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  • 力控ForceControl在煉油裝置火焰控制中的應用


    一、項目概述


    在煉油行業,加工的原料、半成品及成品多數是易燃易爆的,如果稍有不慎就可能釀成火災,所以煉油廠對火的控制格外嚴格,在裝置區禁止煙火,對電氣焊的管理也有嚴格規定。但在煉油裝置中有兩類火不能缺少,一是加熱爐中的明火,另一是火炬放空時的明火。

    加熱燃燒爐加熱工藝介質,使其達到相應的溫度,使工藝流程順利完成,其作用不言而喻;火炬是整套生產裝置最后的放空燃燒設備,近年來為節能降耗各廠實施了消滅火炬、消滅長明燈項目。熄滅火炬后在裝置正常時,生產過程產生的尾氣由氣柜、壓縮機回收利用,火炬不再點燃;在裝置發生事故時,需緊急放空,這時因為放空量很大,必須排向火炬燒掉。倘若在大量放空時不能及時點燃火炬,輕則造成環境污染,重則發生空中爆炸的重大事故,后果不堪設想。在我國熄滅火炬項目實施以來,為保證安全,要求火炬必須配備全自動點火系統,而火焰的精確檢測是全自動點火系統必不可少的。

    2003年大慶石化公司煉油廠新建了一套加氫、制氫聯合裝置,其中有一臺制氫轉化爐,加熱后的介質達820℃左右,如果爐子滅火,裝置就要緊急停工。此裝置還附屬有火炬系統。本文將根據此裝置的配置來說明常規的火焰的監視和控制。


    二、火焰監視系統



    為給操作人員提供一個簡單,直觀監視火焰熄滅和燃燒情況,裝置對制氫轉化爐和火炬系統安裝了一套監視系統。

    1、 工作原理

    簡單說,就是利用攝像機對火焰進行監視。但由于制氫轉化爐溫度高,對轉化爐和火炬火焰需要全天候監視,這就要配備一套帶有很多附件的電視監控系統,系統主要包括三套內窺視高溫攝像機、一套火炬監視攝像機。以完成對制氫爐內的點火、燃燒情況及火炬火焰等重點部位進行合理而有效的監控和管理。

    2、 系統組成

    火焰監視系統本著技術先進、操作簡單、運行可靠、功能集成、便于擴展的精神,通過對比國內外幾家公司產品的性價比較,最后選擇了三維力控公司的監控組態軟件產品。該監視系統通過圖像采集系統、傳輸系統、控制系統、圖像顯示系統等幾部分集成一體來對該裝置的生產進行全過程全天候監視。(系統組成見圖1)下面對各部分具體進行介紹。





    1) 圖像采集系統

    根據裝置實際情況,圖像采集子系統由三套內窺視高溫攝像機和一套火炬攝像機組成。內窺視高溫攝像機安裝于轉化爐,由耐高溫攝像機組(含進退裝置)、冷卻保護系統、終端控制箱等設備組成。主要特點有:

    ●  具有寬火焰亮度觀察性能:可清晰觀察從點火到正常燃燒的整個過程。

    ●  采用壓縮空氣強迫冷卻措施保護針孔鏡頭及攝像機在2000℃的高溫下系統仍能正常工作。

    ● 氣動進退裝置:采用自動進退裝置,體積小、重量輕、可靠性高。

    ●  具有進膛前氣壓正常判斷、工作時欠壓保護、退膛后系統自動切斷氣源的功能。這樣設計的最大優點是既能保證設備安全,又能最大限度節約系統運行成本。

    ● 真彩色、高清晰度:圖像色彩鮮艷、逼真,清晰度高。

    ●  具有故障報警和自動保護功能。

    ●  由于火炬攝像機的距離火焰比較遠,溫度不高,所以不用內窺視高溫攝像機,而采用超夜視型彩色低照度攝像機并配備十倍自動光圈鏡頭、全方位室外云臺,既保證了攝像機的夜視功能,又達到了對火炬的觀測效果。

    2) 傳輸系統

    在本電視監視系統中,三套內窺視高溫攝像機視頻傳輸距離較近,采用視頻電纜進行傳輸,而火炬監視攝像機距控制室1500多米,故采用光纜傳輸。視頻電纜根據線芯粗細的不同,可分為75-3、75-5、75-7三種型號,根據使用經驗:75-3型視頻電纜用于100米內;75-5型視頻電纜用于200米內;75-7型視頻電纜用于300米內。這樣使用可以保證圖形質量滿足電視信號的國標GB7401中的圖像質量的最高標準。裝置現場由于存在干擾,所以視頻電纜的屏蔽網也很重要,屏蔽網根據疏密不同分為:32B、64B、96B、112B四種,屏蔽網的數值越高,屏蔽效果越好,圖像相對傳輸距離就較遠,考慮到價格因素,選用64B的視頻電纜既能滿足條件,又節省投資。

    目前單模光纖成纜技術已經非常成熟,且單模光纜的價格比多模光纜的價格要低,只是單模光端機比多模光端機價位高些,綜合考慮整個系統的建設成本及功能,我們選用了普鎧單模光纜。光端機選用美國的GLORY光收發機。GLORY光端機是完全針對各種大型遠距離視頻、音頻、數據傳輸系統而設計的。在視頻、微波負載及波分復用技術方面,始終走在世界前列,在圖像傳輸方面領導著世界潮流。GLORY光端機在結構上全部采用模塊式結構,加上其強大的復用技術,為今后擴充、維護系統提供了便利的條件,在不改變光纖的情況下只需增加模塊就可以不斷擴展傳輸容量,以適應不斷增長的傳輸要求。

