CN102618331A - 用于粉煤加压气化工艺的安全联锁保护系统及方法 - Google Patents

用于粉煤加压气化工艺的安全联锁保护系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于粉煤加压气化工艺的安全联锁保护系统，其包括：检测单元(A1)，用于检测粉煤加压气化系统(B)的异常情况；控制单元(A2)，用于根据所述检测单元(A1)检测到的异常情况，触发相应的对所述粉煤加压气化系统(B)进行安全联锁保护的紧急操作；执行单元(A3)，用于根据所述控制单元(A2)对所述紧急操作的触发，执行相应的对所述粉煤加压气化系统(B)进行安全联锁保护的紧急操作；事件顺序记录(SOE)单元(A4)，用于获取和记录所述异常情况。本发明提供的安全联锁保护系统，具有安全可靠性高、程序逻辑设计严密、并具备事件顺序记录功能的优点。

Description

用于粉煤加压气化工艺的安全联锁保护系统及方法
技术领域
本发明涉及煤化工技术领域，特别涉及一种用于粉煤加压气化工艺的安全联锁保护系统及方法。
背景技术
粉煤加压气化工艺是目前一种先进的煤气化技术，其特点是将来自原料煤贮仓的碎煤加入到磨煤机内磨成粉状，由高温惰性气流烘干，经加压输送至气化炉，与来自空分的纯氧在炉内发生高温燃烧反应，生成粗合成气，作为后续工段的原料气，可以广泛应用于煤基甲醇、煤基合成氨以及煤制天然气、煤制合成油、煤制烯烃、煤制氢、IGCC发电等领域。粉煤加压气化工艺的两大原料为干燥的粉煤和高温高压的纯氧，此两种介质的输送过程和反应过程均要求苛刻，极易造成爆炸和火灾等重大事故；除上述输送和反应过程外，粉煤加压气化系统的开车过程复杂，操作要求极高，此过程易出现危险情况，造成重大安全事故。因此，粉煤加压气化工艺需设置一套安全联锁保护系统，确保煤气化系统安全、可靠、稳定的运行。
安全联锁保护系统的硬件平台如果采用分散控制系统(DCS)，由于DCS扫描周期长、系统响应慢，并且无事件顺序记录(SOE)功能，无法满足要求。如果采用独立设置的可编程逻辑控制器(PLC)，虽然其扫描周期短、系统响应快，并且有事件顺序记录(SOE)功能，但当系统出现故障时，如控制器、电源等，整个系统将无法工作，存在重大安全隐患。如果采用多套可编程逻辑控制器(PLC)，比如采用三套PLC组成三选二表决系统，该方案需进行系统硬件集成和软件二次开发，整套系统的安全可靠性无法得到验证，也未取得相应SIL安全等级认证，因此不能得到广泛应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种安全可靠性高、程序逻辑设计严密、并具备事件顺序记录功能的安全联锁保护系统。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本发明提供了一种用于粉煤加压气化工艺的安全联锁保护系统，其包括：检测单元，用于检测粉煤加压气化系统的异常情况；控制单元，用于根据所述检测单元检测到的异常情况，触发相应的对所述粉煤加压气化系统进行安全联锁保护的紧急操作；执行单元，用于根据所述控制单元对所述紧急操作的触发，执行相应的对所述粉煤加压气化系统进行安全联锁保护的紧急操作；事件顺序记录(SOE)单元，用于获取和记录所述异常情况。
优选地，所述系统还包括：辅助操作单元，用于供用户根据所述异常情况进行相应的排查与操作。
优选地，所述检测单元为单一的传感器，传感器信号通过一进二出安全栅或信号分配器进入所述控制单元；或者，所述检测单元为冗余的传感器，传感器信号采用二取二的逻辑结构或三取二的逻辑结构。
优选地，所述控制单元包括气化系统紧急停车模块，用于当出现危险情况时使所述粉煤加压气化系统紧急停车；粉煤烧嘴氧气系统紧急停车模块，用于在粉煤烧嘴氧气管线开启第一道切断阀后，当出现所述粉煤烧嘴氧气管线与气化炉压差过低的危险情况时，使所述粉煤加压气化系统紧急停车；点火/开工烧嘴氧气系统紧急停车模块，用于在点火、开工烧嘴启动和运行期间，当点火、开工路氧气管线出现压力过低的危险情况时，使所述粉煤加压气化系统紧急停车；点火烧嘴紧急停车模块，用于在点火烧嘴启动和运行期间，当出现危险情况时，使所述粉煤加压气化系统紧急停车；开工烧嘴紧急停车模块，用于在开工烧嘴启动和运行期间，当出现危险情况时，使所述粉煤加压气化系统紧急停车；粉煤烧嘴紧急停车模块，用于在粉煤烧嘴启动和运行期间，当出现危险情况时，使所述粉煤加压气化系统紧急停车；气化炉吹扫监控模块，用于监控气化炉开车之前的吹扫置换过程和气化炉停车之后的吹扫置换过程。
