? 文章編號 1000?3932（2024）03?0549?07

作者簡介：谷越（1989-），高級工程師，從事石油化工自動化專業(yè)技術(shù)管理工作，guyue@cnooc.com.cn。

引用本文：谷越，靳南南，馬中華，等.柴油加氫裝置加熱爐安全與環(huán)保改造項(xiàng)目研究及應(yīng)用[J].化工自動化及儀表，2024，51（3）：549-554;562.

“十四五”期間是中國能源低碳轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵時期，國家正在加速推動能源綠色低碳轉(zhuǎn)型，加快實(shí)施重點(diǎn)行業(yè)節(jié)能降碳。隨著能源日益匱乏，科技革命和產(chǎn)業(yè)變革日漸深入，人們的活動方式逐步向低碳化、智能化轉(zhuǎn)變，能源體系正在向非化石能源主導(dǎo)的階段發(fā)展。

加熱爐是加氫關(guān)鍵設(shè)備，煉油加熱爐的能耗占整個煉油行業(yè)能耗的35%，只有挖掘煉油加熱爐節(jié)能技術(shù)、提高煉油加熱爐的能效，才能達(dá)到節(jié)能降碳的目的，同時隨著國家對安全環(huán)保要求的不斷提升，對加熱爐的環(huán)保指標(biāo)控制越來越嚴(yán)格，這就對加熱爐的使用過程提出新的要求。

1 改造前面臨的問題

某柴油加氫裝置目前使用兩臺加熱爐（反應(yīng)加熱爐F?3001和分餾加熱爐F?3002），裝置在正常生產(chǎn)狀況下，反應(yīng)加熱爐煙氣正常排放，且設(shè)置煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)（CMES），分餾加熱爐煙道擋板全部關(guān)閉，煙氣匯入反應(yīng)爐與反應(yīng)爐煙氣一起排放[1]。由于該裝置加熱爐已使用近十六年之久，煙道擋板密封不嚴(yán)、調(diào)節(jié)卡頓現(xiàn)象日益嚴(yán)重。同時設(shè)備設(shè)施老化、熱負(fù)荷及效率較低、環(huán)保要求不達(dá)標(biāo)，需進(jìn)行加熱爐改造，以滿足裝置生產(chǎn)安全、環(huán)保等要求[2]，改造前工藝流程如圖1所示。

裝置正常生產(chǎn)時，分餾加熱爐頂煙囪煙道擋板密封不嚴(yán)，即使處于全關(guān)狀態(tài)下，使用熱成像儀檢測也清晰可見有煙氣排出，不符合《揮發(fā)性有機(jī)物無組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》，給環(huán)保專業(yè)造成很大影響。

裝置正常生產(chǎn)過程中，由于反應(yīng)加熱爐耗用瓦斯量較小，調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)精度較差，供風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)風(fēng)門內(nèi)漏量較大，并且原設(shè)計中無引風(fēng)機(jī)，不利于加熱爐爐膛壓力控制，加熱爐氧含量長期在7%～9%之間波動，加熱爐計算熱效率較低，不能滿足上級單位對加熱爐熱效率的考核要求。

應(yīng)急管理部辦公廳印發(fā)文件《淘汰落后危險化學(xué)品安全生產(chǎn)工藝技術(shù)設(shè)備目錄》通知，將無火焰監(jiān)測和熄火保護(hù)系統(tǒng)的燃?xì)饧訜釥t、導(dǎo)熱油爐列為淘汰類設(shè)備，該柴油加氫裝置兩臺加熱爐將無法繼續(xù)開工運(yùn)行，故必須利用本次項(xiàng)目改造機(jī)會增設(shè)加熱爐熄火報警保護(hù)系統(tǒng)。同時分餾加熱爐進(jìn)料缺少流量低低聯(lián)鎖，給裝置安全生產(chǎn)帶來很大安全隱患;原有聯(lián)鎖回路無法滿足安全生產(chǎn)需要，缺少鼓、引風(fēng)機(jī)停機(jī)聯(lián)鎖[3]。

