通过DCS系统实现新建焚烧炉的自动控制及联锁保护

封小兵，苏 科

（四川泸天化股份有限公司，四川 泸州 646300）

0 引 言

四川泸天化绿源醇业有限责任公司（简称绿源醇业）醇醚项目原设计以天然气为原料，项目于2002年12月动工，其中，400kt/a甲醇装置于2005年12月投产、100kt/a二甲醚装置于2006年2月投产。后来，受原料天然气价格上涨及供应不足等因素的影响，甲醇装置于2014年9月开始间断生产。

为实现原料结构调整，2016年9月7日，四川煤气化有限公司泸州化工园区项目（亦即泸天化煤制气项目，主要依托泸州当地古叙煤田，采用2台2000t/d航天炉制气，为下游甲醇装置和尿素装置提供原料气，其主要生产系统包括空分、粉煤加压气化、耐硫变换、低温甲醇洗、硫回收系统）B套航天炉投料成功；9月10日全系统流程打通，低温甲醇洗系统产出合格合成气，送往绿源醇业甲醇装置（绿源醇业甲醇装置进行局部改造，甲醇合成系统上游的天然气制合成气部分仍保留，通过连接管廊实现介质的切换互送，天然气原料仍可适时启用），9月11日产出合格甲醇产品。

绿源醇业生产装置采用DCS系统实现自动化控制，在装置的运行过程中，难免会有在原有控制基础上增加监控的要求。以下对新建废气焚烧热回收装置引入现有DCS系统实现自动控制及联锁保护的有关情况作一介绍。

1 废气焚烧热回收装置简介

废气焚烧热回收装置（简称焚烧炉）由四川艾普环保工程有限公司成套提供，是配套煤制气生产甲醇新建的对接装置——煤制气生产甲醇时，天然气转化系统停运，甲醇合成系统弛放气不能得以回收利用，于是新建焚烧炉对甲醇合成弛放气（简称废气）进行焚烧利用。废气焚烧之前先用天然气点火及燃烧，再切换为废气燃烧（也可全程燃用天然气），产出0.35MPa低压蒸汽，送入低压蒸汽系统，达到节能环保的目的。

焚烧炉设计蒸汽产量20t/h，实际生产中废气焚烧副产的蒸汽量约18t/h。焚烧炉设置燃料气流量控制系统，通过供给足够的助燃空气，控制焚烧炉炉膛温度在1000℃左右。除设置小火焰长明灯外，焚烧炉还设置了点火和熄火安全保护装置，自动点火，意外熄火时系统将自动切断燃烧天然气或废气，以避免发生爆炸事故；火焰检测装置有2套，两个火焰均熄火其联锁才动作，即火焰检测采用二选二联锁，以提高火焰检测的可靠性，减少联锁误动作。

2 焚烧炉系统仪表选型

2.1 高温测量仪表的选型

焚烧炉炉膛温度在1000℃左右，设置了2个测温点，分别位于燃烧室和焚烧炉炉膛，选用分度号为S的高温型热电偶，最高测量温度可达1700℃；热电偶保护套管选用耐磨、耐高温的刚玉材料，短期使用温度可达1800℃。

2.2 汽包液位仪表的选型

汽包液位仪表选用在其他同类型装置上应用效果较好的导波雷达液位计，采用侧-侧法兰安装的旁通管形式，并在导波杆端部设置对中环；由于汽包操作温度为150℃，采用高温型（蒸汽环境200℃以内）导波雷达液位计；为确保汽包液位测量的可靠性，还选用了另外一种汽包液位经典测量仪表——双室平衡差压变送液位计。2台液位计分别安装在汽包的两端，在DCS系统通过组态操作画面软切换开关，操作人员可根据液位情况任选其中一台变送器作为汽包液位控制的测量仪表，这样的设置也便于仪表人员在线维护液位仪表。

