發生器備料和拉料自動化改造的實施及運行總結

梁寅祥，聶方超，劉 偉，張 亮

（陜西金泰氯堿化工有限公司，陜西 榆林 718199）

陜西金泰氯堿化工有限公司（以下簡稱金泰公司）30萬t/a聚氯乙烯裝置共有一二期2條生產線，一、二期裝置合計消耗電石約42萬t/a。乙炔發生裝置備料溢料、拉料連料操作不慎引起著火爆炸是生產過程最大的風險點之一，當前行業內普遍采用手動操作來完成發生器的備料、拉料，手動操作需要操作人員憑借經驗和視聽感覺來判斷料斗存料情況，并且操作繁瑣復雜，操作頻次高（每天平均需要完成636次備料和拉料操作），拉料、備料出錯概率很高，而一旦操作失誤將可能引起發生器及發生廠房著火爆炸，行業內因備料、拉料操作不當引起的著火爆炸事件比比皆是，因此減少拉料、備料過程中的操作失誤是降低生產事故的有效途徑之一。金泰公司2016年完成了一二線8臺發生器拉料、備料的自動化改造，從根本上降低了著火爆炸事件發生的頻次，同時帶來了良好的經濟效益。

1 乙炔發生崗位情況

乙炔發生崗位的生產任務是把電石鋼倉內的電石通過遠程控制系統加入到發生器的小料斗，然后依次拉料到上儲斗、下儲斗，再通過振動給料器將電石緩慢加入乙炔發生器，在發生器內產生流量穩定、質量合格的乙炔氣供后續工序使用。

金泰公司正常生產情況下每年需要完成拉料、備料操作各21萬次，發生器拉料、備料過程中的主要風險點為拉料連料和備料溢料，而連料分為小料斗上與儲斗連料，上儲斗與下儲斗連料，小料斗、上儲斗下儲斗全部連料3種。發生器正常狀態和連料狀態示意圖見下圖1。連料的主要原因和處理過程見表1。

1-小料斗；2-下料筒；3-下活門膠砣；4-下活門；5-上儲斗；6-配重；7-下料筒；8-下活門膠砣；9-下活門；10-下儲斗；11-配重；12-倉壁振蕩器；13-倉壁振蕩器；14-振動給料器；15-氣缸；16-氣缸

表1 連料的主要原因和處理過程

2 備料溢料和拉料連料的危害性

2.1 拉料連料的危害

小料斗、上儲斗連料后，電石下料筒內充滿電石，操作人員強制關閉上活門，打開安裝在料斗壁上的電磁振蕩器的強烈震蕩來減小電石料塊之間的間隙，反復多次打開和關閉上活門會造成以下危害。

（1）關閉活門過程中下料筒壁與活門膠砣之間會夾住電石料塊，此時夾在膠砣與下料筒壁之間的電石塊與膠砣接觸面積是下料筒壁橫截面積的幾十分之一，而電石塊對膠砣的力矩平衡了活門配重產生的力矩，因此連料時膠砣局部受到電石塊棱角的擠壓力為正常時的幾十倍，一旦電石對膠砣的擠壓力超過膠砣的承受能力，膠砣就會被電石料塊的棱角刺穿，上活門就會發生泄漏。小料斗空料位上活門處于關閉狀態受力分析與小料斗與上儲斗連料上活門不能完全關閉受力分析分別見圖2和圖3。

圖2 小料斗空料位上活門處于關閉狀態受力分析

圖3 小料斗與上儲斗連料上活門不能完全關閉時受力分析

（2）連料后關閉上活門后再次打時膠砣的下表面局部可能受到電石的擠壓力，此時活門氣缸對活門的力矩用來平衡活門配重和電石塊對膠托產生的力矩，用于固定膠砣的墊片會對膠托形成強烈的剪切力，膠砣局部受到電石料塊的擠壓力，易造成活門膠砣下側面損壞或膠砣從活門上脫落。小料斗向上儲斗正常拉料前活門處于關閉狀態時膠砣受力分析與小料斗向上儲斗拉料后連料活門處于不能關閉狀態時膠砣受力分析分別見圖4和圖5。

