烧嘴冷却水联锁保护系统的优化改进

宋成凯，陈 霞

［1.山东兖矿国拓科技工程股份有限公司，山东 滕州 277500；2.新能凤凰（滕州）能源有限公司，山东 滕州 277500］

0 引 言

水煤浆加压气化工艺有单喷嘴气化炉工艺和多喷嘴对置式气化炉工艺，工艺烧嘴是水煤浆加压气化装置的核心设备之一，其主要任务是输送煤浆和氧气，并由氧气将煤浆雾化实现物料的充分混合。目前已运行的水煤浆加压气化装置，气化炉炉膛温度一般在1250℃左右，气化压力主要有4.0MPa、6.5MPa和8.7MPa几种等级。工艺烧嘴头部在气化炉炉膛内工作，处于高温环境中，为延长工艺烧嘴的使用寿命，其头部设有冷却水室，通入冷却水对工艺烧嘴进行冷却，起到保护作用。工艺烧嘴冷却水一般采用脱盐水（43℃、约2.8MPa），由于工艺烧嘴在高温、高压、易燃易爆的环境中运行，易受到物料的冲刷磨损、气体的高温热辐射和有害气体的侵蚀等的共同作用，工艺烧嘴头部及烧嘴冷却水系统可能会发生严重磨损及冷却水泄漏等现象，一旦工艺烧嘴头部或盘管损坏，高温、高压可燃气体将窜入烧嘴冷却水系统，大量高温粗煤气窜入，可能导致冷却水出口管线超温损坏，引起管线破裂，继而引发火灾爆炸及人员伤害事故。因此，工艺烧嘴冷却水联锁保护系统的合理设计尤为重要，要求其测量准确有效、联锁判断及时、进出口阀门关闭响应迅速。

1 烧嘴冷却水系统简介

水煤浆加压气化装置烧嘴冷却水系统流程示意如图1（多喷嘴对置式气化炉则有4条同样设置的冷却水管线）。工艺烧嘴冷却水泄漏一般均发生在工艺烧嘴头部水室及进出水室盘管处，因此在烧嘴冷却水进出口管线上设有测量仪表，监控冷却水的流量、温度和压力，在回水管线上还设有CO在线检测仪。烧嘴冷却水系统发生泄漏后，测量仪表的示数会表现为：烧嘴冷却水进口流量因阻力增大而降低；因高温高压粗煤气窜入，烧嘴冷却水进口压力、出口温度、出口流量均表现为升高（出口温度反应较慢，进口流量、出口流量反应较为灵敏；微量泄漏时进口压力、出口流量反应较为灵敏，CO在线检测仪也能较早判断出微量泄漏）。因此，烧嘴冷却水系统是否发生泄漏，可以凭借以上仪表示数的变化作出判断，联锁保护系统也会根据联锁设定自动执行停炉、关闭烧嘴冷却水进出口阀等指令。

2 烧嘴冷却水系统现有联锁保护方案分析

从上世纪末由国外引进时算起，水煤浆气化工艺在我国的应用已有20多年。在其工业化应用过程中，研究单位、工程公司、技术用户不断对烧嘴冷却水保护系统进行完善和优化，也提出了各种联锁保护方案。以下对大多数厂家目前使用的联锁方式进行比较，以期得出联锁保护优化方案。

图1 烧嘴冷却水系统流程示意

2.1 四选二联锁

早期水煤浆气化装置中烧嘴冷却水联锁保护系统采用烧嘴冷却水进口流量低低、出口流量高高、进口压力高高、出口温度高高的四选二联锁（如图2所示），4个指标中有2个偏离联锁值，联锁保护系统即执行关闭冷却水进出口切断阀并停车的动作（多喷嘴气化炉则仅关闭触发联锁的工艺烧嘴冷却水进出口阀门）。但此联锁保护系统仅适用于工艺烧嘴头部端面或工艺烧嘴盘管损坏的情况，若冷却水泵损坏不打量或其他原因断水时，则无法及时实现保护。

