1、第4期GSP气化炉火焰检测器的优化与改造刘杰（国家能源集团宁夏煤业有限责任公司烯烃一分公司，宁夏 灵武751405）摘要：火焰检测器是GSP气化炉安全监测系统的重要组成部分，也是操作人员远程掌握气化炉内火焰燃烧情况的重要设备。火焰检测器在GSP气化炉点火初期无法检测到火焰，投煤、燃料气切换期间存在火检频繁波动等情况。如何保证准确、可靠的检测气化炉内火焰情况，在深入分析了GSP气化炉烧嘴结构、火焰检测器构成及工作原理的基础上，针对火焰检测器使用过程中存在火检信号丢失、频繁波动等缺陷，提出了对火焰检测器基于全光谱动态的三重化冗余改造方法，通过改造有效地解决了以上问题。关键词：GSP气化炉；火焰检测
2、器；三重化冗余；视频分析系统；分光镜中图分类号：TQ545文献标识码：B文章编号：2096-7691（2023）04-077-04作者简介：刘杰（1985），男，工程师，现任职于国家能源集团宁夏煤业有限责任公司烯烃一分公司，主要从事煤化工仪表管理工作。Tel：18995139527，E-mail：引用格式：刘杰.GSP气化炉火焰检测器的优化与改造 J.能源科技，2023，21（4）：77-80.0引言我国是一个富煤贫油的国家，近年来，为保证国家能源储备，煤化工产业发展迅猛。现代煤化工技术的核心是煤气化技术，国家能源集团宁夏煤业有限责任公司某气化装置采用德国西门子GSP干煤粉气化技术，该气化炉应
3、用的火焰检测器（以下简称火检）存在3 个问题：点火初期无法检测到火检信号；投煤、燃料气切换期间火检信号频繁波动；工况运行稳定时，多次因火检故障联锁导致气化炉停车。因此，如何提高火检的测量准确性和稳定性，是气化炉仪表技术人员需要解决的技术难题。1GSP气化工艺流程GSP干煤粉气化技术由煤粉输送系统、激冷水系统、水冷壁系统、夹套冷却系统、烧嘴冷却系统、烧嘴及气化炉、氧气系统、LPG/FG系统、文丘里洗涤系统、合成气系统、排渣系统、黑水处理系统及其他辅助系统组成，如图1所示。高压干煤粉密相输送进入气化炉，在气化炉的燃烧室里与纯氧进行气化反应，反应温度为1 450 1 650、反应压力为4.1 MPa
4、，生成以氢气和一氧化碳为主的原料气。气化炉内的高温原料气和熔融状态的煤渣，在激冷室冷却后，进行渣、水和气体分离。分离的原料气经过文丘里洗涤等工艺处理后变为合成气供下游装置使用，灰渣通过破渣机、渣锁斗进行排放，黑水进入闪蒸系统进行处理。气化炉点火烧嘴和主烧嘴组合，从气化炉顶部插入，点火烧嘴正中为中心管，火检安装于点火烧嘴和中心管的正上方，火焰监测器通过一块耐高压的玻璃与中心管的高压氮气隔开。输煤系统干煤粉煤仓CO2/N2锁斗给料斗CO2/N2O2蒸汽气化炉点火烧嘴燃料气低压蒸汽低压锅炉给水激冷室反应室1 300 1 800 破渣机渣锁斗渣处理渣捞渣机闪蒸系统闪蒸1闪蒸2黑水缓冲罐激冷水槽激冷水补
5、充水喷射洗涤器文丘里洗涤聚结器分离器冷凝液合成气高压喷射器合成气净化系统黑水处理废水 滤饼释放气图1GSP气化工艺流程2火检安装及存在的问题分析2.1改造前火检安装方式改造前气化炉使用某公司“三合一”火检，即火检第21卷 第4期Vol.21No.42023年8月Aug.2023第4期可以实现火焰视频监视、火检强度信号、火检开关量信号传输方式。火检安装于烧嘴正上方，摄像机安装垂直于烧嘴。在火检和摄像机垂角处安装一面中间开孔的分光镜，如图2所示。从开孔处透过去的光用于火检检测，输出火检强度和开关量信号进入DCS系统和SIS系统1。火检强度信号通过420 mA信号传输至DCS系统显示2，火检开关量信
6、号传输至SIS系统参与联锁逻辑运算。当火检强度20%，与火检信号同时消失5 s触发联锁，关闭氧气切断阀、燃料气切断阀和煤粉切断阀等，属于一级工艺联锁。火焰视频监视使用摄像机拍摄炉膛内的火焰情况，通过工业电视系统在一体式小型触摸屏电脑显示图像视频，供工艺人员监视炉膛内火焰情况。火检分光镜摄像头烧嘴气化炉视频刻录机SIS系统联锁DCS系统显示中控显示器图2改造前火检安装2.2改造前火检存在的问题及原因分析2.2.1改造前火检存在的问题（1）GSP气化炉火检安装于烧嘴顶部3，受安装位置约束，只能安装一台设备。目前使用一套“三合一”火检，火检故障导致气化炉跳车1 次/a。（2）气化炉点火初期，炉内温度
