提高氫化爐安全運行可靠性的自動控制方案研究

提高氫化爐安全運行可靠性的自動控制方案研究

宋永剛1黃楊2朱洪江3

(1.新特能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830026；2.中國寰球工程公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830026；

3.新疆新捷燃氣有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830026)

摘要：改良西門子法生產多晶硅是當今多晶硅生產主流工藝，在生產電子級多晶硅過程中，確保四氯化硅熱氫化生產平穩長周期運行，消除因異常情況處理不及時或人為誤操作造成的經濟損失，是多晶硅企業必須解決的關鍵問題。現從實際生產出發，分析總結出一套控制方案，對氫化爐諸如四氯化硅流量和氫氣流量低、尾氣超壓等7類異常情況進行分析，利用集散控制系統，通過異常情況下工藝參數自診斷、偏差報警、自動降功率、流量控制閥輸出開度限位等6項措施，將異常情況下風險降至最低，提高了氫化爐運行安全性，預防了事故的發生，能最短時間內完成異常情況的處理。

關鍵詞：氫化爐；安全運行；自動控制

收稿日期:2015-05-08

作者簡介：宋永剛(1984—)，男，新疆人，助理工程師，從事儀表及自動化系統維護管理工作。

0引言

多晶硅氫化爐生產過程中，停電、供料中斷、閥門失控等異常情況會造成氫化爐缺料空燒，同時導致氫化爐加熱棒、四氟套、絕緣瓷環等熱場材料損壞，影響氫化工序正常進行，給企業帶來直接及間接經濟損失。針對此問題，我們需研究確保氫化爐長周期運行的方法，延長爐內熱場材料的使用壽命，減少由于設備故障、人為誤操作引發事故造成的損失，制定適應生產需要的自動控制方案。通過自動化控制手段提高氫化爐運行安全性，是實現多晶硅生產氫化爐長周期穩定運行的重要方法，其意義重大。

1存在問題

現有多晶硅氫化爐安全保護措施：在自動控制上僅限于對冷卻水系統泵的聯鎖保護；對于四氯化硅進料中斷，氫化爐尾氣超壓，冷卻水系統泵失電，四氯化硅及氫氣流量不足、波動，四氯化硅緩沖罐液位不足等異常情況的保護措施非常有限。加之緊急異常情況下，操作人員不可能及時處理到位，且每個操作員技能和方法不一致，這就給氫化爐平穩運行帶來了巨大的安全隱患。

2分析問題

在多晶硅氫化爐生產過程中存在以下控制難題：(1) 對于存儲氫化爐所需反應物料的罐區，輸送至氫化爐的流量無有效監控措施；(2) 現有氫化爐安全聯鎖單一，缺乏異常狀態下對氫化爐的保護程序；(3) 四氯化硅及氫氣流量不足、緩沖罐液位低時，缺少報警及應急保護程序；(4) 對于氫化爐尾氣超壓情況，缺乏有效的診斷及保護程序；(5) 四氯化硅及氫氣進料流量波動、流量控制儀表失效時，缺少報警及保護措施；(6) 電力供應中斷及冷卻水泵因失電停止運行時，氫化爐無有效保護程序；(7) 在各種緊急情況下，主控操作人員發現及應急處置不及時，未能控制事故發生。

3解決方案

3.1自動控制方案

若結合氫化爐運行特點優化自動控制方案，我們將通過以下方法加強對氫化爐運行安全性的控制：(1) 對四氯化硅進緩沖罐流量增設監控儀表；(2) 當STC進緩沖罐流量、STC/氫氣流量低、緩沖罐液位低及尾氣超壓時啟動自動降功率及降低進料量保護程序；(3) 在供電中斷的情況下，啟動自動降料保護程序；(4) 四氯化硅及氫氣進料流量瞬時波動流量調節閥輸出開度限位保護；(5) 對于四氯化硅、氫氣、緩沖罐液位設置測量值變化率超限報警；(6) 冷卻水泵出口總管增設壓力監控儀表；(7) 冷卻水泵因失電停止運行時啟動聯鎖斷電及自動降料保護程序。以上措施能夠有效避免由于操作人員處理不及時造成的事故發生。

3.2控制方案關鍵技術和關鍵工藝

(1) 增設四氯化硅進緩沖罐流量高可靠性測量儀表，為監測四氯化硅輸送情況提供實時數據參考。輸送泵電機故障、供電中斷、人為誤操作點停泵或聯鎖停泵，都會造成精制四氯化硅輸送中斷。泵故障情況較多，如果對異常情況一一監測可行性較小且成本較高。若在精制四氯化硅進氫化緩沖罐前加裝具有雙變送器的孔板流量計，可有效監測四氯化硅輸送情況，使用雙變送器構成冗余儀表結構，可提高安全儀表系統的可靠性。

