PDH地面火炬控制系统设计

刘广超

(中石化宁波工程有限公司，浙江 宁波 315103)

火炬系统是石油化工生产装置重要的安全环保设施，主要用于处理生产装置启停、生产异常和应急等过程中不能有效回收的各种可燃气体混合物，如果气体混合物不能通过火炬燃烧，就会造成生产装置超压，引发严重的生产事故。火炬种类繁多，可按照不同分类划分，按照燃烧器与地面之间的安装方式可分为高架火炬和地面火炬。为了确保人身和生产装置的安全，防止爆炸和火灾事故的发生，需要设置合理的火炬控制系统，以保证火炬系统能够稳定运行。丙烷脱氢装置(PDH)火炬系统作为一种典型的地面火炬，用来处理丙烷脱氢装置发生事故工况时排放的气体。地面火炬燃烧相对安全，具有良好的流量弹性，可以通过排放量自动分级燃烧控制，相较于高架火炬，地面火炬还存在没有光污染、热辐射，运行费用低等优点，这种环保型地面火炬系统正逐步成为石化企业燃烧处理火炬气的首选[1]。该火炬系统通常为全自动控制，无需人为干预操作，自动控制系统需要保证火炬能够将放空气体混合物及时、可靠、安全地燃烧[2]。结合工艺与安全的需求，通过合适地吹扫、点火，进料系统及超温超压的保护控制，来实现气体混合物的充分燃烧。

火炬控制系统一般选用工控机、单片机或者PLC，目前主流的火炬控制系统为集成PLC[3]。PLC具有操作简单、功能丰富、可靠性高、体积小、功耗低的特点，还可以作为下位机与DCS通信，适于在工业环境下运行[4]。本文设计的基于PLC的PDH火炬控制系统不仅满足了化工生产的安全要求，同时也提高了控制系统的可操作性和可靠性。因此，以下重点介绍该火炬控制系统的设计应用。

1 PDH火炬控制方案

来自PDH装置的火炬气进入火炬分液罐进行气液分离，分离出的凝液(污水)由凝液泵送出火炬界外处理，火炬气体经由水封罐内突破水封后送入火炬燃烧器中进行燃烧处理。火炬采用分级燃烧控制，第一级燃烧器支管的管道常开，其余各级燃烧器支管的管道上设置启动切断阀。PDH火炬系统基本工艺流程如图1所示。

1.1 点火控制

点火控制是火炬控制逻辑的核心部分[5]，火炬的长明灯需要保持常燃的状态，否则会使得火炬熄灭从而导致火炬气排空，因此，长明灯持续且稳定的燃烧是保障火炬系统可靠运行的关键。

火炬点火装置可以将生产装置在正常生产过程中产生的无法回收利用的工业废气或者在生产波动及事故状态下产生的可燃气体放空点火燃烧，以保证整个生产装置和设备的安全。每支长明灯配有一套电点火装置，在长明灯头部由点火电极产生的高压电弧引燃燃料气。另外，还需要长明灯火焰检测设备来判断长明灯是否正常燃烧，通常会通过在长明灯上安装双支铠装热电偶或在防风墙上设置紫外线火检来监控长明灯的工作状态，实现自动点火，其性能的好坏将直接影响到整个火炬控制系统的运行。

当地面火炬炉膛内的任意一支长明灯熄灭，双支热电偶或紫外线火检将发出报警信号，同时控制系统启动自动点火程序，重新点燃长明灯。点火方式包括中心控制室远程点火、PLC自动点火和点火器现场手动点火三种方式。为了维持长明灯的燃烧状态，一般情况下点火控制都处于自动控制状态，由PLC保证点火系统的正常稳定运行。

1.2 禁止点火控制

当炉膛内所有长明灯全部熄灭且有火炬气排放时，此时炉膛一定会有易燃易爆气体聚集，如果此时发出点火命令，那么长明灯的高压拉弧会造成炉膛内的闪爆，引起严重的安全后果。因此，控制系统会发出“禁止点火命令”，所有长明灯禁止点火，包括自动点火和现场手动点火。

