基于本质安全理论的新型加热炉控制方案研究

肖玉凯，刘仁杰

(中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516086)

本质安全理论是指通过设计、控制等手段使生产设备或生产系统本身具有安全性。使得系统能够达到以下两点要求，(1)即使在误操作或发生故障的情况下也不会造成事故，(2)即使发生事故也能够及时将事故影响遏制在最小范围[1]。《“十四五”危险化学品安全生产规划方案》中，将本质安全分为五个部分，分别是采用无害的物料/介质从源头上消除危害；增加危险源间距尽可能减少危害；通过工艺或设备完好降低危害发生的频率；采用安全控制、报警、联锁等监控和处理工艺异常；采用制度、培训、预案等预防或减少事故的影响[2]。在这五部分中，最根本的措施是采用无害的材料/介质从源头上消除危害，但实际上在化工厂生产中，不可避免的使用到易燃易爆有毒有害的介质，这时就需要采用其他四项措施对装置安全进行管控。

加热炉通过燃料气或燃料油的燃烧为原料提供热源，将原料油加热到一定温度后进入反应器内进行反应，其重要性不言而喻。同时，作为生产装置中唯一有明火存在的生产设备，也是装置内的重大危险源之一，如果由于生产大幅度调整，或全厂燃料气管网波动导致加热炉氧含量、炉膛负压大幅波动，操作员疏于监控等原因，导致加热炉的氧含量或炉膛负压异常，很有可能会产生火灾、爆炸事故，影响装置的正常生产，危害人员和设备安全。所以，有必要运用本质安全理论对加热炉控制方案进行研究，以达到保证加热炉安全操作，保证装置安全生产的目标。

1 加热炉原理介绍

加热炉作为一种火力加热设备，它利用燃料在加热炉中燃烧的火焰和高温烟气作为热源，加热炉管中流动的介质，使其达到反应的温度[3]。加热炉输入热量方程式为Q=q·V，即燃料气热值×燃料气体积，后者在化工装置中通常用流量来表示，由于炼厂中燃料气主要是由甲烷、乙烷、氢气、硫化氢等组分组成，随着生产波动和调整，燃料气成分变化较大，相应热值也变化较大，表1是某生产装置燃料气采样化验结果。

表1 燃料气化验结果Table 1 Fuelgas test results

不同组分燃烧热值差异明显，查询可燃气热值表(表2)可得。

表2 燃料气中各组分热值Table 2 Calorific values of each component in fuel gas

不同元素在燃烧中耗氧量也是不一样的，1 kg碳、氢、硫在反应过程中所需要的氧气量分别是2.67 kg、8 kg、1 kg[4]，由此可算出上述六个样品的燃料气的热值以及体积耗氧量。

由表1～表3可以看出，化工厂中燃料气管网组分经常出现较大波动，变化较大的组分分别是氢气和甲烷，燃料气组分变化后，其体积热值和体积耗氧量均发生改变。例如当甲烷等烷烃类含量增加10%，氢气含量相应减少10%时，燃料气体积热值会相应增加15%～20%，体积耗氧量相应增加20%～30%[5]。意味着当燃料气组分改变时，为了维持油品所需热量，燃料气流量会相应改变，耗氧量改变导致加热炉氧含量和炉膛负压都会随之波动，影响加热炉正常运行。

2 传统加热炉控制方案介绍及问题分析

2.1 加热炉燃料气控制方案

传统加热炉燃料气DCS控制方案为：反应器设定温度或炉出口设定温度与燃料气量的串级回路控制+炉入口换热器温度控制，具体控制流程如图1所示。

图1 传统加热炉燃料气控制方案Fig.1 Fuel gas control scheme for traditional heating furnace

如图1所示，传统加热炉燃料气DCS控制方案选择用反应器入口温度控制加热炉燃料气流量，当入口温度高于设定值时，降低燃料气流量；入口温度低于设定值时，增加燃料气流量，以达到控制要求，在燃料气调节阀后设置有燃料气压力低低连锁，当燃料气阀后压力低于联锁值，便会触发切断燃料气停炉连锁。当燃料气阀后压力低时，也可采用控制加热炉入口温度来调整加热炉出口温度。此控制逻辑在正常生产时控制平稳，也是大多数生产装置采用的控制逻辑。此逻辑的缺点也很明显，在提降量等大幅操作的时候，在操作员疏忽的情况下，很容易导致燃料气低低压连锁发生。

