火炬系统消烟控制的优化设计

郑万里

火炬系统消烟控制的优化设计

郑万里

(江苏中圣高科技产业有限公司，江苏 南京 210009)

针对化工企业火炬系统的黑烟污染，根据火炬气火焰黑烟产生及消烟的机理，结合火炬消烟控制回路的特点，以及烟雾和火炬气量检测技术的发展，对目前常用的蒸汽消烟控制进行了前馈串级的优化设计。应用表明： 该优化不仅减少了火炬黑烟和噪声污染，同时降低了消烟蒸汽的消耗。

火炬 蒸汽消烟 烟雾检测 前馈串级

火炬系统作为石油化工、煤化工企业重要的安全和环保设施，负责工厂各装置正常生产时安全阀的泄漏气排放，以及开停车和事故状态下装置排放气的安全排放和燃烧处理。

近年来随着经济和社会的快速发展，环境保护越来越受到人们的重视，而火炬是继锅炉烟囱之后又一个被人们高度关注的大气排放污染源。除CO2，H2O等温室气体排放外，火炬还会产生火焰光、热辐射、异味、噪声、黑烟、有毒有害气体等污染。为满足火炬系统的环保要求，需要严格控制各种污染，其中高效控制黑烟的产生尤为重要。

目前，中国国内火炬的黑烟控制效果不够理想，浓烟滚滚的火炬燃烧画面时而可见。本文根据火炬消烟的机理和消烟控制回路的特点，结合检测技术的发展，对消烟控制进行了优化设计。该优化不仅提高了自动化水平，增强了消烟效果，还降低了蒸汽的消耗和火炬的噪声。

1 火炬消烟控制机理及现状

1.1 火炬黑烟的产生

工厂排放的火炬气以烃类气体为主，烃类气体的燃烧是烃与氧气进行快速放热和发光的氧化反应，以火焰的形式出现。反应方程式如下：

(1)

从式(1)可以看出，烃类气体完全燃烧的必要条件是有足够的氧气。

当火炬气在火炬头出口的马赫数约为0.2时，即火炬气约为火炬最大排放量的15%～25%时，火炬头周围氧气充足且可与火炬气充分混合，此时烃类气体燃烧充分且无烟。随着火炬气排放量的增大以及燃烧温度的升高，烃类气体的燃烧变得更加复杂。由于缺氧，部分未发生氧化反应的烃开始发生热裂解反应，断键脱氢生成游离碳和氢，未完全断键脱氢的不饱和烃又会继续发生聚合环化结焦反应，生成焦。当游离碳和焦遇大气冷却后，会以细小粒子状混合在火焰中，这就是火炬燃烧时人们看到的黑烟。

1.2 火炬消烟机理

由上述可知，火炬冒黑烟的根本原因就是缺氧下的富燃料燃烧。因此，消烟的基本方法就是补氧和除碳。

1) 补充氧气，减少碳黑粒子的生成。为了促使空气中的氧气均匀地分布在整个火焰中，需要能量来产生紊流使其在点燃火炬气时在火炬气中混入空气。这种能量可以存在于火炬气中，以压力或速度的形式表现，也可以通过其他物质施加在系统中，即当火炬气从火炬头排出时向气体中注入另一种介质，例如注入水蒸气、压缩空气或低压鼓风机鼓入的空气，这样可以引射火炬头周围的空气进入火焰使更多的火炬气进行氧化反应。

2) 除碳，即将生成的碳粒子在冷却成烟之前再反应生成二氧化碳等无色气体。目前最常见的消烟方法就是注入水蒸气来补氧除碳。

水蒸气的注入除引射大量空气进入火焰以补充氧气外，另外还有两种理论支撑： 一种理论认为水蒸气分离烃分子，从而使聚合作用减少到最低程度，并且形成可以低速燃烧的氧混合物，同时温度不足以高到产生裂解和聚合反应;另一种理论则认为水蒸气与碳粒子发生水煤气反应，生产一氧化碳、二氧化碳和氢气，在碳粒子冷却形成黑烟之前将碳粒子去除。

实际应用中，水蒸气一般通过中心蒸汽、引射蒸汽、顶部蒸汽三种方式进入火焰。利用高速喷射将大于自身质量10～30倍的空气引射到火焰中。其作用是： 一方面加大了易产生黑烟气体的扰动紊流，增大了其与空气和水蒸气的接触，使其完全燃烧；另一方面水蒸气的加入使火焰温度维持在一个比较低的水平，降低了裂解结焦形成黑烟的可能性。

消烟所需的水蒸气主要和火炬气的组分、流量、蒸汽压力及火炬头结构形式等参数有关。一般配比关系是每0.45 kg火炬气需要0.11～0.45 kg的水蒸气。具体配比关系一般由火炬头厂商根据火炬气排放条件及火炬头结构形式模拟计算给出。

1.3 火炬消烟控制现状

火炬消烟控制的设计以两种方案为主，以水蒸气消烟为例： 一是火炬气排放信号联锁开消烟蒸汽，再根据黑烟情况手动调节消烟蒸汽流量；另一种是火炬气流量比值控制消烟蒸汽流量。根据以往工程经验，这两种设计在生产阶段通常因不适用于实际生产工况而被简化为操作人员视频监控火炬气燃烧冒黑烟情况而手动调节消烟蒸汽。此种控制方式自动化水平较低，往往由于操作人员视频监测滞后或操作不精准，导致消烟蒸汽量或小或大，使得火炬不是冒黑烟就是冒白烟。该控制方式不仅不能及时应对各种扰动量产生的干扰，也不能有效快速地消除黑烟，而且会造成蒸汽的浪费并产生较大的噪声，既影响了工厂效益，又污染了环境，使之逐渐成为工厂生产管理中比较棘手的一个难题。

