柴油加氢装置加热炉安全与环保改造项目研究及应用

谷越 靳南南 马中华 常青 刘浩 赵红建

DOI：10.20030/j.cnki.1000?3932.202403026

摘 要 某柴油加氢装置加热炉安全与环保指标无法满足规范要求，对该装置加热炉空气预热器进行整体改造，包括DCS、SIS扩容升级，优化自动控制方案，完善鼓风机、引风机安全联锁回路，同时设计增加了加热炉熄火报警保护系统，结合燃料气压力和加热炉进料流量联锁，提升了装置本质安全及自动化程度。改造后两台加热炉氧含量得到有效控制，加热炉热效率显著提高至93%以上。加热炉燃料气用量显著降低，经核算每年节约燃料气84 000 Nm3。

关键词 空气预热器 加热炉 DCS SIS 熄火报警保护 热效率分析 联锁

中图分类号 TP274   文献标志码 B   文章编号 1000?3932（2024）03?0549?07

作者简介：谷越（1989-），高级工程师，从事石油化工自动化专业技术管理工作，guyue@cnooc.com.cn。

引用本文：谷越，靳南南，马中华，等.柴油加氢装置加热炉安全与环保改造项目研究及应用[J].化工自动化及仪表，2024，51（3）：549-554;562.

“十四五”期间是中国能源低碳转型、实现“双碳”目标的关键时期，国家正在加速推动能源绿色低碳转型，加快实施重点行业节能降碳。随着能源日益匮乏，科技革命和产业变革日渐深入，人们的活动方式逐步向低碳化、智能化转变，能源体系正在向非化石能源主导的阶段发展。

加热炉是加氢关键设备，炼油加热炉的能耗占整个炼油行业能耗的35%，只有挖掘炼油加热炉节能技术、提高炼油加热炉的能效，才能达到节能降碳的目的，同时随着国家对安全环保要求的不断提升，对加热炉的环保指标控制越来越严格，这就对加热炉的使用过程提出新的要求。

1 改造前面临的问题

某柴油加氢装置目前使用两台加热炉（反应加热炉F?3001和分馏加热炉F?3002），装置在正常生产状况下，反应加热炉烟气正常排放，且设置烟气在线监测系统（CMES），分馏加热炉烟道挡板全部关闭，烟气汇入反应炉与反应炉烟气一起排放[1]。由于该装置加热炉已使用近十六年之久，烟道挡板密封不严、调节卡顿现象日益严重。同时设备设施老化、热负荷及效率较低、环保要求不达标，需进行加热炉改造，以满足装置生产安全、环保等要求[2]，改造前工艺流程如图1所示。

装置正常生产时，分馏加热炉顶烟囱烟道挡板密封不严，即使处于全关状态下，使用热成像仪检测也清晰可见有烟气排出，不符合《挥发性有机物无组织排放控制标准》，给环保专业造成很大影响。

装置正常生产过程中，由于反应加热炉耗用瓦斯量较小，调节阀调节精度较差，供风系统调节风门内漏量较大，并且原设计中无引风机，不利于加热炉炉膛压力控制，加热炉氧含量长期在7%～9%之间波动，加热炉计算热效率较低，不能满足上级单位对加热炉热效率的考核要求。

应急管理部办公厅印发文件《淘汰落后危险化学品安全生产工艺技术设备目录》通知，将无火焰监测和熄火保护系统的燃气加热炉、导热油炉列为淘汰类设备，该柴油加氢装置两台加热炉将无法继续开工运行，故必须利用本次项目改造机会增设加热爐熄火报警保护系统。同时分馏加热炉进料缺少流量低低联锁，给装置安全生产带来很大安全隐患;原有联锁回路无法满足安全生产需要，缺少鼓、引风机停机联锁[3]。