圖4 小料斗向上儲斗正常拉料前活門處于關閉狀態時膠砣受力分析

圖5 小料斗向上儲斗拉料后連料活門處于不能關閉狀態時膠砣受力分析

發生器連料是造成膠砣損壞和脫落的最重要原因，如果活門膠砣損壞或者脫落操作人員未及時發現或處理不善，在后續上儲斗向下儲斗拉料過程中發生器內的濕乙炔氣會經下活門、上活門后涌出到發生廠房內，聚集的乙炔氣體濃度達到爆炸極限以上后，一旦進行備料操作，電石之間相互碰撞產生火花就會引發著火爆炸事件。

2.2 備料溢料的危害

發生器小料斗備料溢料會造成大量電石落入發生器小料斗外部，操作人員就要停止備料用鐵锨將溢出的電石鏟入到發生器小料斗內，在鏟料過程中作業人員不可避免地吸入大量電石粉塵，長期作業易引發操作人員呼吸道疾病和塵肺。備料溢料嚴重時會造成小料斗內的電石摩擦備料皮帶，造成皮帶磨損和劃傷，嚴重時還會造成備料皮帶電機燒毀，影響生產正常運行。

小料斗備料過多和溢料是造成拉料連料的最主要原因，因此要避免連料必須保證小料斗不發生溢料。

3 發生器自動備料、拉料的實施方法

3.1 微波料位開關簡介

金泰公司在發生器料斗倉壁上安裝一體式微波料位開關，微波料位開關由3個電器隔離的單元構成：發射器、接收器與放大器，將發射器和接受器水平安裝發生器小料斗高料位處和小料斗、上儲斗、下儲斗空料位處，為獲得良好的性能需要確保接收器、發射器的安裝是牢固且是嚴格正對的。

3.2 微波料位開關安裝位置的確定

小料斗、上儲斗和下儲斗分別安裝一對低料位開關，利用水準儀在料倉壁底部劃線就可確保微波料位開關水平正對安裝。

3.3 小料斗電石體積計算

因小料斗備料多少需要定量，故需要確定安裝在小料斗倉壁上高料位開關的高度，從而避免備料過少和備料外溢發生。小料斗內的電石由朝下的錐體臺和朝上的錐體兩部分組成，因錐體臺體積可以近似為錐體體積進行計算，故錐體臺體積V1=1/12πR2H1，H1=KR，進入小料斗的電石在小料斗的堆積成朝上的錐體，其堆積角為27°，則體積為 V2=1/12πR2H2，H2=Rtan27°，而發生器上儲斗與下儲斗有效容積均為4.3 m3，小料斗有效容積為3.3 m3，采用小料斗連續拉料兩次裝滿上儲斗的備料方式，因此小料斗每次需備料2.15 m3，故V2+V2=1/12πR2H2+1/12πR2H1=2.15 m3，帶入數據求得 H1、H2，最終求得料位計安裝高度H=H1+H2。

因微波料位計開關檢測到小料斗電石達到高料位到備料皮帶停止有一定時間間隔，而皮帶上料的速度隨電石鋼倉下料速度變化，故需要根據實際運行情況調整微波料位開關安裝高度，為避免小料斗內備料超過2.15 m3造成發生器連料，必須將計算出的安裝高度除以安全系數1.1，最終求得微波料位開關高料位的安裝高度。

4 實現全自動備料、拉料系統的改進

為實現全自動備料、拉料還必須對DCS系統在原有的基礎上添加以下聯鎖條件

（1）備料啟動條件連鎖邏輯：a.上下活門處于關閉的狀態；b.上下儲斗不在拉料的狀態；c.小料斗監測無料；d.聯動停皮帶發出10 s以后；e.上儲斗壓力應該大于10 kPa；f.該發生器已投入聯鎖；g.上下儲斗的壓差大于5 kPa。

在聯鎖投用狀態下，當小料斗高料位檢測有料時備料停止。

（2）發生器上活門打開條件：a.上儲斗監測無料；b.小料斗沒有加料，下儲斗未進行拉料的操作；c.小料斗監測有料；d.下活門處于關閉的狀態；e.上下儲斗壓差大于5 kPa；f.上儲斗壓力應該大于10 kPa；g.皮帶不在加料皮帶上運行；h.下活門關閉后上儲斗置換時間大于3 min。

