李曉嬌

(中國石油化工股份有限公司煉油事業(yè)部，北京 100729)

1 燃燒狀態(tài)監(jiān)測的重要性

火炬系統(tǒng)是煉油企業(yè)重要的安全環(huán)保設(shè)施之一，對煉油企業(yè)安全生產(chǎn)至關(guān)重要?；鹁嫦到y(tǒng)的安全運(yùn)行，需要實現(xiàn)泄放安全、點火安全以及操作安全。泄放安全是指各裝置排放出的氣體可以順利地進(jìn)入全廠泄放管網(wǎng)，并能通過泄放管網(wǎng)送至火炬，防止出現(xiàn)泄放管網(wǎng)背壓過高導(dǎo)致裝置無法正常泄放[1-2]。點火安全是指泄放的氣體送至火炬燃燒器(火炬頭)后可成功點燃，避免有毒有害氣體向大氣中的擴(kuò)散。操作安全是指進(jìn)行火炬系統(tǒng)脫液排凝、取樣、檢維修作業(yè)時，做好作業(yè)內(nèi)容和現(xiàn)場危害識別及風(fēng)險評估，制訂落實安全防范措施，防止出現(xiàn)人員傷亡事故的發(fā)生。

為實現(xiàn)節(jié)能減排，中國石化所屬煉化裝置的主火炬95%以上實現(xiàn)了日常處于熄滅狀態(tài)。為保證事故狀態(tài)下及時點燃主火炬，許多企業(yè)采取了長明燈長燃的方式，這就需要日常對長明燈燃燒狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控。部分煉廠由于安裝了較為可靠的自動點火系統(tǒng)，長明燈處于熄滅狀態(tài)，裝置泄放時通過點火系統(tǒng)及時點燃長明燈，再由長明燈點燃主火炬，需要定期對點火系統(tǒng)進(jìn)行試點測試，確保事故狀態(tài)下能及時點燃長明燈。試點成功的判斷也需要對長明燈燃燒狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。此外，火炬頭在燃燒時，由于泄放氣體組成的變化或者天氣原因，也可能發(fā)生脫火或熄滅的問題，對火炬頭燃燒狀態(tài)的監(jiān)測也是非常必要的。

在美國，對長明燈火焰的監(jiān)測也是法律所要求的。美國聯(lián)邦法案 40 CFR §60.18中規(guī)定，火炬長明燈必須長燃，且需要采用熱電偶或其他等效的方法來監(jiān)測火炬火焰。API 537-2008中要求火焰監(jiān)測方法應(yīng)能區(qū)分長明燈火焰及火炬頭火焰，在惡劣天氣條件下(160 km/h的風(fēng)速，以及140 km/h風(fēng)速外加50 mm/h的雨量)仍能正常工作，對每一支長明燈需要安裝單獨的火焰探測系統(tǒng)[3]。

2 常見火焰探測系統(tǒng)

火焰燃燒時，會發(fā)出光和熱，因此通過對火炬頭或長明燈的溫度、光的監(jiān)測，就可以判斷火焰的燃燒狀態(tài)。

2.1 溫度探測系統(tǒng)

溫度探測是目前常見的火焰探測。在長明燈及火炬頭部安裝熱電偶，探測長明燈及火炬頭的溫度，判斷是否燃燒。點燃的長明燈周圍溫度一般超過540 ℃，熱電偶的報警點一般設(shè)置在150 ℃。如果熱電偶測定溫度低于150℃，系統(tǒng)認(rèn)為火焰熄滅需要重新進(jìn)行點燃。采用熱偶套管以及耐高溫合金護(hù)管可以延長熱電偶的壽命。熱電偶在長明燈燃燒狀態(tài)監(jiān)測方面存在明顯的缺陷。

a)從目前調(diào)研結(jié)果來看，經(jīng)常發(fā)生熱電偶被燒壞的情況。一方面與熱電偶本身的質(zhì)量有關(guān)，另一方面也與熱電偶的安裝質(zhì)量有關(guān)，如果位置不合適，熱電偶長期暴露在高溫環(huán)境中，非常容易損壞。

b)熱電偶安裝位置需要考慮火炬頭的影響，確保熱電偶測定的是長明燈的溫度，而不是火炬頭的溫度。

c)響應(yīng)時間較長，火焰熄滅后，熱偶溫度的下降是一個緩慢的過程，可能數(shù)分鐘后才能發(fā)現(xiàn)火焰已熄滅。

此外，由于熱電偶的測溫原理，本身就存在損耗，需要定期更換，由于大部分火炬所用的熱電偶均是無法在線更換的，需要火炬停工之后由維修工人爬至火炬上部平臺進(jìn)行檢維修。而目前許多火炬系統(tǒng)承擔(dān)了多套裝置放空，而這些裝置不能實現(xiàn)同開同停，從而導(dǎo)致部分火炬系統(tǒng)常年無法進(jìn)行檢維修，一旦熱電偶損壞，將無法及時更換。

