氯化氢合成中氯氢配比自动控制方法的改进

侯守慧，张明，徐联军，李艳红

(德州实华化工有限公司，山东 德州 253000)

德州实华化工有限公司(以下简称“德州实华”)是以生产烧碱、聚氯乙烯树脂等基础化工原料为主的氯碱企业。现有24万t/a离子膜法烧碱(折100%)、30万t/a聚氯乙烯、27.5%15万t/a双氧水生产装置。

对于电石法PVC生产企业，生产的氯化氢气体送至下游PVC生产线，氯化氢与乙炔在混合器混合后进入转化器中反应生成氯乙烯单体。多数企业原始设计的氯氢自动配比控制方法在运行中存在缺陷，未能投用，现场采用人工观火，手动调节。由于氯化氢含有的游离氯在VCM工序混合器与乙炔剧烈反应发生爆炸这样的事件偶有发生，轻则造成生产的中断，重则造成重大经济损失及人员伤亡[1]。针对这一风险，德州实华成立专题小组进行攻关，对氯化氢合成中氯氢自动配比控制方案进行了改造，效果显著。

1 氯氢配比原始自动控制的设计及问题

1.1 设计

(1)氯气压力和氢气压力的相关联锁。

(2)氯气流量和氢气流量的自动控制。氯气和氢气的比值控制框图如图1所示。

图1 氯气和氢气的比值控制框图Fig.1 Block diagram of chlorine-to-hydrogen ratio control

1.2 联锁的投用情况

(1)氢气压力控制：氢气压力≤50 kPa时，氢气切断阀关闭;氢气压力≥120 kPa时，氢气切断阀关闭。

(2)氯气压力控制：氯气压力≥180 kPa时，氯气切断阀关闭。

(3)氯气切断阀和氢气切断阀进行联锁。

1.3 存在的问题

目前,氯化氢合成炉的氢气和氯气流量配比的自动控制方式为双闭环比值回路控制，存在的问题如下：①氢气分子量低，逃逸性好，氢气含水冷凝易干扰测量，要求控制阀灵敏度高;②自控状态下，氢气压缩机突然跳停，氯化氢气体中过氯问题无法规避，如果氯化氢合成工序所供的氯化氢气体中含有游离氯，就会在后续工艺中与乙炔气发生反应，生成极易爆炸性产物氯乙炔并放出大量的热，对生产系统的安全稳定运行造成极大威胁。

2 改造措施

专题小组经过多次交流和分析论证，并请国内专家进行指导，确定了改造的控制方案：在流量小波动时，系统自动调节；在流量大波动时(如氢气压缩机跳停)，自动转到人工遥控干预状态；当临近安全压力边界时，自动联锁保护停炉，确保操作安全和生产稳定。

(1)小波动情况。

合成炉氯气氢气比值自动调节采用了基于交叉限制原理的控制策略，其主要思路是：通过低选器对氯气限制，高选器对氢气限制，通过高、低选择器使氢气流量和氯气流量相互感知，相互锁定，在负荷调整、流量扰动发生时保证氢气过量，不产生游离氯。升负荷时氯气流量受到氢气流量闭锁不会升高，氢气设定值与负荷目标值同步升高，氢气调节阀动作，实测氢气升高后，氯气设定量随之提高；降负荷时，由于氢气设定值受到实测氯气量的闭锁不会马上降低，氯气设定值随目标值降低而降低，实测氯气流量降低，氢气设定值随之降低。

(2)当有类似氢压机跳停(输送动力突然减少20%以上)的大波动发生时，采取类似于超驰控制的安全机制，系统自动转为手动状态，由人工进行干预，并设定氢气下降安全压力(设3个压力等级)，人工干预无法保证氢气总管压力大于相应压力等级时，则对应合成炉联锁保护停炉。

(3)现场的辅助措施。

①现场合成炉增加摄像头，取代现场观火；增加视镜的人工冲洗装置，保证视镜清晰，提升火焰检测精度。

②设计增加氢气流量计的倒U形管路，避免氢气带水影响氢气流量的测定，提高氢气流量的检测精度。

③设计氢气压力的分级报警联锁，最大程度保证氯化氢的过氢控制。

④增加一键停炉按钮，提高操作人员的紧急处置速度。

3 改造后的控制及操作界面

(1)改造后的控制示意图如图2所示。

图2 改造后的氯氢配比自动控制方法简图

(2)系统操作界面。

串级控制回路操作界面如图3所示，操作人员监控画面如图4所示，联锁保护操作画面如图5所示。

图3 串级控制回路操作界面Fig.3 Operation interface of cascade control loop

图4 操作员监控画面

图5 联锁保护操作画面Fig.5 Operation screen of interlock protection

4 运行效果

对现场进行改造，并于2019年6月大修时投入使用。在调试过程中，氯气和氢气的流量波动较小。

改造完成后，装置已稳定运行10个月。在遇到异常情况时，合成炉的各项联锁均能够启动，确保整个系统的安全运行，达到了改造目的。

目前，该项目已申请了发明专利，并得到了国家知识产权局的受理。

5 结语

德州实华充分调动企业内部技术人员的实践经验，寻找适合自己的氯化氢合成炉的自动控制理念和控制措施，保证了安全生产的同时，为行业提供了一种新的控制思路，解决了以下几个问题。

(1)实现了合成炉氯气和氢气的远程自动配比控制，减少了人员配置。

(2)将现场操作人员搬迁到中央控制室，解决了合成炉现场操作室安全距离不够的隐患。

(3)远程控制系统中，增加的紧急切断功能，更好地降低了异常情况下，人员干预不及时造成合成炉过氯而导致后续爆炸的风险。

(4)解决了原有设计中的配比控制的缺陷，为行业中氯化氢合成炉的氯氢自动配比提供了一种安全可靠的控制方案。