張 磊 周姍姍 閔 剛 周明宇

中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

主燃燒爐是硫黃回收裝置至關(guān)重要的設(shè)備,在回收工藝中起著關(guān)鍵作用[1],而主燃燒爐的自動點火控制則是實現(xiàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基本條件。

近年來,我國新建的硫黃回收裝置大多已設(shè)計了主燃燒爐自動點火系統(tǒng)。但由于自動點火過程涉及的順序控制較多,閥門和燃燒器間配合要求高,部分自動點火系統(tǒng)在投用后因操作繁瑣、成功率不高而被棄用,反而代之以傳統(tǒng)的手持式點火槍點火。手持式點火使用明火直接接觸可燃?xì)怏w來進(jìn)行引燃,易爆燃,存在安全隱患[2]。因此,為主燃燒爐設(shè)計操作簡單、性能可靠的自動點火程序非常必要。本文根據(jù)實際項目成功經(jīng)驗,通過分析主燃燒爐自動點火過程,介紹自動點火系統(tǒng)的基本程序設(shè)計及優(yōu)化措施。

1 自動點火過程分析

主燃燒爐的典型自動點火過程可以簡述為:安全儀表系統(tǒng)(Safety Instrumented System,SIS)[3]在完成主燃燒爐的有效吹掃后向主燃燒器發(fā)出允許點火命令,主燃燒器根據(jù)命令將氣動高能電點火槍伸入主燃燒爐爐頭，點火槍就位后開始發(fā)出電火花并向SIS返回信號,SIS隨即根據(jù)點火燃料氣和空氣的配比開啟相應(yīng)閥門,將燃料氣和空氣引入主燃燒器,最后由電火花引燃爐內(nèi)可燃?xì)怏w混合物[4]。

點火過程雖可簡言述之,但程序?qū)崿F(xiàn)并非簡單。若要安全可靠地實現(xiàn)上述點火過程,自動點火系統(tǒng)需要順序控制[5]至少3個切斷閥、2個調(diào)節(jié)閥、1個流量計、2臺火焰檢測器及1臺主燃燒器。首先,自動點火系統(tǒng)需要保證主燃燒爐完成有效吹掃;其次,SIS應(yīng)和主燃燒器精密配合,使閥門的開啟時序與點火槍點火時機(jī)一致。而且,點火燃料氣和空氣量在點火過程中如何進(jìn)行控制也需要進(jìn)行計算和考慮。許多自動點火系統(tǒng)成功率低的原因即在于上述閥門和儀表與主燃燒器的配合失當(dāng),以及燃料氣和空氣量的配比失準(zhǔn)。故自動點火系統(tǒng)成功的關(guān)鍵是在安全的前提下通過優(yōu)良的程序設(shè)計,使上述閥門的順序控制得當(dāng)并使燃料氣和空氣量配比正確。

2 自動點火系統(tǒng)的基本程序設(shè)計

本文以某煉油廠硫黃回收裝置主燃燒爐自動點火系統(tǒng)為例,介紹自動點火系統(tǒng)的基本程序設(shè)計。硫黃回收裝置主燃燒自動點火系統(tǒng)基本配置見圖1，其中主燃燒器是自動點火系統(tǒng)的核心部件,由燃燒室、空氣導(dǎo)流器、氣動可伸縮式點火槍、火焰檢測器B 1和B 2等設(shè)備構(gòu)成[6]。燃料氣、酸氣(與點火無關(guān),故圖1中未表示)、空氣通過燃燒器,以一定的形式混合后噴入火道及爐膛,發(fā)生燃燒反應(yīng)[7]。主燃燒器通常由專業(yè)制造商成套供貨,內(nèi)部點火邏輯由制造商出廠時進(jìn)行固化?？諝夂腿剂蠚夤芫€分別設(shè)置切斷閥A 1和F 1,調(diào)節(jié)閥A 2和F 2,氮?dú)夤芫€則設(shè)置流量計N 1和切斷閥N 2。

