70万吨/年汽油加氢装置工业炉的联锁逻辑

王建华 李春亮 申玉辉 高兴隆(中石油华东设计院有限公司，山东 青岛 266071)

0 引言

工业实体经济规模日益大型化，整体生产系统面临的风险也随之增大，为保证生产长周期安全运行，设置对可能事故进行预判并采取相应动作的安全监控系统是必不可少的。工业炉是炼油装置中重要的能量来源，运行高温带压，炉管、仪表等任一处的失效可能造成人力财力的巨大消耗，针对一定装置报警联锁系统的设立已成为设计中的重要一步[1]。其中DCS集散控制系统以PID控制为主，控制等级较低；SIS安全联锁系统可通过评估定级和HAZOP分析后，实现较高级别联锁。本文以某炼厂70万吨/年加氢装置工业炉为例，对联锁设计进行说明和展望。

工业炉安全联锁是为了能在由于各种原因引起的工作异常和紧急情况下对系统进行保护。联锁机构需要对炉内各工况下的数据进行实时监视收集，传感器采集数据进行分析判断，从而控制安全生产。这些数据主要有以下几类：

1 主要操控参数

1.1 氧含量和负压

为保证燃烧效果，炉顶氧含量正常值一般为3%～5%，过低通常燃料燃烧不充分，容易使管材脱碳；氧含量过高导致NOx排出量和有效热量排出增加。炉顶氧含量≤2%低报警；≥5%高报警。当鼓风机正常工作时，通过调节鼓风机电机频率保证氧含量，鼓风机不工作时，手动调节燃烧器风门挡板实现[2]。

工业炉为特殊的带有燃烧系统的工艺设备，为增加安全性，确保高温烟气不从看火门喷出危及操作人员和设备安全，维持燃烧空气过剩量，减少燃料消耗量，一般通过烟囱抽力或风机实现负压操作，炉顶负压正常值在-50～-25Pa。当引风机正常工作时，通过调节电机频率保持负压正常值；引风机故障时，通过调节烟囱挡板或预热器前热烟道挡板控制炉顶压力。

若当有两炉及以上共用空气预热系统时，以两炉及以上中炉顶压力平均值高者为控制变量来调节挡板。

1.2 管壁温度

为检测温度场同时防止炉管过热，在辐射段炉管向火面60°范围内设置管壁热电偶。管壁温度报警值建议取介质出口温度120℃、管材最高使用温度-30℃、最高油膜温度15℃，通过调整燃料和介质流量实现调节。

1.3 前置空气预热器空气出口温度

为增加换热效果，本装置中设置了前置预热器，通过热媒预热空气后进入空气预热器，当空气出口温度低时，联锁切断燃料，停鼓风机，打开快开风门。

1.4 火焰检测

为保证工业炉安全运行，通过紫外火检或红外火检对长明灯火焰进行检测并设置联锁，当火检检测到火焰信号全无或信号超过一半无时，联锁停炉。

2 安全联锁逻辑选取

工业炉联锁系统的主要作用是在生产过程中对可能引发事故的参数设定极限值，当参数达到设定值或设备故障时即进入DCS系统实现联锁动作，支配相关设备，切断危险源，以保障人员安全，保证设备安全运行，避免或降低风险。如表1所示，左侧为本装置中触发联锁的主要参数，右侧为触发联锁后的动作。

表1 主要联锁参数表

2.1 压力联锁

空气预热系统作为重要的节能降耗系统，为保护空气预热系统中相关设备，需要在相应设备设高高或低低联锁。空气预热器出口烟气压力高高会对引风机造成损害，一般≥-400Pa联锁停引风机，打开烟道旁路挡板，通过自动调节烟囱挡板开度保持炉顶负压；鼓风机出口空气压力低低对空气预热器换热性能造成一定影响，从而降低工业炉综合热效率，当压力≤400Pa时联锁停引风机，打开烟道旁路挡板，关热烟进预热器挡板，同时联锁停鼓风机，打开炉底快开风门，通过自动调节烟囱挡板开度保持炉顶负压；空气预热器出口空气压力低低时，进风中氧含量低会导致燃烧不充分，设置≤130Pa联锁停燃料，同时停鼓风机，打开快开风门。