优选地，所述控制单元满足IEC 61508SIL3等级的认证条件，和/或TUV AK5(德)等级及以上的认证条件。
优选地，所述控制单元的主处理器采用三重化冗余容错结构(TMR)或四重化冗余容错结构(QMR)。
优选地，所述执行单元为单控制阀，其配套的电磁阀冗余设置；或者所述执行单元为采用冗余控制阀，其配套的电磁阀冗余设置。
优选地，所述冗余控制阀为分别带电磁阀的两个开关阀，或为分别带电磁阀的一个调节阀和一个开关阀。
优选地，所述辅助操作单元包括报警灯屏、蜂鸣器、气化炉紧急停车指示灯、粉煤给料罐料位低低旁路开关、气化炉紧急停车按钮、报警复位按钮、报警确认按钮、报警试验按钮、消音按钮。
本发明还提供了一种用于粉煤加压气化工艺的安全联锁保护方法，其使用本发明提供的安全联锁保护系统对粉煤加压气化系统进行安全联锁保护，所述方法包括步骤：S1、检测粉煤加压气化系统的异常情况；S2、根据检测到的异常情况，触发相应的对所述粉煤加压气化系统进行安全联锁保护的紧急操作；S3、根据对所述紧急操作的触发，执行相应的对所述粉煤加压气化系统进行安全联锁保护的紧急操作；S4、获取和记录所述异常情况。
(三)有益效果
本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：
1、控制系统安全等级高，获得IEC 61508SIL3等级的认证，能确保控制系统安全可靠、稳定的运行；
2、程序逻辑设计严密，安全联锁保护功能完善，涵盖煤气化系统的整个运行周期；
3、系统具有程序在线修改及在线下装功能，辅助操作台上设计了硬旁路开关，操作画面上设计了软旁路开关，设置了分辨率达到1毫秒的SOE站，使得操作灵活，调试简单，维护方便；
4、硬件系统设计安全可靠，程序设计严密完善，安全联锁保护系统能确保煤气化系统安全可靠、稳定的运行，确保生产安全。
附图说明
下面参照附图并结合实例来进一步描述本发明。其中：
图1示出了本发明的安全联锁保护系统的示例性方块图。
图2示出了本发明的安全联锁保护系统的示例性结构图。
图3示出了本发明的安全联锁保护方法的示例性流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1和图2分别示出了本发明的安全联锁保护系统的示例性方块图和示例性结构图。
如图1所示，根据该实施例，本发明的安全联锁保护系统A包括检测单元A1、控制单元A2、执行单元A3、以及事件顺序记录(SOE)单元A4。另外，根据需要，本发明的安全联锁保护系统A还可以包括辅助操作单元A5。
其中，检测单元A1，用于检测粉煤加压气化系统B的异常情况；控制单元A2，用于根据所述检测单元A1检测到的异常情况，触发相应的对所述粉煤加压气化系统B进行安全联锁保护的紧急操作；执行单元A3，用于根据所述控制单元A2对所述紧急操作的触发，执行相应的对所述粉煤加压气化系统B进行安全联锁保护的紧急操作；事件顺序记录(SOE)单元A4，用于获取和记录所述异常情况。另外，辅助操作单元A5，用于供用户根据所述异常情况进行相应的排查与操作。
其中，所述检测单元A1可以为单一的传感器，传感器信号通过一进二出安全栅或信号分配器进入所述控制单元A2。所述检测单元A1还可以为冗余的传感器，传感器信号采用二取二的逻辑结构或三取二的逻辑结构。
其中，所述控制单元A2包括气化系统紧急停车模块、粉煤烧嘴氧气系统紧急停车模块、点火/开工烧嘴氧气系统紧急停车模块、点火烧嘴紧急停车模块、开工烧嘴紧急停车模块、粉煤烧嘴紧急停车模块、以及气化炉吹扫监控模块。通过采用上述模块，在粉煤加压气化系统B从开车前的气化炉吹扫置换到系统正常运行，直至系统停车，在整个运行期间，通过一套完整、严密的程序逻辑，实现安全联锁保护功能。
