[新能鳳凰(滕州)能源有限公司,山東 滕州 277527]
德士古工藝燒嘴是氣化裝置的關鍵設備,一般為三流道外混式設計,在燒嘴中煤漿被高速氧氣流充分霧化,以利于氣化反應。德士古燒嘴插入氣化爐燃燒室中,我公司正常生產狀況下,燒嘴承受1 350 ℃左右的高溫;為防止燒嘴損壞,在燒嘴外側設置冷卻盤管,在燒嘴頭部設置水夾套,并由2臺燒嘴冷卻水泵、冷卻水槽、事故燒嘴水泵向燒嘴供應冷卻水,同時,系統(tǒng)設置了復雜的安全聯(lián)鎖。由于燒嘴冷卻水泵的電氣回路配置容量偏小,元器件選用國產,聯(lián)鎖系統(tǒng)不完善,曾因長期高負荷運行和電氣產品的性能下降,出現(xiàn)電器元件發(fā)熱、設備回路誤動的問題,漸漸不能滿足燒嘴冷卻水泵長期滿負荷運行的需要。
公司設有P1201A/B 2臺燒嘴冷卻水泵,型號 TSP100-150-340L,流量 144 m3/h,揚程 280 m;電機型號 YB315L-2,功率185 kW,轉速 2 970 r/min。由燒嘴冷卻水泵加壓,冷卻水經燒嘴冷卻水換熱器冷卻后送入4個工藝燒嘴的冷卻水盤管內,最后采用低進高出的形式進入燒嘴頭部的水夾套對其進行強制冷卻,從而達到保護燒嘴的目的。P1204事故燒嘴冷卻水泵1臺,型號 TSP50-100-340L,流量 72 m3/h,揚程 280 m;電機型號 YB315M-2,功率 132 kW,轉速 2 970 r/min;在2臺燒嘴冷卻水泵出現(xiàn)故障時使用。
目前,公司共有3臺1500 t/d氣化爐,每臺氣化爐采用四噴嘴對置式設置,正常生產狀況為2臺氣化爐105%負荷運行、1臺氣化爐備用,日產精甲醇2 200 t左右;1臺燒嘴冷卻水泵按300 A左右負荷運行,滿足2臺氣化爐8個燒嘴的冷卻水用量,另一臺燒嘴冷卻水泵為備自投狀態(tài)。
2臺燒嘴冷卻水泵回路電氣設備配置相同,每臺設備一次回路的配置為1臺SG1-1000A低壓隔離開關、1臺SM40R-630/32082開關、1臺400 A低壓空氣開關、2臺SC1-500A接觸器、1臺QB52-200型軟啟動器。所有主要器件均為國產電氣產品。分別由氣化303低壓變電所的Ⅲ、Ⅳ段3AA14、4AA16低壓配電柜供電。
設備一次回路的配置為1臺SG1-1000A低壓隔離開關、1臺SM40R-400/32082開關、1臺315A低壓空氣開關、2臺SC1-400A接觸器、1臺QB52-200型軟啟動器。所有主要器件均為國產電氣產品。由氣化303低壓變電所的零段0AA2低壓配電柜供電,而零段的電源一路來自303低壓變電所的Ⅱ段2AA6低壓配電柜,另一路來自EPS應急電源。
1.4.1電氣聯(lián)鎖
2臺燒嘴冷卻水泵互為備用。A泵作為主泵時,A泵的控制開關打至“手動位置”,B泵為備用泵,控制開關打至“自動位置”;A泵運行,保證2臺氣化爐8個燒嘴冷卻水的供水壓力。當A泵的供水壓力低于1.6 MPa(G)時,B泵自動啟動,保證供水壓力。當供水壓力高于3 MPa(G)時,B泵自動停運。
B泵作為主泵時,B泵的控制開關打至“手動位置”,A泵為備泵,控制開關打至“自動位置”;B泵運行,保證2臺氣化爐8個燒嘴冷卻水的供水壓力。當B泵的供水壓力低于1.6 MPa(G)時,A泵自動啟動,保證供水壓力。當供水壓力高于3 MPa(G)時,A泵自動停運。
