氯化氫合成系統(tǒng)自動控制改造

陳衛(wèi)蘭

(宜賓天原集團股份有限公司，四川 宜賓 644200)

1 生產(chǎn)系統(tǒng)基本情況

某公司設(shè)有氯堿與聚氯乙烯兩個分廠。聚氯乙烯分廠主要包括氯化氫合成工序、乙炔發(fā)生工序、氯乙烯合成工序、聚合工序等；氯堿分廠主要包括電解工序、液氯工序、液堿工序等。

進入聚氯乙烯分廠氯化氫合成爐的氫氣與氯氣均來自氯堿分廠電解工序，其中氫氣通過氫氣緩沖罐、阻火器、爐前阻火器進入合成爐；氯氣分別經(jīng)原氯緩沖罐、尾氯緩沖罐，再經(jīng)氯氣分配臺進入氯化氫合成爐，與氫氣按比例燃燒。氯氣和氫氣原則上按1∶(1.05～1.10) 的比例燃燒生成氯化氫氣體,從合成爐頂部導(dǎo)出的氯化氫氣體經(jīng)盤旋式空氣冷卻器冷卻至120 ℃以下，進入石墨冷卻器冷卻后，再輸送到氯乙烯合成工序生產(chǎn)氯乙烯或通過制酸平臺與吸收塔后制成鹽酸。氯化氫生產(chǎn)及用途工藝流程示意圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)改造前的情況

(1)氯化氫合成爐點爐采用的是開放式人工點火方式，每臺合成爐點火時至少需要4人(點火操作2人，開啟氫氣、氯氣截止閥，反復(fù)調(diào)節(jié)氯化氫分配臺、制鹽酸分配臺調(diào)節(jié)閥等至少2人)操作，勞動強度大。另外，操作人員點火時須面對氯化氫合成爐爐門，而爐內(nèi)的氫氣燃燒需要爐外部的大氣供氧，點火瞬間產(chǎn)生的火焰容易沖出爐門，造成人員燒傷。

(2)進入氯化氫合成爐的氯氣、氫氣的流量調(diào)節(jié)全部采用人工手動操作，且無遠傳流量顯示，操作人員須反復(fù)到現(xiàn)場觀察流量并開關(guān)閥門，才能保證生產(chǎn)正常，增大了操作人員的勞動強度。

圖1 氯化氫生產(chǎn)及用途工藝流程示意圖

(3)氯化氫合成爐燃燒的火焰顏色是判斷爐況是否正常的重要指標(biāo)。正常生產(chǎn)時，火焰顏色為青白色；如氯氣過量，則火焰顏色會變成淡黃、黃色、深黃、粉紅、紅色，直至發(fā)紫。從火焰顏色異常的情況可以判斷合成爐內(nèi)游離氯超標(biāo)，游離氯超標(biāo)將會引發(fā)后續(xù)工序混合脫水的燃爆事故。這個重要監(jiān)控指標(biāo)全靠人工通過視鏡觀察，在火焰顏色異常(如發(fā)黃、發(fā)紅)時，觀察人員須通知操作人員調(diào)節(jié)氯氣或氫氣閥門。合成爐運行時間較長后，容易造成視鏡模糊，操作人員看不清火焰顏色，不能準(zhǔn)確判斷爐況，為系統(tǒng)平穩(wěn)運行埋下了安全隱患。2016年該公司就曾經(jīng)發(fā)生過操作人員未及時發(fā)現(xiàn)合成爐火焰顏色發(fā)黃，因而未能及時調(diào)節(jié)氫氣與氯氣的配比，導(dǎo)致輸送到后端的氯化氫中的游離氯在氯乙烯合成混合器內(nèi)與乙炔反應(yīng)，生成了氯乙炔并放出大量熱量，引起混合氣體的瞬間膨脹，造成混合脫水系統(tǒng)的混合器、列管式石墨冷凝器等薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生爆炸，使整個化工系統(tǒng)停車。