其中，气化系统紧急停车模块，贯穿于气化系统B的开车过程和正常运行过程，与其它紧急停车模块相互联系。无论在开车过程中还是在正常运行过程中，当出现危险情况时(如激冷室液位过低、激冷水流量过低、烧嘴冷却水流量过低、合成气温度过高、仪表空气过低、汽包液位过高或过低等)，均会导致整个气化系统B紧急停车。
其中，粉煤烧嘴氧气系统紧急停车模块，在粉煤烧嘴氧气管线开启第一道切断阀后，若出现氧气管线与气化炉压差过低的危险情况时，此安全联锁保护启动，触发紧急停车，避免回火、爆炸。
其中，点火/开工烧嘴氧气系统紧急停车模块，在点火、开工烧嘴启动和运行期间，若点火、开工路氧气管线出现压力过低的危险情况时，此安全联锁保护启动，触发紧急停车，避免回火、爆炸。
其中，点火烧嘴紧急停车模块，在点火烧嘴启动和运行期间，若出现危险情况时(如燃料气压力过低、无火焰信号等)，此安全联锁保护启动，触发紧急停车。
其中，开工烧嘴紧急停车模块，在开工烧嘴启动和运行期间，若出现危险情况时(如氧气流量或压力过低、燃料流量或压力过低、氧气/燃料比值过高或过低、无火焰信号等)，此安全联锁保护启动，触发紧急停车。
其中，粉煤烧嘴紧急停车模块，在粉煤烧嘴启动和运行期间，若出现危险情况时(如粉煤给料罐料位过低、粉煤断流、氧气流量过高或过低、氧气管线与气化炉压力压差过低、氧/煤比值过高等)，此安全联锁保护启动，触发紧急停车。
其中，气化炉吹扫监控模块，在气化炉开车之前的吹扫置换过程中，以及在气化炉停车之后的吹扫置换过程中，吹扫过程始终处于气化炉吹扫监控模块的监控之下，保证气化炉吹扫安全进行。
其中，所述控制单元A2满足IEC 61508SIL3等级的认证条件和TUV AK5(德)等级及以上的认证条件两者中至少之一。
其中，所述控制单元A2的主处理器可以采用三重化冗余容错结构(TMR)，也可以采用四重化冗余容错结构(QMR)。
其中，所述控制单元A2可以具有程序在线修改及在线下装功能。
其中，所述执行单元A3可以为单控制阀，其配套的电磁阀冗余设置。所述执行单元A3还可以为采用冗余控制阀，其配套的电磁阀冗余设置。
其中，所述冗余控制阀可以为分别带电磁阀的两个开关阀，也可以为分别带电磁阀的一个调节阀和一个开关阀。
其中，所述辅助操作单元A5包括报警灯屏2、蜂鸣器4、气化炉紧急停车指示灯5、粉煤给料罐料位低低旁路开关6、气化炉紧急停车按钮7、报警复位按钮8、报警确认按钮9、报警试验按钮10、消音按钮11。
如图2所示，根据该实施例，本发明的安全联锁保护系统包括辅助操作台1、粉煤管路切断阀12、粉煤给料罐料位测量仪表13、系统控制柜14、工程师站15、SOE站16。
其中，辅助操作台1包括报警灯屏2、粉煤给料罐料位低低报警灯屏3、蜂鸣器4、气化炉紧急停车指示灯5、粉煤给料罐料位低低旁路开关6、气化炉紧急停车按钮7、报警复位按钮8、报警确认按钮9、报警试验按钮10、消音按钮11。
其中，报警灯屏2的作用是当气化系统紧急停车后，导致停车的模拟量信号报警灯屏闪烁，提示操作人员快速判断停车原因。报警灯屏数量按照实际需要进行设置，附图中按36块设置。
其中，按下气化炉紧急停车按钮7后，气化系统紧急停车，面板上气化炉紧急停车指示灯5亮。气化炉紧急停车按钮7复位后，气化炉紧急停车指示灯5灭。
其中，报警灯屏2中，当有报警信号被触发后，该灯屏开始闪烁，闪烁周期为1秒，同时蜂鸣器4响。此时，若按下消音按钮11，则蜂鸣器4复位；若按下报警确认按钮9，灯屏不再闪烁，但保持“亮”状态；若按下报警复位按钮8，灯屏灭。
其中，若有新的报警信号被触发，相应的灯屏开始闪烁，闪烁周期为1秒，同时蜂鸣器4响，其它处理方式同上。
其中，报警试验按钮10的作用是为了验证辅助操作台1面板上各元件功能是否正确。按下报警试验按钮10，36块报警灯屏开始闪烁，周期为1秒，同时蜂鸣器4响，其它处理方式同上。
其中，粉煤给料罐料位低低旁路开关的作用是：在正常运行时，当粉煤给料罐料位低低时，延时几分钟后气化系统紧急停车；而在气化系统运行之前的煤粉预循环过程中，或者在气化系统正常停车过程中，需要将粉煤给料罐中的煤粉全部腾空，输送至常压粉煤贮罐中，这个过程不允许气化系统紧急停车，因此，设置此旁路开关，当将此钥匙开关置于“旁路”位置时，粉煤给料罐料位低低的安全联锁保护功能被切除。
