气化烧嘴冷却水泵回路改造及联锁优化

[新能凤凰(滕州)能源有限公司，山东 滕州 277527]

德士古工艺烧嘴是气化装置的关键设备，一般为三流道外混式设计，在烧嘴中煤浆被高速氧气流充分雾化，以利于气化反应。德士古烧嘴插入气化炉燃烧室中，我公司正常生产状况下，烧嘴承受1 350 ℃左右的高温；为防止烧嘴损坏，在烧嘴外侧设置冷却盘管，在烧嘴头部设置水夹套，并由2台烧嘴冷却水泵、冷却水槽、事故烧嘴水泵向烧嘴供应冷却水，同时，系统设置了复杂的安全联锁。由于烧嘴冷却水泵的电气回路配置容量偏小，元器件选用国产，联锁系统不完善，曾因长期高负荷运行和电气产品的性能下降，出现电器元件发热、设备回路误动的问题，渐渐不能满足烧嘴冷却水泵长期满负荷运行的需要。

1 烧嘴冷却水泵回路及联锁简介

1.1 烧嘴冷却水系统

公司设有P1201A/B 2台烧嘴冷却水泵，型号 TSP100-150-340L，流量 144 m3/h，扬程 280 m；电机型号 YB315L-2，功率185 kW，转速 2 970 r/min。由烧嘴冷却水泵加压，冷却水经烧嘴冷却水换热器冷却后送入4个工艺烧嘴的冷却水盘管内，最后采用低进高出的形式进入烧嘴头部的水夹套对其进行强制冷却，从而达到保护烧嘴的目的。P1204事故烧嘴冷却水泵1台，型号 TSP50-100-340L，流量 72 m3/h，扬程 280 m；电机型号 YB315M-2，功率 132 kW，转速 2 970 r/min；在2台烧嘴冷却水泵出现故障时使用。

目前，公司共有3台1500 t/d气化炉，每台气化炉采用四喷嘴对置式设置，正常生产状况为2台气化炉105%负荷运行、1台气化炉备用，日产精甲醇2 200 t左右；1台烧嘴冷却水泵按300 A左右负荷运行，满足2台气化炉8个烧嘴的冷却水用量，另一台烧嘴冷却水泵为备自投状态。

1.2 烧嘴冷却水泵回路配置

2台烧嘴冷却水泵回路电气设备配置相同，每台设备一次回路的配置为1台SG1-1000A低压隔离开关、1台SM40R-630/32082开关、1台400 A低压空气开关、2台SC1-500A接触器、1台QB52-200型软启动器。所有主要器件均为国产电气产品。分别由气化303低压变电所的Ⅲ、Ⅳ段3AA14、4AA16低压配电柜供电。

1.3 事故烧嘴冷却水泵回路配置

设备一次回路的配置为1台SG1-1000A低压隔离开关、1台SM40R-400/32082开关、1台315A低压空气开关、2台SC1-400A接触器、1台QB52-200型软启动器。所有主要器件均为国产电气产品。由气化303低压变电所的零段0AA2低压配电柜供电，而零段的电源一路来自303低压变电所的Ⅱ段2AA6低压配电柜，另一路来自EPS应急电源。

1.4 联锁设置

1.4.1电气联锁

2台烧嘴冷却水泵互为备用。A泵作为主泵时，A泵的控制开关打至“手动位置”，B泵为备用泵，控制开关打至“自动位置”；A泵运行，保证2台气化炉8个烧嘴冷却水的供水压力。当A泵的供水压力低于1.6 MPa(G)时，B泵自动启动，保证供水压力。当供水压力高于3 MPa(G)时，B泵自动停运。

B泵作为主泵时，B泵的控制开关打至“手动位置”，A泵为备泵，控制开关打至“自动位置”；B泵运行，保证2台气化炉8个烧嘴冷却水的供水压力。当B泵的供水压力低于1.6 MPa(G)时，A泵自动启动，保证供水压力。当供水压力高于3 MPa(G)时，A泵自动停运。

事故烧嘴冷却水泵作为紧急备用，无论2台烧嘴冷却水泵处于何种状态，只要供水压力低于1.4 MPa(G)时，事故烧嘴冷却水泵就会自动启动，保证供水压力，为烧嘴冷却水泵维修或事故处理提供支持；当供水压力高于1.4 MPa(G)时，事故烧嘴冷却水泵自动停运。