2 火炬消烟控制的优化

2.1 控制方案优化

根据火炬消烟控制的现状，不难发现，其控制质量低的主要原因是没有采用自动控制方式。因此，优化控制首先增加烟雾检测的反馈环节，使手动控制变为反馈闭环的自动控制，运用PID调节消除扰动产生的偏差，使烟雾黑度稳定在控制设定值上。然而，该控制方式也存在控制滞后、干扰量多等缺点，如： 黑烟是由火炬气燃烧不充分生成的，存在一定滞后，且调节蒸汽后，消烟也是个较缓慢的过程。另外，控制回路的干扰量很多，如火炬气流量、组分、火炬头周围的氧气量、消烟蒸汽量、蒸汽所引射的氧气量以及大气条件等因素。这些量的变化都会造成干扰，其中火炬气流量和组分的变化以及消烟蒸汽量的变化是主要干扰因素。

针对上述特点，为了补偿火炬气流量和组分变化所产生的干扰，抑制控制滞后，控制回路可增加火炬气流量比例调节蒸汽流量的前馈环节，利用测量到的火炬气变化量去补偿其对被控对象烟雾的影响。另外，由于控制回路的操纵变量蒸汽和被控变量烟雾两者之间是间接影响的关系，为了消除操纵变量变化对被控变量的干扰，提高操纵变量的控制精度，控制回路可增加蒸汽流量控制，使其作为副环与烟雾控制回路主环构成串级调节。火炬消烟自动控制流程如图1所示。

图1 火炬消烟自动控制流程示意

2.2 相关控制变量的检测

控制回路的优化基于被控、扰动、操纵等变量的可测量性。如果相关变量不可测或测不准，控制优化则无法实现。近年来烟雾及火炬气检测技术的发展为消烟控制的优化创造了条件。

2.2.1 烟雾检测

火炬火焰烟雾检测技术虽然理论上很多，但是通过工程验证可行的却很少。火焰烟雾的检测主要有红外和成像两种技术。普通的红外检测仪和成像仪仅适用于燃料气组分和相对稳定的常规火焰，而对于组分变化大、火焰不稳定以及受环境因素干扰大的火炬气火焰，常规检测仪的测量效果均不理想，火炬烟雾成像检测技术目前还处在开发验证阶段，工程应用偏少。火炬烟雾红外检测技术已在国外有所应用，国内由于市场推广少、价格高等因素几乎没有应用。

目前，国外应用较好的火炬火焰烟雾红外检测技术主要有两种： 一种是利用红外仪检测火炬火焰中碳黑粒子的浓度，这种技术需要基于大量的火炬燃烧试验测出各类火炬气燃烧时火焰中碳黑粒子特有的红外波段;另一种是利用专有的窄波技术检测火焰中的碳氧比例，间接给出将要产生黑烟的趋势浓度。该种技术既要针对各类火炬气试验测出碳氧原子的特有红外波段，又要试验拟合出碳氧比例对烟雾产生的影响关系。前一种是形成碳黑粒子后直接检测，后一种是形成碳黑粒子前间接检测并预测烟雾浓度。

2.2.2 火炬气流量检测

火炬气流量作为消烟控制回路主要的干扰变量参与前馈比值调节，该比值受火炬气流量和组分双重影响，因而要求其流量和组分均可测。但由于火炬气管线口径较大、组分复杂且变化、量程比大以及介质脏等特殊性，传统的流量计均无法满足其测量要求，只有针对火炬气测量工况的特点专门开发的超声波质量流量计可适用该工况。火炬气超声波质量流量计既可以测量火炬气的质量流量，又可以测量其平均相对分子质量，该2个量都是蒸汽火炬气消烟配比比值的函数变量。

2.2.3 蒸汽流量检测

蒸汽流量作为操纵变量参与串级调节，蒸汽流量的测量技术已经相对成熟，可选用的流量计种类很多。考虑到火炬系统一般处于全厂公用工程管网的末端，蒸汽的压力温度容易波动，建议蒸汽流量的测量增加温度压力补偿以提高测量的准确性。

3 结束语

随着烟雾和火炬气流量检测技术的发展，火炬气消烟控制可以针对被控对象烟雾以及各干扰量的特点，在原有手动控制的基础上优化设计成前馈串级自动控制。该优化使得消烟蒸汽可以跟随火炬气流量的变化快速动态地消除黑烟，在保持火炬气高效燃烧的同时，节约了蒸汽消耗，降低了黑烟、噪声等环境污染。该优化控制的应用，有助于企业提高火炬烟雾控制的生产管理水平，同时有助于改善火炬的环保形象。

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郑万里(1983—)，男，江苏连云港人，2005年毕业于南京师范大学自动化专业，获学士学位，现就职于江苏中圣高科技产业有限公司电仪室，从事石油化工自动化设计工作，任工程师。

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1007-7324(2017)02-0071-03

稿件收到日期： 2016-09-27，修改稿收到日期： 2016-12-20。