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浅谈化工加热炉安全控制现状

文档作者：曹德舜庄腾宇文档来源：中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院		点击数：	更新时间： 2020年12月02日
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Discussion on the Safety Control of Chemical HeatingFurnace
曹德舜庄腾宇
(中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，青岛市266072)
Cao Dexiang Zhuang Tengyu
(Sinopec research institute of safety engineering，Qingdao 266072)
【摘要】本文以化工装置加热炉安全控制技术发展为背景，叙述了目前国内不同炉型化工加热炉安全控制
方案设计现状，通过与欧美日发达国家先进的控制技术进行对比分析，提出我国化工加热炉安全
控制存在的问题，重点阐述了安全控制方案的设计及管理应该注意的几个问题。
【关键词】化工加热炉安全联锁系统火焰监测系统安全完整性等级余热回收系统可编程逻辑控制器
Abstract：In the papeL the chemical heating furnace safety control technology development as the background，
describes the current domestic chemical indus仃y of different type heating furnace safety control design present
situation，through the analysis and comparison of control technology in Europe and Japan with the advanced
countries，put forward China’S chemical industry heating furnace safety control problems，expounds some problems
should be paid attention to the design and management of the security control program．
Key words：Chemical Heating Fumace Safety Interlock System Flame Monitoring System Safety Integrity Level
Waste Heat Recovery System Programmable Logic Controller
前言
工业加热炉是化工行业生产装置的重要设备之
一，在化工行业中得到了广泛的应用。典型的化工加
热炉如动力中心的CFB蒸汽锅炉、乙烯装置的裂解炉
等已经成为石化企业的“心脏”设备，运行状态直接
关系整个化工企业上中下游的安全生产。欧美发达国
家对加热炉的设计、制造、安装、使用及改造等各阶
段都制定了相应法律法规、行业标准并要求严格执
行。国际上，根据保险公司的规定：／m热炉的设计阶
段应结合生产工艺进行危险与风险分析，针对加热炉
运行危险特性设计加热炉安全控制系统，并根据安全
控制系统的设置制定加热炉操作规程及安全防护措施
等一系列安全管理方案。在确保加热炉安稳运行、防
止发生生产事故的同时，提高燃烧效率及节能减排水
平。国际上一些标准化组织、中介机构、安全系统制
造商、最终用户等围绕标准，探索加热炉的安全控制
