1、2023 年 第 2 期 化学工程与装备 2023 年 2 月 Chemical Engineering&Equipment 197 煤气柜自动化技术的应用 煤气柜自动化技术的应用 赵志伟（唐山中润煤化工有限公司，河北 唐山 063611）摘 要：摘 要：唐山中润煤化工有限公司设计年产 20 万吨的甲醇生产装置，其中 10 万立方米的干式气柜（曼型稀油型气柜），作为煤气管网中的调峰谷缓冲设施，为后续工段提供了稳定的煤气供应。气柜主要分为侧板、柜顶、底板及活塞四部分。气柜活塞随煤气上升和下降，通过油槽和侧壁间的气柜油位，压差和煤气压力平衡形成密封，密封油循环使用，密封油从侧板和侧壁间间隙往下流，
2、积在底部油沟中，然后汇集至油箱进行油水分离，油量达到一定量时，启泵将油送至油管，从侧壁顶部的溢流孔沿侧壁流到活塞油槽中，保持密封油压平衡。公司煤气柜控制系统采用了 DCS、SIS、Labview、视觉技术、视频等多种先进技术手段，对煤气柜各项关键参数进行了测量、监测，确保煤气柜安全稳定运行。关键词：关键词：煤气柜；DCS；SIS Labview；激光；视觉 1 煤气柜工艺概述 1 煤气柜工艺概述 1.1 煤气系统 煤气管网通过煤气柜进口1020 管道及 DN1000 闸阀、蝶阀进入气柜，通过气柜出口1020 管道及 DN1000 蝶阀、闸阀出气柜。其中，煤气柜出口、入口、放散管道均设置了电动阀
3、，可以就地和远程控制。1.2 循环油系统 循环油泵将油送入油管，提升至溢流孔，油沿侧壁流至活塞油槽，起到润滑密封帆布的作用，同时密封油从侧板和侧壁间间隙往下流到柜底油槽，经过油水分离，水外排处理，油循环使用。1.3 附属设备 电梯和吊笼，煤气柜总高 81.4 米，电梯和吊笼作为煤气柜检修的重要和必要工具，作为特种设备，必须进行定期检查、保养。1.4 外围设备 罗茨鼓风机和消防水泵，鼓风机作为动力设备，煤气出柜后经过罗茨鼓风机提压，提高煤气量，能一定程度上提高装置负荷的同时，稳定后续煤气稳定。消防水泵则是保证煤气柜安全的重要消防设备，与现场火灾报警按钮、火焰探测器、烟感、消防水炮等组成消防系统。
4、2 煤气柜自控技术和应用 2 煤气柜自控技术和应用 煤气柜采用基于 Hollysys 的 K-CU11 系列 DCS 控制系统，对煤气柜设备、工艺数据进行采集和调节，主要包括：气柜煤气系统测量，即气柜压力、流量、温度、柜位、倾斜等测量；煤气柜调节系统，即煤气调节系统、密封油自控系统；煤气柜联锁系统、水封系统四大部分。采用基于 Labview的虚拟仪器技术，监视活塞运行；采用 ABB 800XA SIS 系统，实现柜位联锁，采用基于高清防爆网络摄像机的视频监视技术，监视柜内活塞运行、配置了有毒有害以及可燃气体检测设备，监测气柜是否存在泄漏情况。2.1 煤气柜测量仪表 主要有压力、液位、流量、温度
5、、在线氧含量等常规工艺指标测量以及超声波柜位测量；煤气柜煤气中含有大量水分，容易产生凝结、冻堵，所以气柜柜内压力、煤气流量的测量仪表，在安装方式上应尽量减少取压管线长度，必须注意防冻、伴热和保温。超声波柜位测量是一种传统的测量方式，在柜顶安装超声波传感器，通过发射和接收声波的时差，通过声速计算得出柜位，这种方式是不连续的，一般 15 秒测量一个数值，然后取一分钟内的平均值作为测量值。由于声波在不同温度下的传播速度是不同的，所以超声波柜位测量容易受到温度影响，不同的温度下，需要进行计算补偿。声波属机械波，容易受到空间环境影响，回波衰弱，导致检测断档，出现长时间死区、数据不动，所以在超声波传感器应
