比值自動控制調節系統在氯化氫合成中的應用

胡丹寧

（柳化氯堿公司電儀分廠，廣西柳州545600）

比值自動控制調節系統在氯化氫合成中的應用

胡丹寧

（柳化氯堿公司電儀分廠，廣西柳州545600）

針對氯化氫合成中人工調節氯氣、氫氣流量配比的不足之處，選擇了比值自動調節系統。介紹自動配比控制系統的原理及實施方案。設置了安全連鎖控制。采用自動調節系統可以節省人工成本、提高氯化氫產品的質量，保證安全生產。

氯化氫；比值自動調節；連鎖；比值系數

1 傳統的控制方式及其不足

廣西柳化氯堿是以年產20萬t燒堿，20萬tPVC為主的氯堿企業，現已投產10萬t/a燒堿，10萬t/a PVC的能力。

該公司生產HCl的方法是把從電解來的氯氣和氫氣經過脫水、干燥、穩壓處理后按一定比例送到石墨合成爐進行燃燒而生成的。整個氯堿控制系統采用浙大中控的ECS-100集散控制系統，實現氯化氫的自動配比。氯化氫合成系統的自動控制一直是氯堿企業長期關注的課題，許多企業自上世紀60年代以來就開始研究和探索。

柳化氯堿投產初期，生產HCl氣體采用的是通過人工觀察火焰來進行氯氣和氫氣的流量操作，這樣就會產生如下問題。

（1）有時，雖然氯氣和氫氣的流量沒有變化，但其純度發生了變化，實際配比可能已發生了變化。

（2）當氫氣流量波動大時，由于氯化氫合成崗位的操作人員沒有及時發現或者操作失誤，而使氫氣壓力突降，又沒有及時采取措施而導致氯氣過量。由于手動操作使氯氣壓力控制不當，操作人員又沒有采取相應措施而造成氯化氫純度降低。

（3）當氯氣純度低時，火焰發白，有煙霧，影響操作人員對氯氣比例的正確判斷。如果出現過氯，在氯乙烯合成工序極易產生氯乙炔，對安全造成重大影響。

（4）由于合成爐長期使用，在視鏡上存有大量污物，給操作人員觀察爐內混合氣體燃燒的火焰顏色造成了困難，容易導致氯氣過量或氯化氫純度降低。

（5）人工操作增加了勞動強度和人工成本。

2 氯化氫合成爐的全自動配比控制系統原理

為確保氯堿系統的正常安全生產，對氯氣和氫氣流量的測定是實現自動比值控制的關鍵因素，而且必須將氯氣真值流量FI_5451作為主流量(Q1)，氫氣真值流量FI_5452作為副值（Q2）,用于相互校正。選擇既經濟又能達到工藝要求的調節系統很重要。

2.1 控制系統的選擇

（1）單閉環比值控制系統及方框圖見圖1。

二是嚴格湘江流域管理。《湖南省湘江保護條例》作為我國第一部江河流域保護的綜合性地方法規，4月1日已正式實施，成立了由省長擔任主任的湘江保護協調委員會，其辦公室設在水利廳，并把湘江保護與治理作為省政府“一號重點工程”，制定《〈湘江保護條例〉實施方案》，推進湘江保護與治理。

圖1 單閉環比值控制系統及方框圖

單閉環比值控制系統是一個隨動的閉環控制回路，而主物流量的控制部分是開環的。主流量Q1（Cl2）經比值運算后，使輸出信號與氫氣（H2）輸出信號成一定比例，這種方式的優點是2種物料流量的比值較為精確，實施方便。但當流量出現大的擾動或負荷變化頻繁時，副流量在調節過程中，相當于控制器的給定會出現較大的偏差。因此，這種方式對于嚴格要求動態比值的化學反應過程是不適應的。

（2）雙閉環比值控制系統及方框圖見圖2。

如果主流量也要保持定值，主流量也要有個閉合控制回路，主、副流量通過比值器來實現比值關系，它實質上是由一個定值控制系統和一個隨動控制系統組成，它不僅能保持2個流量的比值關系，也能保證總流量不變，與采用2個單回路流量控制相比，其優越性在于當主流量失調時，仍能保持原定比值。