1.3 氮气紧急吹扫控制

为了维持排放管道的微正压，防止空气倒流进入排放气管线，同时为了避免火炬系统发生管线内爆炸，火炬系统各分级管线设有氮气紧急吹扫气动开关阀，利用氮气将管道内的气体置换。氮气紧急吹扫管线上的气动开关阀根据其对应的火炬气分级管线上各气动开关蝶阀的动作指令进行控制。

1.4 液位控制

1.4.1分液罐液位控制

分液罐设1台凝液泵，启停由分液罐液位变送器的信号控制，当液位信号大于高设定值时，联锁开泵，凝液泵开始运行，将罐内污水排放至污水处理装置；当液位信号小于低设定值时，联锁停泵，凝液泵停止运行。

1.4.2水封罐液位控制

水封罐液位信号小于低设定值时，补水气动开关阀全开，将罐内新鲜水补充到合适高度；水封罐液位信号大于高设定值时，补水气动开关阀全关。

1.5 蒸汽消烟控制

火炬气能够完全燃烧生成水和二氧化碳的前提是有足够的氧气，如果氧气不充足，那么排放气体就无法完全得到燃烧，此时会生成黑烟，从而造成大气污染。当排放量较大时，通过周围环境的自然流动的氧气无法使排放气体得到充分燃烧，容易产生黑烟，因此，需要人工干预，采取相应措施使得氧气能够均匀分布于各个燃烧器，从而达到完全燃烧的目的。

通常的解决方式是在前几级燃烧器中，利用蒸汽消除烟雾，蒸汽消烟可以使火炬不会排放出更多的黑烟，造成环境污染，并且可以使火炬气得到更充分地燃烧[6]。

1)第一级蒸汽消烟的气动调节阀由水封立管上的压力信号实现开关控制，由集气总管上的压力信号实现调节控制。当有火炬气排放时，该气动调节阀开启，随后根据集气总管上的压力信号实现对应控制。

2)其他级蒸汽消烟管线上的气动调节阀由火炬气开关阀的开关指令控制，由集气总管上的压力信号实现调节控制。当某一级火炬气开关阀打开时，对应的蒸汽气动调节阀开启，随后蒸汽气动调节阀的开度将根据集气总管上的压力信号实现对应控制。

1.6 分级燃烧控制

地面火炬的一个较大的特点是采用分级燃烧控制，可以根据火炬气的排放量大小，通过控制分级阀组将排放气体分配到多级燃烧器中燃烧处理，高效应对各种排放工况。地面燃烧器将大股火炬排放气体分成小股，以便火炬气得到充分燃烧。

该分级燃烧控制通过各分级压力信号进行判断，集气总管压力信号作为各分级管线上火炬气阀门开关的压力信号，第一级处于常开状态，当集气总管压力信号超过设定值时，各级的气动开关阀会进行开阀泄压。为了实现快速泄压，分级燃烧系统除了具有逐级开启的功能，还具有跨级开启的功能。

2 火炬控制系统设计

2.1 硬件设计

硬件是火炬控制系统的重要环节，其合理性和正确性直接决定了系统功能的实现、运行的稳定性[7]。随着PLC技术的发展，PLC的种类也越来越多[8]，不同品牌的PLC，其结构形式、性能、容量、编程方式等都各有不同，PLC的选择应从各个方面加以综合考虑[9]。某PDH项目的火炬控制系统的软硬件都采用某公司的PLC产品，组态、编程、通信以及数据集成的高度统一，强大的兼容性可以使得系统更加稳定。

该火炬控制系统的硬件设计主要包括PLC供电设计和配置设计。

2.1.1供电设计

机柜整体采用220 V UPS供电，功率为2 kW，机柜进线断路器采用16 A两极微型断路器。另外，柜内利用220 V转24 V电源模块将UPS电源转换为模块所需要的24 V电源。PLC输入电路电源一般采用直流24 V，开关电源容量选择时需要考虑负载的大小，过大的负载会影响PLC的运行。

