氯氣液化方法及工藝改進

侯鳳銀

（唐山三友氯堿有限責任公司河北省聚氯乙烯技術創新中心，河北 唐山 063305）

唐山三友氯堿有限責任公司目前燒堿產能53萬t/a，氯氣下游產品有鹽酸、氯化氫、次氯酸鈉、液氯及多種型號的聚氯乙烯樹脂等[1]。 液氯工序屬于“兩重點一重大”范疇，且為3 套燒堿裝置的共用裝置，是氯氣平衡的關鍵節點。 隨著燒堿產能不斷擴大，液氯流程單一，設備故障等影響負荷調控，已不能滿足總體調控需求。 因此，對液氯工序進行重點管控，不斷優化工藝，提升設備及設施水平，是裝置持續安全平穩運行的關鍵。

1 氯氣液化方法優選

1.1 氯氣液化原理

氣體液化的條件：（1）增壓；（2）降溫。 只要低于最高液化溫度，某一溫度必有一個對應的壓力可以使氯氣液化。 氯氣的液化溫度與壓力成單值函數關系[3]，關系對照表見表1。

表1 氯氣飽和蒸汽壓力與溫度的關系對照表

1.2 低壓法的選用

根據氯氣液化壓力的不同將液化方法劃分為高壓法、中壓法及低壓法。 隨著氯氣壓力的升高.對設備的要求也越高.安全隱患也越大。 近年來，由于設備的改進，逐漸向中低壓方向發展，一般都采用氟利昂冷凍工藝生產液氯[4]。 通過對當前氯氣液化設備專業發展進行調查，低壓機組相比高壓機組具有結構緊湊、體積小、生產環境好的優勢。 氯氣液化器為列管式，無中間冷媒、冷損低。 另外壓縮機的螺桿容積效率高，單機壓縮比高，單機能力大。

原有氯氣液化工藝流程采用高壓法，液環式高壓機為主要設備，高壓機的液環工作液為濃度98%濃硫酸。 由于壓力較高，高壓機維修頻次高，影響生產負荷調整，工藝處理難度較大，維修費用高昂，給日常生產帶來不少困擾。

通過分析現有問題及低壓機組的優勢，計劃使用低壓機組改善液氯狀況。 低壓機組滑閥裝在氣缸壁下部兩圓交匯處， 與兩螺桿外圓柱面緊密配合，負荷可在10%~100%范圍內進行無級調節， 負荷調整主要是通過滑閥的移動改變螺桿的有效工作長度（即改變壓縮機陰、陽螺桿齒間工件容積），以達到能量調節的目的。 氯氣液化機組日常運行時的主要控制參數見表2。

表2 氯氣液化機組主要參數

1.3 運行問題及措施

（1）運行問題

低壓機組投用后有效解決了高壓法存在的問題，優勢明顯，但液氯DCS 系統只能監控低壓機組電流，不能對運行數據及時全面監控和調節，生產負荷發生變換時需操作人員至現場調整機組設定參數，存在一定的等待時間。

（2）優化探索

基于以上低壓機組調控依賴現場人員進行PLC控制的問題，提出對液氯系統低壓機組增加遠程控制部分，對重要機組進行在線監測，將低壓機組現場PLC 控制箱內數據引入液氯DCS 系統，可隨時調整其運行參數。 根據生產負荷隨時調整機組設定參數，保證生產安全穩定，提高裝置自動化水平，降低操作人員勞動強度。

1.4 改進效果

在使用PLC 控制柜控制低壓機組負荷時，由于操作人員離機組較遠，在燒堿系統開車初期以及生產異常情況下，需要現場人員通過機組控制箱手動調節機組負荷，調節緩慢。 按影響產量時長15 min、每次影響電流調整2 kA、每年20 次進行計算，依據1 kA 電流1 h 燒堿產量為2.685 t、 燒堿生產成本810 元/t、不含稅售價1 671 元/t 計算。

