鍋爐與空分裝置及蒸汽放空閥聯鎖邏輯優化淺析

劉家勝

（荊門盈德氣體有限公司，湖北 荊門 448000）

0 引 言

荊門盈德氣體有限公司（簡稱荊門盈德）煤化工項目產能為300kt/a合成氨、500kt/a甲醇及60000m3/h氫氣，配套3臺150t/h的9.8 MPa蒸汽鍋爐（分別稱作鍋爐A、鍋爐B、鍋爐C）、2套60000m3/h汽拖空分裝置（分別稱作1700空分裝置、1800空分裝置）、4臺有效氣（CO+H2）產量100000m3/h的水煤漿水冷壁清華爐（三開一備），以及耐硫變換系統、低溫甲醇洗系統、液氮洗系統、氨合成系統、甲醇合成及精餾系統、PSA制氫系統等。本項目于2019年8月底全線貫通，投入正常生產。

荊門盈德鍋爐運行模式為兩開一備，空分裝置運行模式為兩開無備（2套空分裝置各配套1臺汽輪機，汽輪機同時拖動空壓機與增壓機，汽輪機所用蒸汽產自9.8MPa蒸汽鍋爐，富余的9.8MPa蒸汽經減溫減壓后補入3.82MPa蒸汽管網）。9.8MPa蒸汽管網設有1臺高壓蒸汽放空閥（HV1001），HV1001全開（HV1001為FO型，斷電時HV1001全開）放空量為1臺鍋爐的產汽量150t/h。鍋爐與空分裝置及蒸汽放空閥三者之間的聯鎖邏輯關系比較復雜，設計院最初設計的聯鎖邏輯為：鍋爐為兩開一備，運行中的1臺鍋爐跳車空分裝置無聯鎖動作，運行中的2臺鍋爐跳車則2套運行空分裝置全停；2套空分裝置任意停1套則HV1001全開；2套空分裝置全停則2臺鍋爐全停。

1 聯鎖邏輯第一次修改

1.1 問題分析

鍋爐與空分裝置及蒸汽放空閥聯鎖邏輯第一次修改是在2019年5月。2019年5月空分裝置臨近開車，發現設計院設計的聯鎖邏輯存在如下問題。

（1）鍋爐兩開一備，單臺鍋爐產汽量150t/h，空分裝置2臺汽輪機，單臺汽輪機耗汽量122t/h，按照最初設計的聯鎖邏輯，1臺鍋爐跳車空分裝置無聯鎖動作，單臺鍋爐是無法滿足2套空分裝置同時運行需求的，而空分裝置汽輪機停車條件比較苛刻，汽輪機轉速降至額定轉速的96%（即4827r/min，額定轉速為5028r/min）延時10s觸發汽輪機停車，如此一來勢必會造成2套空分裝置跳車，空分裝置操作員此時只能迫停1臺汽輪機，即此時工藝上要求迫停1臺汽輪機而保另一臺汽輪機正常運行，以維持1套空分裝置運行；同時，根據設計院最初的設計，停1套空分裝置高壓蒸汽放空閥（HV1001）聯鎖全開，會導致9.8MPa蒸汽管網壓力迅速下降，后果依然是2套空分裝置跳車。

（2）鍋爐與空分裝置及蒸汽放空閥聯鎖邏輯設計為2套空分裝置全停則2臺鍋爐全停，而此時通常需要的是保留1臺鍋爐運行以迅速恢復生產。

1.2 解決辦法

2臺鍋爐+2套空分裝置運行模式下，1臺鍋爐跳車時，聯鎖停車信號送空分裝置，選擇1700空分裝置或1800空分裝置聯鎖停車（1700空分裝置和1800空分裝置設置“投入”和“切除”按鈕，1700空分裝置和1800空分裝置此時只能投入1套聯鎖）；換言之，1臺鍋爐跳車造成的空壓機跳車HV1001不能打開，而其他原因造成的空壓機跳車HV1001仍舊聯鎖打開。

3臺鍋爐兩開一備，停1臺運行鍋爐實際上按照鍋爐運行三選二即為鍋爐原因跳車，聯鎖動作后觸發空分裝置跳車，此時通過一個觸發器（SR101）使其輸出為“1”，與空分裝置其他跳車條件一起經過或門 （OR），來控制電磁閥（HV1001）SR101輸出為“1”，使HV1001仍舊得電，HV1001不打開；當2臺鍋爐運行時，SR101輸出為“0”，此時空分裝置跳車觸發即非鍋爐原因，經過或門（OR），HV1001失電，HV1001打開。

對于2套空分裝置全停則2臺運行鍋爐全停的聯鎖，修改為2臺運行鍋爐只有1臺運行鍋爐投用此聯鎖，2臺運行鍋爐中有1臺鍋爐聯鎖跳車時，可以實現2套空分裝置全停但保留1臺鍋爐運行。

