氯堿生產過程中氯氫壓力控制分析

潘登，張隆剛

(陜西北元化工集團股份有限公司，陜西 榆林 719319)

陜西北元化工集團股份有限公司(以下簡稱為“北元化工”)化工分公司現有110萬t/a聚氯乙烯樹脂、80萬t/a離子膜燒堿生產裝置。氯堿分廠負責氯氣、氫氣和燒堿的生產任務，作為整個工藝鏈的最前端，生產的穩定性極其重要，其核心在于電解槽氯氣和氫氣的壓力控制。投產至今，發生過多起因壓力控制失效導致的事故。現就事故發生的原因及采取的應對措施進行分析，希望對提高氯堿生產的穩定性有一定指導意義。

1 電解槽陰陽極出口壓力控制

電解槽陽極出口設置了最大允許壓力調節閥HV-1175，當陽極出口壓力PT-1172與陰極出口壓力PT-1173之差PDI-1174超壓時，調節閥按照2%/s的速率打開，直到壓力恢復到正常操作，閥門關閉。

電解槽陰極出口設置了最大允許壓力調節閥HV-1176，當陽極出口壓力PT-1172與陰極出口壓力PT-1173之差PDI-1174超壓時，調節閥按照2%/s的速率打開，直到壓力恢復到正常，閥門關閉。

在實際使用過程中，電解槽陽極出口壓力調節閥HV-1175和陰極出口壓力調節閥HV-1176使用概率較小，因為單臺電解槽陰陽極出口和氯氫總管相連，如果出現超壓，對單臺影響不大，靠總管壓力調節閥可以進行調整。主要應用場景為單槽切除系統后，槽頭大閥關閉的情況下，在電解槽打壓測試時，可以有效避免陰極和陽極系統超壓，從而保護電解槽。值得提醒的是，因為系統長時間處于運行狀態，電解槽陽極出口壓力調節閥HV-1175和陰極出口壓力調節閥HV-1176會因內漏導致部分閥體結晶，如果結晶體過大，在閥門需要開啟時出現無法打開的情況，因此在系統停車時，需要對閥門的靈敏性進行檢查確認。

2 氯氫總管壓力控制

氯氣總管設置3臺氯氣壓力變送器PT-1151A、B、C，實時進行三選中運算，用計算出的中間值XY-1151去控制氯氣調節閥PV-1151A,當開車或運行中出現超壓時，開啟事故氯調節閥PV-1151B將氯氣通過除害塔吸收。閥門開啟時先打開到設定值，再按照2%/s的速率全開。

氫氣總管設置1臺氫氣壓力變送器PT-1153，氯氣和氫氣總管之間設置2臺差壓變送器PDI-1152A、B，由氯氣總管上3臺氯氣壓力變送器實時中間值XY-1151和氫氣壓力變送器PT-1153做差，求得PDI-1152C，利用PDI-1152A、B、C的實時中間值XY-1152控制氫氣調節閥PDV-1152A，氫氣壓力通過PDV-1152A保持在比氯氣壓力高約2 kPa，開車或運行中出現超壓時通過氫氣放空閥PDV-1152B經過氫氣放空管進行放空。圖1為氯氫總管壓力控制流程圖。

圖1 氯氫總管壓力控制流程圖Fig.1 Process flow diagram of the control of hydrogen and chlorine main pipe pressure

以下為北元化工真實案例：2014年7月13日14:07，第2期電解C線氯氫壓差開始波動，電解DCS主控操作人員匯報后，調度和現場操作人員進行檢查；14:11:53，氯氫壓差高報2.9 kPa，氫氣放空閥PDV-1352B自動打開1.5%～4%，經確認，為氫氣壓力上升造成氯氫壓差波動，氫氣調節閥PDV-1352A由48.4%開至60.6%；14:15:48，氯氫壓差波動至1.4 kPa，氫氣放空閥自動關閉。14:16:11，氯氫壓差第二次波動氫氣放空閥PDV-1352B打開至0.3%～2.8%，氫氣調節閥PDV-1352A開度由56.8%開至67.9%。14:24:20，氯氫壓差波動至最低值0.56 kPa(氯氫壓差低低報為0.5 kPA，延時10 s聯鎖電解槽停車)；14:24：26，氯氫壓差聯鎖觸發，聯鎖電解C線停車。

