安全儀表系統(tǒng)在離子膜電解槽上的應(yīng)用

李愛軍，白靜，靳寶寶

(陜西北元化工集團(tuán)股份有限公司化工分公司，陜西 榆林 719319)

陜西北元化工集團(tuán)股份有限公司(以下簡稱“北元化工”)一期、二期離子膜燒堿裝置各配備12臺電解槽，分別于2010年、2012年投產(chǎn)。近年來，安全生產(chǎn)形勢日益嚴(yán)峻，特別是最近兩年，國內(nèi)危險化學(xué)品企業(yè)相繼發(fā)生多起安全事故。因此，國家對危險化學(xué)品生產(chǎn)企業(yè)提出了更高的安全要求。北元化工立足于企業(yè)自身安全發(fā)展，于2019年6月分別在離子膜電解槽裝置配備了安全儀表系統(tǒng)，為生產(chǎn)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行提供了可靠保障。

1 工藝流程

精制后的二次鹽水從陽極高位槽流出，循環(huán)堿液從陰極高位槽流出，經(jīng)過進(jìn)槽鹽水流量調(diào)節(jié)閥、進(jìn)槽陰極流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量后，進(jìn)入電解槽。在電解過程中，陽極側(cè)Cl-失去電子生成Cl2，陰極側(cè)H2O得到電子生成H2與OH-，少量OH-通過離子膜由陰極室反滲透至陽極室，質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%的鹽酸通過自控閥調(diào)節(jié)流量后連續(xù)加入陽極室以中和反滲透過來的OH-，控制出槽陽極液pH值在3.5～5.5。電解陽極產(chǎn)生的氯氣進(jìn)入氯氣洗滌塔，通過循環(huán)降溫、洗滌除去氯氣中大量水分、鹽霧后，進(jìn)入鈦管冷卻器；鈦管冷卻器出口氯氣溫度控制在(14±2) ℃后，進(jìn)入水霧捕集器進(jìn)一步除去水分，經(jīng)氯氣調(diào)節(jié)閥送至氯氫處理工序；產(chǎn)生的淡鹽水加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)18%的鹽酸酸化后，經(jīng)過脫氯塔物理脫氯與加入亞硫酸鈉化學(xué)脫氯除去游離氯后送至一次鹽水工序。陰極產(chǎn)生的氫氣進(jìn)入氫氣總管送至氯化氫工序，陰極液中摻雜的部分氫氣經(jīng)氫氣分離器進(jìn)一步分離回收后并入氫氣總管；產(chǎn)生的陰極液一部分經(jīng)陰極液泵打入陰極高位槽供電解槽循環(huán)，剩余部分送至蒸發(fā)罐區(qū)[1]。

2 安全儀表系統(tǒng)

2.1 安全儀表系統(tǒng)構(gòu)成及功能

安全儀表系統(tǒng)(以下簡稱SIS)由傳感器、邏輯運算器、最終執(zhí)行元件和電源等構(gòu)成，用于當(dāng)工藝系統(tǒng)參數(shù)超越預(yù)定的正常工況時，發(fā)出報警信息或直接執(zhí)行預(yù)定程序，防止事故的發(fā)生或降低事故帶來的危害及其影響。

2.2 安全儀表系統(tǒng)的實施

采用危險和可操作性研究方法(HAZOP)，識別出新擴建項目或已投產(chǎn)項目在設(shè)計過程中所涉及工藝流程、相關(guān)設(shè)備的危險事件及導(dǎo)致事件順序的潛在危險；通過對辨識出的危險進(jìn)行定量分析，確定所需SIF回路的SIL等級要求；編制安全要求規(guī)格書，將輸入、輸出、邏輯功能以及SIL等級整理成技術(shù)文件，然后通過對安全要求規(guī)格書進(jìn)行SIS設(shè)計、邏輯控制器的硬件集成和軟件組態(tài)、安裝和調(diào)試；進(jìn)入日常運行、維護(hù)、修改、變更及旁路管理。