2.1.2PLC配置设计

PLC控制柜内由I/O接口模块、CPU、通信模块构成。常用的I/O接口模块包括数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出模块等[10]；CPU作为核心设备，不断地采集输入信号，执行用户程序[11]；信号模块可作为联系外部现场设备和CPU的桥梁[12]。I/O点数的确定是选用接口模块的先决条件，根据生产工艺要求，统计I/O点数和类型并列出表格，进而设计出合适类型的I/O接口模块。

该火炬控制系统的PLC配置如图2所示，PLC的主要模块包括CPU、通信模块、1块数字量输入模块、2块数字量输出模块、1块模拟量输出模块以及3块模拟量输入模块。PLC通过通信模块利用Modbus RTU协议与中心控制室中DCS进行通信。

图2 PLC控制系统配置示意

2.2 程序设计

该火炬控制系统通过RS-485方式与全厂DCS实时通信，以便操作人员在中心控制室中的操作站上也能对火炬系统进行监控[13]。

PDH火炬控制方案主要包括： 点火控制、禁止点火控制、氮气吹扫控制、液位控制、蒸汽消烟控制以及分级燃烧控制。该火炬控制系统采用模块化的设计思路，把整个控制系统分成若干模块进行设计，这样便于以后的程序维护。以下以火炬点火控制及氮气吹扫控制为例介绍PDH火炬的控制系统逻辑。点火控制逻辑如图3所示。

图3 点火控制逻辑示意

由图3可知，点火触发信号由长明灯热电偶温度信号决定，当温度低于120 ℃时，系统认定长明灯熄灭，如果炉膛未发出长明灯禁止点火信号，会启动点火程序，每次点火器点火25 s，停5 s，共点3次；若热电偶检测到火焰温度高于120 ℃，说明长明灯已点燃，则停止点火；若3次点火完毕，热电偶检测温度仍然低于120 ℃时，那么该火炬控制系统发出长明灯点火失败报警。

同理，当发出火炬气气动开关蝶阀的关阀指令时，对应的氮气紧急吹扫气动开关阀也将自动开启，具体氮气吹扫控制如下： 当发出火炬气气动开关蝶阀的关阀指令时，氮气紧急吹扫气动开关阀将自动开启，延续15 min后关闭。阀门关闭后延续计时从零开始。氮气吹扫逻辑如图4所示。

图4 氮气吹扫逻辑示意

2.3 人机界面设计

人机界面(HMI)与PLC连接，方便操作人员通过触摸操作，实现人与机器的信息交互[14]。这不仅使操作人员无需现场巡检即可得知现场信息，更可以在第一时间掌握现场工况。触摸屏具有人性化的HMI，其操作简单、功能强大、性能稳定，是目前最便捷的人机交互方式，能很好地在复杂环境中使用[15]。该火炬控制系统采用与PLC相同品牌的HMI，精简面板具备触摸屏的基础功能，性价比高。

在该火炬控制系统HMI与CPU之间通过Profinet通信，HMI触摸屏分为多个控制界面，除了上述的控制方案外，还包括报警显示界面和现场仪表参数的实时显示，完全达到了项目的技术要求。操作人员可以在现场PLC机柜处直观地了解到现场各台仪表的实时数据，对现场情况进行控制处理，完全实现“傻瓜”式操作。当有报警信息显示的时候，操作人员能够及时地对报警信息进行处理，消除隐患。触摸屏的使用提高了整个火炬控制系统的便利性和安全性。

2.4 现场应用

该火炬控制系统通过PLC实现自动控制，在现场通过HMI实现人机交互，操作方便，PLC把相关仪表参数和报警信号传入有人值守的操作室，在中心控制室内即可进行正常的监视工作。该火炬控制系统已投入试运行，具有安全可靠，可维护性强等优点，使火炬系统及设备稳定，处于良好的运行状态。

3 结束语

本文介绍了PDH火炬系统的控制方案，根据工艺要求和实际工况，设计出功能完善的控制系统及逻辑控制程序图，通过HMI完成了现场集中控制、监控等功能的实现，该火炬控制系统投资小，性能强，提高了火炬系统的自动化控制水平，方便了操作，减轻了现场人员的操作难度。该火炬控制系统自投用以来，因其维护方便、可靠性强等优点，保证了PDH火炬系统的安全稳定运行。