燃气加热炉火焰监测和熄火保护安全保护措施.pdf
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1、2023 年第 39 卷第 2 期石油化工安全环保技术PETROCHEMICAL SAFETY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY41管式加热炉作为石油化工装置中主要的明火设备,是用燃烧火焰直接加热炉管内的工艺介质,为装置生产提供高温位热能。管式加热炉主要特性有:1)炉管内部的工艺介质通常为易燃、易爆的油汽;2)燃烧室内部(辐射室)为单台或多台燃烧器燃烧供热;3)辐射炉管在燃烧室内直接受火焰加热,将热量传递给炉管的工艺介质。对于管式加热炉来讲,最主要的安全性能是燃烧的安全性。1 国内管式加热炉燃料现状20 世纪之前,我国所建成的管式加热炉,大多以燃料
2、油为主要燃料。随着 2001 年国内各大天然气气田的快速开发,以及节能环保要求的加强,各石化企业的管式加热炉所用燃料油逐渐被天然气所替代。管式加热炉在油改气的实施过程中,由于受到各装置加热炉现场有限的空间结构和项目投资紧缺等因素的限制,最终并没有实现对所有的燃气加热炉配备完善的火焰监测和熄火保护等安全保护措施,为今后的日常生产活动埋下了一定的安全隐患。2 安全性分析燃气加热炉在生产运行过程中,由于各种原收稿日期:2021-12-22作者简介:任祥娟,女,2007 年毕业于大庆石油学院应用化学专业,主要从事石油化工工艺设计工作,助理工程师。电话:13591763069,E-mail:rose_燃
3、气加热炉火焰监测和熄火保护安全保护措施任祥娟1,万小芳2(1.大庆华凯石油化工设计工程有限公司大连分公司,辽宁 大连 116000;2.中国石油天然气股份有限公司辽阳石化分公司,辽宁 辽阳 111000)摘要:介绍并分析了燃气加热炉的安全性,以及现阶段国内燃气加热炉配火焰监测和熄火保护措施的技术特点。国家应急管理部由此颁发的相关整改要求:对运行的燃气加热炉和导热油炉增设火焰监测和熄火保护设置。针对国内现役运行的燃气加热炉的不同情况,提出了不同的技术改造路线:单台燃烧器的燃气加热炉可设置光学火焰检测器和相应的联锁措施;燃烧器数量为 2 台或 3 台的燃气加热炉设置光学火焰监测器和相应的熄火保护措
4、施;燃烧器数量 4 台的燃气加热炉,可设计带火焰报警功能的工业电视及相应的熄火保护措施。关键词:燃气加热炉燃烧器安全火焰监测熄火保护因导致火焰熄灭后,将会有大量的可燃气体聚积在辐射室。当空气和燃料的比值(空燃比)尚未达到爆炸极限时,将会影响加热炉的热负荷,进而影响装置的负荷,甚至会造成装置停车,直接导致经济损失及造成环境污染等;当空燃比达到爆炸极限时,将会发生炉膛爆炸。西部某石化企业,2009 年装置开工期间,由于加热炉开工用燃料为液化石油气,而设计工况所用燃料为炼厂瓦斯,两种燃料气组分差距较大,液化石油气与炼厂瓦斯相比,重组分较多,氢气组分较少,造成了开工期燃料燃烧不完全,导致火焰熄灭且未能
5、做出及时响应,辐射室底部沉积了大量的可燃气体,最终引发了加热炉的 爆炸。燃烧器在使用过程中有时会发生火焰熄灭、着火滞后或点火失败等现象,这些现象均为燃气加热炉的安全隐患。分析加热炉燃烧火焰的熄灭,主要有以下几种原因:1)燃料气和预混空气流速过高,火焰不连续,使燃料气离开喷头一段距石油化工安全环保技术422023 年第 39 卷第 2 期离后才着火,发生脱火现象;2)操作不当,点炉后一次空气量过大,将火焰吹灭;3)燃料气压力过低,燃料供给不足造成熄火;4)燃料气参数发生异常,如气相中混入了液相组分或者燃料中混入大量惰性气体,如氮气等。通过对燃气加热炉安全性能的分析,为了能够及时、可靠地检测燃烧器
6、的燃烧状况,防止由于火焰熄灭导致的事故发生。国家应急管理部办公厅于 2020 年 10 月 23 日颁发了淘汰落后危险化学品安全生产工艺技术设备目录(第一批)通知,其中要求对运行的燃气加热炉和导热油炉增设火焰监测和熄火保护设置。3 技术方案根据应急管理部下发的文件要求,并结合国内现役燃气加热炉的实际情况,要求对无火焰监测和熄火保护系统的燃气加热炉、导热油炉运行安全隐患整改,工作内容是要对现有加热炉的火焰监测系统、联锁系统、燃料供给系统和加热炉设备本体进行相应的技术改造。3.1 火焰监测方式选择燃烧器火焰监测的方式有光学火焰检测器(紫外线火焰检测器或红外线火焰检测器)、离子火焰检测器、带火焰熄灭
