氯化氫合成中氯氫配比自動(dòng)控制方法的改進(jìn)

侯守慧，張明，徐聯(lián)軍，李艷紅

(德州實(shí)華化工有限公司，山東 德州 253000)

德州實(shí)華化工有限公司(以下簡(jiǎn)稱“德州實(shí)華”)是以生產(chǎn)燒堿、聚氯乙烯樹脂等基礎(chǔ)化工原料為主的氯堿企業(yè)?，F(xiàn)有24萬(wàn)t/a離子膜法燒堿(折100%)、30萬(wàn)t/a聚氯乙烯、27.5%15萬(wàn)t/a雙氧水生產(chǎn)裝置。

對(duì)于電石法PVC生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)的氯化氫氣體送至下游PVC生產(chǎn)線，氯化氫與乙炔在混合器混合后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器中反應(yīng)生成氯乙烯單體。多數(shù)企業(yè)原始設(shè)計(jì)的氯氫自動(dòng)配比控制方法在運(yùn)行中存在缺陷，未能投用，現(xiàn)場(chǎng)采用人工觀火，手動(dòng)調(diào)節(jié)。由于氯化氫含有的游離氯在VCM工序混合器與乙炔劇烈反應(yīng)發(fā)生爆炸這樣的事件偶有發(fā)生，輕則造成生產(chǎn)的中斷，重則造成重大經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡[1]。針對(duì)這一風(fēng)險(xiǎn)，德州實(shí)華成立專題小組進(jìn)行攻關(guān)，對(duì)氯化氫合成中氯氫自動(dòng)配比控制方案進(jìn)行了改造，效果顯著。

1 氯氫配比原始自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)及問(wèn)題

1.1 設(shè)計(jì)

(1)氯氣壓力和氫氣壓力的相關(guān)聯(lián)鎖。

(2)氯氣流量和氫氣流量的自動(dòng)控制。氯氣和氫氣的比值控制框圖如圖1所示。

圖1 氯氣和氫氣的比值控制框圖Fig.1 Block diagram of chlorine-to-hydrogen ratio control

1.2 聯(lián)鎖的投用情況

(1)氫氣壓力控制：氫氣壓力≤50 kPa時(shí)，氫氣切斷閥關(guān)閉;氫氣壓力≥120 kPa時(shí)，氫氣切斷閥關(guān)閉。

(2)氯氣壓力控制：氯氣壓力≥180 kPa時(shí)，氯氣切斷閥關(guān)閉。

(3)氯氣切斷閥和氫氣切斷閥進(jìn)行聯(lián)鎖。

1.3 存在的問(wèn)題

目前,氯化氫合成爐的氫氣和氯氣流量配比的自動(dòng)控制方式為雙閉環(huán)比值回路控制，存在的問(wèn)題如下：①氫氣分子量低，逃逸性好，氫氣含水冷凝易干擾測(cè)量，要求控制閥靈敏度高;②自控狀態(tài)下，氫氣壓縮機(jī)突然跳停，氯化氫氣體中過(guò)氯問(wèn)題無(wú)法規(guī)避，如果氯化氫合成工序所供的氯化氫氣體中含有游離氯，就會(huì)在后續(xù)工藝中與乙炔氣發(fā)生反應(yīng)，生成極易爆炸性產(chǎn)物氯乙炔并放出大量的熱，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成極大威脅。

2 改造措施

專題小組經(jīng)過(guò)多次交流和分析論證，并請(qǐng)國(guó)內(nèi)專家進(jìn)行指導(dǎo)，確定了改造的控制方案：在流量小波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)；在流量大波動(dòng)時(shí)(如氫氣壓縮機(jī)跳停)，自動(dòng)轉(zhuǎn)到人工遙控干預(yù)狀態(tài)；當(dāng)臨近安全壓力邊界時(shí)，自動(dòng)聯(lián)鎖保護(hù)停爐，確保操作安全和生產(chǎn)穩(wěn)定。