1.4.2工艺联锁

原设计的烧嘴冷却水联锁是，烧嘴入口冷却水流量LL，烧嘴入口冷却水压力HH，烧嘴出口冷却水温度HH三选二联锁。其联锁值为，烧嘴入口冷却水流量LL≤6 m3/h，烧嘴入口冷却水压力HH ≥3.2 MPa(G)，烧嘴出口冷却水温度HH≥60 ℃。当烧嘴被烧穿或破裂时，由于冷却水的压力低于气化炉的操作压力，因而工艺气进入冷却水管线，而由于烧嘴冷却水进口有止逆阀，则烧嘴冷却水入口压力会增高，而入口流量会降低；而由于出口的冷却水分离罐是常压的，因而工艺气就会沿出口管线进入烧嘴冷却水分离罐，此时烧嘴出口冷却水温度就会升高，由此便可判断烧嘴是否损坏。为防止某一个仪表失真造成误跳车，要求上述三个联锁条件中必须有两个条件满足时烧嘴才会联锁动作，即该烧嘴进出口阀联锁关闭，气化炉对应一对烧嘴跳车。

2 运行状况及问题分析

2.1 前期运行状况

开车初期，德士古气化系统停车次数较多，除了水煤浆质量、炉体压力、氧气流量、煤质等方面的原因，烧嘴冷却水系统也暴露出许多问题。

2010年3月15日和6月10日，两次烧嘴烧穿事故中发现烧嘴入口冷却水流量LL≤6 m3/h、烧嘴入口冷却水压力HH≥3.2 MPa(G)、烧嘴出口冷却水温度HH≥60 ℃。三个参数反应较慢，烧嘴烧穿了，仍未能促发跳车联锁，从而造成合成气大量外泄事故，最后导致气化系统停车。

2010年3月，因事故烧嘴冷却水泵的应急电源EPS装置多次故障，厂家更换整流器、回路母线、蓄电池后组织带负荷试车，第一次，带事故烧嘴冷却水泵运行不到15 min，自动停止；第二次，带事故烧嘴冷却水泵启动两次，EPS变压器打火，停止试验；第三次，厂家再次整改后，通过外接电缆直接用EPS带132 kW电机，事故烧嘴冷却水泵仍运行不足20 min EPS便停止输出，终止试验。事故烧嘴冷却水泵的启动失败，验证了公司配置的EPS应急电源不能满足事故负荷的正常使用，同时也暴露出烧嘴冷却水泵的电气控制不能满足应急要求。

2011年3月5日，原运行烧嘴冷却水泵超电流跳车后，因送至备用泵启动回路的供水压力低信号故障，备用泵未能及时启动，造成气化系统联锁跳车。

2011年7月16日和2012年12月5日，运行中的A#烧嘴冷却水电机突然断电，备用泵启动。对气化配电室A#烧嘴冷却水泵电气回路检查，发现两次故障原因相同，烧嘴冷却水回路的空气开关脱扣。联系工艺人员，将烧嘴冷却水泵联锁解除，使B#烧嘴冷却水泵在手动状态下单独运行，A#烧嘴冷却水泵回路停车检测无异常，怀疑空气开关误动作所致。开关恢复送电，投上联锁，将A#烧嘴冷却水泵作为备用泵使用。

2012年12月7日和12月25日，原运行烧嘴冷却水泵晃电接触器释放跳车后，备用泵虽及时自启动，但由于备用泵启动时间长，入口冷却水流量LL造成多个烧嘴误跳车。

2.2 问题分析

2013年1月18日，公司组织机械、设备、电气、仪表、工艺等相关技术人员，成立烧嘴冷却水系统问题攻关小组，对气化系统从送电调试、开车到高负荷生产过程中烧嘴冷却水系统出现的异常现象及跳车故障进行汇总，经分析讨论，主要存在以下方面的不足及问题。

