發(fā)生器備料和拉料自動化改造的實施及運行總結(jié)

梁寅祥，聶方超，劉 偉，張 亮

（陜西金泰氯堿化工有限公司，陜西 榆林 718199）

陜西金泰氯堿化工有限公司（以下簡稱金泰公司）30萬t/a聚氯乙烯裝置共有一二期2條生產(chǎn)線，一、二期裝置合計消耗電石約42萬t/a。乙炔發(fā)生裝置備料溢料、拉料連料操作不慎引起著火爆炸是生產(chǎn)過程最大的風(fēng)險點之一，當(dāng)前行業(yè)內(nèi)普遍采用手動操作來完成發(fā)生器的備料、拉料，手動操作需要操作人員憑借經(jīng)驗和視聽感覺來判斷料斗存料情況，并且操作繁瑣復(fù)雜，操作頻次高（每天平均需要完成636次備料和拉料操作），拉料、備料出錯概率很高，而一旦操作失誤將可能引起發(fā)生器及發(fā)生廠房著火爆炸，行業(yè)內(nèi)因備料、拉料操作不當(dāng)引起的著火爆炸事件比比皆是，因此減少拉料、備料過程中的操作失誤是降低生產(chǎn)事故的有效途徑之一。金泰公司2016年完成了一二線8臺發(fā)生器拉料、備料的自動化改造，從根本上降低了著火爆炸事件發(fā)生的頻次，同時帶來了良好的經(jīng)濟效益。

1 乙炔發(fā)生崗位情況

乙炔發(fā)生崗位的生產(chǎn)任務(wù)是把電石鋼倉內(nèi)的電石通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)加入到發(fā)生器的小料斗，然后依次拉料到上儲斗、下儲斗，再通過振動給料器將電石緩慢加入乙炔發(fā)生器，在發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生流量穩(wěn)定、質(zhì)量合格的乙炔氣供后續(xù)工序使用。

金泰公司正常生產(chǎn)情況下每年需要完成拉料、備料操作各21萬次，發(fā)生器拉料、備料過程中的主要風(fēng)險點為拉料連料和備料溢料，而連料分為小料斗上與儲斗連料，上儲斗與下儲斗連料，小料斗、上儲斗下儲斗全部連料3種。發(fā)生器正常狀態(tài)和連料狀態(tài)示意圖見下圖1。連料的主要原因和處理過程見表1。

1-小料斗；2-下料筒；3-下活門膠砣；4-下活門；5-上儲斗；6-配重；7-下料筒；8-下活門膠砣；9-下活門；10-下儲斗；11-配重；12-倉壁振蕩器；13-倉壁振蕩器；14-振動給料器；15-氣缸；16-氣缸

表1 連料的主要原因和處理過程

2 備料溢料和拉料連料的危害性

2.1 拉料連料的危害

小料斗、上儲斗連料后，電石下料筒內(nèi)充滿電石，操作人員強制關(guān)閉上活門，打開安裝在料斗壁上的電磁振蕩器的強烈震蕩來減小電石料塊之間的間隙，反復(fù)多次打開和關(guān)閉上活門會造成以下危害。

（1）關(guān)閉活門過程中下料筒壁與活門膠砣之間會夾住電石料塊，此時夾在膠砣與下料筒壁之間的電石塊與膠砣接觸面積是下料筒壁橫截面積的幾十分之一，而電石塊對膠砣的力矩平衡了活門配重產(chǎn)生的力矩，因此連料時膠砣局部受到電石塊棱角的擠壓力為正常時的幾十倍，一旦電石對膠砣的擠壓力超過膠砣的承受能力，膠砣就會被電石料塊的棱角刺穿，上活門就會發(fā)生泄漏。小料斗空料位上活門處于關(guān)閉狀態(tài)受力分析與小料斗與上儲斗連料上活門不能完全關(guān)閉受力分析分別見圖2和圖3。

圖2 小料斗空料位上活門處于關(guān)閉狀態(tài)受力分析

圖3 小料斗與上儲斗連料上活門不能完全關(guān)閉時受力分析

（2）連料后關(guān)閉上活門后再次打時膠砣的下表面局部可能受到電石的擠壓力，此時活門氣缸對活門的力矩用來平衡活門配重和電石塊對膠托產(chǎn)生的力矩，用于固定膠砣的墊片會對膠托形成強烈的剪切力，膠砣局部受到電石料塊的擠壓力，易造成活門膠砣下側(cè)面損壞或膠砣從活門上脫落。小料斗向上儲斗正常拉料前活門處于關(guān)閉狀態(tài)時膠砣受力分析與小料斗向上儲斗拉料后連料活門處于不能關(guān)閉狀態(tài)時膠砣受力分析分別見圖4和圖5。