圖1 硫黃回收裝置主燃燒自動點火系統(tǒng)配置圖

自動點火系統(tǒng)基本流程設(shè)計見圖2。

圖2 自動點火系統(tǒng)基本程序設(shè)計框圖

由圖2可見，具體流程設(shè)計如下：步驟①，檢查各閥門及裝置的初始狀態(tài)。該步驟指對切斷閥狀態(tài)(F 1、A 1、N 2均關(guān)閉)、火焰檢測器狀態(tài)(B 1和B 2均無火焰)、調(diào)節(jié)閥(F 2和A 2)的開度、下游設(shè)備的聯(lián)鎖情況(裝置無其他影響點火的邏輯被觸發(fā))進(jìn)行檢查。在步驟①中,調(diào)節(jié)閥F 2和A 2的開度設(shè)定尤為重要。上文已提及,僅點火燃料氣量和空氣量完全匹配點火才能成功?？砂凑拯c火時的工況條件(操作壓力、操作溫度等),以燃料氣當(dāng)量燃燒[8]的比例將點火所需燃料氣和空氣量換算成調(diào)節(jié)閥F 2和A 2的開度進(jìn)行設(shè)定。開度設(shè)定完畢后,當(dāng)上游切斷閥F 1和A 1被打開,則可以認(rèn)為通入爐頭的燃料氣和空氣量近似等于點火流量,由此提高配比成功率。

步驟②，啟動自動吹掃。為避免點火前爐內(nèi)形成爆炸極限范圍內(nèi)的可燃?xì)怏w混合物,通入一定量的氮?dú)鈱χ魅紵隣t進(jìn)行有效吹掃可防止產(chǎn)生爆燃事故[9],這是自動點火系統(tǒng)程序設(shè)計必須考慮的步驟。根據(jù)相關(guān)資料,吹掃氮?dú)獾目偭繎?yīng)大于主燃燒爐內(nèi)部容積的5倍[10]方能視為有效吹掃。在程序設(shè)計過程中,當(dāng)SIS發(fā)出吹掃命令打開氮?dú)馇袛嚅yN 2后應(yīng)對氮?dú)饬髁縉 1進(jìn)行檢測。N 1是一個實際測得瞬時流量,通常在程序中設(shè)置一個計時器,吹掃時間則根據(jù)吹掃氮?dú)饪偭俊滤矔r流量來確定。最小吹掃氮?dú)饪偭堪粗魅紵隣t的容積5倍以上進(jìn)行取值:吹掃氮?dú)饪偭?吹掃時間×瞬時流量。僅瞬時流量及吹掃時間同時滿足設(shè)定值時,SIS方判定自動吹掃完畢。沒有完成吹掃時,程序設(shè)定“點火按鈕”的動作無效[11]。

步驟③，向燃燒器發(fā)出允許點火命令。當(dāng)吹掃量達(dá)到要求且“點火按鈕”被按下后,SIS應(yīng)輸出一個標(biāo)志吹掃完成的允許點火命令給主燃燒器，同時關(guān)閉氮?dú)馇袛嚅yN 2。允許點火命令必須是脈沖信號,否則主燃燒器將一直處于允許點火狀態(tài),點火槍會始終位于打火位置并放電。允許點火命令的脈沖寬度即為最大允許點火時間。該脈沖寬度應(yīng)恰到好處,時間過短會造成火焰尚未引燃而點火過程提前結(jié)束,過長則可能引發(fā)爐膛爆燃。該時間可根據(jù)主燃燒器的準(zhǔn)備時間、燃燒器點火允許時間、空氣和燃料氣切斷閥A 1和F 1的開啟時間進(jìn)行綜合計算。根據(jù)經(jīng)驗,該脈沖寬度通常設(shè)置為12～15 s。

步驟④，主燃燒器返回開閥信號。主燃燒器在接收到允許點火信號后,會完成一系列內(nèi)部的邏輯判斷并向爐內(nèi)伸出點火槍,到位后高能電子元件開始放電打火。與此同時,燃燒器會向SIS返回開啟燃料氣閥和空氣閥的信號。上述程序由主燃燒器設(shè)計完成,該邏輯應(yīng)在燃燒器訂購時進(jìn)行溝通核實,并要求供貨商在出廠前固化和測試程序。

步驟⑤,SIS打開燃料氣閥及空氣閥。由于點火允許時間的限制,SIS收到燃燒器返回的信號后應(yīng)盡快打開燃料氣閥F 1和空氣切斷閥A 1。由于燃料氣和空氣調(diào)節(jié)閥F 2和A 2的開度在上述步驟①已被預(yù)先設(shè)定,故F 1和A 1被打開后,通過F 2和A 2進(jìn)入爐頭的燃料氣量和空氣量可以認(rèn)為近似等于點火需要量。當(dāng)量配比的燃?xì)饣旌衔镞M(jìn)入爐頭后,隨即被點火槍順利引燃。

