克劳斯炉火检系统的可靠性研究

吴关林，李伟华，程艳会，付勇敢，张波

(1. 中原油田普光分公司 天然气净化厂, 四川 达州 636156; 2. 岳阳长炼机电工程技术有限公司，四川 达州 636156)



克劳斯炉火检系统的可靠性研究

吴关林1，李伟华1，程艳会1，付勇敢1，张波2

(1. 中原油田普光分公司 天然气净化厂, 四川 达州 636156; 2. 岳阳长炼机电工程技术有限公司，四川 达州 636156)

摘要：针对克劳斯炉火检系统故障率高的问题，研究分析了该火检系统的工作原理、组成结构、故障原因，提出了整改方案、防护措施及调试中需要注意的问题，总结了提高系统可靠性的关键事项。整改后故障次数明显减少，大幅提高了系统的可靠性，实际应用效果良好。

关键词：克劳斯炉火检可靠性温差干扰

普光气田属高含硫气田，其硫化氢含量平均达到14.14%，经过普光天然气净化厂净化后每年向外输送1×1010m3左右的净化天然气。该净化厂由12个系列净化装置组成，采用MDEA法脱硫、TEG法脱水、常规Claus二级转换法硫磺回收、加氢还原吸收尾气处理的工艺路线。

硫磺回收单元由克劳斯燃烧反应炉和两级催化反应转化器组成，可以将93%～95%的硫化氢进行硫回收，其中在克劳斯燃烧反应炉内完成80%左右硫化氢的转化。反应炉是净化厂非常重要的设备，其高能燃烧室形成高温、高混的浓缩反应区，并能形成稳定的火焰，其前期烘炉、燃料气伴烧和酸性气燃烧等模式都需要进行监控，掌握炉内燃烧的情况，确保控制硫的转化率不低于70%，避免因欠燃烧或过燃烧影响炉内硫的回收率，降低下游管道和设备的积碳、腐蚀及硫化氢泄漏的风险[3-5]。

火焰检测系统帮助掌控克劳斯燃烧反应炉内燃烧状况，同时对火焰故障现象参与联锁停炉。该厂采用的克劳斯反应炉，主火焰检测器为进口的BFI7.0 型。由于技术保密，对技术掌握的不够透彻，2013年以前主火焰检测系统的故障率较高。

通过研究分析该火焰检测系统的工作原理、组成结构、安装维护要求，结合实际整改效果掌握了该系统的应用规律，完善各项维护措施，提高可靠性。

1火检系统主要组成及其工作原理

1.1主要组成

该火检系统主要包括三部分： 火焰检测器(BFI 7.0 型)、现场信号放大处理器和工程师站安全仪表系统(SIS)监视与联锁控制。现场信号放大转换处理后以继电器信号的形式输出到工程师站，先通过浪涌保护器，再连接到SIS，进行人机画面显示并参与克劳斯炉的联锁控制。

1.2火焰检测器的工作原理

基于火焰的燃烧是由无数个小爆炸形成的,火焰的任意两点温度会不断地波动,火焰检测器中安装2个测温元件,通过测量两点辐射强度的差异及变化趋势，形成利用火焰的温度之间的差异评价监测火焰的方法进行有无火焰的判断，同时通过反平行安装的有测温元件的热电堆(热电堆仪用于检测和测量热辐射并产生热电电流[10]，它包括一系列的热电偶)检测热电势并通过光电偶合器处理后远传。

1.3信号放大处理器的逻辑关系

信号放大处理器接收扫描仪来的信号后通过灵敏度调整和时钟同步，分三路进行处理： 一路进火焰评价通道，进行火焰评价放大器输出(RF)；一路进脉冲监测通道，产生开关量信号(RM)；一路进模拟量检测通道，产生4～20 mA的信号。RM和RF 两个信号进行“与”运算后激活继电器输出开关量信号，因而继电器输出信号比测量通道输出信号的可靠性更高，该厂选择继电器的输出信号传至SIS。信号放大处理器的逻辑关系如图1所示。

图1　信号放大处理器逻辑关系示意

2影响火检可靠性的原因分析

2011年该厂火焰检测系统发生故障数量为49台次；2012年为45台次，其中有8台检测扫描仪进行了返厂维修，为了有效减少故障次数和发生频率，通过成立质量管理(QC)小组进行原因分析。

对仪器、辅材、方法、环境等要素的末端因数进行总结、讨论，作为制订对策的依据，引起火检系统故障的主要原因包括：

1) 由于火焰检测器和信号放大处理器不是一体的，系统本身对抗干扰能力要求较高。

2) 为了保证各种工况下克劳斯炉运行的各个阶段都能真实地输出检测信号，采用了能旋转的球面阀兰连接，并且克劳斯炉震动较大，因而需要调整扫描仪的角度。

3) 维护安装过程中污染视镜。检测仪不耐受高温，需要通过隔热连接件与视管相连，并需要通风对视管进行吹扫和降温，这对通风口的位置设置和通入的吹扫风品质提出了要求。

3火检系统整改方案

1) 重新规范布线。连接扫描仪电缆重新穿钢管保护以避免电缆受到辐射, 避免来自地面系统的电位差干扰，增加了火焰检测器机壳外面的接地连接。

2) 规范信号电缆屏蔽接地。火焰检测器和信号放大处理器之间通过电缆连接，为了防止线芯或线对之间的内干扰，可通过生产各对线芯与线芯的屏蔽即分屏，然后在各组屏蔽层之外再加一层屏蔽即总屏。外部屏蔽电缆要与隔栏规范连接，各分屏线之间也要作好隔离。

