摘要：LNG工厂主要是以天然气为原料生产液化天然气。在生产液化天然气过程中需要经过脱碳、脱水、液化这几个主要环节。原料天然气中水是由活性炭分子筛通过变压吸附工艺进行脱出。分子筛采用的是两塔流程，一个工作一个再生，两个干燥床切换使用。脱碳后的湿净化天然气经过分离器后进入分子筛V-202A/B进行脱水处理。其中加热再生单元需要运行6.8小时，加热是由再生气加热炉H-201完成，在加热再生阶段把再生气加热至290摄氏度，高温干燥气体进入分子筛除去里面的水分，分子筛得以再生。整个过程中如果H-201加热炉不能正常运行将会影响分子筛的再生，从而造成全厂停产损失。本文主要阐述因加热炉停运频繁造成工厂多次非计划停车的原因分析和改造项目的实施及成果。
关键词：天然气；液化；火焰检测；改造
1 故障原因分析
H201加热炉在工厂开产以来运行工况一直不够稳定，燃烧器经常不能点火造成整个脱水系统停运瘫痪。在停产过程中，对加热炉燃烧机拆开检查，检查结果正常。最后通过燃烧试验，判断为火焰检测系统不能有效监测火焰燃烧信号，造成燃烧机火焰信号得不到正常反馈，自燃烧器自动切断天然气停运。本加热炉改造前是采用离子棒检测火焰信号。离子棒火焰监测器主要用于燃气工业燃烧器、锅炉的火焰监测，其检测性能可靠，价格便宜。公司现有设备中，原设计方将其使用在再生气加热炉的火焰检测来控制燃料气阀门的开关。经分析，虽然其检测性能可靠，但是由于工厂的再生气加热炉在室外，而且加热器是间断工作方式。原设计方并没有考虑到四川雾多，湿气重，且经常下雨，还有工艺方面再生气温度过低等因数，导致再生气加热炉内部经常有凝结液滴落，从而使离子棒火焰监测器的火焰探针即离子棒长期受潮。在每次启动再生气加热炉时都需要吹扫多次才能将离子棒火焰监测器的离子棒吹干。如果受潮严重，吹扫也不能起到任何作用，就会导致离子火检无法正常工作，再生气加热炉不能正常启动，最终影响分子筛脱水系统的正常运行。只能拆除燃烧器对离子棒进行手动清理方可解决。而离子棒火焰监测器的离子棒也由于长期的潮湿、长时间的燃烧或烟气及其杂物，使其表面积碳或被氧化，也会导致离子火检无法正常工作。虽然处理时会用砂纸对离子棒进行打磨并擦净，但是用不了多长时间还是会出现类似问题。离子棒一旦检测火焰失败，再生气加热炉更是经常出现不能正常启动的情况，影响了脱水工艺的正常运行，轻者影响液化天然气的后续生产和生产的液化天然气的质量，如果时间过长直接会导致全场停车，为工厂生产带来巨大损失。
2 项目改造的技术流程
本改造项目的流程是这样实现的：一套LNG生产设备的再生气加热炉控制系统主要包括燃烧器，快速切断阀，大火小火转换器及火焰检测装置，包括设置在再生气加热炉中的点火器。加热炉内电离式火焰检测器的火焰探针与点火器的点火探针对应，检测点火是否正常，在此配置上再增加一组紫外线火焰检测器对火焰进行监控，紫外线火焰检测器设置在加热炉外面，可以随时进行清洁和更换。紫外线火焰检测器、电离式火焰检测器假装一个切换开关，切换开关通过接线端子与中控室连接。紫外线火焰检测器利用波长<300nm的紫外线作为探测信号，只对火焰中185-260nm狭窄范围内的紫外线进行响应，而对其它频谱范围的光线不敏感，实现点火器的点火探针上的火焰检测，所以可靠性较高，加之它是光子检测手段，因而信噪比高，具有极微弱信号检测能力，除此之外，它还具有反应时间极快的特点。且即使紫外线火焰检测器出现问题，也可以通过切换开关马上切换到电离式火焰检测器，这样进一步保证了加热炉的良好运行。因为本改造项目只有在紫外线火焰检测器出现问题时才启用电离式火焰检测器，而紫外线火焰检测器是利用火焰本身特有的紫外线强度来判别火焰的有无，因此可以避免因四川雾多，湿气重，且经常下雨，及工艺方面再生气温度过低等因数造成火焰检测的失败。从而避免再生气加热炉因检测器无法正常工作而启动失败，而且一旦紫外线探测器出现故障，可以直接更换而不用拆开燃烧机进行维护，相比现有技术优势明显。主要表现在以下几点：