2 改造方案

2.1 空气预热器改造

具体改造内容如下：

a. 将分馏加热炉（F?3002）原顶立式烟囱拆除，改造为与反应加热炉（F?3001）连接烟道统一排放。

b. 将F?3001顶部原有空气预热器拆除，改造为置地安装组合式空气预热器，以达到预热充分回收的目的，设计计算数据见表1。

c. 更新所有调节、联锁风门挡板，以保证调节精度和全关状态下的泄漏量;更新与空气预热器连接的所有烟道、风道管线。

d. 为保证F?3001、F?3002独立操作时有足够的抽力，炉膛负压平稳可控，新增加引风机及配套电机。

2.2 DCS新增自动控制回路

根据设计PID中需求检测仪表及控制回路要求，DCS增加的I/O点位数据统计见表2。

本次改造新增的自动控制回路见表3。

自动控制回路模型基于JX?300XP系列DCS实现[4]，控制过程为：现场检测仪表→安全栅→I/O卡件→XP243→PID自控回路→实时监控→输出卡件→安全栅→调节挡板，系统所需硬件见表4。

2.3 SIS联锁回路优化

设计新增的SIS联锁回路基于Honeywell SM系统实现逻辑编程组态，该SM系统由QMR（四重模块化冗余）的双处理器CPU和冗余的I/O卡件构成，系统具有高可靠性、高安全性及高可用性[5]。本次改造所使用的SIS硬件、软件均具备SIL3等级认证，系统选型为下一步HAZOP分析、SIL定级及验证工作提供了有力数据基础，改造增加的SIS硬件见表5。

以引风机入口烟气温度（TISA3518、TISA3519、TISA3520）三取二形式高高联锁打开烟囱旁路挡板HXV3512，收到HV3512打开的回讯后，关闭引风机，关闭预热器入口烟道挡板XV3510。

以主热风道压力（PISA3523、PISA3524、PISA3525）三取二形式低低联锁打开各炉风道上的快开风门及烟囱旁路挡板HXV3512，收到各炉快开风门回迅打开三分之二后关闭鼓风机，收到HV3512打开的回讯后，关闭引风机，关闭预热器入口烟道挡板XV3510。

分馏加热炉入口流量计新增孔板流量计，孔板流量计采用四对取压口，新增差压流量计FT3219A/B/C，新增3台变送器信号引至SIS实现三取二联锁，新增FT3219信号引至DCS实现FICA3219流量回路调节。

2.4 火焰监测和熄火保护系统

本次改造在反应加热炉和分馏加热炉各增设一台高温内窥摄像机，中控室集成一套熄火报警保护系统。后端处理系统对炉内设置的高温摄像机视场内火焰的燃烧状况进行计算处理，能及时发现火焰熄灭，对应喷嘴熄火指示灯可发出报警提示[6]。分析软件可对高温摄像机的进退及光圈大小进行控制。前段自动伸缩装置用于保护火焰监视系统的摄像机，隔爆型高温一体化摄像机依靠连续不断的压缩空气，使暴露在恶劣环境下的内窥式镜头保持清洁和冷却，一旦失去压缩空气，自动伸缩保护系统自动把摄像机拉出炉膛，从而避免人工撤回和推进摄像机，避免不当操作和损坏系统。

火焰监视系统由隔爆型高温数字型一体化摄像机、自动回缩保护装置、炉壁安装套件、空气过滤系统、现场设备箱、图像数据服务器等组成，整体系统架构如图2所示。

3 改造后效果分析

3.1 加热炉热效率分析

项目实施前，装置在满负荷处理量37.5 t/h下的相关数据见表6，F?3001和F?3002的燃料使用总量为210 Nm3/h，F?3001的平均氧含量为7.9%，F?3002的平均氧含量为8.7%，两台加热炉的平均排烟温度为109.38 ℃。由以上数据计算得出F?3001的加热炉热效率为91.41%，F?3002的加热炉热效率为91.03%。

热效率计算公式为：

式中 [O]——加热炉氧含量;

T——加热炉排烟温度;

η——加热炉计算热效率。

项目改造后两台加热炉的热效率都明显得到提高，开工初期就可以达到93%以上，满足节省燃料的要求。但是改造后的数据趋势记录显示，加热炉的排烟温度为79.1 ℃，远低于设计温度100 ℃。排烟温度远低于露点温度，存在露点腐蚀隐患，会危及装置安全生产。另外排烟温度过低，会使预热器产生凝结水，冬天排烟温度最低时比4月份低20～30 ℃，易造成预热器低温部位冻凝，引风机入口结冰，从而引发加热炉的运行风险。

