浅析德士古气化装置安全停车联锁系统

2018-04-18张军

氮肥与合成气 2018年1期

张军

(陕西神木化学工业有限公司，陕西神木 719319)

陕西神木化学工业有限公司(以下简称神木化工)年产600 kt精甲醇项目是通过气化、变换、净化、合成、精馏等主要工艺流程，将煤炭转化为基础化工原料甲醇。其中气化装置采用了美国GE公司德士古水煤浆加压气化技术，水煤浆和纯氧经工艺烧嘴进入气化炉，在压力3.8 MPa、温度1 300 ℃左右的条件下发生气化反应，生成以CO+H2为主要成分的粗合成气。气化炉安全停车联锁是德士古气化工艺中最重要的组成部分，也是气化炉停车的安全保障。经过多年不断的摸索和研究，对气化炉安全停车联锁进行了优化和改进，使气化系统更加安全、合理。

1 德士古气化炉工艺介绍

德士古水煤浆加压气化采用流化床反应器，其工艺流程为：合格的水煤浆经高压煤浆泵加压至4.25 MPa后，连同空分送来的纯度为99.6 %(体积分数，下同)的高压氧气按照一定比例的氧煤比通过工艺烧嘴充分混合雾化后进入气化炉燃烧室中。在气化炉中水煤浆与氧发生气化反应，生成以CO+H2为主要成分的粗合成气。反应后的粗煤气和熔渣一起流经气化炉底部的激冷室激冷后，使气体和固渣分开；激冷后的粗煤气再经文丘里洗涤器和合成气洗涤塔二级洗涤除尘后(温度为216 ℃、压力为3.74 MPa)，被送至变换工序。熔渣被激冷固化后，由气化炉底部激冷室进入锁斗，定期排入渣池，再由渣池中的刮板输送机将粒化渣从渣池中捞出，然后装车外送[1-3]。

2 气化炉安全停车联锁要求

由于气化炉内发生的是在高达1 300 ℃、3.8 MPa、纯度为99.6%高压氧气操作条件下的反应，气化反应生成的粗合成气属于易燃、易爆的有毒有害气体，其爆炸级组为dⅡCT4。为确保生产装置安全运行和减少事故，避免发生人身伤亡事故和设备损坏事故，气化炉安全停车联锁合理、可靠的运行是极其重要的。

气化炉的安全停车联锁是气化装置所有联锁中最为重要的联锁，关系到气化炉能否安全、顺利地停车。停车时，主要保证氧气切断阀XV1205和XV1206、煤浆切断阀XV1202立刻关闭，高压氮气切断阀XV1204和XV1209立刻打开，迅速吹扫煤浆和氧气管线，并在氧气管线上2只切断阀XV1205与XV1206之间形成高压氮封，以保证隔绝气化炉和氧气系统。

3 气化炉安全停车联锁系统

气化炉的安全停车联锁系统采用三重化冗余系统(即紧急停车系统ESD)，对安全停车联锁系统的关键参数采用三取二表决处理，联锁系统的重要输出采用双电磁阀的结构。ESD系统具备与集散控制系统(DCS)进行高速通讯的能力，能够及时将联锁系统的工艺参数传送给操作人员，又能及时接受DCS的指令[4-5]。下面结合神木化工一期气化装置，介绍德士古气化炉安全停车联锁的具体设计及应用。

原始设计气化炉安全停车联锁条件共16个，任何一个条件发生都会使停车触发器动作，进而引发气化炉紧急停车。

气化炉安全停车联锁系统是通过系统各重要运行参数，如仪表空气压力PIA1230APIA1230BPIA1230C、氧气流量FIA1204FIA1205FIA1206、煤浆流量FIA1201FIA1202FIA1203、合成气出口温度TIA1211TIA1212TIA1213、气化炉液位LI1201LI1202LI1203、氧煤比R-1201等参数来控制进料系统各阀门的动作，以达到系统安全运行的目的。它对现场仪表及阀门的可靠性、进料系统的安全性、控制系统的可靠性等都有很高的要求。参与气化炉安全停车联锁的仪表、阀门必须性能稳定，联锁中对重要的参数，如煤浆切断阀ZIO1-1202LIO2-1202T1202、煤浆循环阀ZIC1-1203HIC2-1203T1203、氧气放空阀ZIC1-1207IC2-1207T1207等阀位，都采用三选二的跳车方式。进料系统两相关量(煤浆和氧气)，采用多重联锁安全措施，如阀位联锁和流量联锁等，确保炉中过氧时不会发生爆炸以及炉中过煤浆时不会熄火。控制系统通常采用独立的高可靠性的ESD，开关量的输入信号采用双路并联，分别进入2个不同的卡件进行联锁，输出也同样采用从2个相互独立的卡件输出信号，控制阀门上的双电磁阀。