圖4 小料斗向上儲斗正常拉料前活門處于關(guān)閉狀態(tài)時膠砣受力分析

圖5 小料斗向上儲斗拉料后連料活門處于不能關(guān)閉狀態(tài)時膠砣受力分析

發(fā)生器連料是造成膠砣損壞和脫落的最重要原因，如果活門膠砣損壞或者脫落操作人員未及時發(fā)現(xiàn)或處理不善，在后續(xù)上儲斗向下儲斗拉料過程中發(fā)生器內(nèi)的濕乙炔氣會經(jīng)下活門、上活門后涌出到發(fā)生廠房內(nèi)，聚集的乙炔氣體濃度達(dá)到爆炸極限以上后，一旦進(jìn)行備料操作，電石之間相互碰撞產(chǎn)生火花就會引發(fā)著火爆炸事件。

2.2 備料溢料的危害

發(fā)生器小料斗備料溢料會造成大量電石落入發(fā)生器小料斗外部，操作人員就要停止備料用鐵锨將溢出的電石鏟入到發(fā)生器小料斗內(nèi)，在鏟料過程中作業(yè)人員不可避免地吸入大量電石粉塵，長期作業(yè)易引發(fā)操作人員呼吸道疾病和塵肺。備料溢料嚴(yán)重時會造成小料斗內(nèi)的電石摩擦備料皮帶，造成皮帶磨損和劃傷，嚴(yán)重時還會造成備料皮帶電機燒毀，影響生產(chǎn)正常運行。

小料斗備料過多和溢料是造成拉料連料的最主要原因，因此要避免連料必須保證小料斗不發(fā)生溢料。

3 發(fā)生器自動備料、拉料的實施方法

3.1 微波料位開關(guān)簡介

金泰公司在發(fā)生器料斗倉壁上安裝一體式微波料位開關(guān)，微波料位開關(guān)由3個電器隔離的單元構(gòu)成：發(fā)射器、接收器與放大器，將發(fā)射器和接受器水平安裝發(fā)生器小料斗高料位處和小料斗、上儲斗、下儲斗空料位處，為獲得良好的性能需要確保接收器、發(fā)射器的安裝是牢固且是嚴(yán)格正對的。

3.2 微波料位開關(guān)安裝位置的確定

小料斗、上儲斗和下儲斗分別安裝一對低料位開關(guān)，利用水準(zhǔn)儀在料倉壁底部劃線就可確保微波料位開關(guān)水平正對安裝。

3.3 小料斗電石體積計算

因小料斗備料多少需要定量，故需要確定安裝在小料斗倉壁上高料位開關(guān)的高度，從而避免備料過少和備料外溢發(fā)生。小料斗內(nèi)的電石由朝下的錐體臺和朝上的錐體兩部分組成，因錐體臺體積可以近似為錐體體積進(jìn)行計算，故錐體臺體積V1=1/12πR2H1，H1=KR，進(jìn)入小料斗的電石在小料斗的堆積成朝上的錐體，其堆積角為27°，則體積為 V2=1/12πR2H2，H2=Rtan27°，而發(fā)生器上儲斗與下儲斗有效容積均為4.3 m3，小料斗有效容積為3.3 m3，采用小料斗連續(xù)拉料兩次裝滿上儲斗的備料方式，因此小料斗每次需備料2.15 m3，故V2+V2=1/12πR2H2+1/12πR2H1=2.15 m3，帶入數(shù)據(jù)求得 H1、H2，最終求得料位計安裝高度H=H1+H2。

因微波料位計開關(guān)檢測到小料斗電石達(dá)到高料位到備料皮帶停止有一定時間間隔，而皮帶上料的速度隨電石鋼倉下料速度變化，故需要根據(jù)實際運行情況調(diào)整微波料位開關(guān)安裝高度，為避免小料斗內(nèi)備料超過2.15 m3造成發(fā)生器連料，必須將計算出的安裝高度除以安全系數(shù)1.1，最終求得微波料位開關(guān)高料位的安裝高度。

4 實現(xiàn)全自動備料、拉料系統(tǒng)的改進(jìn)

為實現(xiàn)全自動備料、拉料還必須對DCS系統(tǒng)在原有的基礎(chǔ)上添加以下聯(lián)鎖條件

（1）備料啟動條件連鎖邏輯：a.上下活門處于關(guān)閉的狀態(tài)；b.上下儲斗不在拉料的狀態(tài)；c.小料斗監(jiān)測無料；d.聯(lián)動停皮帶發(fā)出10 s以后；e.上儲斗壓力應(yīng)該大于10 kPa；f.該發(fā)生器已投入聯(lián)鎖；g.上下儲斗的壓差大于5 kPa。

在聯(lián)鎖投用狀態(tài)下，當(dāng)小料斗高料位檢測有料時備料停止。

（2）發(fā)生器上活門打開條件：a.上儲斗監(jiān)測無料；b.小料斗沒有加料，下儲斗未進(jìn)行拉料的操作；c.小料斗監(jiān)測有料；d.下活門處于關(guān)閉的狀態(tài)；e.上下儲斗壓差大于5 kPa；f.上儲斗壓力應(yīng)該大于10 kPa；g.皮帶不在加料皮帶上運行；h.下活門關(guān)閉后上儲斗置換時間大于3 min。