2 改造方案

2.1 空氣預(yù)熱器改造

具體改造內(nèi)容如下：

a. 將分餾加熱爐（F?3002）原頂立式煙囪拆除，改造為與反應(yīng)加熱爐（F?3001）連接煙道統(tǒng)一排放。

b. 將F?3001頂部原有空氣預(yù)熱器拆除，改造為置地安裝組合式空氣預(yù)熱器，以達(dá)到預(yù)熱充分回收的目的，設(shè)計計算數(shù)據(jù)見表1。

c. 更新所有調(diào)節(jié)、聯(lián)鎖風(fēng)門擋板，以保證調(diào)節(jié)精度和全關(guān)狀態(tài)下的泄漏量;更新與空氣預(yù)熱器連接的所有煙道、風(fēng)道管線。

d. 為保證F?3001、F?3002獨(dú)立操作時有足夠的抽力，爐膛負(fù)壓平穩(wěn)可控，新增加引風(fēng)機(jī)及配套電機(jī)。

2.2 DCS新增自動控制回路

根據(jù)設(shè)計PID中需求檢測儀表及控制回路要求，DCS增加的I/O點(diǎn)位數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表2。

本次改造新增的自動控制回路見表3。

自動控制回路模型基于JX?300XP系列DCS實(shí)現(xiàn)[4]，控制過程為：現(xiàn)場檢測儀表→安全柵→I/O卡件→XP243→PID自控回路→實(shí)時監(jiān)控→輸出卡件→安全柵→調(diào)節(jié)擋板，系統(tǒng)所需硬件見表4。

2.3 SIS聯(lián)鎖回路優(yōu)化

設(shè)計新增的SIS聯(lián)鎖回路基于Honeywell SM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)邏輯編程組態(tài)，該SM系統(tǒng)由QMR（四重模塊化冗余）的雙處理器CPU和冗余的I/O卡件構(gòu)成，系統(tǒng)具有高可靠性、高安全性及高可用性[5]。本次改造所使用的SIS硬件、軟件均具備SIL3等級認(rèn)證，系統(tǒng)選型為下一步HAZOP分析、SIL定級及驗(yàn)證工作提供了有力數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，改造增加的SIS硬件見表5。

以引風(fēng)機(jī)入口煙氣溫度（TISA3518、TISA3519、TISA3520）三取二形式高高聯(lián)鎖打開煙囪旁路擋板HXV3512，收到HV3512打開的回訊后，關(guān)閉引風(fēng)機(jī)，關(guān)閉預(yù)熱器入口煙道擋板XV3510。

以主熱風(fēng)道壓力（PISA3523、PISA3524、PISA3525）三取二形式低低聯(lián)鎖打開各爐風(fēng)道上的快開風(fēng)門及煙囪旁路擋板HXV3512，收到各爐快開風(fēng)門回迅打開三分之二后關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)，收到HV3512打開的回訊后，關(guān)閉引風(fēng)機(jī)，關(guān)閉預(yù)熱器入口煙道擋板XV3510。

分餾加熱爐入口流量計新增孔板流量計，孔板流量計采用四對取壓口，新增差壓流量計FT3219A/B/C，新增3臺變送器信號引至SIS實(shí)現(xiàn)三取二聯(lián)鎖，新增FT3219信號引至DCS實(shí)現(xiàn)FICA3219流量回路調(diào)節(jié)。

2.4 火焰監(jiān)測和熄火保護(hù)系統(tǒng)

本次改造在反應(yīng)加熱爐和分餾加熱爐各增設(shè)一臺高溫內(nèi)窺攝像機(jī)，中控室集成一套熄火報警保護(hù)系統(tǒng)。后端處理系統(tǒng)對爐內(nèi)設(shè)置的高溫攝像機(jī)視場內(nèi)火焰的燃燒狀況進(jìn)行計算處理，能及時發(fā)現(xiàn)火焰熄滅，對應(yīng)噴嘴熄火指示燈可發(fā)出報警提示[6]。分析軟件可對高溫攝像機(jī)的進(jìn)退及光圈大小進(jìn)行控制。前段自動伸縮裝置用于保護(hù)火焰監(jiān)視系統(tǒng)的攝像機(jī)，隔爆型高溫一體化攝像機(jī)依靠連續(xù)不斷的壓縮空氣，使暴露在惡劣環(huán)境下的內(nèi)窺式鏡頭保持清潔和冷卻，一旦失去壓縮空氣，自動伸縮保護(hù)系統(tǒng)自動把攝像機(jī)拉出爐膛，從而避免人工撤回和推進(jìn)攝像機(jī)，避免不當(dāng)操作和損壞系統(tǒng)。

