化工自動(dòng)化儀表在氯堿和聚氯乙烯行業(yè)的應(yīng)用

趙安亮(安徽華塑股份有限公司，安徽 定遠(yuǎn) 233290)

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，氯堿和聚氯乙烯行業(yè)的生產(chǎn)工藝控制基本實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程自動(dòng)化控制，通過(guò)SIS和GDS系統(tǒng)的推廣運(yùn)用，更提高了氯堿和聚氯乙烯行業(yè)各生產(chǎn)裝置的安全可靠性。

化工自動(dòng)化儀表主要包括DCS系統(tǒng)、SIS系統(tǒng)、GDS系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、各類化工檢測(cè)儀表、自控閥門、各類信號(hào)電纜等。如果將整個(gè)氯堿和聚氯乙烯行業(yè)各生產(chǎn)裝置比作一個(gè)人，DCS/PLC控制系統(tǒng)是“大腦”，各類化工檢測(cè)儀表是“眼睛”，各類自控閥門是“手腳”，各類信號(hào)電纜是“神經(jīng)”，由此可見(jiàn)化工自動(dòng)化儀表在氯堿和聚氯乙烯行業(yè)各生產(chǎn)裝置安全生產(chǎn)過(guò)程的重要性。

1 DCS/PLC系統(tǒng)的在氯堿和聚氯乙烯行業(yè)的應(yīng)用

(1) DCS控制系統(tǒng)符合氯堿和聚氯乙烯行業(yè)集中操作和分散控制設(shè)計(jì)理念，DCS控制系統(tǒng)的控制單元安裝在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間，上位操作單元安裝在中央控制室，上位操作單元和控制單元通過(guò)光纖進(jìn)行通訊。

(2)氯堿電解單元以及配套的工藝單元現(xiàn)階段采用的主流DCS控制系統(tǒng)有橫河的CENTUM VP系統(tǒng)、霍尼韋爾的PKS系統(tǒng)、浙江中控的ECS-700系統(tǒng)及和利時(shí)的MACS-K系統(tǒng)[1]。

(3)聚氯乙烯生產(chǎn)單元以及配套的工藝單元現(xiàn)階段采用的主流DCS控制系統(tǒng)是艾默生的DeltaV系統(tǒng)、橫河的CENTUM VP系統(tǒng)、霍尼韋爾的PKS系統(tǒng)，聚氯乙烯生產(chǎn)單元自動(dòng)化程度相對(duì)較高，其化學(xué)品配制單元、聚合加料單元、聚合過(guò)程單元、漿料汽提單元均是采用批量程序或順控程序進(jìn)行全過(guò)程自動(dòng)控制的。

(4)氯堿和聚氯乙烯行業(yè)各生產(chǎn)裝置的主控制系統(tǒng)一般很少用PLC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)一般都是應(yīng)用在各生產(chǎn)裝置有技術(shù)保密的工藝包單元、大型機(jī)組的控制單元等，例如一次鹽水的膜過(guò)濾裝置多采用西門子S7300控制系統(tǒng)、聚氯乙烯的離心機(jī)控制多采用西門子S7300控制系統(tǒng)等。這些大型機(jī)組和工藝包自帶的PLC控制系統(tǒng)一般都是通過(guò)ModeBus 485與對(duì)應(yīng)的氯堿和聚氯乙烯行業(yè)各生產(chǎn)裝置主DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的，以便于在主DCS控制系統(tǒng)上能夠讀取PLC子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)[2]。

2 SIS系統(tǒng)在氯堿和聚氯乙烯行業(yè)的應(yīng)用

(1)隨著國(guó)家對(duì)氯堿和聚氯乙烯行業(yè)安全要求的逐年提高，目前國(guó)家規(guī)范要求氯堿和聚氯乙烯行業(yè)必須設(shè)置獨(dú)立于DCS/PLC過(guò)程控制系統(tǒng)的SIS系統(tǒng)。其中氯堿和聚氯乙烯行業(yè)的SIS系統(tǒng)必須要有不低于TUV SIL3的認(rèn)證等級(jí)。目前國(guó)內(nèi)取得TUV SIL3認(rèn)證等級(jí)的SIS系統(tǒng)品牌有浙江中控、和利時(shí)、康吉森，進(jìn)口品牌的SIS系統(tǒng)主要有HIMA、TRCON、艾默生、橫河、霍尼韋爾等。