2.2.1三选二联锁存在的缺陷

在历次烧嘴烧穿事故中，烧嘴冷却水出口流量反应十分灵敏。经讨论，烧嘴冷却水进出口流量差低低这一指标具有很强的实用性，在原有三选二联锁的基础上增加这个联锁可弥补原三选二联锁的不足。此四选二联锁为，烧嘴入口冷却水流量LL≤6 m3/h，烧嘴入口冷却水压力HH≥3.2 MPa(G)，烧嘴出口冷却水温度HH≥60 ℃，烧嘴进出口冷却水流量差LL≤6 m3/h。并增设一选一联锁，进出口冷却水流量差HH≥6 m3/h。烧嘴冷却水进出口流量差低低联锁≤-6 m3/h，当事故状态下烧嘴烧穿水煤气漏入烧嘴冷却水回水管线，造成烧嘴冷却水出口流量增大，此时由于烧嘴冷却水管线压力升高，进口流量降低，因此烧嘴进出口流量差就增大了，从而判断烧嘴已损坏。这个值是个负值，并且随烧嘴泄漏量的增大而减小；进出口流量差高高联锁≥6 m3/h，由于烧嘴安装和拆卸时、气化炉投料升压初期及气化炉停车泄压后期，系统压力会低于烧嘴冷却水压力，倘若在安装和拆卸烧嘴过程中弄坏了盘管或在气化炉投料过程中烧嘴损坏，烧嘴冷却水便会进入气化炉，大量汽化，气化炉炉膛温度骤降，不仅造成一炉的耐火砖损坏，还有可能造成爆炸事故。当气化炉压力大于烧嘴冷却水压力后，将一选一联锁切除，采用四选二联锁，烧嘴入口冷却水流量LL≤6 m3/h、烧嘴入口冷却水压力HH≥3.2 MPa(G)、烧嘴出口冷却水温度HH≥60 ℃、烧嘴进出口冷却水流量差LL≤6 m3/h。如此一来，既可以弥补原设计烧嘴冷却水联锁反应慢的不足，又可以囊括烧嘴安装前及投料初期、跳车泄压后期烧嘴冷却水压力反高于气化炉压力时特殊联锁的设置，兼顾检测仪表的灵敏性和准确性，确保安全联锁系统可靠好用。

2.2.2烧嘴冷却水泵备用问题

2台烧嘴冷却水泵一主一辅，互为备用的联锁中，仅在供水压力低于1.6 MPa(G)时，备用泵才能自动启动，而一旦此压力信号未能及时反映或为虚假信号，备用泵就不能及时启动。如果将2台烧嘴冷却水泵的回路接触器运行节点接入互为备用的自启动回路中，就能使运行泵故障跳闸时，无论压力低信号是否给出，运行泵接触器的常闭节点就能保证备用泵可靠启动。因为此时无论冷却水压力低信号是否反映正确，运行泵跳闸停止工作，冷却水压力低只是时间问题，备用泵必须启动工作。只有这样，才能确保只要烧嘴冷却水泵现场控制开关操作在正确位置，就始终有1台烧嘴冷却水泵保持正常工作。

另外，只要烧嘴冷却水系统正常投入的情况下，2台烧嘴冷却水泵无论何种原因同时处于停止状态时，即2台泵回路的接触器全部释放，就要给出让事故烧嘴冷却水泵启动运行的信号指令。保障在2台烧嘴冷却水泵同时出现故障的状态下，由事故烧嘴冷却水泵工作，为正常供水泵修复和烧嘴应急处理提供保障。

2.2.3EPS电源形同虚设

从气化应急电源EPS的调试情况来看，现配置的EPS电源不能满足事故烧嘴冷却水泵启动、正常工作的需求。一旦气化变电所事故断电，EPS电源就起不到应有的作用，事故烧嘴冷却水泵因启动不了而形同虚设。因此，必须重新考虑气化系统应急电源的配置问题。

2.2.4电气回路配置方面的问题

在电气回路配置方面，2台烧嘴冷却水泵及1台事故烧嘴冷却水泵回路所用的电气设备均为国产电气装置。气化变电所设置在气化磨机厂房框架内，3台TDMK1500-30、1 500 kW棒磨机工作时的振动时常波及到变电所配电装置，磨机厂房的粉尘也对变电所的配电装置、电气元器件有所侵蚀；加上长期高负荷运行和电气产品性能的下降，出现电器元件发热、设备回路误动的问题，渐渐不能满足烧嘴冷却水泵长期满负荷可靠运行的需要。