2 聯鎖邏輯第二次修改

2.1 問題分析

鍋爐與空分裝置及蒸汽放空閥聯鎖邏輯第二次修改是在2019年8月。鍋爐投運初期，由于操作經驗不足等，其運行狀況較差，需要3臺鍋爐全開才能夠滿足2套空分裝置運行及全廠蒸汽管網所需。2019年8月16日鍋爐C跳車，因當時是3臺鍋爐運行，跳停1臺，沒有觸發任何聯鎖，但由于鍋爐運行狀況不好，不能滿足2套空分裝置運行及全廠蒸汽管網所需，當時操作工想降負荷或卸載1700空分裝置（卸載空分裝置，意指汽輪機仍在運轉，但空壓機和增壓機的回流閥、放空閥均已經全開了，此時沒有產品產出了，汽輪機耗蒸汽也少了）來保生產，但是鍋爐C跳車3min后，1700空分裝置還是因汽輪機轉速低跳車，1700空分裝置跳車后，聯鎖觸發蒸汽放空閥（HV1001）打開，進而拖垮了蒸汽管網壓力，導致2套空分裝置跳車，由此造成整個生產系統停車。當1700空分裝置因汽輪機轉速低聯鎖跳車而造成HV1001打開時，操作工也想趕緊將HV1001關閉，迅速保住蒸汽管網壓力，但因具體操作比較麻煩，需經歷調出聯鎖畫面、解除聯鎖、復位電磁閥（HV1001）、調出HIC1001（HIC1001為對應HV1001的手操器，在DCS界面上操作）操作面板、改為手動模式、手動操作調整閥門等步驟而延誤了處理時間。

2.2 解決辦法

3臺鍋爐運行為非常態，以后鍋爐爐況調整好了仍會恢復為兩開一備，對于兩開一備，所有的聯鎖也都是運行正常的，關鍵就是1套空分裝置自身聯鎖跳車造成蒸汽放空閥（HV1001）全開后，HV1001復位等比較麻煩。于是，修改為當1套空分裝置跳車發出脈沖信號觸發電磁閥（HV1001）斷電而全開，增加HV1001聯鎖自復位功能——當蒸汽管網壓力（PZT-1002）降至9.0MPa時，HV1001自動得電復位，并按照蒸汽放空量100t/h核算，復位預設HIC1001開度為56%，此時HV1001已具備手動操作條件。對于已跳車的那一套空分裝置，事后必須進行對HV1001跳車聯鎖旁路操作，防止再次發出跳車信號。

實際上在其后的運行中，還存在一個特殊的時期——當鍋爐倒爐的時候，2臺鍋爐正常運行+1臺鍋爐點火升溫升壓，待備用鍋爐運行正常后，再停下在運的1臺鍋爐，恢復為兩開一備狀態，此倒爐過程大約耗時6～7h。由于疏忽了這個問題，對這個正常倒爐過程的預案沒有引起重視，2020年10月3日鍋爐倒爐時，在運的2臺鍋爐跳停了1臺，而處于點火升溫升壓狀態的鍋爐還沒有產出蒸汽，當時表象為3臺運行鍋爐跳了1臺，生產系統運行2臺鍋爐停1套空分裝置且HV1001不動作，但此時蒸汽供應已經嚴重不足，操作工趕緊緊停1700空分裝置，而此時HV1001打開，又導致蒸汽管網被拖垮，1800空分裝置也迫停了，即2套空分裝置全停，由此造成整個生產系統停車。后經研究分析，決定對于鍋爐倒爐的這特殊的6～7h，制定好倒爐預案，鍋爐和空分裝置操作員時刻盯住屏幕，如果出現上述情況，等HV1001聯鎖復位后將HIC1001及時關到零位，保住蒸汽管網壓力，如此可保住1套空分裝置正常運行。

3 聯鎖邏輯第三次修改

3.1 問題分析

鍋爐與空分裝置及蒸汽放空閥聯鎖邏輯第三次修改是在2020年4月。2020年3月份受新冠疫情影響，原料煤和燃料煤供應不足、產品銷售不暢，當時系統維持低負荷運行，即2臺鍋爐（鍋爐A、鍋爐C） +1套空分裝置運行模式；2020年3月9日因鍋爐A跳車造成1700空分裝置跳車，同時由于1800空分裝置本就處于停車狀態，導致觸發空分裝置全停停1臺鍋爐聯鎖，而當時聯鎖正好掛在鍋爐C，造成鍋爐C跳車，即造成整個鍋爐系統全停，而實際上生產中是希望保留1臺鍋爐運行以迅速恢復生產的。當時有人提議，將空分裝置全停停1臺鍋爐聯鎖改為空分裝置全停且蒸汽管網壓力高于10.1MPa時1臺鍋爐聯鎖，但筆者認為此舉恐存在以下不足。

（1）2臺鍋爐+1套空分裝置運行模式下，當空分裝置跳車時，蒸汽放空閥（HV1001）打開，因此時2臺鍋爐負荷低而HV1001打開，正常情況下蒸汽管網壓力根本達不到10.1MPa，換言之，空分裝置全停且蒸汽管網壓力高于10.1 MPa時1臺鍋爐聯鎖這一邏輯修改不起作用。

