炼油火炬燃烧状态监测技术的对比研究

2018年第18卷第8期编辑俞雪兴_专论与综述炼油火炬燃烧状态监测技术的对比研究李晓娇(中国石油化工股份有限公司炼油事业部，北京100729)摘要：对温度、可见光、紫外线、红外线、声波 和离子等火炬系统燃烧状态监测方法进行了总结，介绍了每种方法的原理及优缺点重点介绍了新 型的离子火焰监测技术和声波法火焰监测技术。

关键词：长明灯燃烧状态监测离子火焰声波法热电偶1燃烧状态监测的重要性火炬系统是炼油企业重要的安全环保设施之 一，对炼油企业安全^&.产至关重要。

火炬系统的 安全运行，需要实现泄放安全、点火安全以及操作 安全。

泄放安全是指各装置排放出的气体可以顺 利地进人全.厂泄放管网，并能通过泄放管网送至 火炬，防止出现泄放管网背压过高导致装置无法 正常泄放。

点火安全是指泄放的气体送至火 炬燃烧器(火炬头）后苛成功点燃，避免有毒有菁 气体向大气中的扩散。

操作安全是指进行火炬系 统脱液排凝、取样、检维修作业时，做好作业内容和 现场危害识别及风险评估，制订落实安全防范措施，防止出现人貞伤键故的发生々为实现节能减排，中国石化所属炼化装置的 主火炬95%以上实现了日常处于熄灭状态。

为保 i正事故状态下及时点燃主火炬，许多企业采取:T 长明灯长燃的方式，这就需要日常对长明灯燃烧 状态进行实时监控。

部分炼厂由于安装了较为可靠的自动点火系统，长明灯处于熄灭状态,装置泄 放时通过点火系统及时点燃长明灯，再由长明灯 点燃主火炬餐要定期对点火系统进行试点测试，确保事故状态下能及时点燃长明灯。

试点成功的 判断也需要对长明灯燃烧状态进行蓝测。

此外，火炬头在燃烧时，由于泄放气体组成的变化或者 无气原因，也；能发:生脱火或熄灭的问题，对火炬 头燃烧状态的监测也是非常必要的。

在美S，对长明灯火焰的监测也是法律所要 求的。

美国联邦法案4〇CFR§6〇.18中规定，火 炬长明灯必须长燃，且需要采用热电偶或其他等效 的方法来监测火炬火焰。

API 537 -2008中要求火 焰监测方法应能区分长明灯火焰及火炬头火焰，在 恶劣35气条件下(.160 hn/h的风速，以及140 km/h 风速外加50 ram/h的雨量）仍能逆常工作，对每一 支长明灯需要安装单独的火焰探测系统[3]。

，2常见火焰探测系统火焰燃烧时,会发出光和热，因此通过对火炬 头或长明灯的温度、光的监测，就可以判断火焰的收稿日期:2018-06>05作者简介：李晓娇，工程师，毕业于中国石油大 学化学工程与工艺专业，现在中国石化炼油事 业部办公室.从事管理工作，SAFETY HEALTH &ENVIRONMENT胃 专论与综述2018年第18卷第8期紫外线火焰探测器具有如下优点：a )可以安装在地面，这样就克服了热电偶安装在高温区易损坏、寿命短的缺点，且安装维护都 很方便&b )紫外线火焰探测器反应快速，可以作为火焰媳灭后联锁点火的信号;这样就克服了热电偶晌应时W 慢的f 可题。