3) 消除视镜污染。加强检查吹扫风的流量和透镜系统的污染情况，保证对火焰检测器进行正确、连续的吹扫，建议10～15 m3/h，检查吹扫风的脱水情况，保证吹扫风干净、观火通道洁净无堵塞。

4火检系统的防护措施

1) 避免火检设备因焊接/点火等产生系统上的电位差。

2) 避免强烈的无线电信号接近扫描仪/电缆/放大器。

3) 避免火焰检测器温度上升到70℃以上。

4) 火焰检测器绝热连接件是四氟乙烯材质件，施工维护时需小心作业，防止断裂。

5) 确保火焰检测器信号线隔栏紧密安装，防止外部气体进入火检仪探头防爆壳，另外接线箱也要完全密闭，防止环境气体窜入，导致腐蚀。

6) 加强连接到SIS的浪涌检查，及时更换发生故障的设备。

7) 通过对焦工具(或测量火焰检测器的输出模拟量信号)对火焰检测器进行正确对焦。如果由于现场震动或其他原因造成火检信号不稳定，要进行重新对焦调整，并紧固旋转接头；现场要避免由于扭动、受压等造成火焰检测器对焦不准。

8) 加强维护人员的培训。

5系统参数调试的注意事项

1) 反应炉主火嘴在烘炉初期，可根据火焰信号的稳定情况将放大器上火检的灵敏度调小至49(勿低于49)，以获得稳定的火检信号。烘炉完毕准备投入酸气时，可视火焰信号的稳定程度调高灵敏度，一般最后调到90。

2) 为了测试火焰检测器和信号放大处理器对信号检测效果所需的闪光，利用一个普通的辉光灯泡(两个电极都发光)，或者利用晃动的手电(非二极管光源)可以检测火检仪的功能。将闪光灯迅速地穿过透镜系统的扫描仪，两者的热导体将测量温度差，这会产生一个“火焰”信号放大器。

3) 扫描仪安装固定调试要点。主火嘴的火检信号可以通过现场放大器的红色光柱显示来定位，对照主火检变送器的光条柱，调探头位置直到MA阀值指示灯保持“亮”状态，光条柱满格并且一直不波动，注意结合调整灵敏度。调整好后固定好连接旋转球阀。

4) 运行过程中火焰检测器出现间歇性没有信号的情况，建议根据现场实际情况适当调低灵敏度，直到火焰检测器上的放大器红色的信号指示光柱出现跳动即可。

6结束语

整改后该火检系统使用效果良好，故障次数明显减少。通过对火焰检测器和信号放大处理器的结构和工作原理的研究与掌握，总结如下几点：

1) 严格执行对连接火焰检测器和信号放大处理器的电缆内外两层屏蔽层的正确接地、外屏蔽层在扫描仪侧的单点接地及内屏蔽层在信号处理器侧单点接地，应杜绝带电状态下两点接地。

2) 根据不同的工况及时调整信号处理器的灵敏度，满足不同工况下火焰的性能。

3) 采取正确的方法调整扫描仪的聚焦。

4) 采用干燥、清洁的氮气或仪表气源对火焰检测器视管进行吹扫，防止镜片被污染以及堵塞球阀，确保镜片清洁和干燥。

5) 建议使用FBI新产品，把放大器集成到火检仪的探头里，这样火检仪安全系数更高，继电器直接输出火焰/关闭信号和模拟信号，无电缆屏蔽要求，抗干扰能力更强。

参考文献：

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[3]张睿,姚金环.进口火焰检测器的比较分析与发展方向.自动化仪表，2002(12)： 4-8.

[4]张延军,张钧玮.提高火焰检测系统可靠性的办法.华电技术，2011(07)： 65-68,86.

[5]杨辉,阮坤邦.硫磺回收装置中火焰检测仪的应用.石油化工自动化，2010，46(02)： 65-67.

[6]魏刚，李军强，龚茂娣，等.普光气田克劳斯炉炉壁超温原因及解决措施.山东化工，2014(02)： 82-85.

[7]于艳秋,毛红艳,裴爱霞. 普光高含硫气田特大型天然气净化厂关键技术解析.天然气工业，2011(03)： 29-32,114.

[8]张晓刚，施锦华，郑东明，等．普光气田大型Claus炉试车问题解决措施. 石油机械，2011(10)： 197-198.

[9]石丽萍.智型温差式火焰检测器的设计.太原： 太原理工大学，2006.

中图分类号：TP273

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2015)02-0064-02

作者简介：吴关林(1968—)，男，1989年毕业于抚顺石油学院计算机专业，获学士学位，现就职于中原油田普光分公司天然气净化厂，从事过程控制系统及现场仪表的管理与维护，任工程师。

稿件收到日期： 2014-10-09，修改稿收到日期： 2015-01-22。