1、减少LNG生产装置因为再生气加热炉启动失败导致分子筛不能正常运行引起装置停车的次数，从能量角度看，可明显节约能耗；
2、可以减少需要操作人员去现场对再生气加热炉进行现场启动的次数，对保护再生气加热炉长期运行及人员安全起到显著作用；
3、其可以避免工艺方面改变工艺流程来增加再生气温度的工艺改造，节约成本及装置检修时间。
4、可以减少因多次点火的电耗及其引起的非计划停车次数，运行至今未再因此原因造成过非计划停车。
3 现场具体实施流程
再生气加热炉火焰检测装置，包括设置在再生气加热炉中的点火器，再生气加热炉上设有电离式火焰检测器，所述电离式火焰检测器的火焰探针与点火器的点火探针对应，再生气加热炉上还设有紫外线火焰检测器与点火器对应，紫外线火焰检测器、电离式火焰检测器通过切换开关与中控室电连接，用于将电离式火焰检测器的火焰探针、紫外线火焰检测器探测到的火焰信号传递到中控室中用于控制燃气阀门的通断。切换开关与中控室通过接线端子进行连接，便于紫外线火焰检测器、电离式火焰检测器与中控室之间的连接。接线端子包括多个接线端。电离式火焰检测器的电流监测器与接线端子电连接。燃气阀门设置在燃烧器的进气管上，进气管的下游端设有燃气喷嘴与点火器的点火探针对应。所述点火器与中控室通过接线端子电连接，用于将中控室的点火控制信号传递到点火器并产生高压在点火探针处产生点燃燃气喷嘴喷出的燃气的电火花。本实施例的所述中控室为MCU微处理器。MCU微处理器还电连接有报警器和按键，所述警报器与MCU 微处理器连接用以在火焰熄火时发出警报。按键与MCU 微处理器连接用于向MCU 微处理器发出外界的控制信号，如点火控制信号和燃气阀门的通断控制信号。
切换开关用于电离式火焰检测器和紫外线火焰检测器之间的转换，且当紫外线火焰检测器出现问题时，才通过切换开关马上切换到电离式火焰检测器，这样进一步保证了加热炉的良好运行。
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电离式火焰检测器工作原理：电离式火焰检测器的火焰探针，由于燃气燃烧产生的高温造成空气电离，在火焰探针和燃气喷嘴之间火焰区电离的空气具有二极管的单向导电特性。若在火焰探针和燃气喷嘴之间加正电压（火焰探针为电压正极，燃气喷嘴为电压负极），火焰探针和燃气喷嘴将有电流流过，即电离的空气将会正向导通；若在火焰探针和燃气喷嘴之间加负电压（火焰探针为电压负极，燃气喷嘴为电压正极），火焰探针和燃气喷嘴几乎没有电流流过，即电离的空气反向截止；当火焰熄灭时，金属探针与燃气喷嘴之间加任何极性的电压都不会产生电流。通过电流监测器检测微弱的火焰离子电流信号传递给中控室，该信号经放大处理后，给出火焰指示。利用火焰的这个特性，就可以检测出燃气是否正在燃烧。
紫外线火焰检测器工作原理：紫外线火焰检测器的传感器不断的检测各种液体或气体燃烧时火焰产生的紫外线辐射，传感器为常激励UV光敏传感器。当传感器置于190-270nm光谱范围的光线下时，就会产生电流，检测器通过内置的MCU信号采集、综合分析和逻辑判断，当出现火焰熄灭时，立即输出外空联动信号。与各种燃烧系统配合，实现自动点火和熄火连锁保护功能。UV光敏传感器不会对炉膛内闪烁的耐火材料、日光、炉内的辉光物质作出反应。如果炉膛内出现火焰异常，紫外火焰检测器会发出异常指令立即切断燃料供应，关闭燃气阀门，保障燃烧系统的安全运行。