改進控制方式后增產燒堿產生的經濟效益：

（1 671-810）×2.685×20×2×15÷60=2.3（萬元/a）。

另外，項目實施后減少了現場人員配置及工資成本。

國家對氯堿行業安全生產越來越重視，氯氣液化及包裝崗位作為氯堿公司重大危險源成為重中之重。將低壓機組控制引入DCS 系統后改變了液氯生產負荷現場調節滯后和操作人員勞動強度大的弊端，極大提高了液氯崗位的負荷調整速度，提高自動化水平，保證生產安全穩定。 有利于合成爐突然滅爐、外送氯氣停車等突發情況的應急處理和公司的總體氯平衡。

1.5 操作及異常處理

通過投用及運行中的摸索改進，穩定性和負荷調整能力都有了很大提升，操作簡便快捷，以下是低壓機組操作及異常處理措施。

1.5.1 氯氣液化機組開機操作

（1）確認液化器氯氣進口閥、尾氣出口閥、尾氯切斷閥及其前后手動閥打開，確認液化器抽空閥、泄壓閥、尾氯切斷閥旁路閥關閉，打開液化器出液閥。

（2）確認氯氣液化機組的吸氣閥、排氣閥，氟冷卻器進氣閥、出液閥，經濟器進、出口閥，氟儲罐進液閥，蒸發器供液閥，冷卻系統閥門，油系統閥門打開。

（3）打開氟冷卻器的循環水出口閥、進口閥，打開氟儲罐出液閥。

（4）確認油分溫度在20 ℃以上，過濾器后油溫在7.4 ℃以上。

（5）檢查噴液冷卻旁路閥，確認閥門關閉。

（6）DCS 將吸氣壓力設定值設定為當前機組吸氣壓力值。

（7）按“機組啟動”按鈕，啟動機組。

（8）待排氣溫度達到60 ℃，現場逐漸開噴液冷卻旁路閥，控制排氣溫度在55～65 ℃。

（9）依據緩沖罐壓力調整低壓機組吸氣壓力設定值，將緩沖罐壓力控制在85～110 kPa。

1.5.2 氯氣液化機組正常停車操作

（1）依緩沖罐壓力逐漸調高待停機組吸氣壓力設定值，使機組滑閥開度降至10%以下。

（2）點擊“機組停止”按鈕，停機組。

（3）關閉停機機組氟儲罐出液閥。

（4）若無特殊要求不得關閉尾氯切換閥及其前后手動閥。 如需關閉，需提前開大液氯儲罐平衡管與尾氯管聯通閥，以保障供合成尾氣量。

1.5.3 兩臺低壓機組運行任意一臺發生停機處理措施

協調降低液氯負荷。 調節運行機組吸氣壓力，增加另一臺運行機組帶量能力，允許短時將機組吸氣壓力調至低限值；依據循環堿液濃度增加進次鈉裝置氯氣量，利用提高制酸爐進氣量的方式降低送液氯量，協調降低電解槽運行負荷。 根據氯氣分配臺的壓力情況可以短時選擇走廢氯氣泄壓。

低壓機組停機后，調節跳停機組吸氣壓力至高值，將滑閥開度降至20%以下。 檢查停機機組狀態，排查停機原因。 待停機機組吸排氣壓差降低至允許啟動范圍后，嘗試開啟停機機組，如機組不具備開機條件聯系技術人員排查具體原因。 3 套燒堿系統需考慮快速降低負荷， 降電流或合成爐提高負荷，減少液氯產量，避免廢氯氣量過大造成跑氯，必要時可以考慮停1 套燒堿系統快速降低液氯負荷。

2 流程優化

氯氣液化工序不僅在設備選型、液化途徑等方面進行改進， 結合自身實際生產調節及運行情況，不斷優化流程，例如氯氣輸送、泄漏檢測、商品次鈉和處理裝置的投用， 平衡管線及緩沖罐的設置等，以下簡要對其中兩項工藝改進進行介紹。

