摘　要 ：高含硫氣田屬高含硫化氫酸性氣田，地面集輸工程工藝復雜，且硫化氫為有毒性氣體，氣田生產危險性高。為保障氣田生產安全，在各井站均需設置安全玻璃管液位計作為生產過程中的安全排放設施。高含硫氣田玻璃管液位計控制系統均為基于PLC 的小型控制系統，實現火焰監測、火炬點火、熄火后自動點火等功能。以元壩氣田地面集工程玻璃管液位計為研究背景，從檢測器件、控制邏輯、報警方式等多方面為出發點，分析了原系統的不足，并提出了相應優化方案，為高含硫氣田生產提供可靠的安全保障。

    元壩氣田地面集輸工程所有集輸場站均設置了玻璃管液位計，各玻璃管液位計均有獨立的 PLC 控制系統，用以對火炬進行自動化控制，實現火焰監測、火炬就地點火、遠程點火、自動點火、報警、與 SCADA 系統通訊等功能。元壩氣田集輸工程玻璃管液位計在運行過程中存在部分問題，如火焰檢測不準確，火炬熄火誤報，熄火后無法點火等問題，存在一定安全隱患。為消除隱患，通過分析問題根源，提出了優化方案，提高玻璃管液位計系統的可靠性。

    1 玻璃管液位計簡介
    玻璃管液位計采用的是西門子 S7-200 PLC 及其配套模塊搭建。玻璃管液位計與場站過程控制系統（簡稱 PCS 系統）采用兩組硬線連接，由玻璃管液位計向 PCS 系統發送火炬火焰狀態信號，用于站控室內人機監控界面顯示。火炬長明燈處的兩支熱電偶加一支紫外線火焰檢測器采用三取二的方式判斷著火狀態，即當其中至少兩支火焰檢測元件檢測到火焰并變送出相應毫伏信號后，PLC 內的邏輯才判斷該長明燈目前為著火狀態，同時送出著火信號至 PCS 系統 ；而當 PLC 僅收到一支或零支火焰檢測元件檢測到火焰信號，則判斷該長明燈為熄火狀態，將送出熄火信號至 PCS 系統，同時啟動熄火報警燈，并開始自動點火，連續點火5次若仍未點火成功則停止點火并產生報警信號。

    2 存在的問題分析
    元壩地面集輸玻璃管液位計在運行過程中出現了一些問題，主要表現為火焰檢測信號不實、火炬熄火誤報警、火炬自動點火延遲等。

    2.1 火焰檢測信號不實
    火炬在運行過程中，多站出現了火焰檢測信號不實現象。主要表現為，火炬實際為熄火狀態，而 PLC 檢測到并送出的信號為著火狀態，站控室內人機界面也顯示火炬為正常著火狀態。若在正常生產情況下火炬意外熄火，而玻璃管液位計判斷的火炬狀態卻為正常著火，則無法及時開啟自動點火，同時，操作人員無法從人機監控界面上及時發現火炬熄火，若此時場站發生意外放空，將導致大量酸氣溢出，威脅場站員工及周圍居民人生安全。經檢查分析，導致火焰檢測信號不實的根本原因為火焰檢測元件損壞，熱電偶在長期置于火焰的工作過程中保護套管被燒壞致使熱電偶損壞，無法正常檢測火焰，無法依靠火炬熱電偶判斷火炬火焰狀態。

    2.2 火炬熄火誤報警
    火炬在運行過程中仍存在火炬熱電偶損壞的問題，此外還經常發生火炬實際為著火狀態，而人機監控界面卻顯示熄火報警的情況，將導致監控人員誤以為火炬已熄火，產生不必要的恐慌。

    經檢查分析，造成該現象的根本原因為人機界面火焰狀態信號直接采用的是火炬的紫外檢測器火焰檢測信號。因紫外線火焰檢測器為非接觸式檢測，只有當檢測到火焰發出的紫外光時才判斷有火焰，非常靈敏，而火炬火焰由于位置較高容易受風影響，當火焰被風吹偏后，套筒中的紫外線檢測器將不容易檢測到火焰，此時人機界面則顯示火焰熄火。

    2.3 火炬自動點火延遲
    火炬自動點火是保證火炬意外熄火的重要手段。而通過實驗發現，觀測到火炬火焰熄滅到火炬開啟自動點火所需時間較長，達到2~4min，并不能在火炬火焰熄火后的第一時間立即自動點火，存在一定安全隱患，若在該2~4min 內場站意外放空，火炬意外熄火，將無法第一時間點燃火炬，造成大量酸氣溢散到空氣中。

