火炬系統(tǒng)消煙控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄭萬(wàn)里

火炬系統(tǒng)消煙控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄭萬(wàn)里

(江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司，江蘇 南京 210009)

針對(duì)化工企業(yè)火炬系統(tǒng)的黑煙污染，根據(jù)火炬氣火焰黑煙產(chǎn)生及消煙的機(jī)理，結(jié)合火炬消煙控制回路的特點(diǎn)，以及煙霧和火炬氣量檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)目前常用的蒸汽消煙控制進(jìn)行了前饋串級(jí)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。應(yīng)用表明： 該優(yōu)化不僅減少了火炬黑煙和噪聲污染，同時(shí)降低了消煙蒸汽的消耗。

火炬 蒸汽消煙 煙霧檢測(cè) 前饋串級(jí)

火炬系統(tǒng)作為石油化工、煤化工企業(yè)重要的安全和環(huán)保設(shè)施，負(fù)責(zé)工廠各裝置正常生產(chǎn)時(shí)安全閥的泄漏氣排放，以及開(kāi)停車和事故狀態(tài)下裝置排放氣的安全排放和燃燒處理。

近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，環(huán)境保護(hù)越來(lái)越受到人們的重視，而火炬是繼鍋爐煙囪之后又一個(gè)被人們高度關(guān)注的大氣排放污染源。除CO2，H2O等溫室氣體排放外，火炬還會(huì)產(chǎn)生火焰光、熱輻射、異味、噪聲、黑煙、有毒有害氣體等污染。為滿足火炬系統(tǒng)的環(huán)保要求，需要嚴(yán)格控制各種污染，其中高效控制黑煙的產(chǎn)生尤為重要。

目前，中國(guó)國(guó)內(nèi)火炬的黑煙控制效果不夠理想，濃煙滾滾的火炬燃燒畫(huà)面時(shí)而可見(jiàn)。本文根據(jù)火炬消煙的機(jī)理和消煙控制回路的特點(diǎn)，結(jié)合檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)消煙控制進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。該優(yōu)化不僅提高了自動(dòng)化水平，增強(qiáng)了消煙效果，還降低了蒸汽的消耗和火炬的噪聲。

1 火炬消煙控制機(jī)理及現(xiàn)狀

1.1 火炬黑煙的產(chǎn)生

工廠排放的火炬氣以烴類氣體為主，烴類氣體的燃燒是烴與氧氣進(jìn)行快速放熱和發(fā)光的氧化反應(yīng)，以火焰的形式出現(xiàn)。反應(yīng)方程式如下：

(1)

從式(1)可以看出，烴類氣體完全燃燒的必要條件是有足夠的氧氣。

當(dāng)火炬氣在火炬頭出口的馬赫數(shù)約為0.2時(shí)，即火炬氣約為火炬最大排放量的15%～25%時(shí)，火炬頭周圍氧氣充足且可與火炬氣充分混合，此時(shí)烴類氣體燃燒充分且無(wú)煙。隨著火炬氣排放量的增大以及燃燒溫度的升高，烴類氣體的燃燒變得更加復(fù)雜。由于缺氧，部分未發(fā)生氧化反應(yīng)的烴開(kāi)始發(fā)生熱裂解反應(yīng)，斷鍵脫氫生成游離碳和氫，未完全斷鍵脫氫的不飽和烴又會(huì)繼續(xù)發(fā)生聚合環(huán)化結(jié)焦反應(yīng)，生成焦。當(dāng)游離碳和焦遇大氣冷卻后，會(huì)以細(xì)小粒子狀混合在火焰中，這就是火炬燃燒時(shí)人們看到的黑煙。

1.2 火炬消煙機(jī)理

由上述可知，火炬冒黑煙的根本原因就是缺氧下的富燃料燃燒。因此，消煙的基本方法就是補(bǔ)氧和除碳。

1) 補(bǔ)充氧氣，減少碳黑粒子的生成。為了促使空氣中的氧氣均勻地分布在整個(gè)火焰中，需要能量來(lái)產(chǎn)生紊流使其在點(diǎn)燃火炬氣時(shí)在火炬氣中混入空氣。這種能量可以存在于火炬氣中，以壓力或速度的形式表現(xiàn)，也可以通過(guò)其他物質(zhì)施加在系統(tǒng)中，即當(dāng)火炬氣從火炬頭排出時(shí)向氣體中注入另一種介質(zhì)，例如注入水蒸氣、壓縮空氣或低壓鼓風(fēng)機(jī)鼓入的空氣，這樣可以引射火炬頭周圍的空氣進(jìn)入火焰使更多的火炬氣進(jìn)行氧化反應(yīng)。

