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淺談化工加熱爐安全控制現(xiàn)狀

文檔作者：曹德舜莊騰宇文檔來源：中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2020年12月02日
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探討·交流<<
Discussion on the Safety Control of Chemical HeatingFurnace
曹德舜莊騰宇
(中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，青島市266072)
Cao Dexiang Zhuang Tengyu
(Sinopec research institute of safety engineering，Qingdao 266072)
【摘要】本文以化工裝置加熱爐安全控制技術(shù)發(fā)展為背景，敘述了目前國內(nèi)不同爐型化工加熱爐安全控制
方案設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，通過與歐美日發(fā)達(dá)國家先進(jìn)的控制技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，提出我國化工加熱爐安全
控制存在的問題，重點(diǎn)闡述了安全控制方案的設(shè)計(jì)及管理應(yīng)該注意的幾個(gè)問題。
【關(guān)鍵詞】化工加熱爐安全聯(lián)鎖系統(tǒng)火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安全完整性等級(jí)余熱回收系統(tǒng)可編程邏輯控制器
Abstract：In the papeL the chemical heating furnace safety control technology development as the background，
describes the current domestic chemical indus仃y of different type heating furnace safety control design present
situation，through the analysis and comparison of control technology in Europe and Japan with the advanced
countries，put forward China’S chemical industry heating furnace safety control problems，expounds some problems
should be paid attention to the design and management of the security control program．
Key words：Chemical Heating Fumace Safety Interlock System Flame Monitoring System Safety Integrity Level
Waste Heat Recovery System Programmable Logic Controller
前言
工業(yè)加熱爐是化工行業(yè)生產(chǎn)裝置的重要設(shè)備之
一，在化工行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。典型的化工加
熱爐如動(dòng)力中心的CFB蒸汽鍋爐、乙烯裝置的裂解爐
等已經(jīng)成為石化企業(yè)的“心臟”設(shè)備，運(yùn)行狀態(tài)直接
關(guān)系整個(gè)化工企業(yè)上中下游的安全生產(chǎn)。歐美發(fā)達(dá)國
家對(duì)加熱爐的設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用及改造等各階
段都制定了相應(yīng)法律法規(guī)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并要求嚴(yán)格執(zhí)
行。國際上，根據(jù)保險(xiǎn)公司的規(guī)定：／m熱爐的設(shè)計(jì)階
段應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)工藝進(jìn)行危險(xiǎn)與風(fēng)險(xiǎn)分析，針對(duì)加熱爐