事故燒嘴冷卻水泵作為緊急備用,無論2臺燒嘴冷卻水泵處于何種狀態(tài),只要供水壓力低于1.4 MPa(G)時,事故燒嘴冷卻水泵就會自動啟動,保證供水壓力,為燒嘴冷卻水泵維修或事故處理提供支持;當供水壓力高于1.4 MPa(G)時,事故燒嘴冷卻水泵自動停運。
1.4.2工藝聯(lián)鎖
原設計的燒嘴冷卻水聯(lián)鎖是,燒嘴入口冷卻水流量LL,燒嘴入口冷卻水壓力HH,燒嘴出口冷卻水溫度HH三選二聯(lián)鎖。其聯(lián)鎖值為,燒嘴入口冷卻水流量LL≤6 m3/h,燒嘴入口冷卻水壓力HH ≥3.2 MPa(G),燒嘴出口冷卻水溫度HH≥60 ℃。當燒嘴被燒穿或破裂時,由于冷卻水的壓力低于氣化爐的操作壓力,因而工藝氣進入冷卻水管線,而由于燒嘴冷卻水進口有止逆閥,則燒嘴冷卻水入口壓力會增高,而入口流量會降低;而由于出口的冷卻水分離罐是常壓的,因而工藝氣就會沿出口管線進入燒嘴冷卻水分離罐,此時燒嘴出口冷卻水溫度就會升高,由此便可判斷燒嘴是否損壞。為防止某一個儀表失真造成誤跳車,要求上述三個聯(lián)鎖條件中必須有兩個條件滿足時燒嘴才會聯(lián)鎖動作,即該燒嘴進出口閥聯(lián)鎖關閉,氣化爐對應一對燒嘴跳車。
開車初期,德士古氣化系統(tǒng)停車次數較多,除了水煤漿質量、爐體壓力、氧氣流量、煤質等方面的原因,燒嘴冷卻水系統(tǒng)也暴露出許多問題。
2010年3月15日和6月10日,兩次燒嘴燒穿事故中發(fā)現(xiàn)燒嘴入口冷卻水流量LL≤6 m3/h、燒嘴入口冷卻水壓力HH≥3.2 MPa(G)、燒嘴出口冷卻水溫度HH≥60 ℃。三個參數反應較慢,燒嘴燒穿了,仍未能促發(fā)跳車聯(lián)鎖,從而造成合成氣大量外泄事故,最后導致氣化系統(tǒng)停車。
2010年3月,因事故燒嘴冷卻水泵的應急電源EPS裝置多次故障,廠家更換整流器、回路母線、蓄電池后組織帶負荷試車,第一次,帶事故燒嘴冷卻水泵運行不到15 min,自動停止;第二次,帶事故燒嘴冷卻水泵啟動兩次,EPS變壓器打火,停止試驗;第三次,廠家再次整改后,通過外接電纜直接用EPS帶132 kW電機,事故燒嘴冷卻水泵仍運行不足20 min EPS便停止輸出,終止試驗。事故燒嘴冷卻水泵的啟動失敗,驗證了公司配置的EPS應急電源不能滿足事故負荷的正常使用,同時也暴露出燒嘴冷卻水泵的電氣控制不能滿足應急要求。
2011年3月5日,原運行燒嘴冷卻水泵超電流跳車后,因送至備用泵啟動回路的供水壓力低信號故障,備用泵未能及時啟動,造成氣化系統(tǒng)聯(lián)鎖跳車。
2011年7月16日和2012年12月5日,運行中的A#燒嘴冷卻水電機突然斷電,備用泵啟動。對氣化配電室A#燒嘴冷卻水泵電氣回路檢查,發(fā)現(xiàn)兩次故障原因相同,燒嘴冷卻水回路的空氣開關脫扣。聯(lián)系工藝人員,將燒嘴冷卻水泵聯(lián)鎖解除,使B#燒嘴冷卻水泵在手動狀態(tài)下單獨運行,A#燒嘴冷卻水泵回路停車檢測無異常,懷疑空氣開關誤動作所致。開關恢復送電,投上聯(lián)鎖,將A#燒嘴冷卻水泵作為備用泵使用。
2012年12月7日和12月25日,原運行燒嘴冷卻水泵晃電接觸器釋放跳車后,備用泵雖及時自啟動,但由于備用泵啟動時間長,入口冷卻水流量LL造成多個燒嘴誤跳車。