2) 除碳，即將生成的碳粒子在冷卻成煙之前再反應(yīng)生成二氧化碳等無(wú)色氣體。目前最常見(jiàn)的消煙方法就是注入水蒸氣來(lái)補(bǔ)氧除碳。

水蒸氣的注入除引射大量空氣進(jìn)入火焰以補(bǔ)充氧氣外，另外還有兩種理論支撐： 一種理論認(rèn)為水蒸氣分離烴分子，從而使聚合作用減少到最低程度，并且形成可以低速燃燒的氧混合物，同時(shí)溫度不足以高到產(chǎn)生裂解和聚合反應(yīng);另一種理論則認(rèn)為水蒸氣與碳粒子發(fā)生水煤氣反應(yīng)，生產(chǎn)一氧化碳、二氧化碳和氫氣，在碳粒子冷卻形成黑煙之前將碳粒子去除。

實(shí)際應(yīng)用中，水蒸氣一般通過(guò)中心蒸汽、引射蒸汽、頂部蒸汽三種方式進(jìn)入火焰。利用高速噴射將大于自身質(zhì)量10～30倍的空氣引射到火焰中。其作用是： 一方面加大了易產(chǎn)生黑煙氣體的擾動(dòng)紊流，增大了其與空氣和水蒸氣的接觸，使其完全燃燒；另一方面水蒸氣的加入使火焰溫度維持在一個(gè)比較低的水平，降低了裂解結(jié)焦形成黑煙的可能性。

消煙所需的水蒸氣主要和火炬氣的組分、流量、蒸汽壓力及火炬頭結(jié)構(gòu)形式等參數(shù)有關(guān)。一般配比關(guān)系是每0.45 kg火炬氣需要0.11～0.45 kg的水蒸氣。具體配比關(guān)系一般由火炬頭廠商根據(jù)火炬氣排放條件及火炬頭結(jié)構(gòu)形式模擬計(jì)算給出。

1.3 火炬消煙控制現(xiàn)狀

火炬消煙控制的設(shè)計(jì)以兩種方案為主，以水蒸氣消煙為例： 一是火炬氣排放信號(hào)聯(lián)鎖開(kāi)消煙蒸汽，再根據(jù)黑煙情況手動(dòng)調(diào)節(jié)消煙蒸汽流量；另一種是火炬氣流量比值控制消煙蒸汽流量。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，這兩種設(shè)計(jì)在生產(chǎn)階段通常因不適用于實(shí)際生產(chǎn)工況而被簡(jiǎn)化為操作人員視頻監(jiān)控火炬氣燃燒冒黑煙情況而手動(dòng)調(diào)節(jié)消煙蒸汽。此種控制方式自動(dòng)化水平較低，往往由于操作人員視頻監(jiān)測(cè)滯后或操作不精準(zhǔn)，導(dǎo)致消煙蒸汽量或小或大，使得火炬不是冒黑煙就是冒白煙。該控制方式不僅不能及時(shí)應(yīng)對(duì)各種擾動(dòng)量產(chǎn)生的干擾，也不能有效快速地消除黑煙，而且會(huì)造成蒸汽的浪費(fèi)并產(chǎn)生較大的噪聲，既影響了工廠效益，又污染了環(huán)境，使之逐漸成為工廠生產(chǎn)管理中比較棘手的一個(gè)難題。