当主燃料气压力低低时，一般小于0.01MPa时易造成燃烧不充分，需要切断燃料；而主燃料气压力高高时，一般高于0.3MPa时，易造成脱火十分危险，此时也需要切断燃料。长明灯用燃料气压力较低，一般正常在0.01～0.1MPa，当低于或高于限值时，应切断燃料气同时停风机、打开快开风门和热烟道旁路挡板。

2.2 温度联锁

空气预热器入口烟气温度高高在预热器热负荷一定时，排烟温度过高。本装置烟气温度高高触发联锁值取450℃，联锁停引风机，打开烟道旁路挡板，关热烟进预热器挡板，同时联锁停鼓风机，打开炉底快开风门，自动调节烟囱挡板开度实现控制。引风机入口烟气温度高高联锁停引风机，打开烟道旁路挡板，DCS系统自动调节预热器旁路挡板，调节引风机入口烟气温度。炉膛温度通常指辐射顶部烟气温度，温度高高会引起炉管局部过热结焦，对炉管吊拉钩、管板等铸件安全性也会有影响，当炉膛温度高高时联锁停燃料，保护设备安全。对空气预热入口烟气温度的高高联锁，为防止误操作，也可加入延时15s再进入联锁。

2.3 风机故障联锁

鼓引风机故障时需要联锁进入自然通风或半自然通风状态，鼓风机故障时联锁停鼓引风机，打开炉底快开风门，打开烟道旁路挡板，即停炉操作；引风机故障时联锁停引风机，打开烟道旁路挡板。当风机有变频装置，变频装置故障时，由风机各自的入口调节挡板调节烟风量。本装置上述的几种控制联锁逻辑如图1所示。

2.4 快开风门、挡板故障联锁

为保证风机故障时设备继续运行，需要在炉底热风道设置快开风门，以便进入自然通风状态。当快开风门故障或其他联锁打开快开风门失效时，延时联锁停燃料。烟道旁路挡板故障或其他联锁打开失效时，同快开风门故障联锁。

3 两炉或两炉以上联锁设计

3.1 联锁设计

工艺计算中，往往需要多炉共用一套空气预热系统的情况，此时应尽量保证每座炉子可以独立工作或切出，空气预热系统联锁设计一般近似，炉本体部分需要将各台对应部位的对应参数加入联锁。纯辐射工业炉可以将炉顶烟气引入辐射-对流型炉子的对流底部，双炉膛炉型需要在每台炉膛设置联锁。

图1 控制联锁示意图

3.2 特殊位置的取值方式

在联锁设置中，为防止特殊位置的误判，一般设置三取二联锁，三取二实际是开关量控制的投票制，在危及安全或停炉的部位设置即可。

特殊位置定位在辐射顶烟气压力，此处关系炉膛负压安全操作，为保护回路，设置三取二联锁，当此处压力三取二高高时，联锁打开烟道旁路挡板；另外鼓风机出口空气压力为避免发生停炉操作，也需要设置三取二，当此处三取二低低时，联锁停燃料供应、停鼓引风机同时打开烟道旁路挡板。

3.3 监视系统接入联锁的必要性浅析

为满足污染物排放标准，通常在距烟囱出口一定距离设CEMS在线监测装置，监测表2项目，可否通过联锁来满足排放标准也是需要考虑的方向。

表2 CEMS监测项目

4 结语

本文结合工业炉特点和实际安全要求整理设计出一套联锁方案，通过传感器实时采集数据辅以监视系统，从而提升工业炉在生产中的安全性能。

实际生产过程中仍存在联锁过度或不足现象，通过不断优化总结，积极消除、填补，推进控制系统用于节能降耗，为生产提供安全保障。