    經檢查分析，造成該現象的原因為火炬熱電偶在檢測火焰的過程中存在延時。熱電偶是基于溫度的變化來檢測火焰，當火炬熄火后，長明燈及熱電偶自身存在余熱，溫度下降需要一定時間，無法在熄火后立刻檢測到火焰熄火，因此造成了熄火檢測的延遲性，從而導致了火炬自動點火的延遲。

    3 玻璃管液位計優化研究
    3.1 火焰檢測技術優化
    對比了常用的三種火焰檢測方式，熱電偶檢測、紫外線檢測與火焰離子檢測方式。從檢測原理、反應時間等方面進行對比并給出優化建議。

    （1）熱電偶檢測 ：基于溫度檢測的火焰檢測手段。即在長明燈及火炬頭安裝熱電偶，通過檢測長明燈及火炬頭的溫度來判斷火炬是否正常燃燒，若溫度低于設定值則認為長明燈火焰已熄滅，反之，若溫度高于設定值則判斷為火焰燃燒。

    （2）紫外線檢測 ：紫外線火焰檢測是基于紫外傳感器只對185~260nm 的狹窄范圍內的紫外線敏感，對其他頻譜范圍的光線不敏感。而火焰的紫外輻射波長在0.1~10μm，能夠通過紫外線傳感器進行檢測，判斷火焰是否燃燒。當紫外線檢測器檢測到紫外線則判斷為有火焰，未檢測到則判斷為熄火。

    （3）火焰離子檢測 ：火焰離子檢測是基于火焰燃燒時，在燃燒區域的基部會產生電離氣體，而電離氣體具有導電性，利用電離氣體的性質，將一根帶有導電端的陶瓷棒置于火焰區域，當火焰燃燒時，電流通過電離氣體從導電端傳遞至火炬頭產生電流，當火焰熄滅時，電流則無法從導電端傳遞至火炬頭。通過檢測導電端的電流信號便能夠快速的判斷火炬火焰為燃燒狀態還是熄火狀態。

    有實驗得出三種火焰檢測方式判斷火焰燃燒所需時間與判斷火焰熄滅所需時間，如表1所示。

    從實驗結論可知，熱電偶在檢測火焰燃燒與火焰熄火所需時間都較長，尤其在檢測火焰熄火時受余溫影響耗時近3min，紫外線檢測與離子火焰檢測判斷火焰燃燒所需時間相同，而判斷火焰熄滅所需時間紫外檢測系統較短，只需2s。

    因此，針對火焰狀態信號檢測不實的問題可將一組紫外線火焰檢測器或將其中一組熱電偶更換為紫外線檢測器，用于對火焰狀態進行檢測，原火炬熱電偶作為輔助檢測，保障火焰檢測狀態信號真實可靠。將原長明火的熱電偶頭部增加厚保護套，保護套材質為310SS 或耐蝕合金，防止火焰直接燒灼熱電偶，從而降低熱電偶故障率，提升火焰檢測的可靠性。可直接由紫外線檢測器判斷熄火后則啟動自動點火程序，提高點火及時性。

    3.2 火炬點火邏輯優化
    火炬自動點火延遲問題通過更換火焰檢測元件提高火焰檢測的實時性可得到有效改善。同時，針對火焰檢測器檢測火焰時受風向影響大導致火焰熄火誤報警的問題，可將熱電偶與紫外線檢測器的火焰檢測信號通過三取二的方式經 PLC邏輯判斷后送出至過程控制系統，再用于人機界面顯示，通過這種方式可以有效降低人機界面火炬熄火誤報。火炬點火邏輯設置為自動狀態下，當每組火焰檢測元件不滿足三取二信號時自動點火的控制邏輯，同時增加當兩個紫外線檢測器同時檢測不到火焰時自動點火的控制邏輯，兩種邏輯為或關系，滿足任意一個條件則啟動自動點火程序。通過該方式可避免因火炬熱電偶檢測火焰熄火的延時性導致火炬不能及時自動點火的情況，同時也防止了紫外檢測器受風向影響造成火炬在著火狀態下啟動自動點火的情況，提高點火器使用壽命。

    4 結束語
   對高含硫氣田玻璃管液位計進行了研究，以元壩氣田集輸工程玻璃管液位計為研究背景，通過對系統存在的問題展開綜合分析，以解決安全隱患，提高系統可靠性為出發點，提出了優化可行的火炬火焰檢測方式，增強了火炬火焰狀態信號的真實性，通過對點火邏輯的優化，提高了火炬自動點火的及時性，為氣田的安全生產提供有效保障。