（2）2臺鍋爐+2套空分裝置運行模式下，當2套空分裝置全停時，1套空分裝置的蒸汽通過HV1001放空，且要等到蒸汽管網壓力升到10.1MPa才動作停1臺鍋爐，這里存在一個信號滯后的問題，并且鍋爐停車的瞬間還會繼續產蒸汽，勢必造成蒸汽管網超壓，遠不如空分裝置全停停1臺鍋爐聯鎖來得迅速、安全、可靠。

3.2 解決辦法

原來這個聯鎖設計是針對2臺鍋爐+2套空分裝置的運行模式，當2套空分裝置全停的時候，1套空分裝置的蒸汽通過HV1001放空，另外再通過空分裝置全停聯鎖停1臺鍋爐，使蒸汽能夠得到平衡，這樣動作非常迅速，并可保證還有1臺鍋爐在運，這個聯鎖邏輯是沒有問題的，但在2臺鍋爐+1套空分裝置運行模式下，就會出現2020年3月9日這種情況。

針對2臺鍋爐+1套空分裝置的運行模式，筆者建議將空分裝置全停停1臺鍋爐的聯鎖旁路，如此就可避免2020年3月9日的那種情況發生，原因如下：①2臺鍋爐+1套空分裝置運行模式下，1臺鍋爐跳車，空分裝置因蒸汽供應問題自然停車，而由于空分裝置全停停1臺鍋爐聯鎖被旁路，因此剩下的這臺鍋爐就還能繼續運行；②2臺鍋爐+1套空分裝置運行模式下，如果是由于空分裝置自身原因跳車，HV1001打開，放空的蒸汽量正好也是1套空分裝置運行所需的蒸汽量，此時2臺鍋爐仍處于運行狀態，蒸汽量也是平衡的，具體操作可根據當時的生產情況保留2臺鍋爐運行或保留1臺鍋爐運行。

3.3 優化完善措施

以上聯鎖邏輯修改從理論分析角度而言是沒有問題的，對于空分裝置全停停1臺鍋爐聯鎖，為保留停車后有1臺鍋爐在運，可采取1套空分裝置運行的時候不掛此聯鎖、2套空分裝置全開的時候才掛此聯鎖的方式，由操作工來進行選擇和操作。但后來筆者仔細分析，認為還存在以下不足：①操作工有時候可能會忘記掛此聯鎖或是忘記摘除此聯鎖；②當2套空分裝置運行，突然停1套空分裝置的時候，此時可能就保留1套空分裝置運行或是馬上準備開停下的那套空分裝置，有時候操作工不好判斷是立刻摘除此聯鎖還是繼續掛此聯鎖。

后來通過深入分析與研究，決定對此聯鎖進行如下完善：當只有1臺鍋爐運行的時候（信號取自鍋爐運行三選二聯鎖取反，當鍋爐運行三選二聯鎖動作即輸出跳車信號為“0”，而將其取反則為“1”，代表此時鍋爐最多為1臺運行了，利用這個信號來旁路空分裝置全停停1臺鍋爐聯鎖），即使此臺鍋爐掛了空分裝置全停停1臺鍋爐聯鎖也不會跳車，只有當2臺及以上鍋爐運行的時候，空分裝置全停停1臺鍋爐聯鎖才動作。如此一來，可以一直將需掛聯鎖的那臺鍋爐一直掛著，不論是2臺鍋爐+2套空分裝置運行模式、2臺鍋爐+1套空分裝置運行模式、1臺鍋爐+1套空分裝置運行模式，聯鎖都可以一直掛著；當只剩下1臺鍋爐運行的時候，系統會自動將空分裝置全停停1臺鍋爐聯鎖旁路，不過鍋爐自身的聯鎖沒有被旁路，壓力、流量、風機運行等聯鎖還是起作用的。

對于2020年3月9日的那種生產模式，即2臺鍋爐+1套空分裝置運行工況，1臺鍋爐（鍋爐A）跳車造成在運的1700空分裝置跳車（當時1800空分裝置本就處于停車狀態，相當于觸發了2套空分裝置全停停1臺鍋爐聯鎖），此時只有1臺鍋爐（鍋爐C）運行，若空分裝置全停停1臺鍋爐聯鎖被旁路，此時不論剩下的那臺鍋爐（鍋爐C）是否掛著此聯鎖均可維持運行，由此即可避免出現2020年3月9日那種鍋爐全停的局面。

4 結束語

荊門盈德鍋爐與空分裝置及蒸汽放空閥聯鎖邏輯，從設計之初就開始討論并成型，運行實踐中發現問題并進行了三次修改才得以完善，使其更能應對各種非正常生產情況。目前的應用情況表明，鍋爐與空分裝置及蒸汽放空閥的聯鎖邏輯設置非常安全可靠。在鍋爐與空分裝置及蒸汽放空閥聯鎖邏輯的修改與完善過程中，筆者認識到，系統間的聯鎖設置一定要考慮周全，若聯鎖設置不當，有時可能會造成巨大的安全隱患與經濟損失，甚至還不如系統之間不設聯鎖、而是系統之間各自為政或完全靠人員操作會更好，但只要系統之間的聯鎖設置得當，將大大提高整個生產系統的安全性與運行效能。