    3) 控制子系統

    內窺視高溫攝像機主要由高溫攝像機主控制器完成控制功能,可以遙控攝像機的進退、鏡頭的光圈大小,并提供欠壓/超壓聲光報警及進/退到位指示?;鹁姹O視攝像機的控制則由矩陣控制器完成,矩陣控制器同時完成所有視頻信號在電視機上的顯示切換功能。

    4) 圖像顯示子系統

    圖像顯示子系統主要有29英寸彩色純平監視器和四畫面分割器組成,四畫面分割器主要完成四畫面在同一臺監視器上顯示4路圖像的功能。




    三、火焰控制系統



    1、 工作原理

    在火焰控制中可以通過測量燃料流量或通過溫度測量等來間接了解火焰的燃燒狀況,從而控制火焰強弱,但也可以直接測量火焰來進行控制。

    在燃燒過程中,可燃物質都會發出不同頻率或不同波長的可見光、紅外線、紫外線。瓦斯及重油燃燒過程中火焰發出紫外線含量占主要部分,其次是可見光和紅外線。煤或煤粉在燃燒過程中,火焰發出的紅外線占主要部分?;鹧嫦绾?,紫外線立刻消失,但爐膛內仍有大量的紅外線及可見光。我們常通過測量紫外線、或同時測量紫外線、紅外線來檢測火焰的有無或強弱。

    2、 火炬火焰的控制

    火炬燃燒的火焰發射出從紅外到紫外各種波長的光線,其中包含紫外線探測器所敏感的波長為185——260nm的遠紫外線。該波段的紫外線經聚焦鏡匯聚后,照射到探頭內的紫外線傳感器上,使之轉換為頻率隨火焰強度變化的電脈沖信號,因該傳感器對波長為185——260nm以外的其它光線均不敏感,而只有火焰和火花等明火才能發射出該波長的光線,故該探頭對太陽光、各種燈光及高溫輻射光線均不敏感。從而避免了各種雜散光線的干擾。

    火炬的作用是緊急情況下放空燃氣,不需要控制火焰的大小,因而火炬火焰控制主要是保證點火的成功,及意外情況下火炬熄火后保證能夠立刻檢測到熄滅信號,使控制系統重新打火,避免出現安全事故。




    為確保安全,火炬自動點火系統一般配備二至三支點火器,當全部完好時能準確無誤的點燃火炬。而火炬火焰探測器是點火系統實現全自動必不可少的設備。圖2是火炬點火控制系統的示意圖,下面根據此圖簡要說明火炬自動點火控制系統。

    當燃氣排放時,火炬總管內的流量信號升高到給定值時,系統認為有可燃氣向火炬排放,控制室內的DCS系統經過邏輯運算,輸出信號控制高壓發生器和調理器輸出高壓電,使高空點火器內的點火器產生電弧,并打開高壓燃氣電磁閥向高空點火器內噴入燃氣,燃氣與空氣混合被點燃,自高空點火器頂部噴出火焰,引燃火炬頂部噴出的排放燃氣。

    火炬點燃后,由火炬火焰探測器測得火焰信號,反饋給DCS控制系統,控制系統輸出信號,停止向高空點火器供給高壓電和燃氣,點火過程完成,系統處于監控狀態。

    因某種原因火炬中途熄滅,而此時排放燃氣仍存在,如不及時發現處理,輕則造成污染,重則發生空中爆炸的重大事故。此時,火焰探測器發揮應有的作用,把檢測到的火焰熄滅的信號傳入控制室中的DCS系統,經過邏輯控制自動重新點火,保證火炬點燃。

    為保證火炬火焰燃燒充分,不產生黑煙該系統還有火炬的排放燃氣量與消煙蒸汽量的比值調節及其它控制回路的相關調節。

    3、 制氫轉化爐火焰控制

    轉化爐是制氫裝置的主要設備。在轉化爐爐管中,原料氣和過熱蒸汽在高溫時發生烴類的水蒸氣轉化反應,轉化爐出口轉化氣由H2O、H2、CO、CO2及殘余甲烷組成,出來的轉化氣溫度高達820℃。

    溫度的控制對于轉化爐很重要,溫度過高過低都會影響裝置運行,如果轉化爐滅火那么裝置必須緊急停工。




    制氫轉化爐部分設計有諸如瓦斯壓力、爐膛溫度等的常規控制,這里要特別說明和爐膛火焰有關的連鎖部分。圖3是制氫轉化爐部分的連鎖原理圖。當轉化爐滅火時,燃燒噪音消失、爐膛負壓增高,爐膛變暗,看不見火焰,同時爐膛溫度快速下降,轉化出口溫度下降。安裝在現場的儀表系統,會檢測到轉化爐膛壓力過高或燃料氣壓力過低,這些信號傳入控制室后經過邏輯控制,輸出一系列信號,自動執行相關動作,進行裝置停工。

    裝置還設計有其它連鎖控制,這里就不敘述了。



    四、應用總結


    綜上所述,煉油行業中的火炬和加熱爐中的控制并不復雜,但由于煉油裝置中的介質多數是易燃易爆的,而且裝置中也有可能泄露可燃氣,所以火焰的檢測是必不可少的,為企業的安全保駕護航。

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