c )灵敏度髙,抗干扰能力强。

但是，因为紫外线火焰探测器距离火炬头和长明灯均比较远，无 法区分是哪支长明灯在燃烧，还是火炬头在燃烧，无法对每亥长明灯的运行状态进行全面监测。

此 外，如果在光路上，出现不逢光物质如雾、沙尘、菌 雪等，都会影响紫外探测器的观测。

2.4红外探测系统红外探测可以测到火焰的红外光谱区，如图2 所示。

较为先进的红外探测器采用多个波长，篮 控火焰燃烧生成的C 02以及H 20&可以安装在地 面，检维修比较方便。

图2火掐紅外振测糸蜣但是红外探测器也存在明显的缺点D a )红外探测器的安装位置不能正对太阳，也容易受到周围热源的影响，如热气的释放，火焰媳 灭时不易及时发现。

b )同紫外探测器一样，由于红外探测器安装在地面上、,:探测距离较长，无法对多个长明灯火焰 分别进行燃烧状态探测。

同时也无法区分是长明 灯火焰还是火炬头火焰。

出现任何挡光物质均会 影响测定6比如下雨、下雪、烟、雾以及灰尘&燃烧状态。

2.1温度探测系统温度探测是員前常见的火焰探测。

在长明灯 及火炬头部安装热电偶，探测长明灯及火炬头的温 度，判断是否燃烧《点燃的长明灯周围温度一般超 过54〇 T ,热电偶的报警点一般设置在15〇 t c ,如 果热电偶测定温度低于150°C ,系统认为火焰熄灭 需要重新进行点燃。

采用热偶套管以及耐高温合 金护管可以延长热电偶的寿命。

热电偶在长明灯 燃烧状态监测方面存在驵显的缺陷。

a )从自前调研结果来看，经常发生热电偶被烧坏的情况。

一方面与热电偶本身的质量有关， 另一方面也与热电偶的安装质量有关，如果位置 不合适，热电偶长期暴露在高温环境中，非常容易 损坏。

b ) 热电偶安装位置需要考虑火炬头的影响， 确保热电偶测定的是长明灯的温度，而不是火炬头的温度。

c ) 响应时间较长，火焰熄灭热偶温度的下 降是一个缓慢的过程，可能数分钟后才能发现火焰已熄灭。

此外，由f 热电偶的测温原理，本身就存在损 耗,需要定期更换，由于大部分火炬所用的热电偶 均是无法在线更换的，需要火炬停工之后由维修 工人爬至火炬上部平合进行检维修。

而目前许多 火炬系统承担了多套装置放空，而这些装置不能 实现同开同停，从而导致部分火炬系统常年无法 进行检维修，一旦热电偶损坏，将无法及时更换。

2.2可见光探测系统在白天光线较强的时候，凭肉眼很难对长明 灯燃烧状态进行监视，特别是目前长明灯改成节 能型长明后，火苗更小，更不容易被观测。

此外， 在遇大雾、康雪覽气下，本方法也容易失效。

2.3紫外探测系统火焰的辐射是具有禽散光谱的气体辐射和伴 有连续光谱的固体辐射，其波长在〇. 1 ~ 10屮11或 更宽的范围^为了避免日光及灯光等信号的繁 扰，常利用波长<300 n m 的紫外线，如图1所 示[4]。

紫外线传感器只对1S 5 ~26〇 nm 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，利用它可以对火焰中的紫外线进行检测， 从而判断火焰的燃烧状态a图1火鹉及9光的光谱分布OSAFETY HEALTH &ENVIRONMENT2018年第18卷第8期李晓娇.炼油火炬燃烧状态监测技术的对比研究专论与综述3新型火焰探测系统为了确保火炬长明灯燃烧状态监测的可靠性，开发新型的火焰探测系统以克服热电偶以及 光学探测器的缺点，是非常必要的。

根据气体燃 烧时的特点，离子火焰探测器和声波法火焰探测 系统相继出现，为长明灯燃烧状态监测提供了更 对靠、更方便的监测方法。

3.1离子火焰探测i 燃料气在长明灯上燃烧时，在燃烧区域的 基部会产生电离气体，电离气体具有导电性，可允 许小电流通过用电离气体的这个性质，将一 根带有导电端的陶瓷棒置子火焰区域，当火焰燃 烧时，电流通过电离气体从导电端传递至火炬头, 从而产生小的电流，当火焰不燃烧时，电流无法从 导电端传速至火炬头，也就无法产生电流。

通过 监测导电端电流信号，就可以快速判断长明灯是 否有火焰燃烧。

基本原理见图3所示禽子监测的长明灯。

其结构如图4所示^图4 John Zink 火焰窝子振测糸晚结构苏颖耿发明了一种采用单片机或定制逻辑器 件实现控制的燃气具火焰禽乎检测点火控制器方 案，点火针同时作为火焰离子感应探针，对燃气具 火焰燃烧状况进行监测，这一专利阐述了适用于 燃气具的火焰离子检测点火控制器[6]。