7、、压力低，点火烧嘴的火焰小，火检无法检测到火焰强度。（3）气化炉投煤、燃料切换等操作时，存在火检信号波动和火焰检测不稳定的情况。一般在气化炉点火初期、投煤、燃料切换等操作时，为了确保点炉顺利会将火检联锁申请解除，操作人员通过火焰视频功能监视炉内火焰情况。如果点火不成功或者炉膛内无火手动紧急关闭氧气、燃料气切断阀。这种方式对操作人员的技能水平要求较高，也存在一定的安全隐患，如果处置不当，燃料气积聚会造成气化炉爆炸等事故。2.2.2原因分析（1）改造前使用某公司生产的“三合一”火检，该火检由一套视频监视系统和一套火焰检测系统组成。火检采集、分析、处理为单一电路板，这种设计结构受诸多不确定因素的影响
8、，一旦火检供电电源掉电，采集、分析、处理单元元器件受静电干扰或故障会联锁气化炉停车，引发安全问题，造成经济损失。（2）改造前使用分体式火检，分为就地采集单元和后端控制单元两部分，传感器采集的电压信号送至控制单元分析处理，传输过程信号易受干扰，存在判断结果与实际不符的问题。（3）西门子GSP干煤粉气化技术仅通过烧嘴顶部火检监控气化炉内燃烧情况。火检通过1.2 cm、长约5 000 cm的观火孔检测炉内火焰。火焰检测面积小、通道长，火检检测到的光强较弱。另外，安装在火检与炉膛之间的开孔分光镜，将部分光线反射至摄像头，进一步减弱了进入火检的光线。该结构存在可观火通道长，可检测火焰面积小、光强弱的缺陷
9、。（4）改造前火检使用紫外火检测量的频谱为200400 nm，由于气化炉的多燃料属性，不同燃料的燃烧状态的光谱范围差异较大，气体燃烧时的紫外波段占比大，煤粉燃烧时的红外波段占比大，再加上前级信号传输的衰减和干扰，造成了火检传感器对于信号采集的范围不能全波段检测。因此，在气化炉工况调整、投煤、燃料切换期间，火焰检测的能力不足，火检无法满足各种工况的检测，在气化炉点火、投煤、燃料气切换时火检信号存在闪烁的情况。3火检优化改造方案与应用针对气化炉单烧嘴多燃料（LPG、天然气、煤粉）的特殊工况，通过对点火、升温升压、投煤、燃料气切换、正常燃烧等不同阶段炉膛内火焰的光谱频段进行系统的分析，改进了单烧嘴气
10、化炉专用智能冗余全光谱动态火检，并设计了一种GSP气化炉专用智能全光谱分析算法，解决了当前使用的进口火检在升压阶段检测不到火焰的问题，实现了气化炉点炉全过程投用联锁，消除了重大安全隐患。3.1改造后火检的构成火检由智能冗余全光谱动态火检和火焰视频及分析系统构成，如图3所示。智能冗余全光谱动态火检采用紫外线可见光红外线技术的全辐射光谱固态传感器探测火焰，火焰视频及分析系统由图像采刘杰：GSP气化炉火焰检测器的优化与改造78第4期集设备和火焰视频分析单元组成。气化现场现场机柜间中央控制室DCS系统SIS系统视频监控工艺主操工艺主操工艺主操火焰视频分析系统分光镜数字摄像头烧嘴气化炉凸透镜智能全光谱动
11、态火检420 mA信号开关量信号数字视频信号图3智能冗余全光谱动态火检和火焰视频及分析系统3.1.1智能冗余全光谱动态火检智能冗余全光谱动态火检采用两套独立的火检集成于一体，供电、采集信号、分析处理和输出结果独立，做到了真正意义上的冗余。火检由双固态传感器采集燃烧介质发出的光信号，并进行模拟滤波和数字滤波，CPU经过火焰强度、频率、AC振幅等火焰特征的分析运算判断火焰状态，采用数字频谱分析，提供多种算法模式，通过对火焰燃烧强度、频率、AC振幅等特性综合分析实时工况，输出稳定可靠运行结果。具备实时自检功能，在发现问题时及时发出对应故障码，可有效帮助维护人员排查分析问题，便于用户及时准确地排查处理