(2)氯堿電解槽單元的氯、氫壓差高高報(bào)警聯(lián)鎖停電解槽，液氯單元的液氯儲(chǔ)槽液位高高報(bào)警聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)料自控閥門等都是在SIS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的；聚氯乙烯的聚合單元聚合釜溫度和壓力高高報(bào)警聯(lián)鎖加入緊急終止劑，聚合釜攪拌轉(zhuǎn)速低低報(bào)警聯(lián)鎖加入緊急終止劑，聚合釜攪拌電機(jī)功率高高報(bào)警聯(lián)鎖加入緊急終止劑，VCM單體球罐液位高高報(bào)警聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)料自控閥門等都是在SIS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的。

3 GDS系統(tǒng)在氯堿和聚氯乙烯行業(yè)的應(yīng)用

按照GBT 50493—2019 《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求，GDS系統(tǒng)要獨(dú)立于DCS/PLC過(guò)程控制系統(tǒng)，其主要是用于可燃和有毒氣體報(bào)警儀表信號(hào)的采集、運(yùn)算、報(bào)警以及區(qū)域報(bào)警聯(lián)動(dòng)等。在氯堿各生產(chǎn)裝置需要檢測(cè)的可燃和有毒氣體主要有氫氣和氯氣；在聚氯乙烯各生產(chǎn)裝置需要檢測(cè)的可燃和有毒氣體主要有乙炔、庚烷、VCM。氫氣可燃?xì)怏w報(bào)警儀采用的是催化燃燒原理，庚烷和乙炔可燃?xì)怏w報(bào)警儀采用的是紅外檢測(cè)原理，VCM和氯氣采用的是電化學(xué)檢測(cè)原理。

4 各類化工檢測(cè)儀表在氯堿和聚氯乙烯行業(yè)的應(yīng)用

4.1 溫度檢測(cè)儀表

在氯堿和聚氯乙烯行業(yè)應(yīng)用的溫度檢測(cè)儀表主要有三大類，熱電阻(RTD)、熱電偶(TC)、雙金屬溫度計(jì)，其中由于氯堿和聚氯乙烯工藝控制溫度一般在中、低溫范圍(-35～600 ℃)，其主要應(yīng)用的遠(yuǎn)傳溫度檢測(cè)儀表為熱電阻(PT100)，熱電偶應(yīng)用的相對(duì)少一些。

雙金屬溫度計(jì)是根據(jù)兩種不同材質(zhì)金屬受熱形變不同的原理進(jìn)行溫度檢測(cè)的；熱電阻是根據(jù)熱阻效應(yīng)來(lái)進(jìn)行溫度檢測(cè)的；熱電偶是根據(jù)熱電效應(yīng)來(lái)進(jìn)行溫度檢測(cè)的。根據(jù)氯堿和聚氯乙烯行業(yè)的生產(chǎn)工藝要求，我們一般都選擇精度等級(jí)為A級(jí)的PT100熱電阻。PT100熱電阻接線形式分為兩線制、三線制、四線制三種類型，其中四線制的檢測(cè)精度最高，兩線制的檢測(cè)精度最低，一般都選擇三線制或四線制接線形式。

由于聚氯乙烯行業(yè)中的VCM轉(zhuǎn)化單元，每臺(tái)轉(zhuǎn)化器都有12個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)位，每套VCM轉(zhuǎn)化單元有幾十臺(tái)甚至上百臺(tái)轉(zhuǎn)化器，溫度檢測(cè)點(diǎn)位多且較為集中，為節(jié)省DCS控制系統(tǒng)的I/O點(diǎn)位、節(jié)省信號(hào)電纜以及降低施工難度，行業(yè)內(nèi)都是通過(guò)多路溫度采集系統(tǒng)將轉(zhuǎn)化器的溫度檢測(cè)信號(hào)引入DCS的。目前行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的是MTL或GM的產(chǎn)品。

