褐煤干燥安全保護控制系統(tǒng)的研究

董清生

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司 甘肅省蘭州市 730060）

褐煤干燥安全保護控制系統(tǒng)的研究

董清生

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司 甘肅省蘭州市 730060）

褐煤干燥技術對于解決全球能源問題具有重要意義。由于褐煤燃點低，干燥過程中有燃燒爆炸的危險，合理且可靠的安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)是保證褐煤干燥系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的關鍵環(huán)節(jié)。本文分析了褐煤干燥控制系統(tǒng)中的關鍵控制點及設計過程中對聯(lián)鎖邏輯的分析改進。

褐煤干燥；氧含量；聯(lián)鎖邏輯

1 引言

目前我國褐煤預測資源量約1903億t，占全國煤炭預測資源量的41.18％，主要分布在內蒙、云南、東北等地[1]。褐煤是煤化程度較低的煤種，具有含水量高（20～50％）、熱值低、揮發(fā)性強、熱穩(wěn)定性差、易自燃等特點，難以運輸、存儲和銷售。褐煤的高含水量直接增加了運輸成本、裝置建設和運行成本，甚至影響生產(chǎn)裝置的正常運行，降低了以褐煤為原料的發(fā)電或煤化工項目的經(jīng)濟性。如何高效地脫除褐煤的水分是解決上述問題的重要途徑之一。

通過干燥降低褐煤的水分，一方面可以提高熱值和能量密度，降低運輸成本，另一方面還可以提高下游裝置的利用效率，降低設備規(guī)模。因此，褐煤干燥技術的開發(fā)有利于擴大褐煤的綜合利用途徑，可以很大程度上提高褐煤的市場競爭力。對此，我院對褐煤干燥進行了多年研究并成功開發(fā)了蒸汽管回轉干燥機褐煤干燥技術，經(jīng)過實踐證明該技術具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

控制系統(tǒng)是褐煤干燥技術中的一個重要組成部分。由于褐煤含水量高、揮發(fā)性強及易自燃等特性，褐煤干燥控制系統(tǒng)必須具有相應的特殊性，其中的尤其以安全保護系統(tǒng)復雜和重要。安全聯(lián)鎖保護控制系統(tǒng)能夠保證褐煤干燥工藝過程正常的開、停，以及在異常情況下確保人員和設備安全或盡可能地減少損失。

2 褐煤干燥工藝介紹

2.1 工藝概述

我院為云南某鋁廠煤氣化站設計了兩套蒸汽管干燥機褐煤干燥系統(tǒng)。單套設計處理濕褐煤能力為75t/h，原料濕褐煤含水量為35％，產(chǎn)品干煤粉含水量低于12％。褐煤蒸汽管回轉干燥系統(tǒng)主要由蒸汽管回轉干燥機、煤粉計量給料單元、空氣預熱單元、產(chǎn)品冷卻單元、載氣處理單元、凝液回收單元、干燥水分控制單元、安全保護單元及潤滑油單元等組成，簡化后的工藝流程圖見圖1。

2.2 褐煤干燥中危險及原因分析

褐煤具有高揮發(fā)份、高水分、低灰份、低硫分和發(fā)熱量稍低等特點。干燥過程中存在自燃、爆炸的危險。煤粉爆炸的原因主要是煤緩慢氧化導致煤的熱解，產(chǎn)生可燃氣體，可燃氣體與空氣混合，達到一定濃度比例后遇火發(fā)生連鎖爆炸。煤粉的燃燒爆炸需要三個基本條件，即煤粉的存在、合適的氧濃度和足夠的點火能量。影響煤粉爆炸的因素主要包括煤質特性、煤粉溫度、煤粉細度和煤粉濃度等。表1給出了引起煤粉爆炸的濃度極限及爆炸壓力[2]。通過對褐煤的煤質特性分析，根據(jù)煤粉爆炸的原因、發(fā)生爆炸條件、影響因素等方面進行了分析，在褐煤干燥過程中我們主要采取的措施包括控制載氣中的氧含量和煤粉溫度，使其始終處于安全范圍內。

