煤氣柜自動化技術分析

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1煤氣柜工藝概述

1.1煤氣系統

煤氣管網通過煤氣柜進口φ1020管道及DN1000閘閥、蝶閥進入氣柜，通過氣柜出口φ1020管道及DN1000蝶閥、閘閥出氣柜。其中，煤氣柜出口、入口、放散管道均設置了電動閥，可以就地和遠程控制。

1.2循環油系統

循環油泵將油送入油管，提升至溢流孔，油沿側壁流至活塞油槽，起到潤滑密封帆布的作用，同時密封油從側板和側壁間間隙往下流到柜底油槽，經過油水分離，水外排處理，油循環使用。

1.3附屬設備

電梯和吊籠，煤氣柜總高81.4米，電梯和吊籠作為煤氣柜檢修的重要和必要工具，作為特種設備，必須進行定期檢查、保養。

1.4外圍設備

羅茨鼓風機和消防水泵，鼓風機作為動力設備，煤氣出柜后經過羅茨鼓風機提壓，提高煤氣量，能一定程度上提高裝置負荷的同時，穩定后續煤氣穩定。消防水泵則是保證煤氣柜安全的重要消防設備，與現場火災報警按鈕、火焰探測器、煙感、消防水炮等組成消防系統。

2煤氣柜自控技術和應用

煤氣柜采用基于Hollysys的K-CU11系列DCS控制系統，對煤氣柜設備、工藝數據進行采集和調節，主要包括：氣柜煤氣系統測量，即氣柜壓力、流量、溫度、柜位、傾斜等測量；煤氣柜調節系統，即煤氣調節系統、密封油自控系統；煤氣柜聯鎖系統、水封系統四大部分。采用基于Labview的虛擬儀器技術，監視活塞運行；采用ABB800XASIS系統，實現柜位聯鎖，采用基于高清防爆網絡攝像機的視頻監視技術，監視柜內活塞運行、配置了有毒有害以及可燃氣體檢測設備，監測氣柜是否存在泄漏情況。

2.1煤氣柜測量儀表

主要有壓力、液位、流量、溫度、在線氧含量等常規工藝指標測量以及超聲波柜位測量；煤氣柜煤氣中含有大量水分，容易產生凝結、凍堵，所以氣柜柜內壓力、煤氣流量的測量儀表，在安裝方式上應盡量減少取壓管線長度，必須注意防凍、伴熱和保溫。超聲波柜位測量是一種傳統的測量方式，在柜頂安裝超聲波傳感器，通過發射和接收聲波的時差，通過聲速計算得出柜位，這種方式是不連續的，一般15秒測量一個數值，然后取一分鐘內的平均值作為測量值。由于聲波在不同溫度下的傳播速度是不同的，所以超聲波柜位測量容易受到溫度影響，不同的溫度下，需要進行計算補償。聲波屬機械波，容易受到空間環境影響，回波衰弱，導致檢測斷檔，出現長時間死區、數據不動，所以在超聲波傳感器應用后期，特別要注意柜位檢測的準確性，必要時更換新的傳感器。活塞傾斜測量，DCS采用的是活塞四方位測量，通過兩組連通器，注入防凍油，進行壓差、密度計算得出2個傾斜值，可以對氣柜活塞的運行有一定監視作用，但無法確定準確方位。數據統計分析，對煤氣柜油泵的啟停次數進行每日統計，分析得出氣柜密封油系統運行狀況，如果油泵氣動次數明顯增加，結合油倉油位變化情況，需要檢查活塞油密封是否出現問題造成漏油量加大，或者檢查測驗油粘度，檢查粘度是否下降，是否需要對油進行改質、換油。煤氣泄漏檢測和通風系統，煤氣柜活塞頂部安裝了一氧化碳探測儀、氫氣探測儀，一旦發生泄漏，探測器立即發生聲光報警，并將濃度信號傳送至氣體表監測系統，并在控制室聲光報警。控制室監控人員可以通過氣體檢測系統、視頻監控系統得到活塞泄漏報警的信息。油泵房、閥門室安裝一氧化碳檢測儀，與通風軸流風機聯動，房間內有一氧化碳含量高于24ppm時開啟風機換氣。

2.2煤氣調節系統

主要是指煤氣進出柜、煤氣放散以及風機回流的調節控制，以及油系統控制措施。所以煤氣柜設置采用了電動調節閥，控制室可以實現電動閥門的開關控制、狀態顯示、閥位顯示、故障指示以及遠程就地控制等，并控制閥門與關鍵指標聯鎖。柜位控制，根據煤氣柜活塞的運行狀態，上升還是下降，結合活塞在不同高度柜內壓力的經驗值，對煤氣柜不同工況下柜內壓力的設定值進行模糊控制，氣柜運行一般控制穩定在35至40米，壓力一般為5.5Kpa，當煤氣量進柜煤氣量增大或者出柜煤氣量減少，氣柜活塞上升至45米，壓力設定為5.0Kpa，此時柜位隨著壓力變小而降低，當柜位降低至40米時，壓力設定值又回到5.5Kpa，當出柜煤氣量增加，柜位繼續下降時，現將到35米，壓力值設定為5.8Kpa，當繼續下降30米時，壓力設定值為6.2Kpa，柜內壓力增加，柜位回升。采用分段式的控制，可以實現控制煤氣柜的穩定運行。回流控制和鼓風機控制，氣柜設置了五臺羅茨鼓風機，根據用氣量開相應數量的鼓風機，出口壓力一般維持在12Kpa，當后續工段用氣量大幅降低時，需要及時降低風機出口壓力，采用了回流調節的方法來降低出口壓力，避免由于壓力陡增沖破水封。正常生產時也可以每單臺風機進行PID控制，維持出口壓力穩定。鼓風機可以現場啟動，遠程停止，并設計停風機保戶聯鎖。水封控制，一種是煤氣管道水封，用來收集煤氣中夾帶的油水，同時依靠水封水柱壓力封住煤氣不外溢；另一種是放散水封，由于在沒氣柜運行過程中，由于閥門內漏等原因，放散管中有少量煤氣放散，當雷雨天氣時，容易被點燃，有較大安全隱患，同時不符合環保要求，放散水封的作用主要是封住煤氣，通過在煤氣管道制作U型彎，充水，液位控制在800mm，通過800mm的水柱封住煤氣，同時底部做自動氣動快速排水閥，緊急情況下可以遠程打開快速排水閥，恢復放空管道，放散煤氣。