2013年1月18日,公司組織機械、設備、電氣、儀表、工藝等相關技術人員,成立燒嘴冷卻水系統(tǒng)問題攻關小組,對氣化系統(tǒng)從送電調試、開車到高負荷生產過程中燒嘴冷卻水系統(tǒng)出現(xiàn)的異?,F(xiàn)象及跳車故障進行匯總,經分析討論,主要存在以下方面的不足及問題。
2.2.1三選二聯(lián)鎖存在的缺陷
在歷次燒嘴燒穿事故中,燒嘴冷卻水出口流量反應十分靈敏。經討論,燒嘴冷卻水進出口流量差低低這一指標具有很強的實用性,在原有三選二聯(lián)鎖的基礎上增加這個聯(lián)鎖可彌補原三選二聯(lián)鎖的不足。此四選二聯(lián)鎖為,燒嘴入口冷卻水流量LL≤6 m3/h,燒嘴入口冷卻水壓力HH≥3.2 MPa(G),燒嘴出口冷卻水溫度HH≥60 ℃,燒嘴進出口冷卻水流量差LL≤6 m3/h。并增設一選一聯(lián)鎖,進出口冷卻水流量差HH≥6 m3/h。燒嘴冷卻水進出口流量差低低聯(lián)鎖≤-6 m3/h,當事故狀態(tài)下燒嘴燒穿水煤氣漏入燒嘴冷卻水回水管線,造成燒嘴冷卻水出口流量增大,此時由于燒嘴冷卻水管線壓力升高,進口流量降低,因此燒嘴進出口流量差就增大了,從而判斷燒嘴已損壞。這個值是個負值,并且隨燒嘴泄漏量的增大而減??;進出口流量差高高聯(lián)鎖≥6 m3/h,由于燒嘴安裝和拆卸時、氣化爐投料升壓初期及氣化爐停車泄壓后期,系統(tǒng)壓力會低于燒嘴冷卻水壓力,倘若在安裝和拆卸燒嘴過程中弄壞了盤管或在氣化爐投料過程中燒嘴損壞,燒嘴冷卻水便會進入氣化爐,大量汽化,氣化爐爐膛溫度驟降,不僅造成一爐的耐火磚損壞,還有可能造成爆炸事故。當氣化爐壓力大于燒嘴冷卻水壓力后,將一選一聯(lián)鎖切除,采用四選二聯(lián)鎖,燒嘴入口冷卻水流量LL≤6 m3/h、燒嘴入口冷卻水壓力HH≥3.2 MPa(G)、燒嘴出口冷卻水溫度HH≥60 ℃、燒嘴進出口冷卻水流量差LL≤6 m3/h。如此一來,既可以彌補原設計燒嘴冷卻水聯(lián)鎖反應慢的不足,又可以囊括燒嘴安裝前及投料初期、跳車泄壓后期燒嘴冷卻水壓力反高于氣化爐壓力時特殊聯(lián)鎖的設置,兼顧檢測儀表的靈敏性和準確性,確保安全聯(lián)鎖系統(tǒng)可靠好用。
2.2.2燒嘴冷卻水泵備用問題
2臺燒嘴冷卻水泵一主一輔,互為備用的聯(lián)鎖中,僅在供水壓力低于1.6 MPa(G)時,備用泵才能自動啟動,而一旦此壓力信號未能及時反映或為虛假信號,備用泵就不能及時啟動。如果將2臺燒嘴冷卻水泵的回路接觸器運行節(jié)點接入互為備用的自啟動回路中,就能使運行泵故障跳閘時,無論壓力低信號是否給出,運行泵接觸器的常閉節(jié)點就能保證備用泵可靠啟動。因為此時無論冷卻水壓力低信號是否反映正確,運行泵跳閘停止工作,冷卻水壓力低只是時間問題,備用泵必須啟動工作。只有這樣,才能確保只要燒嘴冷卻水泵現(xiàn)場控制開關操作在正確位置,就始終有1臺燒嘴冷卻水泵保持正常工作。
另外,只要燒嘴冷卻水系統(tǒng)正常投入的情況下,2臺燒嘴冷卻水泵無論何種原因同時處于停止狀態(tài)時,即2臺泵回路的接觸器全部釋放,就要給出讓事故燒嘴冷卻水泵啟動運行的信號指令。保障在2臺燒嘴冷卻水泵同時出現(xiàn)故障的狀態(tài)下,由事故燒嘴冷卻水泵工作,為正常供水泵修復和燒嘴應急處理提供保障。
2.2.3EPS電源形同虛設