（3）變比值控制系統控制方框圖見圖3。

在生產過程中，需要2種物料的比值按具體情況而改變，比值由另一個控制器來設定，比值控制作為副回路，從而構成串級比值控制系統即變比值控制系統。變比值控制系統的特點是被控2種物料的比值可以靈活地隨第三變量的需要而調整，即受控于第三變量。

圖2 雙閉環比值控制系統及方框圖

圖3 變比值控制方框圖

2.2 比值控制系統的實施方案的選擇

比值控制系統的實施方案一般有相乘方案和相除方案。相乘方案是將主物料乘以比值系數后作為從物料的設定值；相除方案是將2種物料的商作為比值控制器的測量值。相除方案的優點是能讀取其動態比值，缺點是穩定性較差，而相乘方案的優缺點剛好與除法方案相反，因此，目前相乘方案使用較多。根據以上控制系統的選擇和實施方案選擇分析，該公司HCl合成爐的氯、氫配比調節選擇雙閉環比值控制系統、相乘方案。

3 氯氣、氫氣流量配比控制的實際應用

來自氯堿系統的氯氣通過壓力自動調節閥穩壓，進入氯氣緩沖罐；氫氣通過壓力自動調節閥穩壓，進入氫氣緩沖罐。由緩沖罐出來后，分別通過各自管線上的彎管流量計、流量調節閥、連鎖切斷閥、一大、一小并聯的人工手動截止閥把氯氣和氫氣按一定比例送到并聯的合成爐中進行燃燒生成HCl氣體。當工藝指標波動達到設定的極限值，直接威脅到系統的安全時，直接反饋到系統連鎖切斷閥，切斷原料氯氣、氫氣來源，避免燃燒爆炸事故的發生。自動調節系統可以保證在較短的反應時間內，應對各個實發的原料氣波動，做到小波動可調節，大波動可報警，從而最大限度地保證氯化氫產品的質量，使生產裝置安全運行。

進合成爐的氫氣、氯氣流量配比采用比值控制，進合成爐的氫氣流量根據氯氣流量的變化而變化，通過比值器運算進行自動控制，控制方框圖見圖4。

圖4 實際控制方框圖

當主流量FI_5451發生變化或受到干擾時，一路送到FIC_5451調節器與設定值SP進行比較，去控制FV_5451閥門的開度，從而達到改變進合成爐氯氣流量。另一路與設定的比值系數K相乘后，經比值開關做為FIC_5452調節器的外給定值與FI_5452進行比較去控制FV_5452閥門的開度，從而達到氫氣流量隨著氯氣流量按著一定的比例進行變化（理論上H2∶Cl2=1.05∶1.00），使得在新的工況下，氫氣與氯氣的流量比值保持不變。當主流量（Cl2）沒有變化，而副流量由于自身干擾發生變化時，副流量閉環系統相當于一個定值控制系統，通過控制克服干擾，使氫氣流量仍然保持不變。

4 異常情況的安全連鎖控制

（1）在安全連鎖控制上采取緊急跳車控制，以及進合成爐的氫氣、氯氣切斷閥任一個出現關斷，通過“連鎖/旁路”切換開關的“連鎖”投入，可實現異常情況下進合成爐的氯氣、氫氣的快速切斷，氯化氫去VCM轉化工序快速切斷，氯化氫去石墨吸收塔的快速打開，打開進合成爐的氮氣自動進行置換，吸收水控制閥快速打開，實現HCl氣體完全被吸收，安全連鎖控制如圖5所示。

（2）在對氯氣和氫氣進行比值調節時，由于某種原因引起動態比值系數大于設定的比值系數上限值，就會出現氫氣過量，造成合成出的HCl氣體純度下降，達不到工藝要求，最終影響到氯乙烯合成和精餾的吸收率，如果氫氣過量超過20%，則有可能形成爆炸混合物，不利于安全生產。同樣，若其他原因引起動態比值系數小于設定的比值系數下限值，造成合成出的HCl氣體中含游離氯超標。超標的游離氯會對合成爐中的石墨產生局部氧化作用，降低合成爐的使用壽命；超標的游離氯會在VCM轉化器中與乙炔發生氣相反應，生成極易爆炸的氯乙炔，造成氯乙烯合成系統的爆炸。在用雙閉環比值控制系統時，為了安全生產，設置了圖6所示的安全連鎖控制。

