加熱爐控制及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)

1、1 一種加熱爐燃燒系統(tǒng) 控制方案 By zhaogd 2 1.加熱爐燃燒機(jī)理 加熱爐燃燒的主要機(jī)理可以用下列化學(xué)方程式表示： 2H2 + 02 2H2O + Q CnH2m + （n+m）02 nCO + mH2O + Q 2CO + 02 2CO2 + Q 將和合并，得： CnH2m + （2n+m）02 nCO2 + mH2O + Q 由上面方程式可以看出，如果在燃燒過程中氧氣不充分，則反應(yīng) 進(jìn)行的不徹底，會有CO產(chǎn)生。為了避免產(chǎn)生CO，在燃燒過程中就必須 保證氧氣量，也就是保證燃燒過程中燃燒空氣的量。 3 2.1控制的基本原則控制的基本原則 爐出口溫度在小范圍波動時，溫度控制器平行控制燃

2、料 氣流量和燃燒空氣流量；爐出口溫度在大范圍波動時，采用 一定的限制來避免非化學(xué)平衡式燃燒。 爐出口溫度控制器(TICA034)為主控制器，控制燃料氣 量。溫度控制器的輸出整定為所需燃料氣量。燃料需求量通 過低選器(Y16)作用在燃料氣流量控制器（FICA030）上；通 過高選器(Y17)最終作用在空氣流量控制器(FICA028)上。這 樣保證以一個安全的順序來調(diào)整燃料氣控制器和燃燒空氣控 制器的設(shè)定值。 4 燃 燒 系 統(tǒng) 控 制 流 程 圖 5 控制流程中： Y-3: 燃料氣密度補(bǔ)償模塊； Y-6: 設(shè)定燃料氣最大流量模塊； Y-7: 設(shè)定燃燒空氣最小流量模塊； Y-8: 計(jì)算所允許燃料氣

3、最大流量模塊； Y-9: 所需空氣量計(jì)算模塊； Y-16: 低選器，根據(jù)實(shí)際空氣量給燃料氣流量控制器一高限值； Y-17: 高選器，根據(jù)實(shí)際燃料氣量給空氣流量控制器一低限值； Y-18: 修正燃料氣流量值模塊； Y-19: 修正燃燒空氣流量值模塊。 6 2.2控制方案的具體實(shí)現(xiàn)控制方案的具體實(shí)現(xiàn) 2.2.1減負(fù)荷控制 加熱爐需要減少負(fù)荷時，將補(bǔ)償后的燃料氣流量通過計(jì)算塊 （Y7）乘一系數(shù)（經(jīng)典值為0.9，提供10%的余量），然后送至高選 器（Y17），再進(jìn)計(jì)算塊（Y9）內(nèi)乘上空燃比，換算為空氣流量作 為空氣流量控制器(FICA028)的外部設(shè)定值。其中系數(shù)（0.9）有兩 個作用：第一，當(dāng)燃料氣

4、量要求小范圍（不低于原來值的90）減 小時，溫度控制器(TICA034)的輸出將同時作在燃料氣流量控制器 （FICA030）和空氣流量控制器(FICA028)上，平行調(diào)節(jié)燃料氣流量 和燃燒空氣流量。第二，如果要求燃料氣流量減小幅度較大（小于 原來值的90），而實(shí)際的燃料氣流量沒有響應(yīng)，系數(shù)將會限制繼 續(xù)減少空氣量（最多減小至原來值的90），以防止空氣流量過低。 此控制系統(tǒng)從平行控制改變?yōu)椤叭剂蠚庵鲗?dǎo)”的控制系統(tǒng)，燃料氣 的減少將通過高選器（Y17）選中，進(jìn)而減小空氣量。高選器用于 限制空氣量，使其隨著燃料氣量減小而減小。 調(diào)節(jié)器動作示意見 下圖： 7 95 106 燃料 空氣 加熱爐 PT05

5、0 MIN FV029 爐出口溫度 TRC 034 PT051 MAX FT028 FV028 FRC 028 A/F FRC 029 SP FV029 爐出口溫度 TRC 034 PT051 MAX FT028 FV028 FRC 028 A/F FRC 029 SP FV029 爐出口溫度 TRC 034 PT051 MAX FT028 FV028 FRC 028 A/F FRC 029 SP FV029 爐出口溫度 TRC 034 PT051 MAX FT028 FV028 FRC 028 A/F FRC 029 SP 爐出口溫度偏低增負(fù)荷控制（增幅大于11）交叉限幅控制 SP A/ F