2.1 氯氣外送流程

2.1.1 原流程存在的問題

原有液氯工序工藝流程單一，氯氣只有以液氯槽車及鋼瓶充裝的方式進行外售。 在節假日升級管理期間，對液氯儲量進行低控，隨之帶來的是PVC、鹽酸、氯化氫等氯下游產品負荷不能提升的前提下燒堿負荷將直接受制于液氯工序產量低控的限制，導致燒堿負荷降低。 影響產量的同時增加單位消耗，成本增加。 在此情況下進一步對液氯工序的流程進行多元化設置，增加調節能力成為必要。 原氯氣液化工序流程圖見圖1。

圖1 氯氣液化工序流程圖[2]

2.1.2 改進方案

針對以上問題， 結合周邊實際耗氯氣企業逐漸發展，產生了較大的氣氯輸送缺口。因此在原有氯氣液化流程基礎上增加外送氯氣流程，主要增加1 臺氯氣透平式機用于加壓輸送， 能夠在一定程度上改善氯平衡調整情況。改進后的工藝流程見圖2。

圖2 氯氣液化工序改進后流程

項目首先確定氯氣外送能力按照6 萬t/a 進行設置。 氯氣系統流程是將來自前工序的氯氣進入主機的一級進口，通過葉輪高速旋轉，氣體受離心力作用，獲得較高的速度和壓力，并在葉輪的中心形成一定的負壓，從而實現對氣體的連續吸入。 高速氣體離開葉輪后進入擴壓器 （擴壓器為無葉擴壓器），由于流道面積的擴大，氣體的速度能轉變為靜壓能，在此過程氣體會放熱，并且高速流動的氣體摩擦損失也大， 這種損失造成氣體溫度的升高， 高溫氣體由后面的蝸室收集并引至輸出管道至冷卻器進行冷卻， 冷卻后的氣體又被下一級葉輪吸入、壓縮，依次經二級壓縮后，使氯氣氣體的壓力由0.1 MPa 提高至0.30～0.41 MPa。

2.1.3 設備說明

選用的壓縮機設備規格型號見表3。

表3 規格型號一覽表

（1）設備機組技術說明

設備由壓縮機、電機、增速箱、聯軸器、底座、油站、啟動柜、儀控柜等組成。

氯氣：壓縮機采用二級壓縮，氣體由系統進入壓縮機，經一級壓縮后進入中間冷卻器，冷卻后的氣體進入二級壓縮，二級壓縮后的氯氣經后冷卻器冷卻后進入系統用氯氣單元。 機組設有自身回流，以方便系統開車和調節負荷。 機組設有防喘振系統，事故氯氣排至廢氯氣吸收塔，開車時可用做排低濃度氯氣用。

密封氣：密封氣經調節閥，進入密封組件的密封氣進氣口，大部分密封氣排入大氣，另一部分隨經迷宮梳齒卸壓后的氯氣被壓縮機入口或廢氯氣吸收塔抽出。

冷卻水：冷卻器冷卻水采用無壓回水，冷卻器泄漏后能夠及時發現，保證冷卻水不進入氯氣系統。

（2）油系統

透平式氯氣壓縮機主油泵由增速箱的輸入軸拖動。輔油泵為齒輪油泵，由電動機拖動。主機開車之前，啟動輔油泵供油，這時油箱內的潤滑油經入口粗濾器（100 目）、進入齒輪油泵增壓后一路經油冷卻器、精濾器（10 μm）后向主機供油，一路經回流閥回油箱，另外一路向軸頭泵充油。 當主機運行時，主油泵工作，油壓升高至大于0.35 MPa 時，自動停輔油泵， 這時潤滑油經粗濾器進入主油泵增壓后，經冷卻器、精濾器向主機供油。

（3）密封氣系統

機組的軸封形式是迷宮密封，但迷宮密封只是一段阻力極大的流道， 為了有效地阻止氯氣的泄漏， 機組采用了三腔四段抽充氣相結合的結構，它包括密封氣充入腔、混合氣體排出腔、平衡泄壓腔，其機能是： 密封氣通過自動閥進入密封氣充入腔（使密封氣充入腔比混合氣體排出腔壓力高， 以迷宮式密封排出腔無氯氣排出為準）， 進入密封氣充入腔的氣體大部分經迷宮排向大氣，小部分經迷宮后進入混合氣排出腔，與從平衡腔中經迷宮過來的氯氣一起通過混合氣排出管至廢氯氣吸收塔系統，平衡腔通過平衡管與一級入口相連，起平衡泄壓作用。 密封裝置的可靠性主要取決于密封氣源的穩定性和自控調節閥控制的可靠性。

