氢气还原炉安全控制系统设计（技术方案节选）

1. 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。
2. 安全分区与传感器布置
   2.1 炉膛区（高温区）

• 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。
• 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。

1. 执行机构与冗余原则

• 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。
• 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。
• 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”。
• 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。

1. 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。

• O₂≥1 vol%（三取二）；
• H₂≥1 vol%（三取二）；
• 火焰熄灭≥1/3；
• 炉压＞+3 kPa 或＜-0.5 kPa；
• 引风机故障或转速＜80 %；
• 环境温度 H₂≥20 %LEL；
• 急停按钮。
  触发后 1 s 内：

1. H₂ 两道阀同时失电（断电常闭）；
2. N₂ 两道阀开启，流量≥120 Nm³ h⁻¹；
3. 声光+SCADA 弹窗+SMS 推送；
4. 记录 SOE（Sequence Of Event）用于审计。

• 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。
• 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。

1. 氮气多重保护策略

• 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；
• 对炉门、冷却段法兰实行微正压氮封（0.5 kPa），防止空气倒吸；
• 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。

1. 监控与信息化

• 所有安全参数通过 OPC UA 镜像到厂级 SIS 平台，历史趋势≥5 年；
• 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；
• 支持远程“只读”诊断，禁止远程写入，杜绝网络攻击导致误动。