步驟⑥，熄火保護(hù)[12]。自動點火程序中必須考慮的邏輯。主燃燒爐通常配置2臺火焰檢測器,即圖1中的B 1和B 2。而且由于主燃燒爐具有燃料氣和酸氣兩種工況,因此B 1和B 2要求能對上述兩種氣體燃燒的火焰進(jìn)行檢測。點火成功的判斷標(biāo)志為:B 1和B 2至少有1個檢測到火焰存在[13]。熄火保護(hù)的具體邏輯則是:當(dāng)B 1和B 2都沒有檢測到火焰時視為爐內(nèi)火焰已經(jīng)熄滅,SIS將立即自動切斷燃料氣、空氣、酸氣(正常工況時)的供給。否則燃燒室內(nèi)可能形成燃料氣-空氣混合物,遇有火花即有爆炸危險[14]。而且,酸氣燃燒工況時,當(dāng)爐內(nèi)火焰熄滅或酸氣流量為0時,立即切斷空氣的供給還可以避免空氣進(jìn)入反應(yīng)器造成硫黃燃燒使催化劑損傷[15]。因此,熄火保護(hù)的設(shè)置非常關(guān)鍵,是點火控制和主燃燒爐安全生產(chǎn)的重要保護(hù)措施。

3 自動點火程序優(yōu)化

上述流程即為自動點火系統(tǒng)的基本程序設(shè)計,但在實施過程中僅僅考慮這些是不夠的。燃料氣-空氣配比不當(dāng)、相關(guān)閥門動作配合不佳、手動操作過多都易造成點火失敗。因此,自動點火程序應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化以提高點火成功率并保證安全性,同時操作應(yīng)盡量簡單。

3.1 燃料氣-空氣閥的順序控制及配比

根據(jù)上文,主燃燒器在進(jìn)行點火槍放電時會向SIS返回一個開閥信號,SIS應(yīng)隨即發(fā)出命令同時打開空氣切斷閥A 1和燃料氣切斷閥F 1。由于燃料氣量和空氣量已被調(diào)節(jié)閥F 2和A 2設(shè)定(第2節(jié)步驟①),燃料氣和空氣將同時被引入爐頭并被點火槍的電火花引燃。但這樣設(shè)計點火成功率很低,因為空氣和燃料氣切斷閥完全開啟時間不一致。A 1的公稱直徑通常比F 1大,故A 1完全開啟所需時間比F 1長。如果SIS同時給出開閥信號,燃料氣會先于空氣被通入爐內(nèi)。由于閥門開啟的時間差,實際通入爐內(nèi)的燃料氣-空氣量與點火流量配比相差較大,而且待空氣切斷閥實際打開后點火槍有效打火時間非常短?，F(xiàn)場常常觀察到點火尚未成功,打火過程就已結(jié)束。因此,點火程序應(yīng)盡量使F 1和A 1依序開啟,以便燃料氣和空氣同時抵達(dá)火嘴[16]。F 1和A 1的開啟時間差可以根據(jù)實際開閥耗時來進(jìn)行修正,使開啟A 1的命令先于F 1發(fā)出。假設(shè)A 1開啟時間比F 1晚3 s,那么程序中應(yīng)在發(fā)出A 1開閥命令后延時3 s再發(fā)出開啟燃料氣閥的命令。同時,該時間差應(yīng)被計入允許點火命令的脈沖寬度中。也就是說,點火允許時間應(yīng)考慮閥門的開啟時間。

3.2 火焰檢測延遲設(shè)置

在點火初期及實際生產(chǎn)過程中,主燃燒爐常常會出現(xiàn)火焰不穩(wěn)定的情況。此時,由于火焰飄忽,易造成B 1和B 2對火焰的檢測時斷時續(xù)。但是SIS會因為火焰信號丟失而立即聯(lián)鎖停爐[17]。為此,需要給B 1和B 2設(shè)定安全限值來避免因火焰不穩(wěn)定而造成誤停機(jī)。程序中應(yīng)在火焰檢測器的信號輸入端增加一個延遲有效,讓SIS認(rèn)為火焰檢測器短時間內(nèi)出現(xiàn)的信號丟失是假象。根據(jù)實際經(jīng)驗,該延遲時間設(shè)置為2～3 s時既可保證安全也可忽略大部分的火焰飄忽現(xiàn)象。邏輯為:當(dāng)2個火焰信號消失的時間大于延遲時間時,SIS方判定爐內(nèi)的確熄火。