6、用后期，特别要注意柜位检测的准确性，必要时更换新的传感器。活塞倾斜测量，DCS 采用的是活塞四方位测量，通过两组连通器，注入防冻油，进行压差、密度计算得出 2 个倾斜值，可以对气柜活塞的运行有一定监视作用，但无法确定准确方位。数据统计分析，对煤气柜油泵的启停次数进行每日统计，分析得出气柜密封油系统运行状况，如果油泵气动次数明显增加，结合油仓油位变化情况，需要检查活塞油密封是否出现问题造成漏油量加大，或者检查测验油粘度，检查粘度是否下降，是否需要对油进行改质、换油。煤气泄漏检测和通风系统，煤气柜活塞顶部安装了一氧化碳探测仪、氢气探测仪，一旦发生泄漏，探测器立即发生声光报警，并将浓度信号传送至气体
7、表监测系统，并在控制DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.02.067198 赵志伟：煤气柜自动化技术的应用 室声光报警。控制室监控人员可以通过气体检测系统、视频监控系统得到活塞泄漏报警的信息。油泵房、阀门室安装一氧化碳检测仪，与通风轴流风机联动，房间内有一氧化碳含量高于 24ppm 时开启风机换气。2.2 煤气调节系统 主要是指煤气进出柜、煤气放散以及风机回流的调节控制，以及油系统控制措施。煤气柜在运行中需要保持柜内压力稳定在 5 至 10Kpa，当气柜前后的工艺产生波动时，就需要气柜的调节系统动作，来稳定气柜活塞柜速、柜内压力，当后续工段煤气负荷突然减少时，就需要进行鼓
8、风机回流调节，当煤气柜柜位较高或者柜速过快时，就需要进行放散调节控制。所以煤气柜设置采用了电动调节阀，控制室可以实现电动阀门的开关控制、状态显示、阀位显示、故障指示以及远程就地控制等，并控制阀门与关键指标联锁。柜位控制，根据煤气柜活塞的运行状态，上升还是下降，结合活塞在不同高度柜内压力的经验值，对煤气柜不同工况下柜内压力的设定值进行模糊控制，气柜运行一般控制稳定在 35 至 40 米，压力一般为 5.5Kpa，当煤气量进柜煤气量增大或者出柜煤气量减少，气柜活塞上升至 45 米，压力设定为 5.0Kpa，此时柜位随着压力变小而降低，当柜位降低至 40 米时，压力设定值又回到 5.5Kpa，当出柜
9、煤气量增加，柜位继续下降时，现将到 35 米，压力值设定为 5.8Kpa，当继续下降 30 米时，压力设定值为 6.2Kpa，柜内压力增加，柜位回升。采用分段式的控制，可以实现控制煤气柜的稳定运行。回流控制和鼓风机控制，气柜设置了五台罗茨鼓风机，根据用气量开相应数量的鼓风机，出口压力一般维持在12Kpa，当后续工段用气量大幅降低时，需要及时降低风机出口压力，采用了回流调节的方法来降低出口压力，避免由于压力陡增冲破水封。正常生产时也可以每单台风机进行PID 控制，维持出口压力稳定。鼓风机可以现场启动，远程停止，并设计停风机保户联锁。水封控制，一种是煤气管道水封，用来收集煤气中夹带的油水，同时依靠
10、水封水柱压力封住煤气不外溢；另一种是放散水封，由于在没气柜运行过程中，由于阀门内漏等原因，放散管中有少量煤气放散，当雷雨天气时，容易被点燃，有较大安全隐患，同时不符合环保要求，放散水封的作用主要是封住煤气，通过在煤气管道制作 U 型弯，充水，液位控制在 800mm，通过 800mm 的水柱封住煤气，同时底部做自动气动快速排水阀，紧急情况下可以远程打开快速排水阀，恢复放空管道，放散煤气。2.3 煤气柜联锁系统 主要包括油泵联锁、气柜柜位联锁、煤气柜压力联锁。油泵联锁，主要进行气柜密封油的调节，自动控制、维持正常的油仓油位，油泵设置就地/远程两个控制方式，并可以进行主备泵选择，远程控制方式即联锁控
