德士古水煤浆加压气化炉安全系统仪表设计

1、工程设计与标准石油化工自动化,2003,6:11AUTOMATIONINPETRO2CHEMICALINDUSTRY德士古水煤浆加压气化炉安全系统仪表设计赵柱(天辰化学工程公司,天津300400)摘要:介绍了德士古水煤浆加压气化炉的安全系统,详细阐述如何进行检测仪表和控制元件的设计来提高安全系统的可靠性,参与安全系统的切断球阀通过仪表压缩空气的相互连接,从而有效地实现气化炉系统的安全开车、停车等操作。关键词:低选器;三取二系统;冗余;双电磁阀中图分类号:TP273文献标识码:B文章编号:100727324(2003)0620011203DesignofTexacoSlurryGasifierS

2、afetySystemZHAOZhu(TianchenChem.Eng.Co.,Tianjin,300400,China)Abstract:TheTexacoslurrygasifiersafetysystemandhowtoimprovethesafetysystemsreliabilitybyde2signofsensorandcontrolelementisdescribed.Theon2offballvalvesofthesafetysystemshallbeconnectedviainstrumentairtocontrolthegasifiersystemsstart2upands

3、hutdownsafely.Keywords:lowselector;twooutofthreesystem;redundancy;dualsolenoid1气化炉工艺简介德士古水煤浆加压气化采用流化床反应器,其工艺流程为:水煤浆经加压送至气化炉喷嘴与氧气按一定比例进行均匀混合,以雾状的形式喷入温度1350及压力2.7MPa的气化炉内,进行非催化常或给定的参数下有最佳的安全运行状态。如果阀门不在其应在的正确位置或在自动调节之后仍偏离给定的运行参数,系统将向操作人员报警,严重时引起停车触发器动作而实现停车。当安全系统发出停车信号后,系统的停车动作就会自动地一直进行到底,不管在动作过程中,系统是否

4、已经恢复正常状态,只有在整个动作完成并复原后,系统才具有再次起动开车的能力。3气化炉安全系统的设计系统的逻辑线路检测端和执行端采用“失电压”原则进行设计,即正常带电,事故断电的原则。也即宁可系统任一环节失效停车而不会由于某一环节失效而导致联锁保护功能失效,以提高安全系统的可靠性。1)为了避免检测端变送器和发信开关失效而导致联锁系统误动作,在安全系统中采用了三取二表决逻辑,如图1所示。水煤浆含固量为65%,加添加剂后,控制其黏度为0.351.00Pas。管内流速很低,一般不大于1.0m/s,磨损性很大。据德士古公司多年的经收稿日期:2003206212;修改稿收到日期:2003210208作者简

5、介:赵柱(1969-),男,天津人,1993毕业于浙江大学生产过程自动化专业,现任中国天辰化学工程公司仪表电气部仪表一室主任,长期从事自控工程设计。性的快速火焰型反应,通过控制氧量,使煤部分氧化,制取水煤气。其反应方程式为CnHm+2O2=nCO+2H2煤气经过激冷水浴,洗涤除尘制成水蒸汽饱和的合成气送出。煤中部分未燃尽的碳和不可燃的灰分,在高温下形成熔渣落入气化炉激冷室水浴中,熔渣迅速固化,经过气化炉渣斗定期地排入渣池。2气化炉安全系统由于气化炉是在激烈的氧化、还原反应和高达1350,2.7MPa的高温高压操作条件下,气化反应生成的水煤气属于易燃、易爆的气体,其爆炸分级、分组为CT1。为了保

6、证气化炉和人身的安全,设计气化炉的安全系统是极其重要的。气化炉安全系统是从开车、运行,直到停车的一整套安全自动操作监控系统。气化炉运行过程中,每执行一个步骤,无论是手动还是自动操作,安全系统将连续监控生产过程中最重要阀门的阀位状态并自动调整最主要的工艺参数,实现装置在正© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.12石油化工自动化2003年验,认为目前采用电磁流量计最好,电磁流量计采用耐磨的聚氨脂橡胶衬里。在同一条煤浆管线上安装两台电磁流量计和1台煤浆泵转速变速器,其输出的流量信号分

7、别进入DCS和PLC,进入PLC的3路流量信号通过三取二表决逻辑进行联锁。进入DCS的3路煤浆流量信号同时输入内部仪表选择器中,比较3个信号,取其中间值作为煤浆流量的最终值。这是为了增加可靠性,避免因复杂的操作工况和恶劣的环境在长期运行中带来的不可靠因素。SOVlB的13口而去SBV的气缸。一旦SOV1A电磁阀线圈损坏不能动作时,可由SOVlB的13口保证气路畅通;一旦SOVlB失效时,则由SOVlA的13口及SOVlB的23口保证气路畅通。联锁动作使SOVlA,SOVlB断电时气缸的空气通过SOVlB的32口及SOV1A32口进行放空,保证起切断作用。在冗余的双电磁阀系统中两个电磁阀长期带电