6、 0.9 轉(zhuǎn)換為空氣量 轉(zhuǎn)換為燃料量 假定所需 燃料量由 100升為 120 120 108 120 100 111 90 100 13 注：假定各個變量 間為線性關(guān)系。 增負(fù)荷控制 14 2.2.3 部分火嘴燃燒控制部分火嘴燃燒控制 對于多火嘴加熱爐，在燃燒的過程中，往往會發(fā)生部分火嘴熄滅，而部分 火嘴仍在燃燒的情況。對于裝有火焰檢測器的加熱爐，當(dāng)部分火嘴熄滅時，會 通過分支上的切斷閥將熄滅火嘴的燃料氣自動切斷，而一般燃燒空氣分支風(fēng)道 上沒有自動切斷閥。如果熄滅的火嘴數(shù)量在加熱爐允許的范圍內(nèi)，并且熱負(fù)荷 也能通過其他燃燒的火嘴補(bǔ)償回來，可以滿足工藝的要求，這時我們需上述控 制方案做一些調(diào)整。

7、計(jì)算塊Y18、Y19就用于此。 總切斷閥 火嘴1 火嘴2 火嘴N 燃料 空氣 加熱爐 BS BS BS FT028 FV028 FRC 028 Y 18 operationin burners N 15 具體實(shí)現(xiàn)如下： 我們用Nburners in operation代表正在燃燒的火嘴，用Nburners installed代表實(shí)際安裝的火嘴數(shù)量。Y18、Y19計(jì)算公式如下： 當(dāng)部分火嘴熄滅時，燃料氣總管的量仍為實(shí)際燃燒的燃料氣量，而總風(fēng) 道燃燒空氣的量并不代表實(shí)際參與燃燒的空氣量，熄滅火嘴處所對應(yīng)的燃 燒空氣并沒有切斷，而浪費(fèi)掉了。為此通過計(jì)算塊Y18將浪費(fèi)的空氣量在 別的分支風(fēng)道上補(bǔ)償回來

8、。補(bǔ)償后總風(fēng)道燃燒空氣量則會比實(shí)際參與燃燒 的空氣量變大，在“空氣主導(dǎo)”的控制系統(tǒng)里，計(jì)算塊Y19就是用來計(jì)算 出實(shí)際參與燃燒的空氣量，再去調(diào)節(jié)燃料氣量。 operationin burners installed burners N N *Y9Y18 installed burners operationin burners N N *FI028Y19輸出 16 2.2.4燃料氣壓力限制 為了避免在燃料氣調(diào)節(jié)過程中燃料氣壓力過小或過大，為此設(shè)兩 個壓力控制器PICA051,PICA050，分別通過低選器(Y008)、高選器 （Y009）作用在燃料氣調(diào)節(jié)閥上，限制壓力。 壓力低限的設(shè)置與燃料氣

9、品質(zhì)有關(guān)，能滿足加熱爐最小燃燒。 壓力高限的設(shè)置與火嘴耐壓等級有關(guān)。 這兩個壓力控制器必須鎖定在自動模式。這兩個壓力控制器必須鎖定在自動模式。 17 2.2.5燃料氣密度補(bǔ)償 燃料氣主要是由C1,C2,C3，C4,氫氣，以及少量惰性氣體組成， 在實(shí)際燃燒過程中，燃料氣組分會有波動，密度也將隨之波動。我們 知道甲烷中碳含量占：75，乙烷中碳含量占：80，丙烷中碳含量 占：81.8，丁烷中碳含量占：82.8，C2C4烯烴中碳含量占： 85.7。這些組分的碳含量很接近，如果這些組分配比發(fā)生變化時， 幾乎不影響整個燃料氣的碳含量。所以當(dāng)燃料氣組分在小范圍內(nèi)波動 時，單位質(zhì)量燃料氣的熱值幾乎不變，單位體

10、積燃料氣在燃燒過程中 放出的熱量與密度成正比，空燃比（質(zhì)量比）幾乎不變。故只要準(zhǔn)確 測量出燃料的質(zhì)量流量就能算出燃料氣的熱值，以及所需的空氣量。 如果燃料氣組分波動比較大，例如燃料氣中惰性氣體（氮?dú)猓┖坎?動較大時，單位質(zhì)量燃料氣的熱值變化將會很大，空燃比的變化也就 很大，此時需要工廠重新化驗(yàn)燃料氣組分，重新設(shè)定空燃比。 燃料氣流量(FI029)（kg/h）由密度計(jì)（AT001）在計(jì)算塊（Y3）進(jìn) 行密度補(bǔ)償，補(bǔ)償公式為： 值設(shè)計(jì)工況下燃料氣密度 燃料氣密度測量值（ 輸出 )001 *FI029Y3 AT 18 Fuel Gas CompositionOperation Mode (Volu