從氣化應急電源EPS的調試情況來看,現(xiàn)配置的EPS電源不能滿足事故燒嘴冷卻水泵啟動、正常工作的需求。一旦氣化變電所事故斷電,EPS電源就起不到應有的作用,事故燒嘴冷卻水泵因啟動不了而形同虛設。因此,必須重新考慮氣化系統(tǒng)應急電源的配置問題。
2.2.4電氣回路配置方面的問題
在電氣回路配置方面,2臺燒嘴冷卻水泵及1臺事故燒嘴冷卻水泵回路所用的電氣設備均為國產電氣裝置。氣化變電所設置在氣化磨機廠房框架內,3臺TDMK1500-30、1 500 kW棒磨機工作時的振動時常波及到變電所配電裝置,磨機廠房的粉塵也對變電所的配電裝置、電氣元器件有所侵蝕;加上長期高負荷運行和電氣產品性能的下降,出現(xiàn)電器元件發(fā)熱、設備回路誤動的問題,漸漸不能滿足燒嘴冷卻水泵長期滿負荷可靠運行的需要。
2.2.5燒嘴冷卻水泵啟動方式存在問題
2臺185 kW燒嘴冷卻水泵和1臺132 kW事故燒嘴冷卻水泵采用的啟動方式均為軟啟動器啟動,軟啟動器型號為QB52-200系列。這種利用可控硅的移相調壓原理來實現(xiàn)電機的降壓啟動方式,在前期的生產運行過程中暴露出以下問題:一是一次回路既有主接觸器,又有旁路接觸器,控制線路接點較多,從事過電氣維護的人員都知道,很多故障都是電氣元件的觸點和連線接點接觸不良引起的,在工作環(huán)境惡劣(如粉塵重、潮濕、振動大、散熱不良)的地方,這類故障更容易形成,檢查起來卻頗費時間;二是這種啟動方式在正常開車首次啟動時,對燒嘴冷卻水系統(tǒng)沒有影響,且能夠因啟動電流小、啟動速度平穩(wěn)可靠、對電網沖擊小而有益于電力系統(tǒng)及電氣設備的穩(wěn)定運行,但是對于互為備用的雙泵系統(tǒng),一旦主泵故障,備用泵就要瞬時啟動的燒嘴冷卻水泵來說,啟動環(huán)節(jié)復雜、啟動時間長(軟啟動器的啟動時間設置為15 s,不含旁路切換時間)的劣勢就明顯暴露出來,從歷次燒嘴冷卻水系統(tǒng)故障來看,曾經有三次主泵故障時,備用泵雖然及時自啟動,但都因自啟動時間過長,燒嘴冷卻水的供水壓力沒能及時提起來,低于聯(lián)鎖動作值而導致一對燒嘴退出運行或氣化爐停爐的現(xiàn)象,影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
燒嘴冷卻水泵啟動之初,由于水管中設有止回閥,靜壓與靜摩擦不同時起作用,啟動阻轉矩較小,一般為額定值的30%,屬于輕載啟動。而Y系列籠型感應電機全壓啟動時的電磁轉矩,均大于額定轉矩。采用全壓啟動時,其啟動轉矩遠大于燒嘴冷卻水泵的阻轉矩,啟動較快;燒嘴冷卻水泵正常情況下一旦啟動,就至少平穩(wěn)運行720 h以上(本系統(tǒng)正常狀況下每一個月燒嘴冷卻水泵切換一次)。不頻繁啟動操作,對電機使用壽命影響不大;303氣化變電所容量足夠大,電機直接啟動,不會對系統(tǒng)電壓造成影響;直接啟動具有操作控制方便、維護簡單、啟動環(huán)節(jié)少、啟動時間短等特點。針對燒嘴冷卻水泵既要可靠啟動,又要在備自投狀況下迅速啟動的要求,現(xiàn)有電網容量和負載兩方面都允許電機全壓直接啟動,完全可以采用全壓直接啟動方式。