7、报警功能的工业电视、炉膛视频测温监控系统。3.1.1 光学火焰检测器光学火焰检测器采用非接触式传感器,由于不同燃料燃烧所产生火焰的波长不同,而区分为紫外线强度火焰和红外线强度火焰。可根据检测到的火焰强度的不同,分别选用相应的紫外线火焰检测器或红外线火焰检测器。光学火焰检测器的检测元件和光学信号处理为同一装置,定义为火焰检测探头,输出信号直接进入逻辑控制装置,不需要中间处理单元,输出的是 420 mA 信号。当火焰熄灭后,根据工艺要求可立即给出信号报警或给出信号直接触发安全联锁。光学火焰检测器可以单独检测燃烧器的主火焰或长明灯火焰,具有灵敏度高,抗干扰能力强,稳定性好等特点。但是光学火焰检测器只
8、能检测单独火焰,对于同一台燃烧器,不能同时检测主火焰和长明灯火焰,更不能同时检测多台燃烧器的火焰。所以,此方案的实施需要每台燃烧器至少设置 1 台光学检测器,以保证火焰监测的全覆盖。3.1.2 离子火焰检测器离子火焰检测器采用的是离子探头,直接接触火焰,常用于检测长明灯火焰。设备工作时是将离子探针深入火焰区,利用燃料燃烧产生电离的特性检测是否有火焰的存在,当探头检测到离子流时,将会发出火焰建立信号,信号经放大处理后,送入控制室。当火焰熄灭后,根据工艺要求可立即给出信号报警或给出信号直接触发安全联锁。由于离子火焰检测器的探针长时间处于高温的火焰区工作,易受污染,所以通常适合较为洁净的燃料气工况。
9、虽然离子火焰检测器单体价格相对较低,但由于长期在高温工况下运行,有效使用寿命较短,因此后期使用和维护的工作量及费用相对大。3.1.3 带火焰熄灭报警功能的工业电视炉膛火焰监控工业电视系统采用的是视频成像技术,利用高温摄像机采集到视频信号后,传送至控制室的监视器上,控制系统通过对视频图像的分析,判断火焰是否正常燃烧,当有火焰熄灭时,系统分析后立即发出报警信号,待操作人员介入处理;操作人员也可以在控制室的监视器上清晰的观察到炉内火焰燃烧的真实影像,能够及时发现和解决问题。该系统主要由高温摄像探头、推进器、炉壁连接体、监控主机、图像处理服务器、监视器等组成。其中高温摄像头布置在辐射炉膛内,根据炉膛尺
10、寸和燃烧器的布置情况,结合监视器的观察视角(一般为 40120),炉膛内一般布置 1台或数台高温摄像头,以保证能够将所有燃烧器点火和正常运行时的图像中心调整至监视器的最佳观察位置。3.1.4 炉膛视频测温监控系统 炉膛视频测温监控系统采用的是耐高温内窥式可视化炉膛火焰燃烧温度场的红外测量装置其 任祥娟等.燃气加热炉火焰监测和熄火保护安全保护措施 432023 年第 39 卷第 2 期测温监控系统如图 1 所示。该装置分别利用了红外检测热辐射技术、图像比色测温技术和计算机图像处理技术等,通过服务器建立温度场模型,将被测炉膛图像经高温内窥式摄像头采集后,通过两级半反半透镜分别进入近红外图像传感器成
11、像、比色探头和彩色传感器成像,最终实现在控制室的监视器上实时显示炉内火焰燃烧图像。操作人员可以监测燃烧火焰和炉膛内各部位的温度场分布,并通过图像显示,能够及时发现和解决问题。而且该装置在火焰熄灭时可及时发出报警信号,便于操作人员可立即介入处理。3.2 熄火保护措施燃气加热炉熄火保护系统的配置应满足石油化工企业设计防火标准(GB 501602008(2018 年版)第“5.7.8 条”的要求,以及“无火焰监测和熄火保护系统的燃气加热炉、导热油炉”的条文释义。分析熄火保护措施应包括:1)加热炉应设置长明灯,以避免燃烧器主火焰的熄火。2)除长明灯外,燃料气系统同时设置以下联锁作为熄火保护措施:a.主
12、火焰燃料气压力低低联锁。当主火焰燃料气压力低低时,联锁切断主火焰燃料气紧急切断阀,长明灯燃料气正常供气。b.长明灯燃料气压力低低联锁。当长明灯燃料气压力低低时,联锁切断长明灯燃料气,原则上应同时切断主火焰燃料气。3)长明灯燃料气、主火焰燃料气联锁压力信号宜按三取二的原则确定。4)有长明灯燃料气、主火焰燃料气切断阀与紧急停炉联锁。3.3 改造方案路线根据以上燃烧器火焰监测方式和熄火保护措施的介绍和分析,结合现阶段国内各石化企业燃气加热炉的不同状况,综合经济和技术两方面因素,对火焰监测和熄火保护功能不完善的加热炉提出不同的改造路线。3.3.1 改造路线一当燃气加热炉无任何火焰监测设施时,若加热炉的