改造后系统的工作原理：在意外熄火和停气时，防止引起天然气泄露或恶性事故，当紫外线火焰检测器、电离式火焰检测器检测到无火焰时，则视为停气或意外熄火，向中控室发出火焰熄灭信号，中控室自动切断燃气，从而有效防止事故发生，实现自动安全保护；同时中控室发出声音报警提示。紫外线火焰检测器、电离式火焰检测器用于检测火焰是否存在，并向中控室提供火焰状态信号。当燃气从燃气喷嘴喷出时，中控室控制点火器点火用来点燃燃气，紫外线火焰检测器、电离式火焰检测器检测燃气是否正在燃烧，若是没有燃烧则向中控室发出火焰熄灭信号，中控室自动切断燃气，若是正在正常燃烧，则继续进行火焰检测，如果检测到再生气加热炉膛内出现火焰异常，中控室将立即切断燃料供应，关闭燃气阀门，保障燃烧系统的安全运行。
改造后紫外线火焰检测器火焰检测启动流程为：首先启动吹扫，吹扫结束，高压枪自动进行点火，开启燃气阀门，燃气点燃后开始燃烧，紫外线火焰检测器的传感器检测火焰，从而检测燃气是否正在燃烧，若火焰检测正常，则再生气加热炉启动正常；若火焰检测失败，则紫外线火焰检测器的MCU输出外空联动信号给中控室，中控室输出控制信号关闭燃气阀门，再生气加热炉启动失败。
当紫外线火焰检测器出现问题时，通过切换开关马上切换到电离式火焰检测器，这样进一步保证了加热炉的良好运行。
原系统的电离式火焰检测器火焰检测启动流程为：首先启动吹扫，吹扫过后，启动点火，开启燃气阀门，燃气点燃后开始燃烧，同时，电离式火焰检测器检测火焰，从而检测燃气是否正在燃烧，若火焰检测正常，则再生气加热炉启动正常；若火焰检测失败，则中控室输出控制信号关闭燃气阀门，再生气加热炉启动失败。
4 主要经济技术指标
1、改造费用：此改造项目总的材料费为3000元，由工厂人员自行改造，无施工费用。
2、节约电费：根据2019年5月28日因H-101故障停车为例进行测算，停车前正常90万方每吨电耗为646.1度/吨，停车期间总电耗为33.7326万度电，停车到恢复正常74万方产量183.96吨进行计算，一次停车所需费用为：
（1）337326度电-183.96吨*646.1度/吨（此每吨电耗是正常90万方生产情况下的电耗）=21.84万度；
（2）按照全年平均电价0.58元/度计算，21.84万度*0.58元/度=12.67万元
3、节约气费：按照冷箱复热所需天然气为3吨/小时，1KG天然气=1.25m³天然气，天然气单价为2.15元/m³，所需时间为10小时进行计算天然气所需费用：
（1）3吨/小时 * 10小时=30吨；
（2）30吨 * 1.25 * 1000=37500m³；
（3）37500m³ * 2.15元/m³=80625元。
即通过此次改造可以因无法正常点火从而导致停车的几率，按照降低停车几率一次可节约费用20.7万元。
5 总结
H-201加热炉控制系统改造后在保证工厂安稳长运行方面起着极其重要的作用。此改造成功后在2019年底又将此技术运用到H-101蒸汽锅炉上，效果突出。真正实现现场火焰监控系统免维护，减少非计划停车的目的。真正做到了投资小成效显著，保障了工厂安稳长满优生产。
参考文献：
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论文作者:王加壮
论文发表刊物:《文化时代》2020年2期
论文发表时间:2020/4/30