(2) 流量低時啟動自動降功率及降低進料量保護程序。目前為氫化爐共用一個緩沖罐，四氯化硅輸送泵故障將導致無法正常供料，加之緩沖罐容積一定，應對進料中斷能力有限。若DCS系統檢測到四氯化硅進緩沖罐流量、STC流量、氫氣流量、緩沖罐液位中任意一項低于安全下限，或尾氣壓力超過安全上限，將自行啟動自動降功率及自動降料保護程序。

自動降功率程序原理：若流量小于安全下限，自動降功率程序將獲取氫化爐當前功率值，作為降功率初始值P0，根據預先設定降功率周期T1、降功率計時器數值t1，按降功率公式Pref=P0-(P0/T1)×t1，將氫化爐運行功率由P0自動降低至0 kW。

自動降料程序原理：若流量小于安全下限，自動降功率程序將獲取氫化爐當前四氯化硅流量值，作為降料初始值F0，根據預先設定降料周期T1、降料計時器數值t2，按降料公式Fref=F0-(F0/T1)×t2，將氫化爐四氯化硅進料量由F0自動降低至0 kg/h；同時投用四氯化硅進料量與氫氣進料量的比值控制，按照預先設定配比值，同步將氫氣進料量降低至0 kg/h。

(3) 在供電中斷的情況下，啟動自動降料保護程序。若出現電力供應中斷，造成氫化爐部分或全部斷電，需及時將運行氫化爐進料量降低，降料周期應盡量短，為此需單獨設置自動降料周期T2，應用上述自動降料程序，在短周期內將四氯化硅流量和氫氣流量降至最小值。

(4) 四氯化硅及氫氣進料流量波動時流量控制閥輸出開度限位。為了避免氫化爐尾氣超壓，我們將通過DCS系統調節閥開度限制功能，根據四氯化硅及氫氣流量調節閥正常運行時的開度范圍，設定開度的安全上下限值，即便四氯化硅及氫氣的流量出現波動，調節閥也會被控制在安全開度范圍內，不會造成氫化爐尾氣壓力超限。

(5) 四氯化硅和氫氣流量、緩沖罐液位增加測量值變化率超限報警。操作員在日常監控過程中將所有氫化爐參數查看一遍需要2～3 min，四氯化硅和氫氣流量、緩沖罐液位作為氫化爐運行重要監控參數，若出現波動，瞬間變化過快，操作員不一定能及時發現異常。對此，我們引入測量值變化率檢測功能，在DCS系統內部編寫報警信息提示邏輯，若四氯化硅和氫氣流量、緩沖罐液位1 s內變化超過上限值，相應測量值變化率超限標記量為真，則在監控界面彈出報警提示，例如“四氯化硅流量變化較快，請注意！”，以便操作員及時發現異常，做出相應處理。

(6) 冷卻水泵因失電停止運行，啟動聯鎖斷電及自動降料保護程序。現有氫化爐冷卻水泵聯鎖保護程序，僅針對主泵故障時啟動備用泵，對于主備兩臺泵因失電停止運行的異常情況缺乏相應保護。我們通過在泵出口總管增加壓力檢測儀表，可精確監控冷卻水供應情況，當檢測到出口總管壓力低于安全下限值時，立即啟動聯鎖斷電保護程序，將氫化爐分閘；同時，啟動自動降料保護程序，如(4) 所述將四氯化硅及氫氣流量降為0 kg/h。

3.3有益效果

(1) 具有雙變送器的孔板流量計，由于應用冗余儀表結構，可靠性由普通儀表的92%提高至97%。將為系統提供具有高可靠性的流量測量值。(2) 四氯化硅進緩沖罐流量、STC/氫氣流量、緩沖罐液位低于安全下限，或尾氣壓力超過安全上限時啟動自動降功率及降低進料量保護程序，將有效控制爐內熱場冷卻過程，及時自動調整氫化爐運行參數，避免爐內空燒引起的熱場材料損壞及由此帶來的經濟損失。(3) 在電力供應中斷或冷卻水泵因失電停止運行的情況下，及時快速降低氫化爐進料，將在很大程度上保證氫化爐內熱場材料免受損壞，減少由事故帶來的損失。(4) 增設四氯化硅及氫氣進料流量控制閥輸出開度限位功能，將有效避免氫化爐尾氣超壓。(5) 增設四氯化硅和氫氣流量、緩沖罐液位增加測量值變化率超限報警功能，將在異常情況發生的第一時間提示操作員，為及時調整參數、規避事故發生爭取寶貴時間。

4結語

生產事故發生將給多晶硅生產企業造成極大的經濟損失，并對產量、電耗和整個系統的平衡造成巨大影響。提高氫化爐運行安全性自動控制方案的應用，將極大程度地避免由于四氯化硅輸送泵故障、流量計和調節閥失效等設備問題引發的事故，并在氫化爐運行出現異常時，提供及時準確的提示報警信息，便于操作員快速反應，控制事故發生，為多晶硅企業規避生產風險、降低生產成本提供有效的技術支持，從而為企業長周期安全平穩運行打下堅實基礎。