2.2 余热回收控制方案

余热回收系统设置一个主空气预热器和一个烟气冷却器，充分利用烟气与空气换热，回收多余热量，整个系统只有炉膛负压和烟道挡板的单回路控制，炉膛氧含量为手动控制。手动控制的缺点在于当燃料气组分改变时，会引起炉膛氧含量的大幅波动，导致燃烧效果不佳，甚至是氧含量过低导致熄炉的事故发生。在传统控制方案中，加热炉余热回收系统几乎不设置自动控制方案，整个系统为手动控制，有如下几点原因：

(1)加热炉氧含量和炉膛负压控制范围较大，一般氧含量控制在1%～5%均可，炉膛负压控制在-50～0 Pa均可，如果将其设定为一个定制，则会导致烟道/风道挡板的连续大幅开关，反而导致余热回收系统紊乱。

(2)影响加热炉氧含量和炉膛负压的因素较多，有燃料气流量、烟道/风道挡板开度、鼓引风机负荷等，调整时需由有经验的操作员进行分析后调整。

3 基于本质安全理论的新型加热炉控制方案介绍

在充分认识两种DCS控制方案的基础上，遵循本质安全理论中在设计阶段就遏制事故发生的思想，以减少事故发生概率为标准，改进DCS控制逻辑，主要思路是当燃料气阀后压力/炉膛氧含量超出控制范围时，自动切换控制逻辑，以保证不造成事故发生。

3.1 燃料气压力和加热炉入口温度切换控制的控制方案

如图2所示，新型控制方案增加了加热炉入口温度控制和加热炉氧含量控制，在燃料气调节阀后设置压力传感器，防止燃料气压力低低连锁停炉事故和由于氧含量过低导致的熄炉事故发生。

图2 加热炉燃料气新型控制方案Fig.2 New control scheme for fuel gas in heating furnace

图3 加热炉风道挡板控制逻辑Fig.3 Control logic of heating furnace air channel baffle

装置正常运行时，通过传统的反应器入口温度控制燃料气调节阀开度的串级控制逻辑，可稳定控制反应温度。当装置降温降量时，如果由于反应温度降低导致燃料气调节阀关小，当阀后压力传感器检测到阀后压力低达到低报时，信号传递至选择器，选择器2自动选择至阀后压力控制燃料气量，选择器1自动选择加热炉入口温度控制反应温度，此时状态是燃料气流量维持不变，加热炉入口温度降低保证反应温度降低。当燃料气组分大幅改变或因为反应升温导致加热炉氧含量降低时，炉膛氧含量传感器检测到炉膛氧含量低报时，信号传递至选择器，选择器2自动选择至氧含量控制燃料气量，选择器1自动选择加热炉入口温度控制反应温度，此时的状态是燃料气流量维持不变，由加热炉入口温度控制反应温度。

3.2 新型加热炉氧含量控制方案

新型加热炉氧含量控制方案添加了加热炉氧含量控制，通过控制风道挡板开度来控制加热炉氧含量。此控制方案采用新的控制逻辑，将控制目标氧含量的0%～5%分别对应调节器输出的0%～100%，经计算可得维持加热炉高效运行的最佳氧含量在1.8%～4%之间，对应调节器输出应为36%～80%，则风道挡板动作逻辑为：当调节器输出在36%～80%间，风道挡板保持当前开度不动作，当调节器输出低于36%，则控制风道挡板打开，当调节器输出高于80%，则控制风道挡板关闭，当炉膛氧含量调整到控制范围内后，风道挡板保持当前开度。同时为了保障风道挡板不意外关闭，应对风道挡板设置一个最小流量限位。关于炉膛负压和烟道挡板的调节也可利用这一控制逻辑。

4 结 论

在研究加热炉各种控制方案的基础上，本文基于本质安全的角度考虑，通过改进加热炉现有的控制方案，以达到燃料气大幅波动时加热炉稳定运行、加热炉炉膛负压/氧含量自动调节的目标，来实现在正常生产和在开停工事故状态下加热炉的安全稳定运行。提高了炼厂自动化水平，减少了发生事故的风险和操作员的工作量。但由于加热炉系统较为复杂，影响平稳运行的因素较多，在正常生产中还需操作员针对实际问题进行全面判断，不能仅仅依赖DCS自动控制对加热炉系统进行操作。