摘　要 ：高含硫气田属高含硫化氢酸性气田，地面集输工程工艺复杂，且硫化氢为有毒性气体，气田生产危险性高。为保障气田生产安全，在各井站均需设置安全玻璃管液位计作为生产过程中的安全排放设施。高含硫气田玻璃管液位计控制系统均为基于PLC 的小型控制系统，实现火焰监测、火炬点火、熄火后自动点火等功能。以元坝气田地面集工程玻璃管液位计为研究背景，从检测器件、控制逻辑、报警方式等多方面为出发点，分析了原系统的不足，并提出了相应优化方案，为高含硫气田生产提供可靠的安全保障。

    元坝气田地面集输工程所有集输场站均设置了玻璃管液位计，各玻璃管液位计均有独立的 PLC 控制系统，用以对火炬进行自动化控制，实现火焰监测、火炬就地点火、远程点火、自动点火、报警、与 SCADA 系统通讯等功能。元坝气田集输工程玻璃管液位计在运行过程中存在部分问题，如火焰检测不准确，火炬熄火误报，熄火后无法点火等问题，存在一定安全隐患。为消除隐患，通过分析问题根源，提出了优化方案，提高玻璃管液位计系统的可靠性。

    1 玻璃管液位计简介
    玻璃管液位计采用的是西门子 S7-200 PLC 及其配套模块搭建。玻璃管液位计与场站过程控制系统（简称 PCS 系统）采用两组硬线连接，由玻璃管液位计向 PCS 系统发送火炬火焰状态信号，用于站控室内人机监控界面显示。火炬长明灯处的两支热电偶加一支紫外线火焰检测器采用三取二的方式判断着火状态，即当其中至少两支火焰检测元件检测到火焰并变送出相应毫伏信号后，PLC 内的逻辑才判断该长明灯目前为着火状态，同时送出着火信号至 PCS 系统 ；而当 PLC 仅收到一支或零支火焰检测元件检测到火焰信号，则判断该长明灯为熄火状态，将送出熄火信号至 PCS 系统，同时启动熄火报警灯，并开始自动点火，连续点火5次若仍未点火成功则停止点火并产生报警信号。

    2 存在的问题分析
    元坝地面集输玻璃管液位计在运行过程中出现了一些问题，主要表现为火焰检测信号不实、火炬熄火误报警、火炬自动点火延迟等。

    2.1 火焰检测信号不实
    火炬在运行过程中，多站出现了火焰检测信号不实现象。主要表现为，火炬实际为熄火状态，而 PLC 检测到并送出的信号为着火状态，站控室内人机界面也显示火炬为正常着火状态。若在正常生产情况下火炬意外熄火，而玻璃管液位计判断的火炬状态却为正常着火，则无法及时开启自动点火，同时，操作人员无法从人机监控界面上及时发现火炬熄火，若此时场站发生意外放空，将导致大量酸气溢出，威胁场站员工及周围居民人生安全。经检查分析，导致火焰检测信号不实的根本原因为火焰检测元件损坏，热电偶在长期置于火焰的工作过程中保护套管被烧坏致使热电偶损坏，无法正常检测火焰，无法依靠火炬热电偶判断火炬火焰状态。

    2.2 火炬熄火误报警
    火炬在运行过程中仍存在火炬热电偶损坏的问题，此外还经常发生火炬实际为着火状态，而人机监控界面却显示熄火报警的情况，将导致监控人员误以为火炬已熄火，产生不必要的恐慌。

    经检查分析，造成该现象的根本原因为人机界面火焰状态信号直接采用的是火炬的紫外检测器火焰检测信号。因紫外线火焰检测器为非接触式检测，只有当检测到火焰发出的紫外光时才判断有火焰，非常灵敏，而火炬火焰由于位置较高容易受风影响，当火焰被风吹偏后，套筒中的紫外线检测器将不容易检测到火焰，此时人机界面则显示火焰熄火。

    2.3 火炬自动点火延迟
    火炬自动点火是保证火炬意外熄火的重要手段。而通过实验发现，观测到火炬火焰熄灭到火炬开启自动点火所需时间较长，达到2~4min，并不能在火炬火焰熄火后的第一时间立即自动点火，存在一定安全隐患，若在该2~4min 内场站意外放空，火炬意外熄火，将无法第一时间点燃火炬，造成大量酸气溢散到空气中。