事故燒嘴冷卻水泵電機的電源,正常時來自303變電所供電系統(tǒng),可滿足電機全壓直接啟動,但公司電力系統(tǒng)故障斷電情況下,目前的事故電源EPS不能滿足事故燒嘴冷卻水泵啟動要求,即使重新配置獨立事故電源,容量也滿足不了132 kW事故燒嘴冷卻水泵電機全壓直接啟動。而變頻啟動方式改變了異步電機的同步轉速,保持了電機的硬機械特性,與其他啟動方式相比,啟動電流小而啟動轉矩大,對設備無沖擊力矩,對電網無沖擊電流,既不影響其他設備的運行,又有最理想的啟動特性。變頻器設備雖然較接觸器復雜一些,但相對于軟啟動回路的配置,還是簡單一些,即使價格昂貴些,應用在氣化系統(tǒng)中事故燒嘴冷卻水泵如此重要的設備上還是值得的。
經過分析討論,將燒嘴冷卻水工藝聯(lián)鎖系統(tǒng)進行優(yōu)化,由工藝技術人員給出所優(yōu)化聯(lián)鎖的定值并經專業(yè)領導審核通過,儀表人員按工藝要求在DCS上設定并重新組態(tài),將原設計的燒嘴冷卻水三選二聯(lián)鎖[其聯(lián)鎖值為:燒嘴入口冷卻水流量LL≤6 m3/h,燒嘴入口冷卻水壓力HH≥3.2 MPa(G),燒嘴出口冷卻水溫度HH≥60 ℃]優(yōu)化為四選二聯(lián)鎖[其聯(lián)鎖值為:燒嘴入口冷卻水流量LL≤6 m3/h,燒嘴入口冷卻水壓力HH≥3.2 MPa(G),燒嘴出口冷卻水溫度HH≥60 ℃,進出口冷卻水流量差HH≥6 m3/h],自啟動壓力由1.6 MPa提高至2 MPa。
為事故燒嘴冷卻水泵提供電源的EPS,經與廠家多次進行改善、試驗,均不能滿足事故燒嘴冷卻水泵正常啟動的要求。經進一步考察,將原EPS電源裝置全部廢棄,增設1臺功率500 kW、電壓400 V、HLGF-500型柴油發(fā)電機組以及400 V電源切換柜1面、400 V電源饋出線柜1面、控制屏1套的獨立事故電源。柴油發(fā)電機在制造廠做出廠試驗,合格后機組成套供貨。柴油發(fā)電機組作為303變電所0段母線的備用應急電源,是保證0段母線市電失電后向其保安供電的事故燒嘴冷卻水泵以及磨機油站、空壓機事故油泵、合成甲醇壓縮機事故油泵的供電。當市電失電后,進入開機延時,LCD 屏幕顯示開機延時倒計時,預熱延時結束后,燃油繼電器輸出1 s,然后啟動繼電器輸出,柴油發(fā)電機組啟動成功,則進入安全運行時間,經過開機怠速延時,當高速暖機結束后正常發(fā)電。發(fā)電機組正常運行中若市電恢復正常,則進入市電電壓正常延時,確認市電正常后,進入停機延時,停機延時結束后開始高速散熱延時,且發(fā)電合閘繼電器斷開,經過開關轉換延時后,市電合閘繼電器輸出,市電帶載,由發(fā)電側轉到市電側供電。
鑒于獨立事故電源的改造,事故燒嘴冷卻水泵的電氣回路配置明顯滿足不了快速啟動的要求。將303變電所原配電柜內1臺SM40R-400/32082 315A低壓空氣開關、2臺SC1-400A接觸器、1臺QB52-200型軟啟動器拆掉;空氣開關增容改造為ABB T6S630MA630/3150-6300 400A開關,增設ACS800-04-0210-3+P901型變頻器1臺,即將原來的軟啟動形式改為變頻器控制,這樣既減少了啟動環(huán)節(jié),又限制了啟動電流,解決了事故燒嘴冷卻水泵自啟動時電源容量不足而引起電源電壓波動的問題。