如图2所示，气化系统正常运行时，粉煤给料罐料位测量仪表13测到料位低低后，粉煤给料罐料位低低报警灯屏3开始闪烁。如果15分钟后此信号仍未消除，则会通过粉煤烧嘴紧急停车模块，发出紧急停车指令至粉煤管路切断阀12的第一道电磁阀a，将仪表空气切断，由于冗余配套的双电磁阀为串联设置，故不管来自DCS的操作信号是“ON”或者“OFF”，粉煤管路切断阀12均会紧急切断。同时，导致气化系统紧急停车的粉煤给料罐料位低低信号会被SOE站16捕捉并记录下来，操作维护人员可方便的查询到此事件发生的时间(例如，可以精确到1毫秒)，以及由此导致的系统其他状态变化。
图3示出了本发明的安全联锁保护方法的示例性流程图。如图3所示，根据该实施例，本发明的安全联锁保护方法使用本发明提供的安全联锁保护系统对粉煤加压气化系统进行安全联锁保护，本发明的安全联锁保护方法包括以下步骤：S1、检测粉煤加压气化系统的异常情况；S2、根据检测到的异常情况，触发相应的对所述粉煤加压气化系统进行安全联锁保护的紧急操作；S3、根据对所述紧急操作的触发，执行相应的对所述粉煤加压气化系统进行安全联锁保护的紧急操作；S4、获取和记录所述异常情况。
本发明的安全联锁保护方法可以进一步包括以下步骤：气化系统紧急停车步骤、粉煤烧嘴氧气系统紧急停车步骤、点火/开工烧嘴氧气系统紧急停车步骤、点火烧嘴紧急停车步骤、开工烧嘴紧急停车步骤、粉煤烧嘴紧急停车步骤、以及气化炉吹扫监控步骤。通过采用上述步骤，在粉煤加压气化系统从开车前的气化炉吹扫置换到系统正常运行，直至系统停车，在整个运行期间，通过一套完整、严密的程序逻辑，实现安全联锁保护功能。
下面对上述各步骤进行具体说明：
气化系统紧急停车步骤：当出现危险情况时使所述粉煤加压气化系统紧急停车。具体而言，当出现危险情况时(如激冷室液位过低、激冷水流量过低、烧嘴冷却水流量过低、合成气温度过高、仪表空气过低、汽包液位过高或过低等)，均会导致整个气化系统紧急停车。
粉煤烧嘴氧气系统紧急停车步骤：在粉煤烧嘴氧气管线开启第一道切断阀后，当出现所述粉煤烧嘴氧气管线与气化炉压差过低的危险情况时，使所述粉煤加压气化系统紧急停车。具体而言，在粉煤烧嘴氧气管线开启第一道切断阀后，若出现氧气管线与气化炉压差过低的危险情况时，触发紧急停车，避免回火、爆炸。
点火/开工烧嘴氧气系统紧急停车步骤：在点火、开工烧嘴启动和运行期间，当点火、开工路氧气管线出现压力过低的危险情况时，使所述粉煤加压气化系统紧急停车。具体而言，在点火、开工烧嘴启动和运行期间，若点火、开工路氧气管线出现压力过低的危险情况时，触发紧急停车，避免回火、爆炸。
点火烧嘴紧急停车步骤：在点火烧嘴启动和运行期间，当出现危险情况时，使所述粉煤加压气化系统紧急停车。具体而言，在点火烧嘴启动和运行期间，若出现危险情况时(如燃料气压力过低、无火焰信号等)，触发紧急停车。
开工烧嘴紧急停车步骤：在开工烧嘴启动和运行期间，当出现危险情况时使所述粉煤加压气化系统紧急停车。具体而言，在开工烧嘴启动和运行期间，若出现危险情况时(如氧气流量或压力过低、燃料流量或压力过低、氧气/燃料比值过高或过低、无火焰信号等)，触发紧急停车。
粉煤烧嘴紧急停车步骤：在粉煤烧嘴启动和运行期间，当出现危险情况时，使所述粉煤加压气化系统紧急停车。具体而言，在粉煤烧嘴启动和运行期间，若出现危险情况时(如粉煤给料罐料位过低、粉煤断流、氧气流量过高或过低、氧气管线与气化炉压力压差过低、氧/煤比值过高等)，触发紧急停车。
气化炉吹扫监控步骤：监控气化炉开车之前的吹扫置换过程和气化炉停车之后的吹扫置换过程。具体而言，在气化炉开车之前的吹扫置换过程中，以及在气化炉停车之后的吹扫置换过程中，吹扫过程始终处于监控之下，保证气化炉吹扫安全进行。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种用于粉煤加压气化工艺的安全联锁保护系统，其特征在于，包括：
检测单元(A1)，用于检测粉煤加压气化系统(B)的异常情况；