鉴于上述问题，装置技术人员经过与空气预热器制造方技术人员核算参数，最终确认方案为在加热炉鼓风机出口处安装限流挡板，以减少进入空气预热器的冷风量，从而提高排烟温度。方案实施后有效提高了加热炉的排烟温度，降低了露点腐蚀发生概率，减少了预热器底部带水的现象，保证了加热炉的正常运行[7]。

改造项目投产后，从DCS历史趋势中随机抽取数据（图3、4）可知，改造后反应加热炉和分馏加热炉氧含量较为平稳，控制在3%～4%之间。排烟温度可有效控制在100 ℃左右。

项目实施后，在柴油加氢装置满负荷处理量37.5 t/h下提取的DCS数据见表7，由表中数据可以看出加热炉F?3001和F?3002的燃料气使用总量在200 Nm3/h左右，F?3001的平均氧含量为3.37%，F?3002的平均氧含量为3.92%，可以计算两台加热炉的热效率。

经计算，实施改造后F?3001的平均热效率为93.43%，F?3002的平均热效率为93.29%。两台加热炉燃料气量合计节省10 Nm3/h以上，每年可节约瓦斯用量84 000 Nm3。

3.2 本质安全提升分析

DCS改造优化了加热炉操作人机界面和自动控制回路，有利于加熱炉氧含量和炉膛负压平稳操作控制。HMI界面组态时，将原反应加热炉和分馏加热炉两页操作界面整合为一页操作（图5），降低了频繁切换界面而造成操作失误的概率。接入SIS的I/O数据采用Modbus RTU通信协议传输至DCS中，用于两套系统的实时参数比对及报警。

SIS完善了鼓风机、引风机安全联锁，保证事故发生时装置切换至安全状态，避免事故进一步扩大。现场仪表联锁方案为三取二方式，保证了联锁的可靠性和可用性。装置开工后联锁回路满足百分之百的投用率指标。同时本次改造新增加热炉联锁结合熄火报警保护系统，解决了加热炉濒临淘汰的现状，响应了国家应急管理部关于淘汰设备的整改要求。

加热炉熄火保护系统配置依据《石油化工企业设计防火标准》要求。燃料气系统设置联锁作为熄火保护措施，主燃料气压力低低联锁、长明灯燃料气压力低低联锁以及加热炉进料流量低低联锁。中心控制室（CCR）内设置紧急停炉联锁按钮，当现场或中心控制室操作人员按下紧急停炉按钮时，SIS联锁切断主燃料、长明灯及相关燃料。

4 结束语

从安全、环保两个角度出发，对空气预热器、DCS、SIS、加热炉熄火报警保护系统4个方面进行升级改造，取得了突出的应用成果，解决了分馏加热炉无组织排放的隐患，加热炉氧含量得以降低，热效率显著提高，燃料气用量大幅度降低。同时装置自动化程度及本质安全上升至新的台阶，本次改造为国内运行周期较长的石化装置提供了良好借鉴。

参 考 文 献

[1] 佟玉文.炼油企业实现能效约束标杆值策略研究[J].石油炼制与化工，2023，54（4）：98-105.

[2] 黄健，赵众.延迟焦化加热炉热效率的机理建模与实时估计应用[J].化工学报，2020，71（7）：3140-3150.

[3] 钱伯章.世界最大分子筛装置加热炉热效率达到91.29%[J].石油炼制与化工，2017，48（3）：80.

[4] 黄建林.利用JX300?XP DCS系统实现精硫槽的自动控制[J].硫酸工业，2021（3）：51-54.

[5] 孙珊珊，温坚，付铁柱.实现DCS到SIS通讯临时联锁改进技术[J].化工生产与技术，2023，29（1）：33-35;9.

[6] 郭亮.提高油气田加热炉热效率技术研究[J].石油石化节能，2023，13（3）：28-33.

[7] 邹雄飞，李青，任玉龙，等.智能先进控制技术提升加热炉热效率的应用研究[J].化工自动化及仪表，2023，50（1）：99-103;111.

（收稿日期：2023-07-03，修回日期：2024-03-14）