但是目'前 对宁炼油火炬长明灯的火焰离子探测还没有相关 的专利或文献报道。

火焰离子探测器可以实现对单支长明灯燃烧 状态的快速监测，可用于火炬点火的逻辑信每。

但该方法也存在一些缺点,如容易受雨雪等天气 因素的影响，火焰较小时信号比较微弱;此外在火 炬运行时无法检维修。

3.2声波法固3 禽子火掐採测器原理从火焰离子监测的原理，可以看出火焰离子 探测器具有如下优点：a )袁接监测火焰的燃烧状态，信号比较可靠。

b ) 响应快速，火焰一 |熄灭，电流就会中断， 可以作为自动点火系统的信号源。

c )逋过在离管探测器电极上施加一#电JS ， 可以同时实现点火及火焰探测。

基于这一原理,M n Zink 开发了可采用火焰火焰在燃烧时会发出特殊的噪音，通过测定这一声音，就可以确定火焰是否燃烧。

图5 ( a )显 示了长明灯在燃烧及熄、灭状态下声压水乎的变 化，图5(h )显示了正常运行的长明灯在媳灭后其声音输出信号的快速衰减，响应时间短，通过设定 :声裔输出信号的报警值，即可实现对火焰燃饶状态的监控、报警及联锁R1。

通过对火炬头燃烧以及消烟蒸汽噪音的消除，该方法可对长明灯是否 处于燃烧状态进行判断。

，图5 长明打燃旄及熄天狀态声压水早的史化及响应过程SAFETY HEALTH & ENVIRONMENTe专论与综述2018年第18卷第8期声波法是将声音传感器安装在每支长明灯的 地面爆燃点火系统引火管上，传感器将长明灯的 声音信号转换成电信号，并送至信号处理器，信号 处理器将电信.与设定值比对，判断长明灯的燃 烧状态。

传感器可设置在远离长明灯115 m 的地 面附近肩信号处理器可以设在远离传感器366 m 的地方，.如地面爆燃点火操作室内。

这一系统可 对每支长明灯的燃烧状态进行测定。

声波法燃烧状态监控系统的成功实施，关键 在于如下几个方面；a )能发现长明灯燃烧及熄灭状态时的特怔声音信号。

通过实验可以确定两种状态下长明灯发 出的不同声資信号。

，b ) 过滤掉火炬头燃烧以及蒸汽的杂音C )以上两点都可能与长明灯自身的结构有表1关^通过对长明灯的结构进行优化，将长明灯燃 烧与熄灭状态时的声音信暑差异进行放大，同时 屏蔽掉火炬头燃烧以及蒸汽吹扫的杂音，是一条 可行的路线C ,d )长明灯发出的#号可以成功传递至位y 地面处的声波探测器。

John Z ink 采用了地面爆燃点 火系统引火管，是非常好的选择。

如何开创新的 声波传递方式是需要考虑的问题。

e ) 髙质量产品的开发，精心的调试。

4燃烧监测方法比较对目前国内外主要的火焰燃烧状态监测方法 进行对比，见表1[8]。

，可以看出不同方法具有各自 的优势和问题，而火焰离手监测法和声波法相比 于传统的热电偶和红外探测，优势明显。

火姖长明打燃竣狀志监测方法的比敕方法热电偶火焰离矛红外探测轉法信号来源热sftai光声音丽鱗“傾灯进行独立探测VV X V 可否区分长明灯火焰以及火炬火焰部分VXV平均响.斑时间/100-300<5<55 ~10关键部件的安装位置长明灯(高密）长明灯(嘗空)及地面地面地面可否在火炬运行时安装X X V V 可否在火炬运行时维护X V V V 可否抵抗风X V V V 雨X V X V 雾V V X V 雪V V X V 蒸汽X V V V 太阳光(直接的或反射的）VVXV5总结及建议火焰离子监测可以同时实现点火和火焰监测 的功能，可直接监测每支长明灯的燃烧情况，但是 同热电偶一样，火焰离子监测需要安装在长明灯 内，在火炬芷常运行时无法进行安装和维修。