2臺燒嘴冷卻水泵的改造在原配電柜內實施,兩回路內的SM40R-630/32082、400A型低壓空氣開關2臺、SC1-500A型接觸器4臺、QB52-200型軟啟動器2臺全部拆掉;空氣開關增容改造為ABB T6S630MA630/3150-6300 630A開關,接觸器增容改造為ABB AF580-30-11 800A型。據新型開關、接觸器的安裝要求,調整配電柜固定支架,制作開關至刀閘、接觸器至開關、接觸器至電機綜合保護器的分支母排,調整安裝燒嘴冷卻水泵一次回路的電流互感器、電機綜合保護器、分支母排、電纜等元器件、設備。電氣控制方式由軟啟動方式改為全電壓直接啟動方式。改造后,配電柜內電器配置更加簡潔明了,增大了電器元器件之間的安裝檢修空間,改善了配電柜內的冷卻條件,從硬件質量及配置上大大提高了電氣設備的運行可靠性。
2臺燒嘴冷卻水泵和1臺事故燒嘴冷卻水泵的操作控制仍保持現(xiàn)場和控制室兩地控制的操作模式;保證2臺燒嘴冷卻水泵互為主泵、互為備用泵的應用模式;保證3臺水泵既能手動單獨開停,又能投入到自啟動狀態(tài)的控制模式。利用原控制和信號電纜,將以上回路的控制節(jié)點,所需的常開、常閉輔助接點,運行、停止信號,電流、轉速等模擬量信號均送至中控室機柜間,由儀表人員重新組態(tài)。2臺燒嘴冷卻水泵除按原設計滿足供水壓力低互為備用的前提下,將2臺泵回路的接觸器常閉接點通過DCS組態(tài),分別并入到供水壓力低備用泵自啟動聯(lián)鎖回路中。將原設計備用狀態(tài)下自啟動聯(lián)鎖改為二選一控制方式,即無論哪臺燒嘴冷卻水泵處在自動狀態(tài)下,不管是供水壓力低,還是主泵停止工作,備用泵都能及時啟動。另外,將2臺燒嘴冷卻水泵回路的接觸器常閉接點,通過DCS組態(tài),串聯(lián)后并入到供水壓力低事故燒嘴自啟動聯(lián)鎖回路,即在燒嘴正常工作情況下,2臺燒嘴冷卻水泵只要均處于停車狀態(tài),事故燒嘴冷卻水泵就及時啟動,臨時保障燒嘴的運行并告知工藝對2臺燒嘴冷卻水泵回路進行檢查、處理。
氣化燒嘴冷卻水系統(tǒng)以上各個環(huán)節(jié)的調整和改造完成后,由生產調度室牽頭,氣化工藝人員為主,儀表、電氣、機械專業(yè)人員為輔進行全面調試和試車,通過驗證,系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的優(yōu)化和改造達到了預期目的。燒嘴冷卻水泵回路的主要一次設備升級后動作可靠;自啟動壓力由1.6 MPa提高至2 MPa;脈沖寬度由2 s變?yōu)?0 s;燒嘴冷卻水泵啟動方式由軟啟動改為全電壓直接啟動,啟動時間由15 s縮短為4 s;事故電源由500 kW柴油發(fā)電機替代;事故燒嘴冷卻水泵改造為變頻啟動控制。近一年的生產實踐表明,優(yōu)化改造效果顯著,沒有因為燒嘴冷卻水方面的問題導致氣化爐燒嘴損壞或造成停車事故,確保了氣化爐的長周期穩(wěn)定運行。
德士古水煤漿加壓氣化工藝在國內的應用已進入成熟穩(wěn)定期,但保障燒嘴長時間穩(wěn)定運行,提高氣化系統(tǒng)的運行周期,成為該工藝所面臨的最大問題。事故越少效益才會越大,在市場競爭劇烈的今天,相信通過經驗的積累和不懈地努力,不斷完善燒嘴冷卻水系統(tǒng)及氣化系統(tǒng),相互交流,大家才能少走彎路,使煤氣化行業(yè)更好更快發(fā)展。
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