    经检查分析，造成该现象的原因为火炬热电偶在检测火焰的过程中存在延时。热电偶是基于温度的变化来检测火焰，当火炬熄火后，长明灯及热电偶自身存在余热，温度下降需要一定时间，无法在熄火后立刻检测到火焰熄火，因此造成了熄火检测的延迟性，从而导致了火炬自动点火的延迟。

    3 玻璃管液位计优化研究
    3.1 火焰检测技术优化
    对比了常用的三种火焰检测方式，热电偶检测、紫外线检测与火焰离子检测方式。从检测原理、反应时间等方面进行对比并给出优化建议。

    （1）热电偶检测 ：基于温度检测的火焰检测手段。即在长明灯及火炬头安装热电偶，通过检测长明灯及火炬头的温度来判断火炬是否正常燃烧，若温度低于设定值则认为长明灯火焰已熄灭，反之，若温度高于设定值则判断为火焰燃烧。

    （2）紫外线检测 ：紫外线火焰检测是基于紫外传感器只对185~260nm 的狭窄范围内的紫外线敏感，对其他频谱范围的光线不敏感。而火焰的紫外辐射波长在0.1~10μm，能够通过紫外线传感器进行检测，判断火焰是否燃烧。当紫外线检测器检测到紫外线则判断为有火焰，未检测到则判断为熄火。

    （3）火焰离子检测 ：火焰离子检测是基于火焰燃烧时，在燃烧区域的基部会产生电离气体，而电离气体具有导电性，利用电离气体的性质，将一根带有导电端的陶瓷棒置于火焰区域，当火焰燃烧时，电流通过电离气体从导电端传递至火炬头产生电流，当火焰熄灭时，电流则无法从导电端传递至火炬头。通过检测导电端的电流信号便能够快速的判断火炬火焰为燃烧状态还是熄火状态。

    有实验得出三种火焰检测方式判断火焰燃烧所需时间与判断火焰熄灭所需时间，如表1所示。

    从实验结论可知，热电偶在检测火焰燃烧与火焰熄火所需时间都较长，尤其在检测火焰熄火时受余温影响耗时近3min，紫外线检测与离子火焰检测判断火焰燃烧所需时间相同，而判断火焰熄灭所需时间紫外检测系统较短，只需2s。

    因此，针对火焰状态信号检测不实的问题可将一组紫外线火焰检测器或将其中一组热电偶更换为紫外线检测器，用于对火焰状态进行检测，原火炬热电偶作为辅助检测，保障火焰检测状态信号真实可靠。将原长明火的热电偶头部增加厚保护套，保护套材质为310SS 或耐蚀合金，防止火焰直接烧灼热电偶，从而降低热电偶故障率，提升火焰检测的可靠性。可直接由紫外线检测器判断熄火后则启动自动点火程序，提高点火及时性。

    3.2 火炬点火逻辑优化
    火炬自动点火延迟问题通过更换火焰检测元件提高火焰检测的实时性可得到有效改善。同时，针对火焰检测器检测火焰时受风向影响大导致火焰熄火误报警的问题，可将热电偶与紫外线检测器的火焰检测信号通过三取二的方式经 PLC逻辑判断后送出至过程控制系统，再用于人机界面显示，通过这种方式可以有效降低人机界面火炬熄火误报。火炬点火逻辑设置为自动状态下，当每组火焰检测元件不满足三取二信号时自动点火的控制逻辑，同时增加当两个紫外线检测器同时检测不到火焰时自动点火的控制逻辑，两种逻辑为或关系，满足任意一个条件则启动自动点火程序。通过该方式可避免因火炬热电偶检测火焰熄火的延时性导致火炬不能及时自动点火的情况，同时也防止了紫外检测器受风向影响造成火炬在着火状态下启动自动点火的情况，提高点火器使用寿命。

    4 结束语
   对高含硫气田玻璃管液位计进行了研究，以元坝气田集输工程玻璃管液位计为研究背景，通过对系统存在的问题展开综合分析，以解决安全隐患，提高系统可靠性为出发点，提出了优化可行的火炬火焰检测方式，增强了火炬火焰状态信号的真实性，通过对点火逻辑的优化，提高了火炬自动点火的及时性，为气田的安全生产提供有效保障。