2 火炬消煙控制的優(yōu)化

2.1 控制方案優(yōu)化

根據(jù)火炬消煙控制的現(xiàn)狀，不難發(fā)現(xiàn)，其控制質(zhì)量低的主要原因是沒(méi)有采用自動(dòng)控制方式。因此，優(yōu)化控制首先增加煙霧檢測(cè)的反饋環(huán)節(jié)，使手動(dòng)控制變?yōu)榉答侀]環(huán)的自動(dòng)控制，運(yùn)用PID調(diào)節(jié)消除擾動(dòng)產(chǎn)生的偏差，使煙霧黑度穩(wěn)定在控制設(shè)定值上。然而，該控制方式也存在控制滯后、干擾量多等缺點(diǎn)，如： 黑煙是由火炬氣燃燒不充分生成的，存在一定滯后，且調(diào)節(jié)蒸汽后，消煙也是個(gè)較緩慢的過(guò)程。另外，控制回路的干擾量很多，如火炬氣流量、組分、火炬頭周圍的氧氣量、消煙蒸汽量、蒸汽所引射的氧氣量以及大氣條件等因素。這些量的變化都會(huì)造成干擾，其中火炬氣流量和組分的變化以及消煙蒸汽量的變化是主要干擾因素。

針對(duì)上述特點(diǎn)，為了補(bǔ)償火炬氣流量和組分變化所產(chǎn)生的干擾，抑制控制滯后，控制回路可增加火炬氣流量比例調(diào)節(jié)蒸汽流量的前饋環(huán)節(jié)，利用測(cè)量到的火炬氣變化量去補(bǔ)償其對(duì)被控對(duì)象煙霧的影響。另外，由于控制回路的操縱變量蒸汽和被控變量煙霧兩者之間是間接影響的關(guān)系，為了消除操縱變量變化對(duì)被控變量的干擾，提高操縱變量的控制精度，控制回路可增加蒸汽流量控制，使其作為副環(huán)與煙霧控制回路主環(huán)構(gòu)成串級(jí)調(diào)節(jié)?；鹁嫦麩熥詣?dòng)控制流程如圖1所示。

圖1 火炬消煙自動(dòng)控制流程示意

2.2 相關(guān)控制變量的檢測(cè)

控制回路的優(yōu)化基于被控、擾動(dòng)、操縱等變量的可測(cè)量性。如果相關(guān)變量不可測(cè)或測(cè)不準(zhǔn)，控制優(yōu)化則無(wú)法實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)煙霧及火炬氣檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展為消煙控制的優(yōu)化創(chuàng)造了條件。

2.2.1 煙霧檢測(cè)

火炬火焰煙霧檢測(cè)技術(shù)雖然理論上很多，但是通過(guò)工程驗(yàn)證可行的卻很少?；鹧鏌熿F的檢測(cè)主要有紅外和成像兩種技術(shù)。普通的紅外檢測(cè)儀和成像儀僅適用于燃料氣組分和相對(duì)穩(wěn)定的常規(guī)火焰，而對(duì)于組分變化大、火焰不穩(wěn)定以及受環(huán)境因素干擾大的火炬氣火焰，常規(guī)檢測(cè)儀的測(cè)量效果均不理想，火炬煙霧成像檢測(cè)技術(shù)目前還處在開(kāi)發(fā)驗(yàn)證階段，工程應(yīng)用偏少?；鹁鏌熿F紅外檢測(cè)技術(shù)已在國(guó)外有所應(yīng)用，國(guó)內(nèi)由于市場(chǎng)推廣少、價(jià)格高等因素幾乎沒(méi)有應(yīng)用。

目前，國(guó)外應(yīng)用較好的火炬火焰煙霧紅外檢測(cè)技術(shù)主要有兩種： 一種是利用紅外儀檢測(cè)火炬火焰中碳黑粒子的濃度，這種技術(shù)需要基于大量的火炬燃燒試驗(yàn)測(cè)出各類火炬氣燃燒時(shí)火焰中碳黑粒子特有的紅外波段;另一種是利用專有的窄波技術(shù)檢測(cè)火焰中的碳氧比例，間接給出將要產(chǎn)生黑煙的趨勢(shì)濃度。該種技術(shù)既要針對(duì)各類火炬氣試驗(yàn)測(cè)出碳氧原子的特有紅外波段，又要試驗(yàn)擬合出碳氧比例對(duì)煙霧產(chǎn)生的影響關(guān)系。前一種是形成碳黑粒子后直接檢測(cè)，后一種是形成碳黑粒子前間接檢測(cè)并預(yù)測(cè)煙霧濃度。