密封氣只有在密封氣系統發生故障停車時才允許停止供氣。 否則，不論機組是否運行均需向機組供氣，保證機組內氯氣不進入空氣、機組外空氣不進入機組內。

（4）壓縮機主機系統

壓縮機主機系統主要由壓縮機、增速箱、主驅動電機、聯軸節、聯軸器防護罩等組成。 壓縮機、增速箱、主電機采用公用底座。 主驅動電機與增速箱，增速箱與壓縮機之間通過撓性聯軸節連接，主驅動電機為三相異步電機。 壓縮機出口與外部工藝管道的連接均采用膨脹節連接，以消除管道熱膨脹和安裝的附加應力。

2.1.4 常見故障原因及處理方法

（1）換熱器泄漏

換熱器泄漏是常見的故障之一， 也是機組安全運行的一大威脅， 由于冷卻器泄漏不易從運行參數中發現，因此需要在回水側安裝ORP 計，隨時監測回水中的ORP 值。當回水ORP 計顯示值迅速大幅上漲時，DCS 操作人員立即通知現場打開循環回水導淋閥，如有氯氣味直接判斷換熱器漏，如無氯氣味聯系質檢部對回水取樣分析含游離氯情況，如確認換熱器泄漏，立即停機組并將泄漏換熱器內循環水放凈。

（2）主機喘振

喘振是一種低頻、高振幅的氣流壓力脈沖。 嚴重時發出轟鳴聲，機身強烈振動，出口壓力、電流劇烈波動。 由于氣流在擴壓流道或葉輪葉道發生較為嚴重的邊界層分離，產生二次渦流，氣流的沖擊損失急劇增加，氣流阻力也隨之增加。 壓縮機時而向管網排氣，時而管網中氣流倒灌。

喘振調節：常見的喘振發生在小流量運轉和機組出口壓力小于輸出壓力時。 因此防止流量過低運轉是關鍵， 要求控制機組入口壓力在85 kPa 以上，若出現入口壓力突然大幅下降，應迅速開大喘振調節閥，并逐漸減少外送氯氣量。 若發生喘振現象（表現為機組電流大幅波動，軸振動、軸位移明顯變大，現場表現為機組大幅震動、 連接管道大幅晃動、機組運行聲音明顯變大并與正常運行時有明顯不同）， 應迅速開大喘振回流閥， 并逐漸減少送氯氣量，直至機組喘振現象消失。 若防喘振回流閥全開，機組喘振現象仍未消失，應停機組，以免傷害主機。

2.2 安全儀表系統

2.2.1 存在問題

液氯儲罐作為液氯儲存的重點設備，儲罐的液位若顯示不準確，可能出現物料冒頂泄漏或抽空的危險，因此罐區液位為主要控制參數。 DCS 系統中設置液位計，只要達到聯鎖條件會執行緊急事故聯鎖。 液氯存儲單元作為重大危險源進行重點管控，若是DCS 系統或者儲罐液位計、進出液閥門出現故障造成實際聯鎖條件達到， 但是聯鎖未有效執行時，會存在很大的安全隱患。 因此研究提供安全解決措施，在重大危險源設置上非常必要。

2.2.2 改進措施

安全儀表系統（簡稱SIS）是安全等級高于DCS的自動化控制系統，當系統出現異常時，會自動地按照預先設定的安全功能規范進行保護干預，降低事故發生的可能性。 SIS 系統使用獨立的傳感器，邏輯計算器和執行機構。 這種系統可以解決之前存在的儀表及系統故障帶來的安全問題，確認針對液氯儲罐工藝要求進行針對性的設計。