筆者想通過以上案例說明：氯氫壓差控制是氯堿裝置控制的核心。為了確保系統的安全穩定，通常將關鍵監測儀表設置為三選二(邏輯判斷時)或三選中(單回路控制時)，PID參數設置都是要經過很長時間的測試調整才能確定。更為重要的是，一旦系統中出現較大控制偏差，必須在很短時間內調整過來，不然將會出現如上事故。通過多次事故的經驗總結，和對系統的深入研究，筆者將介紹氯氫壓差波動時如何進行PID參數整定，以及如何應對系統壓力出現大幅波動的情況，避免系統全線停車。

3 氯氫調節回路PID設置

在電解陰陽極壓力控制中，氯氣壓力調節為主動調節，氫氣壓力調節為被動調節，氫氣始終圍繞著氯氫壓差進行調節。氯氫壓力及壓差控制至關重要，不僅影響系統的穩定運行，而且決定電解設備的使用壽命。因此以圖2為例，介紹氯氫壓差波動時的治理思路及PID設置原理。

圖2 PID參數整定曲線圖Fig.2 Curve of PID parameters setting

如圖2所示，曲線A代表氯氣壓力曲線，曲線B代表氯氣調節閥控制曲線，曲線C代表氯氫壓差曲線，曲線D代表氯氫壓差調節閥控制曲線。圖中左半部的曲線波動較大，右半部是PID整定后的曲線，控制較為平穩。

PID參數整定中經驗法給出了壓力控制回路的比例(P)取值范圍為30%～70%，積分(I)取值范圍為24～180 s。鑒于氯氣和氫氣分子質量相差35倍，在PID設置時，氯氣要求調節及時，氫氣要求調節平穩，因此氯氣調節閥采用經驗法壓力參數設置最小值30%，氫氣調節閥采用經驗法壓力參數設置最大值70%，按照這2個基礎參數進行適當調整。通過時間標尺，收集到氯氣調節閥調節周期為34 s，因此將氯氣、氫氣壓力變送器、氯氫壓差變送器阻尼時間設置為17 s，取氯氣調節閥調節周期的一半。為了使壓力變送器對階躍信號輸出更加穩定，最終氯氫壓力等周期振蕩。但氯氫壓力曲線相位角偏差180°，為氯氣調節閥調節半周期的時間。因此須引進微分調節消除此偏差，以氯氣調節閥調節1/4周期，即8 s為基礎參數適當調整。最終氯氫壓差波動得到了有效治理，最終效果見圖3[1]。

圖3 PID參數設置及趨勢圖Fig.3 PID parameters setting and trend

4 電解槽跳停氯氫壓力的應急控制

在實際運行過程中，發生單槽停車時，氯氫壓力波動不大，能夠通過氯氫壓力調節閥及時調整。但是當2臺電解槽同時停車時，往往對系統沖擊較大，即便是氯氣調節閥PID值調整的能夠及時響應，偶爾還是會發生因為氯氫壓力低導致全線停車的事故，因此制定了電解槽跳停氯氫壓力的應急控制措施。即當2臺電解槽跳停時，氯氣調節閥PV-1151A按照2%/s的速率關閉，直到氯氣壓力下降到跳停前的90%為止，在此過程中氫氣調節閥PDV-1152A任務為控制氯氫壓差保持在2 kPa。

5 結語

氯堿生產過程中氯氫壓力控制至關重要，直接影響著電解槽的使用壽命和系統的穩定性，因此無論是電解槽陰陽極出口壓力控制，氯氫總管壓力控制，氯氫調節回路PID設置，還是電解槽跳停氯氫壓力的應急控制，都要花費一定的時間和精力去研究，從而確保系統的安穩長滿優運行。