運(yùn)行危險(xiǎn)特性設(shè)計(jì)加熱爐安全控制系統(tǒng)，并根據(jù)安全
控制系統(tǒng)的設(shè)置制定加熱爐操作規(guī)程及安全防護(hù)措施
等一系列安全管理方案。在確保加熱爐安穩(wěn)運(yùn)行、防
止發(fā)生生產(chǎn)事故的同時(shí)，提高燃燒效率及節(jié)能減排水
平。國際上一些標(biāo)準(zhǔn)化組織、中介機(jī)構(gòu)、安全系統(tǒng)制
造商、最終用戶等圍繞標(biāo)準(zhǔn)，探索加熱爐的安全控制
方案及安全管理體系。
我國工業(yè)加熱爐的研發(fā)制造水平比國外滯后15
年左右。20世紀(jì)70年代初期國內(nèi)只有三家加熱爐專業(yè)
制造廠商，產(chǎn)品種類及數(shù)量極少。70年代開始，工業(yè)
加熱爐制造廠商以及工業(yè)加熱爐裝備數(shù)量增長十分迅
收稿日期：2016—11-30
作者簡(jiǎn)介：曹德舜，畢業(yè)于日本早稻田大學(xué)自動(dòng)化控制專業(yè)，并
取得碩士學(xué)位。曾任職于日本三菱化學(xué)工程公司，從事儀表設(shè)計(jì)
工作4年。目前就職于中國石化安全工程研究院從事安全儀表系統(tǒng)
功能安全研究。
速。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國的加熱爐產(chǎn)品數(shù)量及質(zhì)
量水平也有了顯著提高，但加熱爐工藝及安全管理水
平與國外水平差距較大，通常照搬國外先進(jìn)的加熱爐
安全控制方案及安全管理方案，再配用國內(nèi)的加熱爐
本體，國內(nèi)加熱爐技術(shù)發(fā)展存在“中西結(jié)合”態(tài)勢(shì)。
近十幾年里，雖然國家在加熱爐的安全管理層面從設(shè)
計(jì)、制造、檢驗(yàn)、安裝、運(yùn)行、維修等環(huán)節(jié)建立了較
為完善的監(jiān)督管理體系，但監(jiān)督和管理缺乏有效的安
全技術(shù)理論支撐?；ぜ訜釥t安全運(yùn)行技術(shù)研究投入
少，缺乏綜合、系統(tǒng)、成套的安全控制技術(shù)及安全管
理解決方案，與國外先進(jìn)國家水平差距較大。
1化工加熱爐安全運(yùn)行現(xiàn)狀調(diào)研
對(duì)國內(nèi)13家石油化工企業(yè)進(jìn)行了化工加熱爐基
本狀況調(diào)研分析；
1．1化工加熱爐基本情況分析
1．1．1化工加熱爐裝置種類分析
圖1化工加熱爐裝置種類分布圖
_芳烴襲置
●蜷徑襄置
·愛曩裝置
-烷基苯裝置
·乙缺裝置
-汽油加氯裝置
擎乙蠕裝置
-芮螺葺裝置
-制氯裝置
z合成氯裝置
冀他裝置類型
萬方數(shù)據(jù)
>>Research&amp;amp;Discussion
從圖1可以看出，對(duì)化工加熱爐按裝置類型進(jìn)行
分類，排序如下：
1、芳烴裝置：105臺(tái)(40％)；
2、烯烴裝置：103臺(tái)(39％)：
3、聚酯裝置：11臺(tái)(4％)；
4、烷基苯裝置：7臺(tái)(3％)；
5、乙炔裝置：6臺(tái)(2％)；
6、汽油加氫裝置：5臺(tái)(2％)；
7、苯乙烯裝置：5臺(tái)(2％)；
8、丙烯腈裝置：5臺(tái)(2％)；
9、制氫裝置：3臺(tái)(1％)；
10、合成氨裝置：3臺(tái)(1％)；
11、其他裝置類型：13臺(tái)(4％)；
1．1．2化工加熱爐爐型分析
對(duì)已說明具體加熱爐爐型的165臺(tái)化工加熱爐進(jìn)
行分類，各爐型所占比例如圖2所示。
_圓筒爐■立式爐■方葙臚
圖2三種主要爐型占比情況
由上述數(shù)據(jù)可以看出，現(xiàn)有化工加熱爐爐型以
圓筒爐(59％)及方箱爐(33％)為主。
1．1．3化工加熱爐燃料與加熱介質(zhì)類型分析
對(duì)于參與調(diào)研的266臺(tái)加熱爐，其所用燃料主要
為以甲烷為主的燃料氣，包括天然氣或與其他氣體
混合氣、甲烷氫或與烴類混合物、甲烷氫和火炬回
收氣、瓦斯氣或加燃料油、干氣等，占總比例的95％
以上。剩余加熱爐使用其它燃料，如柴油、甲醇馳放
氣、丙烯、乙烯焦油等。j
由于本次調(diào)研加熱爐涉及的裝置主要是乙烯和
芳烴裝置，所以加熱爐的加熱介質(zhì)以烴類物質(zhì)為主，
分析情況如圖3所示。
、
“群蛭曛q HC
其他加熱舟受
圖3化工加熱爐加熱介質(zhì)分布圖
從圖3可以看出?；ぜ訜釥t各加熱介質(zhì)所占比
例排序如下：
1、裂解原料HC：40％；
2、含氫體系：16％；
3、芳烴：29％；
4、氧氣、氮?dú)?、空氣?％；