方案及安全管理体系。
我国工业加热炉的研发制造水平比国外滞后15
年左右。20世纪70年代初期国内只有三家加热炉专业
制造厂商，产品种类及数量极少。70年代开始，工业
加热炉制造厂商以及工业加热炉装备数量增长十分迅
收稿日期：2016—11-30
作者简介：曹德舜，毕业于日本早稻田大学自动化控制专业，并
取得硕士学位。曾任职于日本三菱化学工程公司，从事仪表设计
工作4年。目前就职于中国石化安全工程研究院从事安全仪表系统
功能安全研究。
速。经过几十年的发展，我国的加热炉产品数量及质
量水平也有了显著提高，但加热炉工艺及安全管理水
平与国外水平差距较大，通常照搬国外先进的加热炉
安全控制方案及安全管理方案，再配用国内的加热炉
本体，国内加热炉技术发展存在“中西结合”态势。
近十几年里，虽然国家在加热炉的安全管理层面从设
计、制造、检验、安装、运行、维修等环节建立了较
为完善的监督管理体系，但监督和管理缺乏有效的安
全技术理论支撑。化工加热炉安全运行技术研究投入
少，缺乏综合、系统、成套的安全控制技术及安全管
理解决方案，与国外先进国家水平差距较大。
1化工加热炉安全运行现状调研
对国内13家石油化工企业进行了化工加热炉基
本状况调研分析；
1．1化工加热炉基本情况分析
1．1．1化工加热炉装置种类分析
图1化工加热炉装置种类分布图
_芳烃袭置
●蜷径襄置
·爱曩装置
-烷基苯装置
·乙缺装置
-汽油加氯装置
擎乙蠕装置
-芮螺葺装置
-制氯装置
z合成氯装置
冀他装置类型
万方数据
>>Research&amp;amp;Discussion
从图1可以看出，对化工加热炉按装置类型进行
分类，排序如下：
1、芳烃装置：105台(40％)；
2、烯烃装置：103台(39％)：
3、聚酯装置：11台(4％)；
4、烷基苯装置：7台(3％)；
5、乙炔装置：6台(2％)；
6、汽油加氢装置：5台(2％)；
7、苯乙烯装置：5台(2％)；
8、丙烯腈装置：5台(2％)；
9、制氢装置：3台(1％)；
10、合成氨装置：3台(1％)；
11、其他装置类型：13台(4％)；
1．1．2化工加热炉炉型分析
对已说明具体加热炉炉型的165台化工加热炉进
行分类，各炉型所占比例如图2所示。
_圆筒炉■立式炉■方葙胪
图2三种主要炉型占比情况
由上述数据可以看出，现有化工加热炉炉型以
圆筒炉(59％)及方箱炉(33％)为主。
1．1．3化工加热炉燃料与加热介质类型分析
对于参与调研的266台加热炉，其所用燃料主要
为以甲烷为主的燃料气，包括天然气或与其他气体
混合气、甲烷氢或与烃类混合物、甲烷氢和火炬回
收气、瓦斯气或加燃料油、干气等，占总比例的95％
以上。剩余加热炉使用其它燃料，如柴油、甲醇驰放
气、丙烯、乙烯焦油等。j
由于本次调研加热炉涉及的装置主要是乙烯和
芳烃装置，所以加热炉的加热介质以烃类物质为主，
分析情况如图3所示。
、
“群蛭曛q HC
其他加热舟受
图3化工加热炉加热介质分布图
从图3可以看出。化工加热炉各加热介质所占比
例排序如下：
1、裂解原料HC：40％；
2、含氢体系：16％；
3、芳烃：29％；
4、氧气、氮气、空气：3％；
5、以甲烷为主燃料气：2％；
6、其他加热介质：10％；
1．1．4化工加热炉热负荷分析
化-rJJi热炉负荷与装置规模、处理能力密切相
关，分析化工加热炉热负荷分布如图4所示。
■O一20MW
■20----60MW
60—100MW
■，i130MW
图4化工加热炉热负荷分析
由上述数据可见，化工加热炉热负荷在各数值
段内所占比例排序如下：
1、0-20MW：40％；
2、20-60MW：30％；
3、60—100MW：20％；
4、>IOOMW：10％；
目前，化工加热炉热负荷范围主要在0．20MW
(40％)范围内，其次是20．60MW(30％)及60．
IOOMW(20％)。
1．2化工加热炉安全控制手段分析