連鎖圖6與連鎖圖5比較，少了氯氣、氫氣的調節閥、切斷閥的全關和關斷，這是考慮到合成爐的點火是人工操作，每次點火即麻煩又耗時，影響產量。因此，即使動態比值系數大于或小于設定的比值系數上限值或下限值，也不要把2個切斷閥因連鎖而關斷，從而使合成爐不滅爐，通過報警和連鎖，及時發現并處理超標的氯氣和氫氣，把不合格的HCl氣體全部送到酸吸收系統去。

圖5 安全連鎖控制簡圖

圖6 安全連鎖控制簡圖

（3）當氯氣、氫氣自調閥的閥位輸出由于某種因素出現大于或小于設定的閥位上限或下限值時，同樣出現（2）所述的不安全情況，所以設置了安全連鎖如圖7所示的控制。

圖7 安全連鎖控制簡圖

5 實現氯氣、氫氣比值調節的設備、流程圖、組態程序及實際操作

（1）為使合成爐的比值調節系統能夠正常投運，自動調節氯氣、氫氣流量的比值系數，特別是在小流量時也能實現比值自動調節，要對所用的氫氣、氯氣流量調節閥和流量計進行認真選型。選擇氯氣流量調節閥為單座調節閥，FC，流開、等百分比，柱塞式、DN100，薄膜、反作用（氣開閥）。氫氣流量調節閥為單座調節閥，FC，流開、等百分比，柱塞式、DN80，薄膜、反作用（氣開閥）。選擇流量計為彎管流量計。

（2）合成爐比值自動調節流程如圖8所示。

圖8 合成爐比值回動調節流程圖

圖中HV_5451B為把HCl氣體送VCM轉化的遙控閥；HV_5452B為把HCl氣體送石墨吸收塔制酸的遙控閥；HV_5458B為氯氣切斷閥；HV-5459為氫氣切斷閥；FIC_5451BS為氯氣調節閥，FIC_5452B為氫氣調節閥；動態比值系數用來實時監控氯氣、氫氣的配比變化情況和比值調節的穩定性；靜態比值系數是做為比值調節的乘法系數；按鈕切換到“常規”調節系統是一個單回路調節；按鈕切換到“比值”調節系統是1個雙閉環比值自動調節系統。

（3）合成爐比值調節系統在開車、運行的實際操作過程是開車時，首先使氫氣和氯氣調節閥FV_5452和FV_5451、切斷閥HV_5459和HV_5458全開,經過置換、分析合格后，開始人工點火。點著后，先由人工調節氯氣和氫氣閥使其流量達到一定值，觀察火焰是否為青白色，并按一定比例繼續分別調節氫氣、氯氣流量人工閥門，使流量達到工藝指標為止，此時，在操作監控畫面上用手動調節FV_5451和FV_5452自調閥的閥位輸出。當閥位輸出使氯氣和氫氣流量達到工藝要求時，把人工閥處于全開位置，然后，把調節系統由“手動”切換到“自動”。當動態比值系數指示穩定且符合工藝要求時，把比值開關由“常規”切換到“比值”，這樣，就實現了雙閉環比值調節的氫氣、氯氣流量的穩定控制。

6 投運效果

該調節系統自2010年1月正式投入運行以來，運行平穩，各項工藝控制指標均達到設計要求。

（1）減少了操作人員（由原來每班5人減少到2人），降低了勞動強度，節約了人工成本。

（2）合成爐生產HCl氣體的產量可通過操作監控畫面上的氯氣流量調節給定值而改變。同時，氫氣流量能自動按比例增加或減少，生產出的HCl氣體中游離氯的體積分數小于5×10－6。

（3）通過改變靜態比值系數，可以生產出85%～98%氯化氫。

（4）該比值控制系統在安全連鎖保護下，穩定性得到保證，未發生因過氯而引起的爆炸和停車事故。

（5）系統運行平穩可靠，各項控制指標均達到工藝實際要求。

Application of ratio automatic adjustment system in hydrogen chloride production

HU Dan－ning
（Guangxi Liuzhou Chemical Co.，Ltd.，Liuzhou 545600，China）

Because the chlorine and hydrogen gas flow ratio by manual adjustment could not meet the requirements，the automatic control system was selected.Safety interlock control system was set.The automatic control system could save the labor cost，improve product quality，and ensure production safety.

hydrogen chloride；ratio automatic adjustment；interlock；ratio coefficient

TQ124.4+2

B

1009－1785(2011)03-0037-04

2010－11－09