圖1 簡化后的工藝流程圖

表1 引起煤粉爆炸的濃度極限及爆炸壓力

根據(jù)干燥過程中物料走向和溫度分布，可分析出干燥系統(tǒng)需要重點監(jiān)測和保護的設備為布袋除塵器、干燥機出料箱和屋脊式冷卻器。布袋除塵器中載氣含有較高濃度的懸浮煤粉，載氣溫度必須高于載氣露點防止結露造成煤粉粘壁，故設置氮氣和蒸汽保護控制氧含量在安全范圍內并摻混干凈載氣降低煤粉濃度是一種有效的保護措施。在干燥機出料箱和屋脊式冷卻器煤粉堆積多，溫度過高會有煤粉自燃的危險，監(jiān)測出料溫度，在溫度過高時通入氮氣降低氧含量和啟停噴淋系統(tǒng)降溫都是可行的安全保護措施。

3 控制系統(tǒng)介紹

褐煤干燥控制系統(tǒng)采用FOXBORO公司的I/A Series DCS系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)吸收了最先進的通信和微電子技術，應用了最新的信號處理和高速網(wǎng)絡通信技術，可靠的軟件平臺以及現(xiàn)場總線技術，并采用高性能的微處理器和成熟的先進控制算法，其數(shù)字化、結構靈活和完善的功能可以適應廣泛、復雜的現(xiàn)場需求。冗余和實時故障同步診測等特殊功能，提高了系統(tǒng)網(wǎng)絡的可靠性。

4 主要聯(lián)鎖邏輯及控制的實現(xiàn)

褐煤干燥控制系統(tǒng)的聯(lián)鎖邏輯程序是干燥系統(tǒng)安全運行的保障，聯(lián)鎖邏輯程序能夠保證褐煤干燥工藝過程正常的開、停，以及在異常情況下確保人員和設備安全或盡可能地減少損失。本系統(tǒng)設置了必要的運行狀態(tài)顯示，尤其是非正常工況下的報警提示。為了確保安全聯(lián)鎖和重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)可靠，系統(tǒng)對重要的監(jiān)測點和控制回路設置冗余。褐煤干燥流程中的聯(lián)鎖包括：除塵器出口氧含量報警聯(lián)鎖、出料溫度聯(lián)鎖、主電機啟停聯(lián)鎖、凝液泵壓力聯(lián)鎖及計量罐料位聯(lián)鎖等。本文只以其中幾個較為重要的聯(lián)鎖為例來說明。

4.1 除塵器出口氧含量報警聯(lián)鎖

由于氧含量是褐煤煤粉發(fā)生燃燒爆炸極為重要的因素，在干燥系統(tǒng)運行時控制系統(tǒng)內氧含量是杜絕煤粉燃燒爆炸發(fā)生的有效方法之一。為此，在褐煤干燥系統(tǒng)中設置氧含量聯(lián)鎖控制回路，聯(lián)鎖回路由安裝在布袋除塵器出口的氧含量分析儀AT1103、DCS的控制器AIC1103A、氮氣兩位閥AV1103A和XV1103A及蒸汽兩位閥AV1103B和XV1103B組成，氧含量聯(lián)鎖控制回路圖見圖2。

當氧含量分析儀AT1103檢測到氧含量超過11％時，DCS的控制器AIC1103A立即發(fā)出氧含量上限報警，并啟動氮氣保護迅速打開氮氣兩位閥AV1103A和XV1103A分別從干燥機載氣入口和除塵器載氣入口向干燥系統(tǒng)注入氮氣，稀釋干燥載氣中的氧含量。為確保系統(tǒng)安全，干燥系統(tǒng)增加蒸汽保護系統(tǒng)。當氧含量上限報警后，氮氣保護系統(tǒng)未正確啟動或氮氣量不足未能有效降低氧含量，氧含量繼續(xù)升至13％時，DCS的控制器AIC1103A立即發(fā)出氧含量上上限報警，并啟動蒸汽保護迅速打開蒸汽兩位閥AV1103A和XV1103A分別從干燥機載氣入口和除塵器載氣入口向干燥系統(tǒng)注入過熱蒸汽，稀釋干燥載氣中的氧含量。