(4)合成爐中的氯化氫純度全靠人工取樣分析，按每臺4次/h的頻率開展(生產(chǎn)系統(tǒng)異常時采樣分析頻率更高)；重點監(jiān)控指標(biāo)的氯化氫中的游離氯含量(工藝指標(biāo)0～0.002%)也全靠人工采樣分析，且頻率較高[1次/(2 h)]，分析方法也較為繁瑣。當(dāng)生產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)波動時，氯化氫純度和游離氯指標(biāo)會有所變化，但由于人工取樣分析時間較長，且人工分析樣品的精確程度也有差別，很多時候，操作人員只能通過合成混合器、預(yù)熱器的溫度變化來判斷系統(tǒng)內(nèi)是否已產(chǎn)生游離氯，造成異常情況下未能及時調(diào)整系統(tǒng)，同樣會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全運行。

(5)氯化氫合成工序輸送到氯乙烯合成工序的氯化氫氣體，其流量調(diào)節(jié)以及吸收制酸的調(diào)節(jié)全部是手動操作，且現(xiàn)場氯化氫分配臺采用DN250鋼襯聚四氟乙烯隔膜閥，開啟、關(guān)閉閥門時需要2個人同時操作。由于系統(tǒng)安全生產(chǎn)的需要，在調(diào)節(jié)流量時還必須保證流量平穩(wěn)，否則會影響后續(xù)系統(tǒng)的穩(wěn)定，這對操作人員的經(jīng)驗和技能要求較高。

(6)氯化氫合成爐的重要參數(shù)指標(biāo)，即游離氯含量未納入公司的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，游離氯一旦超標(biāo)，會延誤公司整個生產(chǎn)系統(tǒng)的應(yīng)急處理。

由以上可以看出：氯化氫合成系統(tǒng)的開停車操作、正常生產(chǎn)時的系統(tǒng)調(diào)整和異常情況下的系統(tǒng)應(yīng)急處理全部靠人工現(xiàn)場手動操作和監(jiān)控，不僅勞動強度較大，而且對員工的操作技能和操作經(jīng)驗要求較高。同時，手動操作會造成誤差，影響生產(chǎn)系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運行。

3 系統(tǒng)改造

3.1 增加氯化氫合成爐自動點火裝置與遠程視頻監(jiān)控，實現(xiàn)系統(tǒng)正常生產(chǎn)的自動控制

3.1.1 改造措施

鑒于自動點火裝置在國內(nèi)應(yīng)用已比較成熟，項目組決定增加氯化氫合成爐的自動點火裝置和補充空氣閥接口，即點火前打開補充空氣閥，一鍵啟動自動點火裝置，氫氣、壓縮空氣分別經(jīng)過對應(yīng)的控制閥進入點火裝置，點火槍在爐內(nèi)自動打火，引燃爐內(nèi)的氫氣。

為了實現(xiàn)自動控制，項目組決定增加火焰遠程視頻監(jiān)控、紫外線火焰監(jiān)測孔和部分自控閥門。在火焰?zhèn)鞲衅鹘邮盏叫盘柡?，氫氣旁路閥和氫氣程控閥自動打開，并逐漸增大空氣、氫氣的供給量;等火焰?zhèn)鞲衅鹘邮盏交鹧娣€(wěn)定信號后，氯氣旁路閥和氯氣程控閥自動逐漸打開，氯氣進入爐內(nèi)燈頭與已進入燈頭的氫氣混合并充分燃燒，壓縮空氣控制閥完全關(guān)閉；自動點火完成后，關(guān)閉氫氣點火閥，將合成爐系統(tǒng)切換至自動運行，關(guān)閉氫氣、氯氣旁路閥；爐內(nèi)火焰穩(wěn)定后，關(guān)閉補充空氣閥。自動點火流程如圖2所示。