3.3 自動解鎖

部分自動點火系統(tǒng)除了需要一定的現(xiàn)場操作外,在點火時還需要手動進(jìn)行信號旁路[18]或強(qiáng)制開閥操作。在生產(chǎn)過程中這是潛在的安全隱患。例如:上述熄火保護(hù)程序應(yīng)在點火期間被設(shè)定為失效(即解鎖),否則系統(tǒng)會因為點火前爐內(nèi)無火焰而將燃料氣切斷閥和空氣切斷閥關(guān)閉,程序無法執(zhí)行。操作員需要以信號“旁路”或“強(qiáng)制”的方式來手動進(jìn)行解鎖暫時關(guān)閉熄火保護(hù)[19],但點火成功后則必須將旁路取消。若操作員忘記取消“旁路”或“強(qiáng)制”又或者強(qiáng)制操作不當(dāng)則可能造成SIS無法進(jìn)行熄火保護(hù),從而破壞邏輯保護(hù)的連續(xù)性和安全性。有鑒于此,可采用置位優(yōu)先記憶裝置(SR觸發(fā)器[20])或復(fù)位優(yōu)先記憶裝置(RS觸發(fā)器)來進(jìn)行自動邏輯解鎖設(shè)計。

熄火保護(hù)程序解鎖設(shè)計見圖3，對于上述熄火保護(hù)程序的自動解鎖可按圖3進(jìn)行設(shè)計。首先將火焰檢測信號接入SR觸發(fā)器的輸入端B,設(shè)定為有火焰時為“0”無火焰時為“1”。然后將點火開閥命令接入輸入端A,輸出端Q1則用于控制開關(guān)燃料氣或空氣閥,“1”代表電磁閥通電,閥門打開;“0”代表電磁閥失電,閥門關(guān)閉。

圖3 熄火保護(hù)程序解鎖設(shè)計圖

由圖3可知,當(dāng)點火開閥命令“1”發(fā)出至輸入端A時,Q1會根據(jù)置位優(yōu)先的原則變?yōu)椤?”,將燃料氣切斷閥和空氣切斷閥打開。根據(jù)本文第2節(jié)步驟③,點火開閥信號受點火允許時間所限其信號將保持“1”的狀態(tài)約12～15 s。在此時間內(nèi),輸入端B的信號對輸出端Q1無任何影響。而在點火開閥信號從“1”變?yōu)椤?”后,輸出端Q1又會立即以輸入端B火焰檢測器的信號為準(zhǔn):如果點火成功,火焰檢測器檢測到火焰,則輸入端B仍然為”0”,輸出端Q1將一直保持為“1”,燃料氣切斷閥及空氣切斷閥將保持開啟狀態(tài);反之,如果點火失敗或者正常運(yùn)行過程中主爐熄火,則輸入端B將變?yōu)椤?”,此時輸出端Q1將立刻變?yōu)椤?”,燃料氣閥及空氣閥將因為電磁閥失電立即關(guān)閉,從而順利實現(xiàn)熄火保護(hù)。

該設(shè)計可以避免在點火時進(jìn)行“旁路”或“強(qiáng)制”操作,排除了人工因素對邏輯保護(hù)的影響。既保證了點火功能的順利實施也保證了點火系統(tǒng)的安全性,從而實現(xiàn)真正意義上的安全自動點火。

3.4 吹掃按鈕防誤觸

為避免在正常生產(chǎn)過程中因誤觸吹掃按鈕而意外通入氮?dú)鈱?dǎo)致爐內(nèi)熄火,點火程序還可設(shè)計吹掃按鈕防誤觸的邏輯。可考慮將主燃燒爐的火焰狀態(tài)作為吹掃按鈕有效的條件,當(dāng)2臺火焰檢測器任意一個檢測到火焰即視為爐內(nèi)火焰存在,此時操作員對吹掃按鈕的觸發(fā)失效。具體邏輯編寫時,可設(shè)定為爐內(nèi)無火焰時吹掃命令方能執(zhí)行。設(shè)定該邏輯后,即使操作人員誤觸吹掃按鈕仍然不會打開吹掃氮?dú)忾y,提高了系統(tǒng)的防誤操作能力。

4 結(jié)論

通過在自動點火程序中增加燃料氣-空氣閥順序控制和燃料氣-空氣配比優(yōu)化、自動解鎖、防誤觸等設(shè)計,主燃燒爐點火過程的成功率和安全性得到了明顯提高。某煉油廠的2套硫黃回收裝置先后采用了上述設(shè)計。在現(xiàn)場實際進(jìn)行的11次點火過程中,僅前3次因為空氣切斷閥和燃料氣切斷閥的配比計算失誤而失敗,燃料氣-空氣配比開度校正后的8次點火全部一次性成功。同時,該點火程序操作簡單,在準(zhǔn)備就緒后僅需按下點火按鈕即可實現(xiàn)自動點火。點火期間現(xiàn)場無需進(jìn)行任何手動操作,有效減輕操作員的勞動強(qiáng)度。自動點火程序的優(yōu)化目標(biāo)得以實現(xiàn)。