5、以甲烷為主燃料氣：2％；
6、其他加熱介質(zhì)：10％；
1．1．4化工加熱爐熱負(fù)荷分析
化-rJJi熱爐負(fù)荷與裝置規(guī)模、處理能力密切相
關(guān)，分析化工加熱爐熱負(fù)荷分布如圖4所示。
■O一20MW
■20----60MW
60—100MW
■，i130MW
圖4化工加熱爐熱負(fù)荷分析
由上述數(shù)據(jù)可見，化工加熱爐熱負(fù)荷在各數(shù)值
段內(nèi)所占比例排序如下：
1、0-20MW：40％；
2、20-60MW：30％；
3、60—100MW：20％；
4、>IOOMW：10％；
目前，化工加熱爐熱負(fù)荷范圍主要在0．20MW
(40％)范圍內(nèi)，其次是20．60MW(30％)及60．
IOOMW(20％)。
1．2化工加熱爐安全控制手段分析
1_2．1化工加熱爐重點(diǎn)工藝參數(shù)分析
目前，化工加熱爐重點(diǎn)監(jiān)控主要有以下三個(gè)方
面：
(1)溫度監(jiān)控。其重點(diǎn)監(jiān)控工藝參數(shù)主要有：
1)爐膛溫度，爐膛溫度是保證加熱爐長周期安
’全運(yùn)行的指標(biāo)之一，一般將其控制在820。870。C以
下；
2)對(duì)流段溫度，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量是為了監(jiān)控加
熱爐效率及把操作溫度限制在爐管及支撐管板的材
質(zhì)所允許的范圍以內(nèi)。煙氣離開對(duì)流段溫度通常在
300,--450℃以下；
3)排煙溫度，對(duì)其測(cè)量能對(duì)加熱爐的總效能
進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于排煙溫度受人爐油品溫度的限制，
因此排煙溫度應(yīng)當(dāng)和人爐油品溫度應(yīng)有一定溫差(
100～150。C)；
4)爐管表面溫度以及被加熱物料出口溫度，首
先，爐管表面溫度可以反應(yīng)加熱爐爐管表面熱強(qiáng)度，
其次對(duì)爐管表面溫度進(jìn)行測(cè)量可以將操作溫度必須限
萬方數(shù)據(jù)
制在爐管材料限制范圍內(nèi)。
(2)壓力監(jiān)控。其重點(diǎn)監(jiān)控工藝參數(shù)主要有：
1)爐膛壓力，負(fù)壓通風(fēng)的加熱爐的爐膛壓力值
是保證燃料燃燒良好的主要控制參數(shù)，一般通過調(diào)節(jié)
煙囪擋板開度控制爐膛壓力；
2)燃料壓力，一般采取以下控制措施：在燃料
總管設(shè)置壓力開關(guān)或壓力變送器，對(duì)燃料系統(tǒng)壓力過
低進(jìn)行聯(lián)鎖，防止燃料壓力低回火；同時(shí)防止燃料氣
壓力過高，引起噴嘴脫火或滅火；
3)燃料油與霧化蒸汽壓力，為保證燃料油被充
分霧化，必須控制好燃料油與霧化介質(zhì)之間的流量
比。一般采取以下控制方案：①根據(jù)燃料油閥后壓
力與霧化蒸汽(空氣)壓力之差來調(diào)節(jié)霧化介質(zhì)；
②采用燃料油閥后壓力與霧化蒸汽(空氣)壓力比
值控制。
(3)進(jìn)料流量監(jiān)控。其重點(diǎn)監(jiān)控工藝參數(shù)有：
1)進(jìn)料流量單參數(shù)控制；
2)上游設(shè)備液位與進(jìn)料流量均勻控制，通常希
望上游設(shè)備的液位與加熱爐進(jìn)料流量組成串級(jí)均勻控
制。
除上述參數(shù)外，部分加熱爐也對(duì)煙氣氧含量進(jìn)行
了測(cè)量，確保正確的燃料／空氣之比，既維持足夠的空氣
量以保證燃料能完全燃燒和安全操作，又防止空氣的
數(shù)量過大帶走熱量使加熱爐效率降低。
1．3現(xiàn)有化工加熱爐安全聯(lián)鎖情況分析
通過對(duì)化工加熱爐采取的通用控制手段進(jìn)行分
析，發(fā)現(xiàn)目前大多數(shù)加熱爐都已采取了針對(duì)爐膛溫
度、壓力和燃料流量的自動(dòng)化控制措施。在安全控制
方面，調(diào)研中涉及的加熱爐中，已有95％的化工加
熱爐設(shè)置了安全聯(lián)鎖，只有5％的化工加熱爐未提及
相關(guān)安全聯(lián)鎖手段。
調(diào)查發(fā)現(xiàn)目前加熱爐中主要存在的安全聯(lián)鎖包
括：燃料氣／油壓力低聯(lián)鎖，加熱介質(zhì)進(jìn)料流量低聯(lián)鎖，
空氣壓力低聯(lián)鎖，長明燈壓力低聯(lián)鎖，爐膛壓力高／低
聯(lián)鎖，煙道氣溫度高聯(lián)鎖，鼓、引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)聯(lián)鎖等。另