1_2．1化工加热炉重点工艺参数分析
目前，化工加热炉重点监控主要有以下三个方
面：
(1)温度监控。其重点监控工艺参数主要有：
1)炉膛温度，炉膛温度是保证加热炉长周期安
’全运行的指标之一，一般将其控制在820。870。C以
下；
2)对流段温度，对其进行测量是为了监控加
热炉效率及把操作温度限制在炉管及支撑管板的材
质所允许的范围以内。烟气离开对流段温度通常在
300,--450℃以下；
3)排烟温度，对其测量能对加热炉的总效能
进行评价。由于排烟温度受人炉油品温度的限制，
因此排烟温度应当和人炉油品温度应有一定温差(
100～150。C)；
4)炉管表面温度以及被加热物料出口温度，首
先，炉管表面温度可以反应加热炉炉管表面热强度，
其次对炉管表面温度进行测量可以将操作温度必须限
万方数据
制在炉管材料限制范围内。
(2)压力监控。其重点监控工艺参数主要有：
1)炉膛压力，负压通风的加热炉的炉膛压力值
是保证燃料燃烧良好的主要控制参数，一般通过调节
烟囱挡板开度控制炉膛压力；
2)燃料压力，一般采取以下控制措施：在燃料
总管设置压力开关或压力变送器，对燃料系统压力过
低进行联锁，防止燃料压力低回火；同时防止燃料气
压力过高，引起喷嘴脱火或灭火；
3)燃料油与雾化蒸汽压力，为保证燃料油被充
分雾化，必须控制好燃料油与雾化介质之间的流量
比。一般采取以下控制方案：①根据燃料油阀后压
力与雾化蒸汽(空气)压力之差来调节雾化介质；
②采用燃料油阀后压力与雾化蒸汽(空气)压力比
值控制。
(3)进料流量监控。其重点监控工艺参数有：
1)进料流量单参数控制；
2)上游设备液位与进料流量均匀控制，通常希
望上游设备的液位与加热炉进料流量组成串级均匀控
制。
除上述参数外，部分加热炉也对烟气氧含量进行
了测量，确保正确的燃料／空气之比，既维持足够的空气
量以保证燃料能完全燃烧和安全操作，又防止空气的
数量过大带走热量使加热炉效率降低。
1．3现有化工加热炉安全联锁情况分析
通过对化工加热炉采取的通用控制手段进行分
析，发现目前大多数加热炉都已采取了针对炉膛温
度、压力和燃料流量的自动化控制措施。在安全控制
方面，调研中涉及的加热炉中，已有95％的化工加
热炉设置了安全联锁，只有5％的化工加热炉未提及
相关安全联锁手段。
调查发现目前加热炉中主要存在的安全联锁包
括：燃料气／油压力低联锁，加热介质进料流量低联锁，
空气压力低联锁，长明灯压力低联锁，炉膛压力高／低
联锁，烟道气温度高联锁，鼓、引风机系统联锁等。另
外，根据不同化工加热炉在其所在装置中的作用，联锁
逻辑往往会关联一些相关塔、器的工艺参数(温度、压
力、介质流量等)。
除上述安全控制措施外，火焰监测也逐渐发展
成为重要的加热炉安全控制手段。很多加热炉设置了
基于火焰监测的联锁停车系统。在具体逻辑设置上。
各加热炉有一定区别，如三台火检任意一台检测不到
火焰报警，火焰检测同时熄灭联锁，主火焰两台火焰
熄灭报警联锁等。根据上报结果，在调查表中明确提
出采用了火焰监测技术的加热炉只有二十余台，相关
统计如图5所示。
探讨·交流<<
图5化工加热炉通用控制手段分析
1．4化工加热炉事故分析
通过对化工加热炉事故发生情况及是否存在安
全隐患情况进行调研发现，在已调查的266台化工
加热炉中，如图6所示，发生过事故或存在安全隐
患的有85台(32％)。调查表中未提及的有181台
(68％)。
图6化工加热炉事故发生及安全隐患分析
根据调查结果，分析上报的事故或隐患主要为
炉管泄漏、炉管结焦、工艺控制不当、安全控制措施
不完善等。各类型的分析如图7所示。
!：炉t或闽门泄捆
●工艺控制不当
·安全控制抽施不当
t炉■结黧
图7事故或隐患类型分析
通过对发生炉膛结焦加热炉的控制措施分析发
现：发生炉膛结焦的加热炉往往未对炉管温度、炉膛
温度及加热介质出VI温度、流量等进行严格监控，造