2.3煤氣柜聯鎖系統

主要包括油泵聯鎖、氣柜柜位聯鎖、煤氣柜壓力聯鎖。油泵聯鎖，主要進行氣柜密封油的調節，自動控制、維持正常的油倉油位，油泵設置就地/遠程兩個控制方式，并可以進行主備泵選擇，遠程控制方式即聯鎖控制，在油箱設置了高、低四個液位開關,油位高時啟動主油泵，油位高高時，啟動備用泵，雙泵運行，當油位下降，油位低時停止備用泵，油位低低時，停止主油泵。柜位聯鎖，主要是柜位高高聯鎖和低低聯鎖，確保氣柜活塞運行在正常高度，避免活塞冒頂、著床等危險事故的發生。為了確保運行穩定，設計安裝三個柜位計，一個超聲波柜位計，一個激光柜位計，一個雷達柜位計，采用三取二作為聯鎖條件，當柜位大于61.5m時，聯鎖關閉氣柜進口閥，同時打開放散閥，當柜位低于3.5m時，聯鎖關閉氣柜出口閥。煤氣鼓風機壓力聯鎖，見圖1，當出口總管壓力大于28Kpa，且單臺鼓風機出口壓力大于28Kpa時，停單臺鼓風機，防止后續工段超壓、沖破水封；當氣柜排氣管壓力小于0.9Kpa，且壓縮機進氣管壓力小于0.9Kpa時，停鼓風機，防止管道負壓抽空、抽癟。

2.4活塞監測系統

近年來，多次發生氣柜安全事故，主要原因是氣柜活塞傾斜、漂移造成扭轉碰壁、密封系統損壞、密封油泄露等引起煤氣外溢，在活塞上部的相對封閉空間聚集，達到爆炸極限，造成嚴重的安全事故。活塞監測系統可以對煤氣柜柜位、柜容、柜速、活塞傾斜度、傾斜方位、活塞漂移量、漂移方位、活塞扭轉量及扭轉方向等參數進行采集和綜合分析，實現煤氣柜的全方位監控。活塞監測系統采用了基于虛擬儀器Labview的上位機系統，采用了模糊控制、視覺檢測技術，RS485總線和TCP/IP技術，與防爆檢測儀表共同構成活塞監測系統，如圖2是系統構成的簡圖。煤氣柜活塞測量儀表，柜位檢測采用了激光測距儀，與置于正下方活塞的靶盤組成柜位、柜速、測量系統，650nm的紅色可見激光，比較直觀，測量準確。活塞傾斜測量，仍然基于連通器原理，增加至八方位檢測，每方位連通器上方安裝高精度測距儀，當聯通器內液體液面隨活塞的傾斜變化時，測距傳感器測出每個測點液位值，并計算得出氣柜活塞的最大傾斜量及最大傾斜方位，如圖4是現場安裝的傾斜測量儀表。活塞漂移測量，采用測距傳感器測量活塞與氣柜側壁之間的間隙，將8個激光測距傳感器均布在活塞的外圓周，通過測量活塞與煤氣柜側壁之間的間隙，計算得出活塞漂移量和漂移方位，如圖3是現場安裝的漂移測量儀表。活塞扭轉測量，采用了機器視覺技術，由兩套機器視覺組件、2套激光發射組件組成，可以檢測活塞扭轉量及扭轉方向，如圖5是現場安裝的扭轉測量儀表。活塞監測上位機采用了Labview編程，只需要工控機，配置PCID/A板卡、PCI千兆網卡，就可以實現數據的采集。如圖6是上位機活塞檢測系統的畫面。隨著檢測技術的不斷發展，煤氣柜檢測手段不斷豐富，采用DCS控制系統、Labview監測系統、有毒有害和視頻監控技術，能夠為氣柜運行提供比較全面的數據，能夠對煤柜可能出現的問題進行預判、分析，避免煤氣柜出現重大安全隱患，具有一定的安全、經濟效益，為重大危險源管理提升奠定了基礎。

參考文獻

[1]王驥程,祝和云.化工過程控制工程[M].化學工業出版社出版.

[2]厲玉鳴.化工儀表及自動化[M].化學工業出版社出版.

[3]董法龍.煤氣柜自動化控制系統的開發與應用[R].山東金屬學會.

作者：趙志偉 單位：唐山中潤煤化工有限公司