外，根據(jù)不同化工加熱爐在其所在裝置中的作用，聯(lián)鎖
邏輯往往會(huì)關(guān)聯(lián)一些相關(guān)塔、器的工藝參數(shù)(溫度、壓
力、介質(zhì)流量等)。
除上述安全控制措施外，火焰監(jiān)測(cè)也逐漸發(fā)展
成為重要的加熱爐安全控制手段。很多加熱爐設(shè)置了
基于火焰監(jiān)測(cè)的聯(lián)鎖停車系統(tǒng)。在具體邏輯設(shè)置上。
各加熱爐有一定區(qū)別，如三臺(tái)火檢任意一臺(tái)檢測(cè)不到
火焰報(bào)警，火焰檢測(cè)同時(shí)熄滅聯(lián)鎖，主火焰兩臺(tái)火焰
熄滅報(bào)警聯(lián)鎖等。根據(jù)上報(bào)結(jié)果，在調(diào)查表中明確提
出采用了火焰監(jiān)測(cè)技術(shù)的加熱爐只有二十余臺(tái)，相關(guān)
統(tǒng)計(jì)如圖5所示。
探討·交流<<
圖5化工加熱爐通用控制手段分析
1．4化工加熱爐事故分析
通過對(duì)化工加熱爐事故發(fā)生情況及是否存在安
全隱患情況進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在已調(diào)查的266臺(tái)化工
加熱爐中，如圖6所示，發(fā)生過事故或存在安全隱
患的有85臺(tái)(32％)。調(diào)查表中未提及的有181臺(tái)
(68％)。
圖6化工加熱爐事故發(fā)生及安全隱患分析
根據(jù)調(diào)查結(jié)果，分析上報(bào)的事故或隱患主要為
爐管泄漏、爐管結(jié)焦、工藝控制不當(dāng)、安全控制措施
不完善等。各類型的分析如圖7所示。
!：爐t或閩門泄捆
●工藝控制不當(dāng)
·安全控制抽施不當(dāng)
t爐■結(jié)黧
圖7事故或隱患類型分析
通過對(duì)發(fā)生爐膛結(jié)焦加熱爐的控制措施分析發(fā)
現(xiàn)：發(fā)生爐膛結(jié)焦的加熱爐往往未對(duì)爐管溫度、爐膛
溫度及加熱介質(zhì)出VI溫度、流量等進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控，造
成爐膛、爐管局部溫度過高，造成結(jié)焦現(xiàn)象。通過對(duì)
發(fā)生爐管泄漏加熱爐的通用控制措施分析發(fā)現(xiàn)：發(fā)生
爐管泄漏的加熱爐往往未嚴(yán)格控制排煙溫度及尾氣含
氧量，造成爐管低溫露點(diǎn)腐蝕及高溫氧化，從而造成
爐管泄漏。工藝控制不當(dāng)?shù)那闆r較為復(fù)雜，與加熱爐
所在的工藝類型密切相關(guān)，如燃料氣、風(fēng)量的控制不
當(dāng)，電氣、閥門故障等都有可能造成不同程度的后
果。安全控制措施不完善集中在缺乏必要的安全聯(lián)鎖
和火焰監(jiān)測(cè)控制等。
嚴(yán)重的加熱爐事故主要表現(xiàn)為爐膛閃爆，通過
對(duì)發(fā)生爐膛閃爆與未發(fā)生此事故加熱爐的通用控制措
萬方數(shù)據(jù)
>>Research&amp;amp;Discussion
表1國內(nèi)外化工加熱爐安全控制方案對(duì)比
日本歐洲美國中國
項(xiàng)目／標(biāo)準(zhǔn)JISB8415 EN746 NFPA86
現(xiàn)狀
工業(yè)燃燒爐安全通則工業(yè)熱加工設(shè)備烤箱與熔爐標(biāo)準(zhǔn)
基于危險(xiǎn)與風(fēng)險(xiǎn)分析基于危險(xiǎn)與風(fēng)險(xiǎn)分析將火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)最低
基于危險(xiǎn)與風(fēng)險(xiǎn)分析進(jìn)行本質(zhì)
控制回路安全設(shè)計(jì)。(部分控制回路設(shè)
進(jìn)行本質(zhì)安全設(shè)計(jì)。進(jìn)行本質(zhì)安全設(shè)計(jì)?；O(shè)計(jì)。
計(jì)直接套用國外相關(guān)設(shè)備)
采用安全PLC； 采用安全PLC； 采用安全PLC； 采用安全PLC；
聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)直接切斷聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)直接切斷聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)直接切斷聯(lián)鎖動(dòng)作時(shí)直接切斷燃料切斷