2.2 可見光探測系統(tǒng)

在白天光線較強(qiáng)的時候，憑肉眼很難對長明燈燃燒狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，特別是目前長明燈改成節(jié)能型長明后，火苗更小，更不容易被觀測。此外，在遇大霧、雨雪天氣下，本方法也容易失效。

2.3 紫外探測系統(tǒng)

火焰的輻射是具有離散光譜的氣體輻射和伴有連續(xù)光譜的固體輻射，其波長在0.1～10 μm或更寬的范圍。為了避免日光及燈光等信號的干擾，常利用波長<300 nm的紫外線，如圖1所示[4]。紫外線傳感器只對185～260 nm狹窄范圍內(nèi)的紫外線進(jìn)行響應(yīng),而對其它頻譜范圍的光線不敏感,利用它可以對火焰中的紫外線進(jìn)行檢測，從而判斷火焰的燃燒狀態(tài)。

圖1 火焰及日光的光譜分布

紫外線火焰探測器具有如下優(yōu)點：

a)可以安裝在地面，這樣就克服了熱電偶安裝在高溫區(qū)易損壞、壽命短的缺點，且安裝維護(hù)都很方便。

b)紫外線火焰探測器反應(yīng)快速，可以作為火焰熄滅后聯(lián)鎖點火的信號；這樣就克服了熱電偶響應(yīng)時間慢的問題。

c)靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)。但是，因為紫外線火焰探測器距離火炬頭和長明燈均比較遠(yuǎn)，無法區(qū)分是哪支長明燈在燃燒，還是火炬頭在燃燒，無法對每支長明燈的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)測。此外，如果在光路上出現(xiàn)不透光物質(zhì)如霧、沙塵、雨雪等，都會影響紫外探測器的觀測。

2.4 紅外探測系統(tǒng)

紅外探測可以測到火焰的紅外光譜區(qū)，如圖2所示。較為先進(jìn)的紅外探測器采用多個波長，監(jiān)控火焰燃燒生成的CO2以及H2O?？梢园惭b在地面，檢維修比較方便。

圖2 火焰紅外探測系統(tǒng)

但是紅外探測器也存在明顯的缺點。

a)紅外探測器的安裝位置不能正對太陽，也容易受到周圍熱源的影響，如熱氣的釋放，火焰熄滅時不易及時發(fā)現(xiàn)。

b)同紫外探測器一樣，由于紅外探測器安裝在地面上，探測距離較長，無法對多個長明燈火焰分別進(jìn)行燃燒狀態(tài)探測。同時也無法區(qū)分是長明燈火焰還是火炬頭火焰。出現(xiàn)任何擋光物質(zhì)均會影響測定。比如下雨、下雪、煙、霧以及灰塵。

3 新型火焰探測系統(tǒng)

為了確保火炬長明燈燃燒狀態(tài)監(jiān)測的可靠性，開發(fā)新型的火焰探測系統(tǒng)以克服熱電偶以及光學(xué)探測器的缺點，是非常必要的。根據(jù)氣體燃燒時的特點，離子火焰探測器和聲波法火焰探測系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，為長明燈燃燒狀態(tài)監(jiān)測提供了更可靠、更方便的監(jiān)測方法。

3.1 離子火焰探測

當(dāng)燃料氣在長明燈上燃燒時，在燃燒區(qū)域的基部會產(chǎn)生電離氣體，電離氣體具有導(dǎo)電性，可允許小電流通過。利用電離氣體的這個性質(zhì)，將一根帶有導(dǎo)電端的陶瓷棒置于火焰區(qū)域，當(dāng)火焰燃燒時，電流通過電離氣體從導(dǎo)電端傳遞至火炬頭，從而產(chǎn)生小的電流，當(dāng)火焰不燃燒時，電流無法從導(dǎo)電端傳遞至火炬頭，也就無法產(chǎn)生電流。通過監(jiān)測導(dǎo)電端電流信號，就可以快速判斷長明燈是否有火焰燃燒?；驹硪妶D3所示[5]。

圖3 離子火焰探測器原理

從火焰離子監(jiān)測的原理，可以看出火焰離子探測器具有如下優(yōu)點：

a)直接監(jiān)測火焰的燃燒狀態(tài)，信號比較可靠。

b)響應(yīng)快速，火焰一旦熄滅，電流就會中斷，可以作為自動點火系統(tǒng)的信號源。

c)通過在離子探測器電極上施加一高電壓，可以同時實現(xiàn)點火及火焰探測。

基于這一原理，John Zink開發(fā)了可采用火焰離子監(jiān)測的長明燈。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 John Zink火焰離子探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