（3）二次打開上活門條件：a.下活門處于關閉的狀態；b.第一次上儲斗進料完畢；c.上下儲斗壓差應該大于5 kPa；d.小料斗沒有進行備料，下儲斗沒有拉料操作；e.上斗拉過一次且選擇雙次拉料；f.小料斗低料位開關監測有料；g.上儲的壓力大于15 kPa；h.下活門關閉后上料斗置換時間3 min。

（4）上活門關閉條件：a.小儲斗低料位開關監測無料；b.上儲斗料位開關顯示有料；c.前兩個條件滿足5 s以后；d.上活門關閉指令執行；e.上活門打開狀態。

（5）發生器下活門打開連鎖：a.小料斗不備料；b.下料斗監測無料；c.上儲斗有料；d.皮帶不反轉；e.給料機停止振料；f.發生器本體壓力大于2 kPa；h.上料斗兩次進料結束；i.上儲斗壓力大于20 kPa；j.上活門關閉，壓差大于 5 kPa；k.排渣兩道閥不能全開。

（6）發生器下活門關閉連鎖：a.上儲斗監測無料；b.下儲斗有料；c.前兩個條件滿足 5 s 以后；d.下活門關閉指令執行。

5 發生器自動備料、拉料的實施前后生產情況綜合比較

5.1 經濟性比較

（1）發生器手動備料時平均每年會發生溢料100次，自動備料后每年平均發生溢料20次，每次處理溢料平均需要耗人工1個工日，成本計200元，通過自動備料的實施節省費用1.6萬元/a。

（2）發生器手動備料時平均每年因備料溢料造成電機燒毀8臺，實施自動備料后平均每年因備料溢料造成電機燒毀3臺，每臺備料皮帶更換電機人工及設備成本合計3 000元/臺，則節省費用1.5萬元/a。

（3）發生器手動備料過程中小料斗經常發生溢料，皮帶平均使用壽命為2年，實施自動備料后備料皮帶平均使用壽命為4年，備料皮帶全部更換一次成本為3.6萬元，則節省費用0.9萬元/a。

（4）發生器手動備料、拉料時平均每年需更換膠砣300個，改為自動后每年需更換膠砣100個，每個膠砣成本700元，人工成本300元，每次更換膠托必須對發生器進行停車置換，發生器每停車一次造成約3 t的電石和1 000 m3的氮氣浪費，電石成本約3 000元/t，氮氣成本0.23元/m3，通過改造每年節省成本約204.6萬元。

（5）發生器實施自動備料系統實施一次性投資75萬元，經濟壽命按10年計算，后期維護費用約1萬元/a，則每年總費用約8.5萬元。

（6）綜合比較實施自動備料每年產生經濟效益為 204.6+0.9+1.5+1.6-8.5=200.1（萬元）。

5.2 生產負荷影響

單臺發生器從開始停車至恢復滿負荷生產需要8 h，發生器每停車一次影響PVC產量約42.2 t，通過備料、拉料自動化改造每年減少停車200次，通過自動備料、拉料的實施每年多生產PVC約8 448 t。

5.3 安全性比較

發生器自動備料、拉料全部由DCS系統設置連鎖完成，因此只要DCS系統及料位開關維護到位，連鎖設置合理，發生器自動拉料時就基本不會發生連料。而發生器手動備料、拉料時平均每年因連料引起發生膠砣泄漏約168次和脫落約32次，根據經驗平均膠砣泄漏116次或脫落24次就可能會造成一次一般事故，而一般事故發生13次就會發生一次較大及其以上事故。因此自動化備料、拉料的實施每年減少一般事故2.9起，較大及其以上事故0.22起。由此可見發生器自動備料、拉料的實施大大降低了PVC生產過程事故發生的概率。

6 結語

發生器自動備料系統運行穩定，減輕了操作人員的勞動強度，備料、拉料自動化的實施產生了明顯經濟效益，極大地降低了著火爆炸事件的發生概率，是當前以人為本的不二選擇，是本質安全的具體體現，是以更準確、穩定的新的操作方式代替傳統的憑借操作人員經驗和視聽直覺的操作方式，是適合現代化大工業發展的新技術。