3 離子膜電解槽安全聯(lián)鎖

3.1 離子膜電解槽單槽安全聯(lián)鎖

離子膜燒堿裝置正常生產(chǎn)過程中，精制鹽水從精鹽水高位槽流出，陰極液從陰極高位槽流出，經(jīng)過進(jìn)槽鹽水調(diào)節(jié)閥、進(jìn)槽堿液調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)后進(jìn)入電解槽。在此過程中，若進(jìn)電解槽陰、陽極液的流量過少，電解槽單元槽液位下降,離子膜干燒著火爆炸，會造成人員傷亡,設(shè)備損壞[2]。因此北元化工對24臺電解槽分別配備了如下安全聯(lián)鎖：當(dāng)進(jìn)槽精鹽水流量(1臺測量儀表，當(dāng)這臺儀表檢測值小于設(shè)定值時，觸發(fā)聯(lián)鎖。簡稱“一選一”)低低、進(jìn)槽堿液流量(一選一)低低，聯(lián)鎖單槽整流柜控制器跳閘。

當(dāng)離子膜電解槽陰、陽極壓力過高時，會造成離子膜機械損傷，局部出現(xiàn)撕裂或強度降低，陰極側(cè)氫氣進(jìn)入陽極側(cè)，導(dǎo)致氯內(nèi)含氫量升高，嚴(yán)重時會發(fā)生著火爆炸事故。為防止此類惡性事故發(fā)生，北元化工對24臺電解槽分別配備如下安全聯(lián)鎖：當(dāng)陰極壓力(一選一)高高或陽極壓力(一選一)高高時，聯(lián)鎖單槽整流柜控制器跳閘。

當(dāng)離子膜電解槽槽溫過高時，會造成離子膜分層起泡，嚴(yán)重時使離子膜產(chǎn)生針孔，陰極側(cè)的氫氣進(jìn)入陽極側(cè)，導(dǎo)致氯內(nèi)含氫量升高，嚴(yán)重時會發(fā)生著火爆炸。為防止此類惡性事故發(fā)生，北元化工對24臺電解槽分別配備如下安全聯(lián)鎖：當(dāng)槽溫(一選一)高高，聯(lián)鎖單槽整流柜控制器跳閘。

同時設(shè)置安全聯(lián)鎖緊急停車事故操作盤。當(dāng)單槽發(fā)生緊急狀況時，操作人員可按下單槽急停按鈕，通過SIS直接切斷該臺電解槽的整流供電。

離子膜電解槽單槽安全聯(lián)鎖邏輯如圖1所示。

圖1 離子膜電解槽單槽安全聯(lián)鎖邏輯圖

3.2 離子膜電解槽單線安全聯(lián)鎖

北元化工離子膜燒堿裝置正常生產(chǎn)過程中，精鹽水高位槽、陰極液高位槽始終保持溢流狀態(tài)，防止進(jìn)槽陰、陽極流量過低，造成電解槽單元槽液位下降而使離子膜干燒，甚至著火爆炸。為防止離子膜液位過低，北元化工對A、B、C、D 4條線離子膜電解裝置分別配備了安全聯(lián)鎖。當(dāng)精鹽水高位槽液位(一選一)低低、陰極液高位槽液位(一選一)低低時，聯(lián)鎖單線整流柜控制器跳閘。

由于氯氣總管壓力過高，超出管道的耐壓程度后，會造成氯氣泄漏，污染環(huán)境，嚴(yán)重時會造成人員中毒傷亡。因此，北元化工對4條線離子膜電解裝置分別配備如下安全聯(lián)鎖：當(dāng)氯氣總管壓力(三選二)高高時，聯(lián)鎖單線整流柜控制器跳閘。

同時設(shè)置SIS緊急停車事故操作盤，當(dāng)發(fā)生緊急狀況時，操作人員可按下急停按鈕，通過SIS直接切斷單條線整流供電。

離子膜電解槽單線安全聯(lián)鎖邏輯如圖2所示。

4 應(yīng)用效果

北元化工離子膜電解槽裝置自2019年6月配備安全儀表系統(tǒng)以來，安全儀表系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠在生產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)異常狀況時及時切出生產(chǎn)系統(tǒng)。2019年8月18日，崗位人員誤將電解D線F槽進(jìn)槽鹽水總閥關(guān)閉，導(dǎo)致進(jìn)槽鹽水流量低低觸發(fā)單槽安全儀表系統(tǒng)停車，避免了電解槽進(jìn)槽鹽水流量過少而引發(fā)離子膜干燒甚至著火爆炸事故。

圖2 離子膜電解槽單線安全聯(lián)鎖邏輯圖