（3）二次打開上活門條件：a.下活門處于關(guān)閉的狀態(tài)；b.第一次上儲斗進(jìn)料完畢；c.上下儲斗壓差應(yīng)該大于5 kPa；d.小料斗沒有進(jìn)行備料，下儲斗沒有拉料操作；e.上斗拉過一次且選擇雙次拉料；f.小料斗低料位開關(guān)監(jiān)測有料；g.上儲的壓力大于15 kPa；h.下活門關(guān)閉后上料斗置換時間3 min。

（4）上活門關(guān)閉條件：a.小儲斗低料位開關(guān)監(jiān)測無料；b.上儲斗料位開關(guān)顯示有料；c.前兩個條件滿足5 s以后；d.上活門關(guān)閉指令執(zhí)行；e.上活門打開狀態(tài)。

（5）發(fā)生器下活門打開連鎖：a.小料斗不備料；b.下料斗監(jiān)測無料；c.上儲斗有料；d.皮帶不反轉(zhuǎn)；e.給料機停止振料；f.發(fā)生器本體壓力大于2 kPa；h.上料斗兩次進(jìn)料結(jié)束；i.上儲斗壓力大于20 kPa；j.上活門關(guān)閉，壓差大于 5 kPa；k.排渣兩道閥不能全開。

（6）發(fā)生器下活門關(guān)閉連鎖：a.上儲斗監(jiān)測無料；b.下儲斗有料；c.前兩個條件滿足 5 s 以后；d.下活門關(guān)閉指令執(zhí)行。

5 發(fā)生器自動備料、拉料的實施前后生產(chǎn)情況綜合比較

5.1 經(jīng)濟性比較

（1）發(fā)生器手動備料時平均每年會發(fā)生溢料100次，自動備料后每年平均發(fā)生溢料20次，每次處理溢料平均需要耗人工1個工日，成本計200元，通過自動備料的實施節(jié)省費用1.6萬元/a。

（2）發(fā)生器手動備料時平均每年因備料溢料造成電機燒毀8臺，實施自動備料后平均每年因備料溢料造成電機燒毀3臺，每臺備料皮帶更換電機人工及設(shè)備成本合計3 000元/臺，則節(jié)省費用1.5萬元/a。

（3）發(fā)生器手動備料過程中小料斗經(jīng)常發(fā)生溢料，皮帶平均使用壽命為2年，實施自動備料后備料皮帶平均使用壽命為4年，備料皮帶全部更換一次成本為3.6萬元，則節(jié)省費用0.9萬元/a。

（4）發(fā)生器手動備料、拉料時平均每年需更換膠砣300個，改為自動后每年需更換膠砣100個，每個膠砣成本700元，人工成本300元，每次更換膠托必須對發(fā)生器進(jìn)行停車置換，發(fā)生器每停車一次造成約3 t的電石和1 000 m3的氮氣浪費，電石成本約3 000元/t，氮氣成本0.23元/m3，通過改造每年節(jié)省成本約204.6萬元。

（5）發(fā)生器實施自動備料系統(tǒng)實施一次性投資75萬元，經(jīng)濟壽命按10年計算，后期維護(hù)費用約1萬元/a，則每年總費用約8.5萬元。

（6）綜合比較實施自動備料每年產(chǎn)生經(jīng)濟效益為 204.6+0.9+1.5+1.6-8.5=200.1（萬元）。

5.2 生產(chǎn)負(fù)荷影響

單臺發(fā)生器從開始停車至恢復(fù)滿負(fù)荷生產(chǎn)需要8 h，發(fā)生器每停車一次影響PVC產(chǎn)量約42.2 t，通過備料、拉料自動化改造每年減少停車200次，通過自動備料、拉料的實施每年多生產(chǎn)PVC約8 448 t。

5.3 安全性比較

發(fā)生器自動備料、拉料全部由DCS系統(tǒng)設(shè)置連鎖完成，因此只要DCS系統(tǒng)及料位開關(guān)維護(hù)到位，連鎖設(shè)置合理，發(fā)生器自動拉料時就基本不會發(fā)生連料。而發(fā)生器手動備料、拉料時平均每年因連料引起發(fā)生膠砣泄漏約168次和脫落約32次，根據(jù)經(jīng)驗平均膠砣泄漏116次或脫落24次就可能會造成一次一般事故，而一般事故發(fā)生13次就會發(fā)生一次較大及其以上事故。因此自動化備料、拉料的實施每年減少一般事故2.9起，較大及其以上事故0.22起。由此可見發(fā)生器自動備料、拉料的實施大大降低了PVC生產(chǎn)過程事故發(fā)生的概率。

6 結(jié)語

發(fā)生器自動備料系統(tǒng)運行穩(wěn)定，減輕了操作人員的勞動強度，備料、拉料自動化的實施產(chǎn)生了明顯經(jīng)濟效益，極大地降低了著火爆炸事件的發(fā)生概率，是當(dāng)前以人為本的不二選擇，是本質(zhì)安全的具體體現(xiàn)，是以更準(zhǔn)確、穩(wěn)定的新的操作方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的憑借操作人員經(jīng)驗和視聽直覺的操作方式，是適合現(xiàn)代化大工業(yè)發(fā)展的新技術(shù)。