圖2 自動點火流程示意圖

3.1.2 改造效果

實現(xiàn)氯化氫合成爐一鍵自動點火，氫氣、氯氣流量調(diào)節(jié)可在DCS與現(xiàn)場控制進行切換。自動控制水平的提高降低了員工勞動強度，避免人為因素對生產(chǎn)系統(tǒng)的影響，降低了生產(chǎn)系統(tǒng)的安全風(fēng)險。

3.2 增加在線氯化氫純度與游離氯監(jiān)測設(shè)施，優(yōu)化合成系統(tǒng)安全聯(lián)鎖的投用

3.2.1 改造措施

為了使氯化氫合成系統(tǒng)運行平穩(wěn)、安全、可靠，項目組經(jīng)過論證，將氯化氫合成系統(tǒng)中的重要參數(shù)指標(biāo)納入公司安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。方案如下：如出現(xiàn)氯化氫合成爐內(nèi)游離氯超標(biāo)，當(dāng)游離氯體積分?jǐn)?shù)達2×10-5時，則系統(tǒng)報警，操作人員立即手動調(diào)節(jié)增大氫氣進爐量，減小氯氣進爐量，同時取樣分析游離氯含量。游離氯含量正常后，恢復(fù)氫氣和氯氣流量到正常指標(biāo)。當(dāng)游離氯體積分?jǐn)?shù)達到4×10-4時，合成工序自動緊急切斷乙炔，操作人員手動將氯化氫切換到吸收裝置。而要實現(xiàn)安全聯(lián)鎖就要增加在線氯化氫純度與游離氯含量監(jiān)測設(shè)施，在氯化氫總管上增加1臺氯化氫冷卻器，氯化氫氣體進入在線分析儀前通過冷卻器降溫除去冷凝酸；同時增加1臺在線氯化氫純度與游離氯含量分析儀對氯化氫進行在線監(jiān)測分析。

3.2.2 改造效果

將氯化氫合成爐的重要參數(shù)指標(biāo)(即游離氯含量)納入公司安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)超標(biāo)，系統(tǒng)立即自動緊急切斷乙炔，降低了后續(xù)氯乙烯合成工序生產(chǎn)系統(tǒng)的安全風(fēng)險。

3.3 改造氯化氫吸收裝置的部分設(shè)施，增加氯化氫合成系統(tǒng)的自動控制點位

3.3.1 改造措施

氯化氫分配臺、制酸分配臺和鹽酸總管等設(shè)備、管道上均安裝的是手動隔膜閥。項目組經(jīng)過論證，決定將以上手動閥門改為調(diào)節(jié)閥，實現(xiàn)與出爐氯化氫壓力變送器的聯(lián)鎖控制，氯化氫流量調(diào)節(jié)和鹽酸吸收系統(tǒng)的切換操作等就可實現(xiàn)自動控制。工藝聯(lián)鎖步驟設(shè)置為：在系統(tǒng)正常運行制酸時，由操作人員在DCS上手動控制分配臺上的調(diào)節(jié)閥，根據(jù)氯化氫總管流量計顯示數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)氯化氫流量。當(dāng)系統(tǒng)異常需緊急停爐時，進爐氫氣、氯氣調(diào)節(jié)閥選擇手動緊急降負荷，上塔吸收水調(diào)節(jié)閥快速打開，制酸分配臺氯化氫調(diào)節(jié)閥和吸收塔調(diào)節(jié)閥、鹽酸總管程控閥快速打開，操作人員可在DCS上手動將氯化氫切換到吸收裝置。

3.3.2 改造效果

氯化氫吸收裝置改造完成后，完善了氯化氫合成自動控制系統(tǒng)，減少了現(xiàn)場操作頻次，降低了員工的勞動強度，實現(xiàn)了系統(tǒng)緊急停爐等異常情況的快速調(diào)節(jié)，提高了事故應(yīng)急處理的速度，降低了系統(tǒng)運行的安全風(fēng)險。