控制单元(A2)，用于根据所述检测单元(A1)检测到的异常情况，触发相应的对所述粉煤加压气化系统(B)进行安全联锁保护的紧急操作；
执行单元(A3)，用于根据所述控制单元(A2)对所述紧急操作的触发，执行相应的对所述粉煤加压气化系统(B)进行安全联锁保护的紧急操作；
事件顺序记录(SOE)单元(A4)，用于获取和记录所述异常情况。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
辅助操作单元(A5)，用于供用户根据所述异常情况进行相应的排查与操作。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：
所述检测单元(A1)为单一的传感器，传感器信号通过一进二出安全栅或信号分配器进入所述控制单元(A2)；或者，所述检测单元(A1)为冗余的传感器，传感器信号采用二取二的逻辑结构或三取二的逻辑结构。
4.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述控制单元(A2)包括：
气化系统紧急停车模块，用于当出现危险情况时使所述粉煤加压气化系统(B)紧急停车；
粉煤烧嘴氧气系统紧急停车模块，用于在粉煤烧嘴氧气管线开启第一道切断阀后，当出现所述粉煤烧嘴氧气管线与气化炉压差过低的危险情况时，使所述粉煤加压气化系统(B)紧急停车；
点火/开工烧嘴氧气系统紧急停车模块，用于在点火、开工烧嘴启动和运行期间，当点火、开工路氧气管线出现压力过低的危险情况时，使所述粉煤加压气化系统(B)紧急停车；
点火烧嘴紧急停车模块，用于在点火烧嘴启动和运行期间，当出现危险情况时，使所述粉煤加压气化系统(B)紧急停车；
开工烧嘴紧急停车模块，用于在开工烧嘴启动和运行期间，当出现危险情况时，使所述粉煤加压气化系统(B)紧急停车；
粉煤烧嘴紧急停车模块，用于在粉煤烧嘴启动和运行期间，当出现危险情况时，使所述粉煤加压气化系统(B)紧急停车；
气化炉吹扫监控模块，用于监控气化炉开车之前的吹扫置换过程和气化炉停车之后的吹扫置换过程。
5.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：
所述控制单元(A2)满足IEC 61508SIL3等级的认证条件，和/或TUV AK5(德)等级及以上的认证条件。
6.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：
所述控制单元(A2)的主处理器采用三重化冗余容错结构(TMR)或四重化冗余容错结构(QMR)。
7.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：
所述执行单元(A3)为单控制阀，其配套的电磁阀冗余设置；或者所述执行单元(A3)为采用冗余控制阀，其配套的电磁阀冗余设置。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于：
所述冗余控制阀为分别带电磁阀的两个开关阀，或为分别带电磁阀的一个调节阀和一个开关阀。
9.如权利要求2所述的系统，其特征在于：
所述辅助操作单元(A5)包括报警灯屏(2)、蜂鸣器(4)、气化炉紧急停车指示灯(5)、粉煤给料罐料位低低旁路开关(6)、气化炉紧急停车按钮(7)、报警复位按钮(8)、报警确认按钮(9)、报警试验按钮(10)、消音按钮(11)。
10.一种用于粉煤加压气化工艺的安全联锁保护方法，所述方法使用权利要求1～9之一所述的安全联锁保护系统(A)对粉煤加压气化系统(B)进行安全联锁保护，其特征在于，包括步骤：
S1、检测粉煤加压气化系统(B)的异常情况；
S2、根据检测到的异常情况，触发相应的对所述粉煤加压气化系统(B)进行安全联锁保护的紧急操作；
S3、根据对所述紧急操作的触发，执行相应的对所述粉煤加压气化系统(B)进行安全联锁保护的紧急操作；
S4、获取和记录所述异常情况。
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