8、工作,即使有1个电磁阀的线圈烧坏,不致联锁停车,在联锁停车时,还能保证联锁切断阀门完全关断。图1三取二表决逻辑(正常为1)2)在联锁系统中最薄弱的环节是执行端的电磁阀,因为它们长期在露天的环境下工作,倘若一旦失效,不是导致安全联锁保护系统误动作就是在关键时刻起不到应有的作用。为此,在气化炉安全联锁系统采用双电磁阀冗余的方案。在气化炉安全联锁系统中,安全联锁停车后,根据工艺要求和操作需要,气化炉进料和出料的物料线所有切断阀门都应当处于关闭的状态,因此其阀门选用没有气源时关(FC)。在同一条氧气管线上,前后设置两个切断阀门,以保证联锁停车以后氧气完全切断。下面就以煤浆切断阀说明冗余电磁阀的动作过程

9、。ASCO三通电磁阀的类型如下,双电磁阀结构如图2所示。a)NC(NormallyClosed)表示当线圈断电时排出压力(电磁阀的进气口与大气相通),当线圈通电时提供压力(电磁阀的进气口与阀门的气缸相通);b)NO(NormallyOpen)表示线圈断电时提供压力(电磁阀的进气口与阀门的气缸相通),当线圈通电时排出压力(电磁阀的进气口与大气相通);c)U(Universal)具有常开或常闭功能,任何一个接口可做为进气口。在电磁阀3个接口中3为公共口,电磁阀带电时13口相通;断电时23口相通。基于气化炉安全的考虑,电磁阀正常情况下是带电的,提供压力给执行机构,在此电磁阀的选择为NC型式。正常情况

10、下,两个电磁阀SOVlA,SOVlB均带电,气源送至SOVlA,SOVlB后,首先经过SOVlA的13口到达SOV1B的2口,另一路经过图2双三通电磁阀原理图3)气化炉安全联锁系统所有的切断阀门都装有接近式行程开关,把阀门所处的位置分别送入PLC和模拟报警盘,送入PLC的信号作为确认信号参与联锁,确认切断阀动作到位,才能进行下一步动作,如果切断阀的动作不到位,联锁系统动作使其停车;送入模拟报警盘的信号能够实时指示现场各个阀门的准确位置,使操作人员真正了解气化炉的操作进程。4)气化炉安全联锁系统所有的切断阀门都是气动的,煤浆切断阀、循环阀和氧气切断阀、放空阀通过气动信号相互联系,从而保证气化炉平

11、稳、安全进行生产。在爆炸危险区域内,气动仪表是绝对安全的,因此在现场设置了气动系统来保证气化炉安全的绝对性。4应用实例下面就以1条煤浆管线和1条氧气管线的气动信号来说明气化炉安全系统气动系统的设计,系统原理如图3所示。当按动安全系统中煤浆循环按钮后,动力气源分别通过安全系统控制下的电磁阀将煤浆循环阀SRV201打开。此时阀位输出气源信号为零。当按动煤浆运行按钮后,安全系统中煤浆自动切断阀SBV201及SBV202的电磁阀开启,动力气源进入系统后分成两路,一路直接驱动活塞分别将SBV201及SBV202打开,另一路则通过ZYSB201低选器选择后进入氧气系统自动切断阀OBV201,OBV202动

12、力气源入口三通阀前。© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第6期赵柱1德士古水煤浆加压气化炉安全系统仪表设计13图3气化炉安全系统气动系统原理图能否通过三通阀将OBV201,OBV202打开,还当按动安全系统氧气运行按钮之后,经过一定要经3个信号的确认和动作才能最后完成。这3个信号气源及动作如下。411SBV201,SBV202阀位确认信号系统的时间调节和逻辑步骤后,OBV201,OBV202的电磁阀将自动打开阀门。110MPa信号气源将分别通过各自的电磁阀进入氧气切断阀动力气