2.3 流量仪表的选型

蒸汽流量和燃料气流量选用孔板和差压变送器测量，由于是气体（燃料天然气或废气）流量测量，因此进行了压力补偿；因介质温度较稳定，故未进行温度补偿。

2.4 切断阀的选型

焚烧炉配置了3台联锁切断阀，为燃料气主切断阀、废气切断阀、小火切断阀，均选用软密封球阀，泄漏等级为Ⅳ级，执行机构选用单作用气缸式，联锁输出控制两位三通电磁阀，再控制切断阀，以保证切断阀动作的可靠性。

焚烧炉系统测量信号及仪表类型见表1。

表1焚烧炉系统测量信号及仪表类型

3 焚烧炉系统控制设计

就地点火控制柜涉及高压点火控制，且有时需现场点火操作，故就地点火控制柜设置在现场，除此以外所有监控引入现有DCS系统实现控制。

3.1 点火条件

操作人员在3台点火切断阀处于全关位置下，启动引风机和鼓风机，人工完成对焚烧炉吹扫约3min；人工吹扫完成后，当同时满足汽包液位正常、引风机运行、鼓风机运行、炉膛负压正常、3台点火切断阀阀位处于关闭状态时（点火条件），在DCS操作站上按下软复位按钮，“允许点火”指示灯亮，同时输出信号到就地点火控制柜，该“允许点火”信号保持30s（制造商设定的安全点火时间约10s，此时间可人为在1～30s内设定）。

3.2 小火点火控制

小火点火控制功能由现场点火控制柜内继电器实现，并由操作人员在现场操作：①将电源开关旋至“ON”位置， “电源”指示灯亮；②当DCS的点火允许信号为“ON”时，“允许点火”指示灯亮；③按下“点火”按钮，点火枪开始推进；④点火枪推进到位后， “点火枪插入”指示灯亮，点火器激活，开始计时（10s），同时该信号送至DCS打开小火切断阀，若小火点燃，则“火检”指示灯亮；⑤计时完毕，点火器停运，点火枪回退至原始位置，“点火枪插入”指示灯熄灭。

3.3 大火点火控制

焚烧炉可实现燃料气（即天然气，下同）或废气的燃烧，包含燃料气点火和废气点火，此功能在DCS系统组态实现，以实现两种燃料气的燃烧。

3.3.1 燃料气点火

当同时满足汽包液位正常、汽包压力正常、炉膛温度正常、引风机运行、鼓风机运行、小火火焰正常、紧急停车开关释放时（大火点火条件），操作人员在DCS操作站上按下燃料气点火软按钮，燃料气主切断阀打开并自锁，点燃主燃料气。

3.3.2 废气点火

考虑到废气的主要成分为氢气，为保证安全，在同时满足汽包液位正常、汽包压力正常、炉膛温度正常、引风机运行、鼓风机运行、小火火焰正常、紧急停车开关释放时（大火点火条件），另外增加了燃烧室温度（950～1140℃）、炉膛压力（600～800Pa）正常的废气点火条件，经人工分析废气含氧量≤2%后，操作人员在DCS操作站上按下废气切断阀开启按钮，废气切断阀打开并自锁，点燃废气。焚烧炉系统废气切断阀打开时，甲醇合成系统的废气放空切断阀须关闭；焚烧炉系统废气切断阀关闭时，甲醇合成系统的废气放空切断阀须打开。

4 焚烧炉系统的联锁保护

联锁保护功能在DCS系统组态实现，包含大火联锁保护和小火联锁保护。

大火联锁保护：当同时满足汽包液位低低、汽包压力高高、炉膛温度高高、大火火焰熄灭、引风机停运、鼓风机停运（停车信号），紧急停车开关按下时，燃料气主切断阀、废气切断阀同时关闭，大火熄灭。

小火联锁保护：当同时满足大火联锁动作（包含燃料气主切断阀动作和废气切断阀动作）、小火火焰熄灭、点火器未激活时，小火切断阀关闭，小火熄灭。小火熄灭后，操作人员应及时进行人工吹扫，确保安全。