12、故障。具有两套独立参数功能的数据库，当燃料切换、投煤等燃料发生变化工况时，通过供给燃料介质反馈的信号自动切换对应参数功能的数据库，以满足准确检测不同介质燃烧工况的需求，如图4所示。火焰光信号独立双板滤波单元独立双板CPU燃料介质供给信号PC端设定参数ARM参数设定APP无线设定参数双420 mA输出信号双开关量输出信号图4智能冗余全光谱动态火检原理火检有安卓版APP控制软件、PC控制软件及按键参数设定功能，APP控制软件由工业级WIFI实现短距离无线连接，PC控制软件通过Modbus通讯协议实现PC端参数设定，也可通过火检显示器下方的按钮进行参数设定，如图5所示。（a）APP控制软件界面（b）
13、PC端控制软件界面图5控制软件界面3.1.2火焰视频及分析系统火焰视频及分析系统是将原火检的模拟摄像机改造为高清数字摄像机，解决了原设备像素低、采集火焰图像模糊、模拟信号传输易受干扰等问题。现场高清数字摄像机针对现场防爆要求，安装在金属防爆外壳内，通过分光镜实时采集炉内火焰状态。采用光纤进行数字信号传输，清晰度高、信号稳定。火焰视频分析单元采用光学设备和数字摄像机采集视频图像，数据处理单元是在 Linux系统使用国产 NPU（NeuralProcessing Unit，神经网络处理器）的方法完成图像分析和智能识别。首先对接收到的实时动态视频信号进行滤波，图像算法通过对火焰图像灰度、火焰燃烧范围
14、大小、火焰图像频率等参数的分析，判断炉膛内火焰状态，输出实时的火检强度和开关量信号。同时，传输图像视频至触摸屏供工艺人员监控，触摸屏具有参数设置窗口，可操作参数包括算法灵敏度、设备初始状态等。录像具备存储、回放功能，采用1T硬盘录像机对数字摄像机实时图像存储保存。火焰视频分析系统用不同的原理检测炉膛内火焰情况，有效地补充了单一原理检测火焰的不确定性，此系统与智能冗余全光谱动态火检同时监测火焰实时动态并将结果送至DCS系统和SIS系统进行显示，并参与气化炉联锁运算，有效地满足了火焰检测的需求，提高了气化炉运行的安全度，如图6所示。火焰光信号燃料介质供给信号设定参数ARM参数设定双420 mA输出
15、信号双开关量输出信号视频数据分析处理高清数值摄像机中控监视器（a）火焰视频及分析系统原理（b）火焰视频分析仪图6火焰视频分析系统79第4期3.2光路改进与优化火检与炉膛之间装有开孔分光镜，该部分虽然将光线反射至摄像头，但会减弱进入智能冗余全光谱动态火检的光线。为增强火检检测的光强，在火检前部增加了球面镜，气化炉发出平行光线聚光后，通过火检内部特殊结构分光，将被检测光源送入两个不同的火检检测元件，实现火检冗余检测。这种增加球面镜改进后的火检会增强火焰光线，解决了火焰光线弱的问题，如图7所示。图7优化后的火检光路3.3火检改造后联锁功能设计由智能冗余全光谱动态火检和火焰视频及分析系统组成的全新火检
16、，从物理结构上完全实现了仪表的三重化冗余设计，气化炉的火检联锁按照“三取二”设计，即从智能冗余全光谱动态火检每个独立的控制板各取出一组开关量信号与火焰视频及分析系统输出的开关量信号做“三取二”表决后参与联锁逻辑运算，这种“三取二”表决逻辑既能防止误动，又能防止拒动，提高了气化炉运行的可靠性和安全性。4结语通过对火检的优化与改造，目前已在气化装置1 号气化炉和2 号气化炉投入运行5 个月，没有出现火检信号丢失、波动等现象，说明该方案可行，解决了气化炉在点火初期无法检测到火焰的难题。优化火检后的性能满足火检在LPG、天然气、煤粉不同燃料切换期间的检测要求，实现了火检在点火、投煤、燃料气切换任何阶段和工况的准确、稳定测量。通过优化气化炉火检“三取二”联锁，兼顾了可靠性与安全性双重目标，全过程投用联锁，消除了重大安全隐患，为气化炉安全、稳定、长周期运行提供了可靠保障。参考文献：1张冰.神华宁煤 GSP气化炉控制系统改造概述 J.仪器仪表用户，2019，26（6）：100-103.2徐亚昆.神华宁煤GSP气化装置点火与火检系统的改造 J.化工自动化及仪表，2014，41（4）：429-433.3