4 气化炉安全停车联锁条件的优化

4.1 氧气流量低低停车

原设计气化氧气流量低低停车值5 000 m3/h(标态)，流量三选二；原延时0.5 s停车，现改为延时2 s停车。

该联锁设置的主要目的是为了保证煤浆进入气化炉后有足够的氧气量，以确保需要的化学反应能正常进行。在实际生产中，若遇氧气压力突然异常波动，操作人员没有及时发现，氧气流量达到5 000 m3/h(标态)，流量三选二，延时0.5 s就会停车；延时至2 s停车，就会给操作人员争取到一定的紧急处理时间，可避免类似的停车事故。

氧气流量低低停车从延时0.5 s改为延时2 s，向气化炉多送氧气2.08 m3(标态)、向气化炉多送煤浆0.01 m3。因此，氧气流量低低停车值5 000 m3/h(标态)，流量三选二，原延时0.5 s停车，现改为延时2 s停车，不会给气化炉安全运行带来危害。

4.2 气化炉合成气出口温度高高停车

原设计气化炉出口合成气温度高高停车值250 ℃，三选二，原延时0.5 s停车，现改为延时10 s停车。

该联锁设置的主要目的是遇到激冷室液位低等导致合成气温度高高达到停车值250 ℃，三选二，原延时0.5 s停车，以保护激冷环和下降管。在实际生产中，合成气温度为220 ℃左右，很少遇到因为激冷室液位低(气化炉停车条件之一)、激冷水流量低(气化炉停车条件之一)等导致合成气温度高高达到停车值250 ℃(仪表异常波动除外)。合成气温度从220 ℃左右升至250 ℃，需要有一个过程，一般不会短时间内从220 ℃左右升至250 ℃(仪表异常波动除外)。因此，为了避免仪表异常波动，并保证操作人员有应急反应时间，将延时0.5 s改为延时10 s停车，不会给气化炉安全运行造成危害。

4.3 气化炉压差高高停车

气化炉压差高高停车值为0.15 MPa，原延时0.5 s，现改为延时10 s停车。该联锁设置的主要目的是防止因其他原因导致气化炉渣口或合成气出口堵塞，影响气化炉安全运行。该联锁在实际生产中会遇到仪表异常波动达到0.15 MPa或气化炉压差波动瞬间达到停车值0.15 MPa后又快速下降的现象，由于延时只有0.5 s，气化炉很容易停车。根据考察，神木化工二期气化炉设计没有设置该停车联锁，咸阳化工将该联锁从不延时改为延时5 min停车，内蒙汇能气化炉运行一直没有投用该联锁。因此，将该联锁延时至10 s停车，不会给气化炉安全运行带来隐患。

5 增设气化炉停车联锁条件

5.1 增设高压煤浆泵入口压力低低停车条件

气化装置开车初期，煤浆管线电磁流量计经常无规则波动，仪表人员多次维修和联系生产厂

家均没有解决问题。2005年1月24日，煤浆流量低低联锁解除期间，低压煤浆槽出口管线堵塞，导致高压煤浆泵入口至气化炉煤浆断流，气化炉过氧发生闪爆。为了避免类似事故发生，更换了电磁流量计厂家，并将PT1201高压煤浆泵入口压力低低加进气化炉停车联锁条件中，PT1201量程为0～200 kPa，正常值为120 kPa，报警值为80 kPa，联锁值为40 kPa。

5.2 增设激冷水流量低低停车条件

气化装置激冷水由于水质较差，经常会出现激冷水管线结垢现象，开车初期偶尔会发生堵塞激冷水管线，导致气化炉液位突然降低联锁停车。虽然设置了气化炉液位低低联锁，可保证激冷水断流不会发生较大事故；但由于激冷水突然断流，在气化炉煤浆和氧气正常工作的情况下，会对气化炉内激冷环、下降管等零部件造成损伤，因此给气化炉增加了FT1308激冷水流量低低停车联锁，FT1308量程为0～200 m3/h，正常值为120 m3/h，报警值为80 m3/h，联锁值为40 m3/h。

5.3 增设烧嘴压差低低停车条件

对气化装置进行危险与可操作性(HAZOP)分析，高压煤浆泵输送的水煤浆压力4.25 MPa，气化炉压力3.8 MPa，若煤浆管线出现大量泄漏时，气化炉压力很快会窜进煤浆管线进而发生重大事故。为防止此类事故的发生，增设了PDT1216烧嘴压差低低停车联锁，PDT1216量程0～2.5 MPa，正常值为0.4 MPa，报警值为0.1 MPa，联锁值为0.02 MPa。