為防止聯(lián)鎖動作時氧含量在聯(lián)鎖值左右振蕩，造成閥門頻繁動作，設置報警聯(lián)鎖回差值為2％。

另外，在干燥系統(tǒng)停車后重新啟動時氧含量不應超過8％，因為啟動時干燥機內蒸發(fā)的水分較少，載氣氧含量容易超標，增加了系統(tǒng)的不安全性，此時應向干燥機內通入氮氣控制系統(tǒng)氧含量。另外在停車時，系統(tǒng)內溫度仍較高，要注意關閉載氣回路上的調節(jié)閥、電動風門和物料管路上的電液動插板閥，使系統(tǒng)仍保持較低的氧含量。

圖2 氧含量聯(lián)鎖控制回路圖

4.2 屋脊式冷卻器入口溫度報警聯(lián)鎖

由于干燥后的煤粉溫度較高存在發(fā)生自燃的危險，不利于輸送和儲存，此次首次將自主開發(fā)的屋脊式冷卻器用于干燥后的煤粉冷卻。但煤粉在進入屋脊冷卻器之前溫度仍然可能超標，增加了系統(tǒng)的不安全性。因此必須在屋脊冷卻器入口設置溫度保護聯(lián)鎖。

此處的聯(lián)鎖為：當屋脊冷卻器入口煤粉溫度超過85℃時，打開干燥機出料箱內的水噴淋系統(tǒng)，向干燥機出料箱內噴水，降低煤粉溫度，確保系統(tǒng)安全。在施工圖設計時對此處的聯(lián)鎖做了改進，將啟動噴淋系統(tǒng)改為打開氮氣閥門向屋脊式冷卻器內通入氮氣。水噴淋系統(tǒng)改為只在確認發(fā)生著火時人工手動啟動。因為噴水很容易造成煤粉粘壁、堵料和產(chǎn)品污染，清理難度大，甚至造成整個干燥系統(tǒng)停車，損失較大。

4.3 干燥機內負壓控制

控制干燥機內負壓時為了保持排氣量和蒸發(fā)量的平衡，使蒸發(fā)的水分能更快的排出，也避免或減少了干燥系統(tǒng)的煤粉泄漏。這樣避免了粉塵污染，保證了操作人員安全。負壓控制回路由安裝在除塵器載氣入口管道上的壓力變送器PT1112、DCS的控制器PIC1112和引風機入口的電動調節(jié)風門組成，控制方式為PID控制。此外載氣回路上的三臺風機均由變頻器控制，載氣入口均設置流量調節(jié)回路，可以靈活調節(jié)載氣壓力、流量和溫度。

5 結語

上述褐煤干燥安全聯(lián)鎖保護系統(tǒng)系統(tǒng)已在國內多個鋼廠的煤調濕項目中運行，無重大安全事故發(fā)生。褐煤干燥系統(tǒng)的控制系統(tǒng)并不復雜，但安全保護聯(lián)鎖對干燥系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行十分重要，生產(chǎn)中對這部分必須格外重視，同時，在目前褐煤干燥應用中，須不斷總結系統(tǒng)生產(chǎn)特性，總結經(jīng)驗，不斷完善安全保護系統(tǒng)，以保證生產(chǎn)的安全連續(xù)運行。

[1]高俊榮，陶秀祥，侯彤，萬永周.褐煤干燥脫水技術的研究進展[J].潔凈煤技術，2008，14（6）：73～75.

[2]王勝.燃用印尼煤時直吹式制粉系統(tǒng)安全運行探討[J].鍋爐制造，2006（12）；21～23.

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1004-7344（2016）23-0258-02

2016-7-20