成炉膛、炉管局部温度过高，造成结焦现象。通过对
发生炉管泄漏加热炉的通用控制措施分析发现：发生
炉管泄漏的加热炉往往未严格控制排烟温度及尾气含
氧量，造成炉管低温露点腐蚀及高温氧化，从而造成
炉管泄漏。工艺控制不当的情况较为复杂，与加热炉
所在的工艺类型密切相关，如燃料气、风量的控制不
当，电气、阀门故障等都有可能造成不同程度的后
果。安全控制措施不完善集中在缺乏必要的安全联锁
和火焰监测控制等。
严重的加热炉事故主要表现为炉膛闪爆，通过
对发生炉膛闪爆与未发生此事故加热炉的通用控制措
万方数据
>>Research&amp;amp;Discussion
表1国内外化工加热炉安全控制方案对比
日本欧洲美国中国
项目／标准JISB8415 EN746 NFPA86
现状
工业燃烧炉安全通则工业热加工设备烤箱与熔炉标准
基于危险与风险分析基于危险与风险分析将火灾爆炸风险最低
基于危险与风险分析进行本质
控制回路安全设计。(部分控制回路设
进行本质安全设计。进行本质安全设计。化设计。
计直接套用国外相关设备)
采用安全PLC； 采用安全PLC； 采用安全PLC； 采用安全PLC；
联锁动作时直接切断联锁动作时直接切断联锁动作时直接切断联锁动作时直接切断燃料切断
燃料切断阀； 燃料切断阀； 燃料切断阀； 阀；
安全联锁
确定各联锁回路安全确定各联锁回路安全确定各联锁回路安全绝大多数安全联锁回路没有进
完整性等级并进行分完整性等级并进行分完整性等级并进行分行安全完整性评估，没有进行
级管理。级管理。级管理。分级管理。
2台串联采用l台切断阀居多，且对切
安全切断阀2台串联2台串联
(切断时间1S以内) 断时间没有严格要求。
绝大多数没有设置火焰监测装
火焰监测装置各燃烧器单独设置。各燃烧器单独设置。各燃烧器单独设置。
置。
控制用温度传感器与控制用温度传感器与控制用温度传感器与巨大多数满足控制温度用传感
炉膛防高温装置联锁用温度传感器独联锁用温度传感器独联锁用温度传感器独器与联锁用温度传感器独立设
立设置。立设置。立设置。置要求。
最少炉膛容量4倍以
吹扫风量炉膛容量5倍以上。实施5次吹扫。无硬性要求。
上。
施对比发现：发现炉膛闪爆的加热炉未使用火焰探测
报警联锁装置或火焰探测器故障率高，无主火焰切断
阀，无燃料气压力低报警联锁装置，无燃料气切断阀
等控制措施。
1．5企业建议
由图8数据可以看出，已参与调研的266份化工
加热炉报告中有37％对化工加热炉存在的问题提出
建议。
图8企业提建议情况统计
分析整理各企业提出的建议，多数为针对其上
报加热炉中不完善的工艺控制措施提出相关建议，总
结为以下几点：
(1)完善加热炉温度安全控制，设置介质出口
温度高报警、联锁，在燃料气管线上设置紧急切断阀
门，设置鼓／引风机停炉联锁。
(2)完善燃料气压力安全控制，设置燃料气压
力低报警和低低联锁燃料气切断。
(3)设置火焰监测控制系统，监控火焰、炉管
及炉膛内部状况，实现三维温度场可视化在线监视控
制。
(4)点火方式为手动点火的，建议改进火嘴点
火方式或增加自动点火系统。
(5)建议对炉管进行定期检查维护，按时更换
炉管。
(6)在加热炉周边区域安装可燃、有毒气体报
警。
2国内外化工加热炉安全控制方案对比
充分分析欧美日先进国家目前对于加热炉安全
控制的最新要求，并根据本次国内加热炉安全控制方
案的调研结果，分析目前国内控制方案存在的问题，
如表l所示。
3结束语
本文充分调研分析国内石化13家生产企业化工
加热炉安全运行现状的，对国内加热炉炉型、热负
荷、安全控制方案、以往发生事故等方面进行了研究
分析；并根据欧美日等国际发达国家先进加热炉控制
技术的相关标准，结合欧美企业良好工程实践，发现
目前国内化工加热炉安全控制方案与国外先进国家的
规范要求存在的差距。
口

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