2.2.5烧嘴冷却水泵启动方式存在问题

2台185 kW烧嘴冷却水泵和1台132 kW事故烧嘴冷却水泵采用的启动方式均为软启动器启动，软启动器型号为QB52-200系列。这种利用可控硅的移相调压原理来实现电机的降压启动方式，在前期的生产运行过程中暴露出以下问题：一是一次回路既有主接触器，又有旁路接触器，控制线路接点较多，从事过电气维护的人员都知道，很多故障都是电气元件的触点和连线接点接触不良引起的，在工作环境恶劣(如粉尘重、潮湿、振动大、散热不良)的地方，这类故障更容易形成，检查起来却颇费时间；二是这种启动方式在正常开车首次启动时，对烧嘴冷却水系统没有影响，且能够因启动电流小、启动速度平稳可靠、对电网冲击小而有益于电力系统及电气设备的稳定运行，但是对于互为备用的双泵系统，一旦主泵故障，备用泵就要瞬时启动的烧嘴冷却水泵来说，启动环节复杂、启动时间长(软启动器的启动时间设置为15 s，不含旁路切换时间)的劣势就明显暴露出来，从历次烧嘴冷却水系统故障来看，曾经有三次主泵故障时，备用泵虽然及时自启动，但都因自启动时间过长，烧嘴冷却水的供水压力没能及时提起来，低于联锁动作值而导致一对烧嘴退出运行或气化炉停炉的现象，影响了系统的稳定运行。

烧嘴冷却水泵启动之初，由于水管中设有止回阀，静压与静摩擦不同时起作用，启动阻转矩较小，一般为额定值的30%，属于轻载启动。而Y系列笼型感应电机全压启动时的电磁转矩，均大于额定转矩。采用全压启动时，其启动转矩远大于烧嘴冷却水泵的阻转矩，启动较快；烧嘴冷却水泵正常情况下一旦启动，就至少平稳运行720 h以上(本系统正常状况下每一个月烧嘴冷却水泵切换一次)。不频繁启动操作，对电机使用寿命影响不大；303气化变电所容量足够大，电机直接启动，不会对系统电压造成影响；直接启动具有操作控制方便、维护简单、启动环节少、启动时间短等特点。针对烧嘴冷却水泵既要可靠启动，又要在备自投状况下迅速启动的要求，现有电网容量和负载两方面都允许电机全压直接启动，完全可以采用全压直接启动方式。

事故烧嘴冷却水泵电机的电源，正常时来自303变电所供电系统，可满足电机全压直接启动，但公司电力系统故障断电情况下，目前的事故电源EPS不能满足事故烧嘴冷却水泵启动要求，即使重新配置独立事故电源，容量也满足不了132 kW事故烧嘴冷却水泵电机全压直接启动。而变频启动方式改变了异步电机的同步转速，保持了电机的硬机械特性，与其他启动方式相比，启动电流小而启动转矩大，对设备无冲击力矩，对电网无冲击电流，既不影响其他设备的运行，又有最理想的启动特性。变频器设备虽然较接触器复杂一些，但相对于软启动回路的配置，还是简单一些，即使价格昂贵些，应用在气化系统中事故烧嘴冷却水泵如此重要的设备上还是值得的。

3 烧嘴系统优化、改造方案

3.1 优化烧嘴冷却水工艺联锁系统

经过分析讨论，将烧嘴冷却水工艺联锁系统进行优化，由工艺技术人员给出所优化联锁的定值并经专业领导审核通过，仪表人员按工艺要求在DCS上设定并重新组态，将原设计的烧嘴冷却水三选二联锁[其联锁值为：烧嘴入口冷却水流量LL≤6 m3/h，烧嘴入口冷却水压力HH≥3.2 MPa(G)，烧嘴出口冷却水温度HH≥60 ℃]优化为四选二联锁[其联锁值为：烧嘴入口冷却水流量LL≤6 m3/h，烧嘴入口冷却水压力HH≥3.2 MPa(G)，烧嘴出口冷却水温度HH≥60 ℃，进出口冷却水流量差HH≥6 m3/h]，自启动压力由1.6 MPa提高至2 MPa。

3.2 增设应急柴油发电机组

为事故烧嘴冷却水泵提供电源的EPS，经与厂家多次进行改善、试验，均不能满足事故烧嘴冷却水泵正常启动的要求。经进一步考察，将原EPS电源装置全部废弃，增设1台功率500 kW、电压400 V、HLGF-500型柴油发电机组以及400 V电源切换柜1面、400 V电源馈出线柜1面、控制屏1套的独立事故电源。柴油发电机在制造厂做出厂试验，合格后机组成套供货。柴油发电机组作为303变电所0段母线的备用应急电源，是保证0段母线市电失电后向其保安供电的事故烧嘴冷却水泵以及磨机油站、空压机事故油泵、合成甲醇压缩机事故油泵的供电。当市电失电后，进入开机延时，LCD 屏幕显示开机延时倒计时，预热延时结束后，燃油继电器输出1 s，然后启动继电器输出，柴油发电机组启动成功，则进入安全运行时间，经过开机怠速延时，当高速暖机结束后正常发电。发电机组正常运行中若市电恢复正常，则进入市电电压正常延时，确认市电正常后，进入停机延时，停机延时结束后开始高速散热延时，且发电合闸继电器断开，经过开关转换延时后，市电合闸继电器输出，市电带载，由发电侧转到市电侧供电。