(1)小波動(dòng)情況。

合成爐氯氣氫氣比值自動(dòng)調(diào)節(jié)采用了基于交叉限制原理的控制策略，其主要思路是：通過(guò)低選器對(duì)氯氣限制，高選器對(duì)氫氣限制，通過(guò)高、低選擇器使氫氣流量和氯氣流量相互感知，相互鎖定，在負(fù)荷調(diào)整、流量擾動(dòng)發(fā)生時(shí)保證氫氣過(guò)量，不產(chǎn)生游離氯。升負(fù)荷時(shí)氯氣流量受到氫氣流量閉鎖不會(huì)升高，氫氣設(shè)定值與負(fù)荷目標(biāo)值同步升高，氫氣調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，實(shí)測(cè)氫氣升高后，氯氣設(shè)定量隨之提高；降負(fù)荷時(shí)，由于氫氣設(shè)定值受到實(shí)測(cè)氯氣量的閉鎖不會(huì)馬上降低，氯氣設(shè)定值隨目標(biāo)值降低而降低，實(shí)測(cè)氯氣流量降低，氫氣設(shè)定值隨之降低。

(2)當(dāng)有類似氫壓機(jī)跳停(輸送動(dòng)力突然減少20%以上)的大波動(dòng)發(fā)生時(shí)，采取類似于超馳控制的安全機(jī)制，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)為手動(dòng)狀態(tài)，由人工進(jìn)行干預(yù)，并設(shè)定氫氣下降安全壓力(設(shè)3個(gè)壓力等級(jí))，人工干預(yù)無(wú)法保證氫氣總管壓力大于相應(yīng)壓力等級(jí)時(shí)，則對(duì)應(yīng)合成爐聯(lián)鎖保護(hù)停爐。

(3)現(xiàn)場(chǎng)的輔助措施。

①現(xiàn)場(chǎng)合成爐增加攝像頭，取代現(xiàn)場(chǎng)觀火；增加視鏡的人工沖洗裝置，保證視鏡清晰，提升火焰檢測(cè)精度。

②設(shè)計(jì)增加氫氣流量計(jì)的倒U形管路，避免氫氣帶水影響氫氣流量的測(cè)定，提高氫氣流量的檢測(cè)精度。

③設(shè)計(jì)氫氣壓力的分級(jí)報(bào)警聯(lián)鎖，最大程度保證氯化氫的過(guò)氫控制。

④增加一鍵停爐按鈕，提高操作人員的緊急處置速度。

3 改造后的控制及操作界面

(1)改造后的控制示意圖如圖2所示。

圖2 改造后的氯氫配比自動(dòng)控制方法簡(jiǎn)圖

(2)系統(tǒng)操作界面。

串級(jí)控制回路操作界面如圖3所示，操作人員監(jiān)控畫面如圖4所示，聯(lián)鎖保護(hù)操作畫面如圖5所示。

圖3 串級(jí)控制回路操作界面Fig.3 Operation interface of cascade control loop

圖4 操作員監(jiān)控畫面

圖5 聯(lián)鎖保護(hù)操作畫面Fig.5 Operation screen of interlock protection

4 運(yùn)行效果

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行改造，并于2019年6月大修時(shí)投入使用。在調(diào)試過(guò)程中，氯氣和氫氣的流量波動(dòng)較小。

改造完成后，裝置已穩(wěn)定運(yùn)行10個(gè)月。在遇到異常情況時(shí)，合成爐的各項(xiàng)聯(lián)鎖均能夠啟動(dòng)，確保整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，達(dá)到了改造目的。

目前，該項(xiàng)目已申請(qǐng)了發(fā)明專利，并得到了國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的受理。

5 結(jié)語(yǔ)

德州實(shí)華充分調(diào)動(dòng)企業(yè)內(nèi)部技術(shù)人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，尋找適合自己的氯化氫合成爐的自動(dòng)控制理念和控制措施，保證了安全生產(chǎn)的同時(shí)，為行業(yè)提供了一種新的控制思路，解決了以下幾個(gè)問(wèn)題。

(1)實(shí)現(xiàn)了合成爐氯氣和氫氣的遠(yuǎn)程自動(dòng)配比控制，減少了人員配置。

(2)將現(xiàn)場(chǎng)操作人員搬遷到中央控制室，解決了合成爐現(xiàn)場(chǎng)操作室安全距離不夠的隱患。

(3)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，增加的緊急切斷功能，更好地降低了異常情況下，人員干預(yù)不及時(shí)造成合成爐過(guò)氯而導(dǎo)致后續(xù)爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

(4)解決了原有設(shè)計(jì)中的配比控制的缺陷，為行業(yè)中氯化氫合成爐的氯氫自動(dòng)配比提供了一種安全可靠的控制方案。