5 焚烧炉点火系统

5.1 点火系统简介

点火系统由制造商成套提供，由点火控制柜、高压点火器、气动推进器和点火枪四部分组成：点火控制柜采用壁挂式安装，工作电源220 VAC±10%、50Hz，点火控制柜功耗35W；高压点火器型号为XKB250FB（采用防爆设计），高压点火器平均功耗200W；气动推进器（伸缩机构）属通过气缸与活塞杆来实现往复运动的机械装置；点火枪（杆）整体采用不锈钢材质，点火枪插入、点火枪回位作为DI点输入到DCS系统，点火激活（DCS点火）、允许点火作为DCS系统DO点输出到点火控制柜。点火系统控制逻辑图见图1，点火系统接线图见图2。

图1 点火系统控制逻辑示意图

图2 点火系统接线示意图

5.2 点火系统操作

5.2.1 手动操作

（1）接通220VAC系统电源，上电待机，电源指示灯亮，打开点火电源开关（拨到Ⅰ），将手动/自动转换开关切换至手动（拨到Ⅰ）。

（2）DCS系统判断点火枪处于回位位置，给出允许点火信号，允许点火灯亮，按下点火按钮，点火枪插入并点火 （安全点火时间约为10s），此时点火枪插入指示灯亮并同时将点火信号和插入信号送至DCS系统（干触点）。

（3）安全点火时间结束，点火枪退出，点火枪插入指示灯熄灭，同时将回位信号送至DCS系统（干触点）。

（4）当点火成功，火焰检测器检测到火焰，点火火检指示灯亮，同时输出开关信号至DCS。若要进行第二次点火，需要DCS系统重新给出允许点火信号，即允许点火信号切断后再次送入，两次点火的间隔时间须大于3min。

5.2.2 自动操作

接通220VAC系统电源，上电待机，电源指示灯亮，打开点火电源开关（拨到Ⅰ），将手动/自动转换开关切换至自动（拨到Ⅱ），其余步骤同上节“手动操作”。

6 DCS系统组态

6.1 压力补偿

燃料气流量和蒸汽流量的压力补偿，使用DCS系统自带的温度压力补偿模块，在DCS中输入设计压力，设计压力来自孔板流量计选型购买时根据工况条件出具的计算书。

6.2 逻辑功能组态

模拟量转换为开关量通过DCS系统组态实现，有以下两种方法可以实现：一是使用顺控表（ST16），顺控表的条件输入栏选择PV测量值的高（PH）、高高（HH）、低（PL）、低低（LL）等，顺控表的动作输出栏选择触点的闭合或断开；二是使用RL比较模块，如果低于整定值，那就输出触点信号，其输出触点的格式为RL001.X01.LT。

逻辑功能在DCS系统组态实现，使用DCS系统自带的逻辑功能模块（LC64），在该逻辑功能模块内可使用系统自带的逻辑与、逻辑或、逻辑非、RS触发器、脉冲、计时器等一般逻辑功能块以实现所需，组态完成后需要运行该逻辑功能模块并置于自动状态。

6.3 操作显示

旁路开关和复位按钮均设置为DCS操作画面上的软开关和按钮，可通过DCS操作画面操作，DCS操作画面上按钮设有点火复位按钮、燃料气点火按钮、废气点火按钮、焚烧炉紧急停车按钮、引风机停车按钮、鼓风机停车按钮，指示灯设有燃料气主切断阀开/关、废气切断阀开/关、小火切断阀开/关、允许点火、点火枪插入、点火枪回位、DCS点火。

7 结束语

绿源醇业新建的焚烧炉利用现有DCS系统而非传统的现场成套箱实现焚烧炉的自动控制及联锁保护，实施时进行了DCS系统输入输出点的清理，电缆及接线箱清理，逻辑功能和监测功能的清理及实现，充分利用了DCS系统功能强大的特点，将控制、逻辑、报警和操作等功能融为一体，提升了系统的自动控制水平，节约了资源，方便了操作。