11、制，在油箱设置了高、低四个液位开关,油位高时启动主油泵，油位高高时，启动备用泵，双泵运行，当油位下降，油位低时停止备用泵，油位低低时，停止主油泵。柜位联锁，主要是柜位高高联锁和低低联锁，确保气柜活塞运行在正常高 度，避免活塞冒顶、着床等危险事故的发生。为了确保运行稳定，设计安装三个柜位计，一个超声波柜位计，一个激光柜位计，一个雷达柜位计，采用三取二作为联锁条件，当柜位大于 61.5m 时，联锁关闭气柜进口阀，同时打开放散阀，当柜位低于 3.5m 时，联锁关闭气柜出口阀。煤气鼓风机压力联锁，见图 1，当出口总管压力大于28Kpa，且单台鼓风机出口压力大于 28Kpa 时，停单台鼓风机，防止后续工
12、段超压、冲破水封；当气柜排气管压力小于0.9Kpa，且压缩机进气管压力小于 0.9Kpa 时，停鼓风机，防止管道负压抽空、抽瘪。图 1 气柜鼓风机压力联锁 图 1 气柜鼓风机压力联锁 2.4 活塞监测系统 近年来，多次发生气柜安全事故，主要原因是气柜活塞倾斜、漂移造成扭转碰壁、密封系统损坏、密封油泄露等引起煤气外溢，在活塞上部的相对封闭空间聚集，达到爆炸极限，造成严重的安全事故。活塞监测系统可以对煤气柜柜位、柜容、柜速、活塞倾斜度、倾斜方位、活塞漂移量、漂移方位、活塞扭转量及扭转方向等参数进行采集和综合分析，实现煤气柜的全方位监控。活塞监测系统采用了基于虚拟仪器Labview 的上位机系统，采
13、用了模糊控制、视觉检测技术，RS485 总线和 TCP/IP 技术，与防爆检测仪表共同构成活塞监测系统，如图 2 是系统构成的简图。图 2 煤气柜活塞监测系统组成示意图 图 2 煤气柜活塞监测系统组成示意图 赵志伟：煤气柜自动化技术的应用 199 煤气柜活塞测量仪表，柜位检测采用了激光测距仪，与置于正下方活塞的靶盘组成柜位、柜速、测量系统，650nm的红色可见激光，比较直观，测量准确。活塞倾斜测量，仍然基于连通器原理，增加至八方位检测，每方位连通器上方安装高精度测距仪，当联通器内液体液面随活塞的倾斜变化时，测距传感器测出每个测点液位值，并计算得出气柜活塞的最大倾斜量及最大倾斜方位，如图 4 是
14、现场安装的倾斜测量仪表。活塞漂移测量，采用测距传感器测量活塞与气柜侧壁之间的间隙，将 8 个激光测距传感器均布在活塞的外圆周，通过测量活塞与煤气柜侧壁之间的间隙，计算得出活塞漂移量和漂移方位，如图 3 是现场安装的漂移测量仪表。活塞扭转测量，采用了机器视觉技术，由两套机器视觉组件、2 套激光发射组件组成，可以检测活塞扭转量及扭转方向，如图 5 是现场安装的扭转测量仪表。活塞监测上位机采用了Labview 编程，只需要工控机，配置 PCI D/A 板卡、PCI 千兆网卡，就可以实现数据的采集。如图 6 是上位机活塞检测系统的画面。图 3 倾斜测量仪表 图 4 漂移测量仪表 图 5 扭转测量仪表 图 3 倾斜测量仪表 图 4 漂移测量仪表 图 5 扭转测量仪表 图 6 活塞监测上位机画面 图 6 活塞监测上位机画面 随着检测技术的不断发展，煤气柜检测手段不断丰富，采用 DCS 控制系统、Labview 监测系统、有毒有害和视频监控技术，能够为气柜运行提供比较全面的数据，能够对煤柜可能出现的问题进行预判、分析，避免煤气柜出现重大安全隐患，具有一定的安全、经济效益，为重大危险源管理提升奠定了基础。参考文献 参考文献 1 王骥程,祝和云.化工过程控制工程M.化学工业出版社出版.2 厉玉鸣.化工仪表及自动化M.化学工业出版社出版.3 董法龙.煤气柜自动化控制系统的开发与应用R.山东金属学会.