4.2 壓力檢測(cè)儀表

在氯堿和聚氯乙烯行業(yè)主要應(yīng)用的壓力檢測(cè)儀表有就地壓力表、壓力變送器和壓力開(kāi)關(guān)。

就地壓力表是利用彈簧管受力變形的原理工作的；壓力變送器主要有兩種檢測(cè)原理，一種是單晶諧振原理，一種是電容原理，其可以將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，并遠(yuǎn)傳至DCS/PLC過(guò)程控制系統(tǒng)或SIS系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)氯堿和聚氯乙烯行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控報(bào)警、PID控制以及聯(lián)鎖保護(hù)；壓力開(kāi)關(guān)是通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程壓力的變化來(lái)改變壓力開(kāi)關(guān)儀表觸點(diǎn)的接通或閉合狀態(tài)，并將狀態(tài)的變化信號(hào)遠(yuǎn)傳至DCS/PLC過(guò)程控制系統(tǒng)或SIS系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)氯堿和聚氯乙烯行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控報(bào)警和聯(lián)鎖保護(hù)。氯堿行業(yè)壓力檢測(cè)儀表在檢測(cè)鹽水介質(zhì)時(shí)，感壓膜片一般選擇鈦材；檢測(cè)鹽酸、氯氣介質(zhì)時(shí)，感壓膜片選擇鉭材；檢測(cè)氫氧化鈉溶液介質(zhì)時(shí)，感壓膜片選擇316L。

4.3 物位檢測(cè)儀表

在氯堿和聚氯乙烯行業(yè)主要應(yīng)用的物位儀表有雷達(dá)物位儀表、雙法蘭液位儀表、音叉物位儀表、外測(cè)式液位儀表、射頻導(dǎo)納物位開(kāi)關(guān)等。下面對(duì)比較典型的外測(cè)式液位儀表、雙法蘭液位儀表、雷達(dá)物位儀表進(jìn)行闡述。在氯堿裝置的液氯儲(chǔ)槽和聚氯乙烯行業(yè)VCM裝置的球罐都應(yīng)用了外測(cè)式液位儀表，外測(cè)式液位儀表是利用微振動(dòng)原理進(jìn)行工作的，該類儀表主要應(yīng)用在盛裝劇毒液態(tài)物料的球罐和臥式儲(chǔ)槽，該類儀表的安裝是將傳感器通過(guò)專用耦合劑粘貼在容器壁的外側(cè)，沒(méi)有與劇毒工藝介質(zhì)的連接接口，在很大程度上降低了劇毒液態(tài)物料泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

雙法蘭液位儀表在氯堿和聚氯乙烯行業(yè)應(yīng)用的也較為廣泛，該類儀表是利用差壓原理來(lái)檢測(cè)液態(tài)物料液位的。該類儀表要根據(jù)所檢測(cè)物料的特性來(lái)選擇感壓膜片的材質(zhì)；根據(jù)容器上下兩個(gè)法蘭間的距離，來(lái)選擇毛細(xì)管的長(zhǎng)度，毛細(xì)管內(nèi)一般充裝的是硅油或氟油。

雷達(dá)物位儀表在氯堿裝置應(yīng)用的相對(duì)少些，但在聚氯乙烯行業(yè)的各生產(chǎn)裝置都應(yīng)用的較為廣泛。聚氯乙烯料倉(cāng)、電石料倉(cāng)等都采用雷達(dá)物位儀表進(jìn)行檢測(cè)。需要注意的是，在電石料倉(cāng)用雷達(dá)物位儀表檢測(cè)時(shí)，在雷達(dá)物位儀表的喇叭口內(nèi)壁容易積聚電石灰，從而導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)據(jù)失真，為防止該問(wèn)題出現(xiàn)，在雷達(dá)物位儀表選型的過(guò)程中，要增加氮?dú)夥创笛b置。有水蒸氣存在的場(chǎng)所不適合選用雷達(dá)物位儀表，原因是在雷達(dá)物位儀表的喇叭口內(nèi)壁容易凝結(jié)水珠，從而導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)據(jù)失真。

