炼油火炬燃烧状态监测技术的对比研究

李晓娇

(中国石油化工股份有限公司炼油事业部，北京 100729)

1 燃烧状态监测的重要性

火炬系统是炼油企业重要的安全环保设施之一，对炼油企业安全生产至关重要。火炬系统的安全运行，需要实现泄放安全、点火安全以及操作安全。泄放安全是指各装置排放出的气体可以顺利地进入全厂泄放管网，并能通过泄放管网送至火炬，防止出现泄放管网背压过高导致装置无法正常泄放[1-2]。点火安全是指泄放的气体送至火炬燃烧器(火炬头)后可成功点燃，避免有毒有害气体向大气中的扩散。操作安全是指进行火炬系统脱液排凝、取样、检维修作业时，做好作业内容和现场危害识别及风险评估，制订落实安全防范措施，防止出现人员伤亡事故的发生。

为实现节能减排，中国石化所属炼化装置的主火炬95%以上实现了日常处于熄灭状态。为保证事故状态下及时点燃主火炬，许多企业采取了长明灯长燃的方式，这就需要日常对长明灯燃烧状态进行实时监控。部分炼厂由于安装了较为可靠的自动点火系统，长明灯处于熄灭状态，装置泄放时通过点火系统及时点燃长明灯，再由长明灯点燃主火炬，需要定期对点火系统进行试点测试，确保事故状态下能及时点燃长明灯。试点成功的判断也需要对长明灯燃烧状态进行监测。此外，火炬头在燃烧时，由于泄放气体组成的变化或者天气原因，也可能发生脱火或熄灭的问题，对火炬头燃烧状态的监测也是非常必要的。

在美国，对长明灯火焰的监测也是法律所要求的。美国联邦法案 40 CFR §60.18中规定，火炬长明灯必须长燃，且需要采用热电偶或其他等效的方法来监测火炬火焰。API 537-2008中要求火焰监测方法应能区分长明灯火焰及火炬头火焰，在恶劣天气条件下(160 km/h的风速，以及140 km/h风速外加50 mm/h的雨量)仍能正常工作，对每一支长明灯需要安装单独的火焰探测系统[3]。

2 常见火焰探测系统

火焰燃烧时，会发出光和热，因此通过对火炬头或长明灯的温度、光的监测，就可以判断火焰的燃烧状态。

2.1 温度探测系统

温度探测是目前常见的火焰探测。在长明灯及火炬头部安装热电偶，探测长明灯及火炬头的温度，判断是否燃烧。点燃的长明灯周围温度一般超过540 ℃，热电偶的报警点一般设置在150 ℃。如果热电偶测定温度低于150℃，系统认为火焰熄灭需要重新进行点燃。采用热偶套管以及耐高温合金护管可以延长热电偶的寿命。热电偶在长明灯燃烧状态监测方面存在明显的缺陷。

a)从目前调研结果来看，经常发生热电偶被烧坏的情况。一方面与热电偶本身的质量有关，另一方面也与热电偶的安装质量有关，如果位置不合适，热电偶长期暴露在高温环境中，非常容易损坏。

b)热电偶安装位置需要考虑火炬头的影响，确保热电偶测定的是长明灯的温度，而不是火炬头的温度。

c)响应时间较长，火焰熄灭后，热偶温度的下降是一个缓慢的过程，可能数分钟后才能发现火焰已熄灭。

此外，由于热电偶的测温原理，本身就存在损耗，需要定期更换，由于大部分火炬所用的热电偶均是无法在线更换的，需要火炬停工之后由维修工人爬至火炬上部平台进行检维修。而目前许多火炬系统承担了多套装置放空，而这些装置不能实现同开同停，从而导致部分火炬系统常年无法进行检维修，一旦热电偶损坏，将无法及时更换。

2.2 可见光探测系统

在白天光线较强的时候，凭肉眼很难对长明灯燃烧状态进行监视，特别是目前长明灯改成节能型长明后，火苗更小，更不容易被观测。此外，在遇大雾、雨雪天气下，本方法也容易失效。

2.3 紫外探测系统

火焰的辐射是具有离散光谱的气体辐射和伴有连续光谱的固体辐射，其波长在0.1～10 μm或更宽的范围。为了避免日光及灯光等信号的干扰，常利用波长<300 nm的紫外线，如图1所示[4]。紫外线传感器只对185～260 nm狭窄范围内的紫外线进行响应,而对其它频谱范围的光线不敏感,利用它可以对火焰中的紫外线进行检测，从而判断火焰的燃烧状态。

图1 火焰及日光的光谱分布

紫外线火焰探测器具有如下优点：

a)可以安装在地面，这样就克服了热电偶安装在高温区易损坏、寿命短的缺点，且安装维护都很方便。

b)紫外线火焰探测器反应快速，可以作为火焰熄灭后联锁点火的信号；这样就克服了热电偶响应时间慢的问题。

c)灵敏度高，抗干扰能力强。但是，因为紫外线火焰探测器距离火炬头和长明灯均比较远，无法区分是哪支长明灯在燃烧，还是火炬头在燃烧，无法对每支长明灯的运行状态进行全面监测。此外，如果在光路上出现不透光物质如雾、沙尘、雨雪等，都会影响紫外探测器的观测。