蘇穎耿發(fā)明了一種采用單片機(jī)或定制邏輯器件實現(xiàn)控制的燃?xì)饩呋鹧骐x子檢測點火控制器方案，點火針同時作為火焰離子感應(yīng)探針，對燃?xì)饩呋鹧嫒紵隣顩r進(jìn)行監(jiān)測，這一專利闡述了適用于燃?xì)饩叩幕鹧骐x子檢測點火控制器[6]。但是目前對于煉油火炬長明燈的火焰離子探測還沒有相關(guān)的專利或文獻(xiàn)報道。

火焰離子探測器可以實現(xiàn)對單支長明燈燃燒狀態(tài)的快速監(jiān)測，可用于火炬點火的邏輯信號。但該方法也存在一些缺點，如容易受雨雪等天氣因素的影響，火焰較小時信號比較微弱；此外在火炬運(yùn)行時無法檢維修。

3.2 聲波法

火焰在燃燒時會發(fā)出特殊的噪音，通過測定這一聲音，就可以確定火焰是否燃燒。圖5(a)顯示了長明燈在燃燒及熄滅狀態(tài)下聲壓水平的變化，圖5(b)顯示了正常運(yùn)行的長明燈在熄滅后其聲音輸出信號的快速衰減，響應(yīng)時間短，通過設(shè)定聲音輸出信號的報警值，即可實現(xiàn)對火焰燃燒狀態(tài)的監(jiān)控、報警及聯(lián)鎖[7]。通過對火炬頭燃燒以及消煙蒸汽噪音的消除，該方法可對長明燈是否處于燃燒狀態(tài)進(jìn)行判斷。

圖5 長明燈燃燒及熄滅狀態(tài)聲壓水平的變化及響應(yīng)過程

聲波法是將聲音傳感器安裝在每支長明燈的地面爆燃點火系統(tǒng)引火管上，傳感器將長明燈的聲音信號轉(zhuǎn)換成電信號，并送至信號處理器，信號處理器將電信號與設(shè)定值比對，判斷長明燈的燃燒狀態(tài)。傳感器可設(shè)置在遠(yuǎn)離長明燈115 m的地面附近，而信號處理器可以設(shè)在遠(yuǎn)離傳感器366 m的地方，如地面爆燃點火操作室內(nèi)。這一系統(tǒng)可對每支長明燈的燃燒狀態(tài)進(jìn)行測定。

聲波法燃燒狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的成功實施，關(guān)鍵在于如下幾個方面：

a)能發(fā)現(xiàn)長明燈燃燒及熄滅狀態(tài)時的特征聲音信號。通過實驗可以確定兩種狀態(tài)下長明燈發(fā)出的不同聲音信號。

b)過濾掉火炬頭燃燒以及蒸汽的雜音。

c)以上兩點都可能與長明燈自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。通過對長明燈的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將長明燈燃燒與熄滅狀態(tài)時的聲音信號差異進(jìn)行放大，同時屏蔽掉火炬頭燃燒以及蒸汽吹掃的雜音，是一條可行的路線。

d)長明燈發(fā)出的信號可以成功傳遞至位于地面處的聲波探測器。John zink采用了地面爆燃點火系統(tǒng)引火管，是非常好的選擇。如何開創(chuàng)新的聲波傳遞方式是需要考慮的問題。

e)高質(zhì)量產(chǎn)品的開發(fā)，精心的調(diào)試。

4 燃燒監(jiān)測方法比較

對目前國內(nèi)外主要的火焰燃燒狀態(tài)監(jiān)測方法進(jìn)行對比，見表1[8]?？梢钥闯霾煌椒ň哂懈髯缘膬?yōu)勢和問題，而火焰離子監(jiān)測法和聲波法相比于傳統(tǒng)的熱電偶和紅外探測，優(yōu)勢明顯。

表1 火炬長明燈燃燒狀態(tài)監(jiān)測方法的比較

5 總結(jié)及建議

火焰離子監(jiān)測可以同時實現(xiàn)點火和火焰監(jiān)測的功能，可直接監(jiān)測每支長明燈的燃燒情況，但是同熱電偶一樣，火焰離子監(jiān)測需要安裝在長明燈內(nèi)，在火炬正常運(yùn)行時無法進(jìn)行安裝和維修。聲波法通過監(jiān)測每支長明燈在燃燒和熄滅狀態(tài)時的聲音變化判斷長明燈燃燒狀態(tài)，其關(guān)鍵要素是提取長明燈燃燒時的特征聲波，同時利用合適的聲音傳遞介質(zhì)如爆燃管，主要部件安裝在地面上，便于安裝和維護(hù)，適用于目前火炬系統(tǒng)燃燒狀態(tài)的監(jiān)測。

目前，中國石化各煉廠的火炬燃燒狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要采用熱電偶和光探測技術(shù)，不盡完善?；鹧骐x子監(jiān)測法和聲波法相比于傳統(tǒng)的熱電偶和光探測，優(yōu)勢明顯，建議加大新型火炬燃燒監(jiān)測技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)。