可燃气体爆炸限检测在VOCs处理设施中的应用

2021-05-28吉安霞

仪器仪表用户 2021年5期

关键词：监测仪分析仪废气

吉安霞

（中海油石化工程有限公司，山东青岛 266101）

近年来环境保护工作形势严峻，VOCs已成为大气污染防治的重点控制污染物[1]，国家和各级地方政府对其排放限制都做出了明确规定。石化企业均在末端建设高效的收集治理设施，VOCs综合整治工作得到全面落实。

某天然气脱碳项目尾气设有VOCs处理设施，投产后由于原料气的成分改变，使得进气的VOCs浓度过高，存在燃爆风险。针对此问题，本文对处理设施进行改造，增加在线分析仪及相应的控制方案。

1 项目背景

某天然气脱碳项目，采用活化MDEA溶液吸收-再生工艺，对含CO2的再生废气进行处理排放。废气主要含大量CO2、少量甲烷、乙烷、丙烷等烷烃类。废气总烃含量最大1848mg/Nm3，压力10kPa(g)。VOCs成分为乙烷、丙烷、丁烷等，无氯化物、含氟化合物、含硅化合物、含氮化合物，及有机废气入口无O2（氧含量＜0.5%）。VOCs处理设施采用“活性炭纤维吸附+催化氧化”工艺，将废气在催化剂的作用下无焰燃烧处理，实现净化，达到排放要求。

在项目投产后，原料气中重烃组分气体浓度高出原设计值，脱碳装置运行虽良好，但废气中的总烃含量达到了4000 mg/Nm3～5000 mg/Nm3。VOCs处理设施存在以下安全隐患：

1）蓄热催化氧化炉飞温，导致催化剂丧失活性，设备损坏。

2）炉膛可燃气体浓度超标，存在燃爆风险。

2 项目方案

针对以上问题，并根据HAZOP分析、LOPA分析及SIL等级分析结果，项目解决方案为：在VOCs处理设施进气入口处增加可燃气体爆炸限监测分析仪，实现可燃气体浓度的在线监测，并将气体浓度送至控制系统中，调节新风阀开度，加新风稀释废气至爆炸下限以下，再进入VOCs处理设施。如果稀释后可燃气体浓度仍然超标，则触发进气切断放空停炉联锁，保证人员和设施的安全运行。

3 可燃气体爆炸限监测分析仪

3.1 可燃气体爆炸限监测的原理

目前，在线分析仪大多采用火焰离子检测（FID）原理或火焰温度（FTA）原理[2]。本项目采用FTA原理分析仪，废气中的可燃气体和蒸气在氢火焰中燃烧，检测火焰的温升并转换为电信号，温升与可燃气体LEL浓度为正比关系，从而计算得到气体的LEL值。

3.2 可燃气体爆炸限监测仪的技术参数

根据SH/T 3005-2015和SH/T 3174-2013对分析仪系统设计的要求，本项目可燃气体爆炸限监测仪供货范围包括[3,4]：取样探头、预处理单元（除水装置、过滤器等）、取样伴热管线（含温控器等）、分析单元、分析仪标定单元、分析仪表柜（带遮阳遮雨棚），以及保证分析仪正常运行所必需的所有附件。

分析仪的技术参数如下：

采样点温度：常温。

采样点压力：10kPa(G)。

样品湿度：比较大，可能会出现超过100%RH情况。

测量范围：0%～100%LEL，超量程报警。

响应时间：测量池响应时间＜1s，仪器响应时间＜1.5s。

测量精度：±3%FS，或标定气体的10%。

测量重复性：＜1%FS。

供电电源：220V AC（UPS+GPS）。

输出信号：4mA～20mA+Modbus RTU RS485，故障报警。

就地指示：LCD。

防护等级：IP65。

防爆等级：Exd IIBT4。

采样管材质：304SS。

外壳材质：304SS。

SIL认证：IEC61508 SIL1 Capable 认证，提供安全手册、SIL评估报告、失效计算数据。

图1 可燃气体爆炸限监测仪流程图Fig.1 Flow diagram of gas flammability analyzer

3.3 可燃气体爆炸限监测仪的安装

根据本项目的工况，可燃气体爆炸限监测仪供货商提供流程图如图1所示。分析仪配有预处理单元，采用涡旋制冷器除去样品气中的饱和水，整个气动采样管路采用电伴热加热。设有文丘里引射器的采样快速回路，保证分析仪的响应时间。

分析仪安装空间要求安装平台面积＞1.5m×2m，承重＞600kg，保证人身安全。

分析仪采样接口：过程接口ASME B16.5 CL150 2”RF，取样点的位置在废气管道中心线上。

分析仪预处理单元：尺寸约200mm×200mm，直接安装于分析仪采样口法兰上。

分析仪取样管线安装：取样管线敷设坡度应不小于1%。

分析仪快速回路返回接口：返回口气量150L/h，压力10kPa(G)，过程接口ASME B16.5 CL150 2”RF，接至装置放空管网。

分析仪供电：分析仪本体为UPS供电，伴热为GPS供电，分别从气UPS和GPS电源柜供出，采用0.6/1KV供电电缆，线径不低于2.5mm2。

分析仪信号：分析仪共输出模拟量、数字量、Modbus通信3路信号，分别敷设至控制系统，采用计算机电缆，线径不低于1.5mm2。

分析仪标气及燃料气系统：分析仪需要量程气（乙烯：1.15%V）、零点气（空气，O2：21%V）、燃料气（H2，不低于99.999%），直接采购8L/40L钢瓶气，与分析仪1/4”OD卡套连接。

图2 VOCs处理设施改造后流程图Fig.2 Flow diagram of VOCs treatment facilities after transformation

分析仪公用工程：分析仪需仪表风用作仪表吹扫，助燃以及动力使用。耗量约为20L/min@1.4bar，由装置仪表风管网供出。

4 分析仪的自动控制方案

为保证系统的平稳运行，本项目共新增可燃气体爆炸限监测仪3台，将参与控制和参与联锁的分析仪分别设置，用于过程控制和联锁切断，流程如图2所示。

4.1 催化氧化炉新风量超驰控制

原VOCs设施催化燃烧的新鲜风由风机C-101提供，已有尾气出口氧气分析仪，设定值3%，由氧含量控制VOCs处理设施内催化氧化炉的新风量。

增加可燃气体爆炸限监测分析仪后，由可燃气浓度AT-16531、氧含量AT-16512、供风阀AV-16512构成超驰控制，UC-16512为选择控制器。

在正常情况下（AT-16531＜20%LEL），AIC-16512调节阀门AV-16512进行进风控制；当可燃气浓度超标情况下（AT-16531≥20%LEL），由AIC-16531取代AIC-16512调节阀门AV-16512进行进风控制。UC-16512对两个控制器的输出进行选择，实现对阀门AV-16512的两种控制方式的切换。为确保燃烧炉的安全，进风调节阀AV-16512选用气关，AIC-16512选用正作用特性；AIC-16531选用反作用特性。参数整定时，AIC-16531的控制作用应较常规强烈，做到取代及时。