2.4 红外探测系统

红外探测可以测到火焰的红外光谱区，如图2所示。较为先进的红外探测器采用多个波长，监控火焰燃烧生成的CO2以及H2O。可以安装在地面，检维修比较方便。

图2 火焰红外探测系统

但是红外探测器也存在明显的缺点。

a)红外探测器的安装位置不能正对太阳，也容易受到周围热源的影响，如热气的释放，火焰熄灭时不易及时发现。

b)同紫外探测器一样，由于红外探测器安装在地面上，探测距离较长，无法对多个长明灯火焰分别进行燃烧状态探测。同时也无法区分是长明灯火焰还是火炬头火焰。出现任何挡光物质均会影响测定。比如下雨、下雪、烟、雾以及灰尘。

3 新型火焰探测系统

为了确保火炬长明灯燃烧状态监测的可靠性，开发新型的火焰探测系统以克服热电偶以及光学探测器的缺点，是非常必要的。根据气体燃烧时的特点，离子火焰探测器和声波法火焰探测系统相继出现，为长明灯燃烧状态监测提供了更可靠、更方便的监测方法。

3.1 离子火焰探测

当燃料气在长明灯上燃烧时，在燃烧区域的基部会产生电离气体，电离气体具有导电性，可允许小电流通过。利用电离气体的这个性质，将一根带有导电端的陶瓷棒置于火焰区域，当火焰燃烧时，电流通过电离气体从导电端传递至火炬头，从而产生小的电流，当火焰不燃烧时，电流无法从导电端传递至火炬头，也就无法产生电流。通过监测导电端电流信号，就可以快速判断长明灯是否有火焰燃烧。基本原理见图3所示[5]。

图3 离子火焰探测器原理

从火焰离子监测的原理，可以看出火焰离子探测器具有如下优点：

a)直接监测火焰的燃烧状态，信号比较可靠。

b)响应快速，火焰一旦熄灭，电流就会中断，可以作为自动点火系统的信号源。

c)通过在离子探测器电极上施加一高电压，可以同时实现点火及火焰探测。

基于这一原理，John Zink开发了可采用火焰离子监测的长明灯。其结构如图4所示。

图4 John Zink火焰离子探测系统结构

苏颖耿发明了一种采用单片机或定制逻辑器件实现控制的燃气具火焰离子检测点火控制器方案，点火针同时作为火焰离子感应探针，对燃气具火焰燃烧状况进行监测，这一专利阐述了适用于燃气具的火焰离子检测点火控制器[6]。但是目前对于炼油火炬长明灯的火焰离子探测还没有相关的专利或文献报道。

火焰离子探测器可以实现对单支长明灯燃烧状态的快速监测，可用于火炬点火的逻辑信号。但该方法也存在一些缺点，如容易受雨雪等天气因素的影响，火焰较小时信号比较微弱；此外在火炬运行时无法检维修。

3.2 声波法

火焰在燃烧时会发出特殊的噪音，通过测定这一声音，就可以确定火焰是否燃烧。图5(a)显示了长明灯在燃烧及熄灭状态下声压水平的变化，图5(b)显示了正常运行的长明灯在熄灭后其声音输出信号的快速衰减，响应时间短，通过设定声音输出信号的报警值，即可实现对火焰燃烧状态的监控、报警及联锁[7]。通过对火炬头燃烧以及消烟蒸汽噪音的消除，该方法可对长明灯是否处于燃烧状态进行判断。

图5 长明灯燃烧及熄灭状态声压水平的变化及响应过程

声波法是将声音传感器安装在每支长明灯的地面爆燃点火系统引火管上，传感器将长明灯的声音信号转换成电信号，并送至信号处理器，信号处理器将电信号与设定值比对，判断长明灯的燃烧状态。传感器可设置在远离长明灯115 m的地面附近，而信号处理器可以设在远离传感器366 m的地方，如地面爆燃点火操作室内。这一系统可对每支长明灯的燃烧状态进行测定。

声波法燃烧状态监控系统的成功实施，关键在于如下几个方面：

a)能发现长明灯燃烧及熄灭状态时的特征声音信号。通过实验可以确定两种状态下长明灯发出的不同声音信号。

b)过滤掉火炬头燃烧以及蒸汽的杂音。

c)以上两点都可能与长明灯自身的结构有关。通过对长明灯的结构进行优化，将长明灯燃烧与熄灭状态时的声音信号差异进行放大，同时屏蔽掉火炬头燃烧以及蒸汽吹扫的杂音，是一条可行的路线。

d)长明灯发出的信号可以成功传递至位于地面处的声波探测器。John zink采用了地面爆燃点火系统引火管，是非常好的选择。如何开创新的声波传递方式是需要考虑的问题。

e)高质量产品的开发，精心的调试。

4 燃烧监测方法比较

对目前国内外主要的火焰燃烧状态监测方法进行对比，见表1[8]。可以看出不同方法具有各自的优势和问题，而火焰离子监测法和声波法相比于传统的热电偶和红外探测，优势明显。

表1 火炬长明灯燃烧状态监测方法的比较

5 总结及建议

火焰离子监测可以同时实现点火和火焰监测的功能，可直接监测每支长明灯的燃烧情况，但是同热电偶一样，火焰离子监测需要安装在长明灯内，在火炬正常运行时无法进行安装和维修。声波法通过监测每支长明灯在燃烧和熄灭状态时的声音变化判断长明灯燃烧状态，其关键要素是提取长明灯燃烧时的特征声波，同时利用合适的声音传递介质如爆燃管，主要部件安装在地面上，便于安装和维护，适用于目前火炬系统燃烧状态的监测。

目前，中国石化各炼厂的火炬燃烧状态监测系统主要采用热电偶和光探测技术，不尽完善。火焰离子监测法和声波法相比于传统的热电偶和光探测，优势明显，建议加大新型火炬燃烧监测技术和产品的研发。