13、源入口三通阀的气动薄膜执行机构,分别将此阀打开。动力气源即通过此阀进入活塞执行机构,分别将OBV201,OBV202打开,煤氧进入气化炉,气化炉开当SBV201,SBV202打开后,大约经过10s,SRV201自动关闭,此时阀位变送器输出气源的压力为110MPa。SBV201,SBV202打开的状态分别通过阀位变送器ZTSB201和ZTSB202发出信号,然后经过低选器ZYSB202输出110MPa气动信号,此信号分两路分别输入到控制氧气动力气源三通阀的气动薄膜执行机构(此三通阀由煤浆切断阀的阀位信号控制),将三通阀开启,使动力气源通过。412氧气放空阀OVV201阀门确认信号系统始运行。41

14、4安全系统德士古的安全系统采用了Modicon2984可编程序控制器,控制器的CPU,电源卡和通讯卡采用冗余,输入采用三取二,保证了系统运行的安全稳定,PLC采用RS2232C通讯接口与DCS进行连接,使安全联锁系统在DCS画面上进行指示。5设计体会1)熟悉工艺流程,了解操作规程。每一种控制按动氧气运行按钮之后,动力气源将通过安全系统监控下的电磁阀驱动OVV201气动活塞将放空阀关闭。当此阀关闭一半时,阀位变送器ZTOV201将输出110MPa气动信号,此信号分成方案都针对特定的工艺要求,深刻理解操作规程,才能设计出合理、可靠、简要的安全系统。2)与生产实践相结合,总结经验,不断改进设计。在气

15、化炉安全联锁系统中,气动切断阀有两种气动低选器,一种是输入信号为两路0110MPa(下转第16页)两路分别输入到控制氧气动力源三通阀的气动薄膜执行机构(此三通阀由氧气放空阀的阀位信号控制),将三通阀开启,信号气源又向前输送了一步。413安全系统电磁阀动作© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.16石油化工自动化2003年ADAM4050的设备变量,寄存器全为DIO,数据类型为Byte,采集频率500ms,通讯为只读方式。在该系统中设定波特率为9600,无校验,数据位8位,停止位1

16、位。在通讯过程中,组态王按照系统定义的时间间隔定时发送读DI的指令,ADAM4050在收到指令后,按照固定的格式返回DI数据。在该系统中组态王是通过ADAM4500连接到ADAM4050的,而组态王不能直接对ADAM4500进行组态,因此ADAM4500中的通讯程序就得转发从组态王收到的关于读ADAM4050DI的指令到ADAM4050,并把从ADAM4050返回的DI数据转发至组态王进行显示。因为ADAM4500没有通讯中断功能,所以收发必须按查询方式进行。由于多个ADAM4500同时连在1条RS2485双绞线上,ADAM4500中的通讯程序还得解决通讯问题,主要问题是ADAM4500在收到

17、组态王发来的要求读DI的命令“AA6(CR)”的同时,还收到了其他ADAM4050发往组态王的返回数据。在程序中用以下方法处理。str0=4500收到的命令串(上接第13页)str1=“AA6”ptr=strstr(str0,str1)如果ptr=1,则可从收到的命令串中找到要发往ADAM4050的命令串,并把它发往ADAM4050。上下位机通讯是通过查询子程序)来完成的,每隔一定时间查询OX3FDformpc(状态口;如果DO为“1”时,表明接收缓冲区满,可以从OX3F8口读入一个字节,直到发送来的数据接收完为止。然后再对收到的数据用以上方法进行分析和处理。5应用体会通过该项目的设计笔者有一

18、个深刻的体会,当检测点和控制点多而且分散的情况下,用ADAM4000系列组成的分布式数据采集和控制系统可充分发挥现场总线的优势,节省大量的电缆。其分散程度、配置灵活程度和性能价格比远较由PLC组成的系统优越。当然,由于电缆使用量的大幅度减少,也就大量减少了安装和维护工作量,降低了整个项目的投资,提高了项目的整体经济效益。信号,输出是一路0110MPa信号;另一种是输入信号为两路0512MPa信号,输出是一路0512MPa信号,在现场第二种气动低选器经常损的CV,从而选择合适口径的电磁阀。电磁阀的口径确定以后,仪表供气的气源管的口径不得低于电磁阀的口径。表1气动低选器和气控三通阀的输入输出关系比较表类型气动低值选择器第一路输入第二路输入信号输出信号/信号/MPa005.25.2(控制用)/MPa05.205.205.205.2MPa0005.20005.2坏,与厂方技术人员研究决定改用气控三通阀,针对该工艺和操作规程进行分析认为是可行的,由于气动低选器的输入信号是0512MPa,但是这个信号是三通电磁阀的输出,电磁阀只有两种状态:全开和全关,因此气动低选器的输入信号只有0和512MPa,整定气控三通阀的控制信号的设定值为218MPa。气动低选器和气控三通阀的输入和输出的关系比较如表1所列。3