氢气还原炉安全控制系统设计（技术方案节选）
氢气还原炉安全控制系统设计（技术方案节选）
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设计目标
在正常工作、异常工况及紧急停车全过程中，始终将炉内 O₂≤1 vol%（目标值≤0.5 vol%）、H₂≤LEL 的 25 %（即≤1 vol%），并通过冗余互锁实现“先充氮、后通氢；先停氢、后停氮”的本质安全序列。 -
安全分区与传感器布置
2.1 炉膛区（高温区）
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O₂ 探头：双激光 TDLAS，0–5 vol%，精度±0.05 vol%，220 ℃恒温，各带自动标定与吹扫阀。
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H₂ 探头：双催化热导（TC+CAT）0–4 vol%，响应 T₉₀≤3 s，180 ℃伴热，带火焰捕捉器。
2.2 进气总管区 -
H₂ 浓度快关阀前：热导 H₂ 探头 0–100 vol%，用于“富氢回火”预警。
2.3 废/尾气区 -
氧氢一体探头（激光+热导），检测燃烧器是否熄灭及二次燃烧风险。
2.4 设备间环境 -
点式红外 H₂ 探头 0–100 %LEL，三取二，联动屋顶风机与天窗。
所有探头信号分别进入 SIL2 认证的 4-out-of-6 安全 PLC（A/B 双系），与过程 PLC 物理隔离。
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执行机构与冗余原则
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H₂ 进气：两道并联 SIL3 切断阀（UV+SV），阀位回讯双通道，配限流孔板≤120 Nm³ h⁻¹。
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N₂ 进气：两道并联 SIL2 切断阀，阀后设 0.3 MPa 减压站，最大流量≥5 倍炉膛体积/15 min。
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尾气排放：变频引风机+水封阻火器，风机故障信号直接触发“氮气淹没”。
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紧急排放：炉顶 3″ 爆破片+阻火呼吸阀，开启压力 15 kPa，通至 12 m 高空排放管。
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安全逻辑（因果矩阵摘录）
4.1 启动序列（必须满足）
a) 氮气吹扫≥5 倍炉膛体积且 O₂≤0.5 vol%（三取二）；
b) 炉温≥600 ℃（点火许可温度）；
c) 火焰检测≥2/3 有火；
d) H₂ 阀前压力 0.25–0.35 MPa；
e) 无急停、无可燃气体环境报警。
全部满足后，PLC 给出“H₂ 允许”信号，两道 H₂ 阀才得电开启。
4.2 运行联锁（任一触发即“停氢-吹氮”）
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O₂≥1 vol%（三取二）；
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H₂≥1 vol%（三取二）；
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火焰熄灭≥1/3；
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炉压＞+3 kPa 或＜-0.5 kPa；
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引风机故障或转速＜80 %；
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环境温度 H₂≥20 %LEL；
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急停按钮。
触发后 1 s 内：
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H₂ 两道阀同时失电（断电常闭）；
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N₂ 两道阀开启，流量≥120 Nm³ h⁻¹；
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声光+SCADA 弹窗+SMS 推送；
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记录 SOE（Sequence Of Event）用于审计。
4.3 停车序列
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正常停炉：先降 H₂ 流量至 10 %，维持 5 min→关 H₂ 阀→氮吹扫≥3 倍体积→停风机→开炉。
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紧急停车：立即切断 H₂，最大流量氮气淹没 15 min，直至 O₂≤0.5 vol% 且 H₂≤0.2 vol% 方可人工复位。
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氮气多重保护策略
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常备高压 N₂ 缓冲罐 2 m³/1.6 MPa，可在无厂务氮气情况下连续吹扫≥30 min；
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对炉门、冷却段法兰实行微正压氮封（0.5 kPa），防止空气倒吸；
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采用“流量-压力串级”控制，确保吹氮阶段流量恒定，不受管网波动影响。
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监控与信息化
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所有安全参数通过 OPC UA 镜像到厂级 SIS 平台，历史趋势≥5 年；
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年泄漏率自检：关闭 H₂ 阀，记录 30 min 压力降≤0.01 MPa，否则自动标定阀门；
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支持远程“只读”诊断，禁止远程写入，杜绝网络攻击导致误动。
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