2.2.2 火炬氣流量檢測(cè)

火炬氣流量作為消煙控制回路主要的干擾變量參與前饋比值調(diào)節(jié)，該比值受火炬氣流量和組分雙重影響，因而要求其流量和組分均可測(cè)。但由于火炬氣管線口徑較大、組分復(fù)雜且變化、量程比大以及介質(zhì)臟等特殊性，傳統(tǒng)的流量計(jì)均無(wú)法滿足其測(cè)量要求，只有針對(duì)火炬氣測(cè)量工況的特點(diǎn)專門開(kāi)發(fā)的超聲波質(zhì)量流量計(jì)可適用該工況。火炬氣超聲波質(zhì)量流量計(jì)既可以測(cè)量火炬氣的質(zhì)量流量，又可以測(cè)量其平均相對(duì)分子質(zhì)量，該2個(gè)量都是蒸汽火炬氣消煙配比比值的函數(shù)變量。

2.2.3 蒸汽流量檢測(cè)

蒸汽流量作為操縱變量參與串級(jí)調(diào)節(jié)，蒸汽流量的測(cè)量技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，可選用的流量計(jì)種類很多?？紤]到火炬系統(tǒng)一般處于全廠公用工程管網(wǎng)的末端，蒸汽的壓力溫度容易波動(dòng)，建議蒸汽流量的測(cè)量增加溫度壓力補(bǔ)償以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著煙霧和火炬氣流量檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，火炬氣消煙控制可以針對(duì)被控對(duì)象煙霧以及各干擾量的特點(diǎn)，在原有手動(dòng)控制的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)成前饋串級(jí)自動(dòng)控制。該優(yōu)化使得消煙蒸汽可以跟隨火炬氣流量的變化快速動(dòng)態(tài)地消除黑煙，在保持火炬氣高效燃燒的同時(shí)，節(jié)約了蒸汽消耗，降低了黑煙、噪聲等環(huán)境污染。該優(yōu)化控制的應(yīng)用，有助于企業(yè)提高火炬煙霧控制的生產(chǎn)管理水平，同時(shí)有助于改善火炬的環(huán)保形象。

[1] API. API Standard 521—2014 Pressure-relieving and Depressuring Systems [S]. Washington： American Petroleum Institute， 2014.

[2] ANSI/API .API Standard 537—2008 Flare Details for General Refinery and Petrochemical Service [S]. Washington： American Petroleum Institute， 2008.

[3] 徐麗英.SY/T 10043—2002 泄壓和減壓系統(tǒng)指南[S]. 北京： 石油工業(yè)出版社，2002.

[4] 趙廣明，李鳳奇，韓鈞，等. SH 3009—2013 石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京： 中國(guó)石化出版社，2014.

[5] 甘軍平. 蒸汽在PX火炬頭中的應(yīng)用[J]. 石油化工設(shè)計(jì)，2004，21(02)： 46-48.

[6] 王鑫民. 火炬消煙蒸汽優(yōu)化數(shù)學(xué)模型及控制應(yīng)用[J]. 化工自動(dòng)化及儀表，2014，41(12)： 1428-1431.

[7] 陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 3版.北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[8] 翁維勤，孫洪程.過(guò)程控制系統(tǒng)及工程[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[9] 王樹(shù)青，樂(lè)嘉謙.自動(dòng)化與儀表工程師手冊(cè)[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[10] 侯一民，倫向敏.電廠鍋爐火焰綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2015,42(12): 1336-1339.

[11] 王鑫民.火炬消煙蒸汽優(yōu)化數(shù)學(xué)模型及控制應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2014,41(12): 1428-1431.

鄭萬(wàn)里(1983—)，男，江蘇連云港人，2005年畢業(yè)于南京師范大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于江蘇中圣高科技產(chǎn)業(yè)有限公司電儀室，從事石油化工自動(dòng)化設(shè)計(jì)工作，任工程師。

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1007-7324(2017)02-0071-03

稿件收到日期： 2016-09-27，修改稿收到日期： 2016-12-20。