11、me %)Normal H2O 0 O2 0.6413 N2 12.9912 CO1.0105 CO2 3.2454 H2S 0.00518 H2 24.4168 C1 29.06 C2= 13.7297 C2 11.8445 C3= 0.4567 C3 0.73 C4= 0.7682 iC4 0.4571 nC4 0.4323 C5= 0 iC5 0.0389 nC5 0.1613 C6+ 0.0092 CH3OH 0.0015 MTBE0.00012 Total100 某廠燃料氣組分表 19 2.2.62.2.6空燃比的設(shè)定空燃比的設(shè)定 加熱爐專業(yè)根據(jù)燃料氣的化學(xué)組分計(jì)算出理論空燃比（13

12、.66）。而 進(jìn)入燃燒器內(nèi)的燃燒空氣不可能完全參與燃燒，為了保證燃料氣能完 全燃燒，需要使燃燒空氣稍微過量些。我們把實(shí)際需要的空氣量和理 論空氣量之比稱為過?？諝庀禂?shù)。 本控制流程中，空燃比通過手動設(shè)定:如果氧分析儀AT002檢測到 煙氣內(nèi)O2過低或過高時，空燃比通過手操HC091重新設(shè)定。 20 UOP I 21 UOP II 22 IFP 23 強(qiáng)制通風(fēng)爐 安全聯(lián)鎖 24 安全聯(lián)鎖安全聯(lián)鎖 UOP以及SHELL工 藝包把燃料氣系統(tǒng) 劃分為：SIL2，可 見加熱爐部分的安 全聯(lián)鎖之重要。 25 安全聯(lián)鎖安全聯(lián)鎖 1.強(qiáng)制通風(fēng)加熱爐安全聯(lián)鎖粗分為兩 個階段： v點(diǎn)爐階段 v正常生產(chǎn)階段 總總切

13、斷閥 火嘴1 火嘴2 火嘴N 26 v點(diǎn)爐階段 允許吹掃： 1）允許吹掃條件滿足時，DCS畫面上“允許吹掃指示燈”亮，提示可以吹掃； 2）如果條件不滿足將通過邏輯塊禁止“自動吹掃按鈕”起作用。 開始吹掃： 1）操作員在DCS畫面上按“自動吹掃按鈕”，啟動吹掃，通過DCS將風(fēng)道上 的調(diào)節(jié)擋板開度調(diào)到最大； 2）經(jīng)過10分鐘吹掃后，DCS畫面中的“吹掃完畢”指示點(diǎn)亮； 3）成功吹掃完畢后通過邏輯塊禁止“自動吹掃按鈕”再起作用（除非空氣流量 低于允許吹掃時的設(shè)定風(fēng)量，緊急停車開關(guān)發(fā)生急停）； 4）成功吹掃完畢后將DCS里的風(fēng)量控制器設(shè)為自動調(diào)節(jié)模式。 注：吹掃過程中必須保證：a.一定風(fēng)量；b.一定時

14、間（可根據(jù)具體爐子調(diào)節(jié)）；c.緊急 停車按鈕不能觸發(fā)急停。否則，重新吹掃。 安全聯(lián)鎖安全聯(lián)鎖 27 點(diǎn)火： 1）點(diǎn)燃長明燈： 成功吹掃完畢后，“點(diǎn)長明燈按鈕”起作用； 操作員在DCS畫面上按“點(diǎn)長明燈按鈕”打開長明燈支線自動切斷閥，人工 點(diǎn)燃長明燈，要求在15分鐘內(nèi)將主嘴點(diǎn)燃否則該長明燈將熄滅。 注：在打開第一個長明燈時，同時打開長明燈總閥。 2）點(diǎn)燃主火嘴： 長明燈點(diǎn)燃后，對應(yīng)的“點(diǎn)主火嘴按鈕”起作用； 操作員在DCS畫面上按“點(diǎn)主火嘴按鈕” 打開主燃料氣支線自動切斷閥，點(diǎn) 燃主火嘴，主火嘴應(yīng)在點(diǎn)燃命令發(fā)出5秒內(nèi)點(diǎn)燃，否則該主火嘴的切斷閥將 關(guān)閉； 成功點(diǎn)燃主火嘴5秒后將熄滅對應(yīng)的長明燈，此后長明燈可以隨時重點(diǎn)，并 在15分鐘后自動熄滅； 在點(diǎn)火嘴的過程中如果發(fā)生點(diǎn)燃的火嘴熄滅的現(xiàn)象，1分鐘后允許重新點(diǎn)火， DCS畫面的“禁止點(diǎn)爐燈” 亮。 注：在打開第一個主火嘴時，同時打開主燃料氣