3.3 事故烧嘴冷却水泵改为变频调控

鉴于独立事故电源的改造，事故烧嘴冷却水泵的电气回路配置明显满足不了快速启动的要求。将303变电所原配电柜内1台SM40R-400/32082 315A低压空气开关、2台SC1-400A接触器、1台QB52-200型软启动器拆掉；空气开关增容改造为ABB T6S630MA630/3150-6300 400A开关，增设ACS800-04-0210-3+P901型变频器1台，即将原来的软启动形式改为变频器控制，这样既减少了启动环节，又限制了启动电流，解决了事故烧嘴冷却水泵自启动时电源容量不足而引起电源电压波动的问题。

3.4 烧嘴冷却水泵改为全电压直接启动

2台烧嘴冷却水泵的改造在原配电柜内实施，两回路内的SM40R-630/32082、400A型低压空气开关2台、SC1-500A型接触器4台、QB52-200型软启动器2台全部拆掉；空气开关增容改造为ABB T6S630MA630/3150-6300 630A开关，接触器增容改造为ABB AF580-30-11 800A型。据新型开关、接触器的安装要求，调整配电柜固定支架，制作开关至刀闸、接触器至开关、接触器至电机综合保护器的分支母排，调整安装烧嘴冷却水泵一次回路的电流互感器、电机综合保护器、分支母排、电缆等元器件、设备。电气控制方式由软启动方式改为全电压直接启动方式。改造后，配电柜内电器配置更加简洁明了，增大了电器元器件之间的安装检修空间，改善了配电柜内的冷却条件，从硬件质量及配置上大大提高了电气设备的运行可靠性。

3.5 DCS组态优化烧嘴冷却水泵运行状态

2台烧嘴冷却水泵和1台事故烧嘴冷却水泵的操作控制仍保持现场和控制室两地控制的操作模式；保证2台烧嘴冷却水泵互为主泵、互为备用泵的应用模式；保证3台水泵既能手动单独开停，又能投入到自启动状态的控制模式。利用原控制和信号电缆，将以上回路的控制节点，所需的常开、常闭辅助接点，运行、停止信号，电流、转速等模拟量信号均送至中控室机柜间，由仪表人员重新组态。2台烧嘴冷却水泵除按原设计满足供水压力低互为备用的前提下，将2台泵回路的接触器常闭接点通过DCS组态，分别并入到供水压力低备用泵自启动联锁回路中。将原设计备用状态下自启动联锁改为二选一控制方式，即无论哪台烧嘴冷却水泵处在自动状态下，不管是供水压力低，还是主泵停止工作，备用泵都能及时启动。另外，将2台烧嘴冷却水泵回路的接触器常闭接点，通过DCS组态，串联后并入到供水压力低事故烧嘴自启动联锁回路，即在烧嘴正常工作情况下，2台烧嘴冷却水泵只要均处于停车状态，事故烧嘴冷却水泵就及时启动，临时保障烧嘴的运行并告知工艺对2台烧嘴冷却水泵回路进行检查、处理。

4 结 语

气化烧嘴冷却水系统以上各个环节的调整和改造完成后，由生产调度室牵头，气化工艺人员为主，仪表、电气、机械专业人员为辅进行全面调试和试车，通过验证，系统中各环节的优化和改造达到了预期目的。烧嘴冷却水泵回路的主要一次设备升级后动作可靠；自启动压力由1.6 MPa提高至2 MPa；脉冲宽度由2 s变为20 s；烧嘴冷却水泵启动方式由软启动改为全电压直接启动，启动时间由15 s缩短为4 s；事故电源由500 kW柴油发电机替代；事故烧嘴冷却水泵改造为变频启动控制。近一年的生产实践表明，优化改造效果显著，没有因为烧嘴冷却水方面的问题导致气化炉烧嘴损坏或造成停车事故，确保了气化炉的长周期稳定运行。

德士古水煤浆加压气化工艺在国内的应用已进入成熟稳定期，但保障烧嘴长时间稳定运行，提高气化系统的运行周期，成为该工艺所面临的最大问题。事故越少效益才会越大，在市场竞争剧烈的今天，相信通过经验的积累和不懈地努力，不断完善烧嘴冷却水系统及气化系统，相互交流，大家才能少走弯路，使煤气化行业更好更快发展。

参考文献：

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