燃料切斷閥； 燃料切斷閥； 燃料切斷閥； 閥；
安全聯(lián)鎖
確定各聯(lián)鎖回路安全確定各聯(lián)鎖回路安全確定各聯(lián)鎖回路安全絕大多數(shù)安全聯(lián)鎖回路沒有進(jìn)
完整性等級(jí)并進(jìn)行分完整性等級(jí)并進(jìn)行分完整性等級(jí)并進(jìn)行分行安全完整性評(píng)估，沒有進(jìn)行
級(jí)管理。級(jí)管理。級(jí)管理。分級(jí)管理。
2臺(tái)串聯(lián)采用l臺(tái)切斷閥居多，且對(duì)切
安全切斷閥2臺(tái)串聯(lián)2臺(tái)串聯(lián)
(切斷時(shí)間1S以內(nèi)) 斷時(shí)間沒有嚴(yán)格要求。
絕大多數(shù)沒有設(shè)置火焰監(jiān)測(cè)裝
火焰監(jiān)測(cè)裝置各燃燒器單獨(dú)設(shè)置。各燃燒器單獨(dú)設(shè)置。各燃燒器單獨(dú)設(shè)置。
置。
控制用溫度傳感器與控制用溫度傳感器與控制用溫度傳感器與巨大多數(shù)滿足控制溫度用傳感
爐膛防高溫裝置聯(lián)鎖用溫度傳感器獨(dú)聯(lián)鎖用溫度傳感器獨(dú)聯(lián)鎖用溫度傳感器獨(dú)器與聯(lián)鎖用溫度傳感器獨(dú)立設(shè)
立設(shè)置。立設(shè)置。立設(shè)置。置要求。
最少爐膛容量4倍以
吹掃風(fēng)量爐膛容量5倍以上。實(shí)施5次吹掃。無硬性要求。
上。
施對(duì)比發(fā)現(xiàn)：發(fā)現(xiàn)爐膛閃爆的加熱爐未使用火焰探測(cè)
報(bào)警聯(lián)鎖裝置或火焰探測(cè)器故障率高，無主火焰切斷
閥，無燃料氣壓力低報(bào)警聯(lián)鎖裝置，無燃料氣切斷閥
等控制措施。
1．5企業(yè)建議
由圖8數(shù)據(jù)可以看出，已參與調(diào)研的266份化工
加熱爐報(bào)告中有37％對(duì)化工加熱爐存在的問題提出
建議。
圖8企業(yè)提建議情況統(tǒng)計(jì)
分析整理各企業(yè)提出的建議，多數(shù)為針對(duì)其上
報(bào)加熱爐中不完善的工藝控制措施提出相關(guān)建議，總
結(jié)為以下幾點(diǎn)：
(1)完善加熱爐溫度安全控制，設(shè)置介質(zhì)出口
溫度高報(bào)警、聯(lián)鎖，在燃料氣管線上設(shè)置緊急切斷閥
門，設(shè)置鼓／引風(fēng)機(jī)停爐聯(lián)鎖。
(2)完善燃料氣壓力安全控制，設(shè)置燃料氣壓
力低報(bào)警和低低聯(lián)鎖燃料氣切斷。
(3)設(shè)置火焰監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，監(jiān)控火焰、爐管
及爐膛內(nèi)部狀況，實(shí)現(xiàn)三維溫度場(chǎng)可視化在線監(jiān)視控
制。
(4)點(diǎn)火方式為手動(dòng)點(diǎn)火的，建議改進(jìn)火嘴點(diǎn)
火方式或增加自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)。
(5)建議對(duì)爐管進(jìn)行定期檢查維護(hù)，按時(shí)更換
爐管。
(6)在加熱爐周邊區(qū)域安裝可燃、有毒氣體報(bào)
警。
2國內(nèi)外化工加熱爐安全控制方案對(duì)比
充分分析歐美日先進(jìn)國家目前對(duì)于加熱爐安全
控制的最新要求，并根據(jù)本次國內(nèi)加熱爐安全控制方
案的調(diào)研結(jié)果，分析目前國內(nèi)控制方案存在的問題，
如表l所示。
3結(jié)束語
本文充分調(diào)研分析國內(nèi)石化13家生產(chǎn)企業(yè)化工
加熱爐安全運(yùn)行現(xiàn)狀的，對(duì)國內(nèi)加熱爐爐型、熱負(fù)
荷、安全控制方案、以往發(fā)生事故等方面進(jìn)行了研究
分析；并根據(jù)歐美日等國際發(fā)達(dá)國家先進(jìn)加熱爐控制
技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合歐美企業(yè)良好工程實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)
目前國內(nèi)化工加熱爐安全控制方案與國外先進(jìn)國家的
規(guī)范要求存在的差距。
口

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