4.4 流量檢測(cè)儀表

在氯堿和聚氯乙烯行業(yè)主要應(yīng)用的流量檢測(cè)儀表有電磁流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、渦街流量計(jì)、孔板流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、熱式質(zhì)量流量計(jì)[3]。

在氯堿裝置，尤其在電解槽單元多選用雙頻勵(lì)磁的電磁流量計(jì)，原因是電解槽單元附近區(qū)域直流干擾嚴(yán)重，雙頻勵(lì)磁的電磁流量計(jì)抗直流干擾能力較強(qiáng)。在聚氯乙烯裝置汽提和干燥工序的PVC漿料流量檢測(cè)也多選用雙頻勵(lì)磁的電磁流量計(jì)，因?yàn)镻VC漿料中含有PVC粉料、脫鹽水和工藝氣體，雙頻勵(lì)磁的電磁流量計(jì)對(duì)固、液、氣三相流的抗干擾能力較強(qiáng)。熱式質(zhì)量流量計(jì)主要是應(yīng)用在氯堿裝置氯化氫合成單元的氯氣流量檢測(cè)，應(yīng)用效果較好，原因是氯化氫合成工序的氯氣比較干燥和潔凈。質(zhì)量流量計(jì)主要應(yīng)用在聚氯乙烯裝置的聚合單元，用于聚合釜VCM單體和各類化學(xué)品藥劑的加料計(jì)量，該類儀表精度較高，價(jià)格比較昂貴，主要用于檢測(cè)精度要求較高的場(chǎng)合。

超聲波流量計(jì)主要用于氯堿和聚氯乙烯行業(yè)各生產(chǎn)裝置脫鹽水介質(zhì)的流量檢測(cè)，應(yīng)用效果良好。

孔板流量計(jì)是在氯堿和聚氯乙烯行業(yè)應(yīng)用時(shí)間最長(zhǎng)且傳統(tǒng)的儀表，其可以檢測(cè)所有的氣體、單相液體的流量，但該儀表的缺點(diǎn)就是精度相對(duì)較低，維護(hù)相對(duì)麻煩，還需要配套對(duì)應(yīng)的溫度和壓力補(bǔ)償儀表。尤其在對(duì)氯堿和聚氯乙行業(yè)各生產(chǎn)裝置的易燃和易爆氣體進(jìn)行流量檢測(cè)時(shí)，有嚴(yán)格的流速限制要求，防止出現(xiàn)爆炸事故。

4.5 分析儀表

在氯堿和聚氯乙烯行業(yè)應(yīng)用的分析儀表主要有pH分析儀、ORP分析儀、氯中含水分析儀、游離氯分析儀，火焰監(jiān)測(cè)儀，盤柜式氧分析儀、盤柜式乙炔分析儀、可燃和有毒氣體報(bào)警器、環(huán)保監(jiān)測(cè)VOCS分析小屋等，下面對(duì)其中幾個(gè)主要分析儀表的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

微量水分析儀在氯堿裝置中的應(yīng)用，由于氯氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和主軸是高強(qiáng)度合金鋼材質(zhì)，不耐鹽酸的腐蝕，如果干燥處理后的氯氣中含水不能控制在合格的工藝指標(biāo)內(nèi)(一般工藝控制在150 mg/L之內(nèi))[4]，就會(huì)出現(xiàn)氯氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子被腐蝕而導(dǎo)致機(jī)組不能正常工作的情況，因此氯氣壓縮機(jī)出口安裝微量水分析儀是必要的，目前應(yīng)用的微量水分析儀主要有兩種檢測(cè)原理：一種是五氧化二磷吸水檢測(cè)原理；一種是激光檢測(cè)檢測(cè)原理。