13、每个辐射炉膛的燃烧器数量为单台,可以考虑分别在每台燃烧器长明灯和主火焰上安装 1台光学火焰检测器,同时分别与长明灯供气支管线及主火焰燃料供气支管线的紧急切断阀设置联锁,以实现火焰监测及熄火保护的目的。3.3.2 改造路线二当燃气加热炉无任何火焰监测设施时,若加热炉的每个辐射炉膛的燃烧器数量为 2 或 3 台,可以考虑在每台燃烧器上分别安装 1 台光学火焰检测器,将火焰熄灭的报警信号送至控制室;同时按照第 3.2 条要求,完善加热炉的熄火保护措施。以图 1 炉膛视频测温监控系统原理石油化工安全环保技术442023 年第 39 卷第 2 期实现对燃气加热炉火焰监测和熄火保护的目的。3.3.3 改造
14、路线三当燃气加热炉无任何火焰监测设施时,若加热炉的每个辐射炉膛的燃烧器数量 4 台,可以考虑分别在每个辐射炉膛设置带火焰熄灭报警功能的工业电视,可以将火焰熄灭的报警信号送至控制室;同时按照第 3.2 条要求,完善加热炉的熄火保护措施。以实现对燃气加热炉火焰监测和熄火保护的目的。3.3.4 改造路线四当燃气加热炉装有不带报警功能的炉膛火焰监控工业电视系统时,可委托原工业电视供应商对监控电视进行升级改造,增加火焰熄火的报警功能,将火焰熄灭的报警信号送至控制室;同时按照第 3.2 条要求,完善加热炉的熄火保护措施。以实现对燃气加热炉火焰监测和熄火保护的目的。4 结 语自 2020 年 10 月国家应
15、急管理部办公厅发布通知,要求对运行的燃气加热炉和导热油炉增设火焰监测和熄火保护设置以来,国内各石化企业积极响应,陆续开展了对燃气加热炉的安全治理工作。项目在实施过程中,通过对各装置加热炉具体情况的分析,以及对火焰监测和熄火保护设施的对比,在技术均可满足安全生产的前提下,则要考虑经济实用性。即当燃烧器数 量 4 台时,优先考虑采用光学火焰检测器及相应的熄火保护措施;当燃烧器数量 4 台时,可选用带有报警功能的监控电视及相应的熄火保护措施。参考文献:1 钱家麟,主编.管式加热炉 M.2 版.北京:中国石化出版社,2003:633-638.2 一般炼油装置用火焰加热炉:SH/T 30362012S.
16、北京:中国石化出版社,2013.3 蔡建光.炼油厂一般火焰加热炉燃烧器火焰监测 J.石油化工安全环保技术,2011,27(3):29-32.(上接第 28 页)界定较少。通过对污水零排放分盐项目工艺设计中关键点的探讨,对类似项目工艺设计及相关标准规范制定提供参考和借鉴。参考文献:1 张骏驰,薛旭.煤化工高盐废水零排放分盐处理技术进展研究 J.大氮肥,2022,45(1):60-64.2 中石化宁波工程有限公司.石油化工给水排水系统设计规范:SH/T 30152019 S.北京:中国石化出版社,2019:2-4.3 中国石化集团洛阳石油化工工程公司.石油化工污水处理设计规范:GB 5074720
17、12 S.北京:中国计划出版社,2012:4.4 彭 赛 军.NaCl-Na2SO4-H2O 体 系(MVR)与(ME)盐硝联产工艺生产分析 J 中国井矿盐,2012,43(2):1-3.5 王晓琳.纳滤膜分离机理及其应用研究进展J.化学通报 2001,2(5):86-90.中有机物含量高,TDS 含量高成分复杂,易造成干燥设备腐蚀、堵塞、干燥后物料无法卸出等现象,目前市面上大部分干燥工艺并非针对高盐水零排放母液干燥开发,需进一步改进才可适应零排放终母液干燥工况。蒸发结晶系统是最终实现污水零排放和分盐的关键步骤,若蒸发结晶系统出现故障,再叠加暂存能力不足问题,整个工厂将不得不因污水处理场而停工
18、,因此蒸发结晶系统工艺及设备的选择应以耐用、稳定为主,不宜过于复杂。2 结 语煤化工污水零排放分盐设计与达标排放污水处理场以及零排放混盐污水处理场设计既有相同之处又有许多不同之处。各种新工艺、新设备还在不断研发、摸索阶段,能长周期稳定运行的零排放分盐案例并不多,现有污水处理设计规范并不能完全覆盖此类污水处理场的设计,部分内容quently in work activities that involve work at height in petrochemical industry in China,a large part of which is related to scaffolding
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