火焰監(jiān)視系統(tǒng)由隔爆型高溫數(shù)字型一體化攝像機(jī)、自動回縮保護(hù)裝置、爐壁安裝套件、空氣過濾系統(tǒng)、現(xiàn)場設(shè)備箱、圖像數(shù)據(jù)服務(wù)器等組成，整體系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

3 改造后效果分析

3.1 加熱爐熱效率分析

項(xiàng)目實(shí)施前，裝置在滿負(fù)荷處理量37.5 t/h下的相關(guān)數(shù)據(jù)見表6，F(xiàn)?3001和F?3002的燃料使用總量為210 Nm3/h，F(xiàn)?3001的平均氧含量為7.9%，F(xiàn)?3002的平均氧含量為8.7%，兩臺加熱爐的平均排煙溫度為109.38 ℃。由以上數(shù)據(jù)計算得出F?3001的加熱爐熱效率為91.41%，F(xiàn)?3002的加熱爐熱效率為91.03%。

熱效率計算公式為：

式中 [O]——加熱爐氧含量;

T——加熱爐排煙溫度;

η——加熱爐計算熱效率。

項(xiàng)目改造后兩臺加熱爐的熱效率都明顯得到提高，開工初期就可以達(dá)到93%以上，滿足節(jié)省燃料的要求。但是改造后的數(shù)據(jù)趨勢記錄顯示，加熱爐的排煙溫度為79.1 ℃，遠(yuǎn)低于設(shè)計溫度100 ℃。排煙溫度遠(yuǎn)低于露點(diǎn)溫度，存在露點(diǎn)腐蝕隱患，會危及裝置安全生產(chǎn)。另外排煙溫度過低，會使預(yù)熱器產(chǎn)生凝結(jié)水，冬天排煙溫度最低時比4月份低20～30 ℃，易造成預(yù)熱器低溫部位凍凝，引風(fēng)機(jī)入口結(jié)冰，從而引發(fā)加熱爐的運(yùn)行風(fēng)險。

鑒于上述問題，裝置技術(shù)人員經(jīng)過與空氣預(yù)熱器制造方技術(shù)人員核算參數(shù)，最終確認(rèn)方案為在加熱爐鼓風(fēng)機(jī)出口處安裝限流擋板，以減少進(jìn)入空氣預(yù)熱器的冷風(fēng)量，從而提高排煙溫度。方案實(shí)施后有效提高了加熱爐的排煙溫度，降低了露點(diǎn)腐蝕發(fā)生概率，減少了預(yù)熱器底部帶水的現(xiàn)象，保證了加熱爐的正常運(yùn)行[7]。

改造項(xiàng)目投產(chǎn)后，從DCS歷史趨勢中隨機(jī)抽取數(shù)據(jù)（圖3、4）可知，改造后反應(yīng)加熱爐和分餾加熱爐氧含量較為平穩(wěn)，控制在3%～4%之間。排煙溫度可有效控制在100 ℃左右。

項(xiàng)目實(shí)施后，在柴油加氫裝置滿負(fù)荷處理量37.5 t/h下提取的DCS數(shù)據(jù)見表7，由表中數(shù)據(jù)可以看出加熱爐F?3001和F?3002的燃料氣使用總量在200 Nm3/h左右，F(xiàn)?3001的平均氧含量為3.37%，F(xiàn)?3002的平均氧含量為3.92%，可以計算兩臺加熱爐的熱效率。