游離氯分析儀在氯堿裝置中的應(yīng)用，由于出氯化氫合成爐后送VCM裝置的氯化氫氣體中的游離氯含量對(duì)VCM裝置混合器的影響較大，容易導(dǎo)致混合器的著火和爆炸，因此在氯化氫合成爐出口的氯化氫總管安裝游離氯分析儀是必要的，目前行業(yè)內(nèi)應(yīng)用的主要是紫外檢測(cè)原理的游離氯分析儀。

盤柜式氧分析儀和乙炔分析儀在聚氯乙烯行業(yè)乙炔裝置中的應(yīng)用，由于乙炔裝置破碎系統(tǒng)中料斗提機(jī)、細(xì)料斗提機(jī)、返料斗提機(jī)以及電石成品倉(cāng)對(duì)氧氣含量、乙炔含量的要求都較高，原因是電石破碎系統(tǒng)內(nèi)的乙炔含量和氧含量的濃度達(dá)到一定限值并有火源的情況下極易產(chǎn)生爆炸，氧氣和乙炔分析儀的檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對(duì)工藝控制的安全是非常關(guān)鍵的。

5 自控閥門在氯堿和聚氯乙烯行業(yè)的應(yīng)用

在氯堿和聚氯乙烯行業(yè)應(yīng)用的自控閥門按照用途劃分主要有自控調(diào)節(jié)閥和自控切斷閥，按照?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)的能源驅(qū)動(dòng)形式劃分主要有電動(dòng)自控閥和氣動(dòng)自控閥，按照閥體的結(jié)構(gòu)形式劃分主要有自控單座閥(globe)、自控蝶閥、自控球閥、自控柱塞閥、自控刀閘閥等。

由于氯堿和聚氯乙烯行業(yè)各生產(chǎn)裝置對(duì)防爆的要求較高，多選用氣動(dòng)自控閥門。氣動(dòng)自控調(diào)節(jié)閥除閥體和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之外的主要附件就是電氣閥門定位器，氣動(dòng)自控切斷閥除閥體和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之外的主要附件就是電磁閥和閥位開(kāi)關(guān)。聚氯乙烯生產(chǎn)裝置中，聚合釜卸料閥主要采用柱塞閥，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，聚合釜卸料用柱塞閥最好選用氣動(dòng)柱塞閥。SIS系統(tǒng)控制的閥門，要根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇具有整閥SIL認(rèn)證等級(jí)要求的自控閥門。

6 氯堿和聚氯乙烯行業(yè)用儀器儀表防爆等級(jí)的選擇

在氯堿裝置防爆區(qū)域主要是根據(jù)氫氣存在的區(qū)域來(lái)進(jìn)行劃分的，一般選擇不低于ExiaIICT4或ExdIICT4的防爆等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。在聚氯乙烯行業(yè)的各裝置防爆區(qū)域的劃分，乙炔裝置是根據(jù)乙炔氣體存在的區(qū)域來(lái)劃分的，一般選擇不低于ExiaIICT2或ExdIICT2的防爆等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。VCM裝置是根據(jù)綜合考慮乙炔、庚烷、VCM氣體可能存在的區(qū)域，一般選擇不低于ExiaIICT4或ExdIICT4的防爆等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。聚氯乙烯裝置是根據(jù)VCM氣體存在的區(qū)域來(lái)劃分的，一般選擇不低于ExiaIIBT4或ExdIIBT4的防爆等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著氯堿和聚氯乙烯行業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)家對(duì)安全和環(huán)保的要求的逐步提高，企業(yè)用工成本的逐年增加，化工自動(dòng)化儀表在氯堿和聚氯乙烯行業(yè)中的重要性日趨突顯?；ぷ詣?dòng)化儀表在氯堿和聚氯乙烯行業(yè)的應(yīng)用，不僅降低了企業(yè)的用工成本，而且提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和安全可靠性。