图2 烧嘴冷却水系统四选二联锁

2.2 单参数三选二联锁

烧嘴冷却水系统单参数三选二联锁（如图3所示），即每个单参数——进口流量低低三选二、出口流量高高三选二、进口压力高高三选二和出口温度高高三选二联锁，当任一参数联锁触发，联锁保护系统即执行关闭工艺烧嘴冷却水进出口阀并停车的动作。

此联锁保护方案的优点是：当冷却水泵损坏不打量或其他原因断水时，进口流量低低三选二能直接触发联锁，弥补了四选二联锁（图2）的部分缺陷。

此联锁保护方案的缺点是：每个参数都要增加现场仪表测点及SIS系统点数，相应增加了投资，尤其是对于多喷嘴气化炉而言，增加的仪表较多，现场布置更为不便。

图3 烧嘴冷却水系统单参数三选二联锁

2.3 四选二联锁＋进出口流量差联锁

在烧嘴冷却水系统四选二联锁（图2）的基础上，增加烧嘴冷却水进出口流量差高高联锁（如图4所示），当四选二联锁触发或进出口流量差触发时，联锁保护系统即执行关闭工艺烧嘴冷却水进出口切断阀并停车的动作。

图4 四选二联锁＋进出口流量差高高联锁

此联锁保护方案的优点是：不增加仪表测点和投资，能较快地触发联锁。此联锁保护方案的缺点是：进出口流量计为单表，当任意1台流量计出现故障时，极易因进出口流量差触发联锁停车，增加气化炉误停车的风险。

2.4 单参数联锁

烧嘴冷却水系统单参数联锁（如图5所示），即进口流量低低、出口流量高高、进口压力高高、出口温度高高4个单参数，当任一参数触发时，联锁保护系统即执行关闭工艺烧嘴冷却水进出口切断阀并停车的动作。

该方案设计的出发点主要是基于烧嘴冷却水水质较好、仪表故障率较低以及不增加投资的考虑，且触发联锁响应较快。但实际生产中，无论是仪表还是系统，均有一定的失效概率，因此考虑到因仪表故障而触发联锁停车的风险，需要提高每台仪表及回路的SIL等级来降低风险，如此一来实际上投资还是会相应增加。

图5 烧嘴冷却水系统单参数联锁

3 联锁优化改进方案

通过上述的对比分析，山东兖矿国拓科技工程股份有限公司（简称兖矿国拓）工艺及仪控人员经反复讨论，在不增加烧嘴冷却水系统检测仪表的前提下，提出了如下联锁保护优化改进方案：在原有四选二联锁的基础上，增加烧嘴冷却水出口流量低低联锁，即形成进口流量低低、出口流量高高或低低、进口压力高高、出口温度高高的四选二联锁（如图6所示）。

此联锁保护方案完全包含了原有的四选二联锁功能，当工艺烧嘴端面或工艺烧嘴盘管损坏时，4个指标中有2个偏离联锁值，联锁保护系统即执行关闭冷却水进出口切断阀并停车的动作；此外，在冷却水泵故障不打量或断水的情况下，因设置有进口流量低低和出口流量低低联锁，同样可触发联锁保护，关闭烧嘴冷却水进出口切断阀并停车，从而起到预防断水后工艺烧嘴盘管损坏而造成大量高温粗煤气窜入冷却水管线内的风险。

图6 四选二联锁＋出口流量低低联锁

4 结束语

优化改进后的烧嘴冷却水系统联锁保护方案，既弥补了原有四选二联锁的缺陷，又不增加任何的硬件测点和投资，而且能达到及时有效全面防护的目的，更趋完善。在今后的技术许可转让中，兖矿国拓将全面推行“四选二联锁＋出口流量低低联锁”的烧嘴冷却水联锁保护方案，并建议在役水煤浆气化装置也对SIS系统工艺烧嘴冷却水联锁保护方式进行升级完善，建议各用户单位重视烧嘴头部的保护工作，严格按照工艺包设计要求进行工艺烧嘴的采购和维修。