經(jīng)計算，實(shí)施改造后F?3001的平均熱效率為93.43%，F(xiàn)?3002的平均熱效率為93.29%。兩臺加熱爐燃料氣量合計節(jié)省10 Nm3/h以上，每年可節(jié)約瓦斯用量84 000 Nm3。

3.2 本質(zhì)安全提升分析

DCS改造優(yōu)化了加熱爐操作人機(jī)界面和自動控制回路，有利于加熱爐氧含量和爐膛負(fù)壓平穩(wěn)操作控制。HMI界面組態(tài)時，將原反應(yīng)加熱爐和分餾加熱爐兩頁操作界面整合為一頁操作（圖5），降低了頻繁切換界面而造成操作失誤的概率。接入SIS的I/O數(shù)據(jù)采用Modbus RTU通信協(xié)議傳輸至DCS中，用于兩套系統(tǒng)的實(shí)時參數(shù)比對及報警。

SIS完善了鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)安全聯(lián)鎖，保證事故發(fā)生時裝置切換至安全狀態(tài)，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大?，F(xiàn)場儀表聯(lián)鎖方案為三取二方式，保證了聯(lián)鎖的可靠性和可用性。裝置開工后聯(lián)鎖回路滿足百分之百的投用率指標(biāo)。同時本次改造新增加熱爐聯(lián)鎖結(jié)合熄火報警保護(hù)系統(tǒng)，解決了加熱爐瀕臨淘汰的現(xiàn)狀，響應(yīng)了國家應(yīng)急管理部關(guān)于淘汰設(shè)備的整改要求。

加熱爐熄火保護(hù)系統(tǒng)配置依據(jù)《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》要求。燃料氣系統(tǒng)設(shè)置聯(lián)鎖作為熄火保護(hù)措施，主燃料氣壓力低低聯(lián)鎖、長明燈燃料氣壓力低低聯(lián)鎖以及加熱爐進(jìn)料流量低低聯(lián)鎖。中心控制室（CCR）內(nèi)設(shè)置緊急停爐聯(lián)鎖按鈕，當(dāng)現(xiàn)場或中心控制室操作人員按下緊急停爐按鈕時，SIS聯(lián)鎖切斷主燃料、長明燈及相關(guān)燃料。

4 結(jié)束語

從安全、環(huán)保兩個角度出發(fā)，對空氣預(yù)熱器、DCS、SIS、加熱爐熄火報警保護(hù)系統(tǒng)4個方面進(jìn)行升級改造，取得了突出的應(yīng)用成果，解決了分餾加熱爐無組織排放的隱患，加熱爐氧含量得以降低，熱效率顯著提高，燃料氣用量大幅度降低。同時裝置自動化程度及本質(zhì)安全上升至新的臺階，本次改造為國內(nèi)運(yùn)行周期較長的石化裝置提供了良好借鑒。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 佟玉文.煉油企業(yè)實(shí)現(xiàn)能效約束標(biāo)桿值策略研究[J].石油煉制與化工，2023，54（4）：98-105.

[2] 黃健，趙眾.延遲焦化加熱爐熱效率的機(jī)理建模與實(shí)時估計應(yīng)用[J].化工學(xué)報，2020，71（7）：3140-3150.

[3] 錢伯章.世界最大分子篩裝置加熱爐熱效率達(dá)到91.29%[J].石油煉制與化工，2017，48（3）：80.

[4] 黃建林.利用JX300?XP DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精硫槽的自動控制[J].硫酸工業(yè)，2021（3）：51-54.

[5] 孫珊珊，溫堅(jiān)，付鐵柱.實(shí)現(xiàn)DCS到SIS通訊臨時聯(lián)鎖改進(jìn)技術(shù)[J].化工生產(chǎn)與技術(shù)，2023，29（1）：33-35;9.

[6] 郭亮.提高油氣田加熱爐熱效率技術(shù)研究[J].石油石化節(jié)能，2023，13（3）：28-33.

[7] 鄒雄飛，李青，任玉龍，等.智能先進(jìn)控制技術(shù)提升加熱爐熱效率的應(yīng)用研究[J].化工自動化及儀表，2023，50（1）：99-103;111.

（收稿日期：2023-07-03，修回日期：2024-03-14）