（1）設計內容

液氯安全儀表系統主要針對6 臺液氯儲罐進行設計，液氯儲罐增加液位計、進口管線增加切斷閥、出口管線增加切斷閥。

安全儀表系統現場控制箱上每個儲罐進液和出液切斷閥均設置了緊急處理旋鈕，當旋鈕打至斷開位置，對應閥門自動關閉，DCS 無法操作閥門。

主控畫面每個閥門都設置手動、自動、復位和聯鎖解投按鈕，正常情況下閥門都在自動狀態，當儲罐液位達到聯鎖值后執行聯鎖。 選擇手動開關后閥門可以手動開關。 手動開關只能在遇到特殊情況時使用，且需在儲罐液位正常時才可使用，選擇手動開關后閥門可以手動開關，檢修完成后需選擇回自動。

（2）聯鎖邏輯關系

a.SIS 聯鎖旁路不投，聯鎖不執行，閥門呈開啟狀態。

b.旁路開關投入，聯鎖條件滿足，執行聯鎖程序。

c.聯鎖執行后對閥門保持關閉狀態，聯鎖條件消失后也不會開啟，使用復位開關恢復閥門開啟狀態。

d.聯鎖條件滿足并且旁路開關投入，復位開關不起作用，需要解除旁路開關，才能使用復位開關進行閥門復位操作。

下面以V-604B 罐為例， 液氯儲罐安全儀表系統聯鎖邏輯見圖3。

圖3 液氯儲罐V-604B安全儀表系統聯鎖邏輯圖

2.2.3 投用效果

液氯儲罐作為氯堿公司重點監控的重大危險源， 其裝置安全設施水平直接影響周邊人員的安全。 要保證液氯工序生產穩定及創造利潤，不斷提升重大危險源的安全設施水平永遠是最重要的課題。 沒有液氯儲罐的運行安全，創效無從談起。

區別于一般的聯鎖單純設置一個聯鎖投入及解除開關，SIS 系統的聯鎖設置了自動、聯鎖開關及復位開關等多個開關及判斷條件，聯鎖邏輯細節設置也體現了安全防控等級要求。 SIS 系統投用后，能夠在儲罐實際液位出現過高或過低且原本儀表閥門及DCS 系統失效條件下執行聯鎖保護動作，從而不需要依賴操作人員的經驗進行緊急處理。 SIS 系統是對液氯工序的安全平穩運行增加的一道雙層保障，聯鎖的執行有效提高了重點管控部位的風險防控水平。

2.2.4 事故應急處理預案

安全儀表系統增設后安全風險防控水平增加，但是也會帶來相應的問題，對于應急事件發生時的處理需要設置對應的方案。

安全儀表系統故障， 造成其中部分儲罐進液切斷閥關閉。若執行聯鎖儲罐為進液儲罐，則打開一臺其他在用儲罐進液；若執行聯鎖儲罐未進液，聯系儀表排查原因，待故障恢復后正常使用。若所有儲罐進液切斷閥關閉， 立即通知現場人員至現場檢查，并通知值班長聯系各崗位緊急降低送液氯工序氯氣量，待故障恢復后，恢復生產。

安全儀表系統故障， 造成儲罐出液切斷閥關閉。 若為正在包裝的儲罐，可造成液氯加壓泵供液量不足，此時應立即打開其他高液位在用儲罐出液閥門，若其他儲罐液位全部都在10%以下則停液氯加壓泵，停止包裝；若所有儲罐出液切斷閥關閉，應立即停液氯加壓泵停止包裝，并通知現場人員及儀表人員排查原因，待故障恢復后恢復正常使用。

3 結語

通過液化設備優化選擇，解決了高壓法對設備及管道要求高、 檢修頻繁及設備維護費用高的弊端。 采用低壓法避免了使用濃硫酸作為高壓機工作液、日常操作不便、安全風險高等影響，降低了過高的系統壓力帶來的重大安全隱患。 采用低壓法生產液氯后生產更易操作，設備檢修費用低、運行安全可靠。 進一步將聯鎖及控制程序由現場PLC 控制引入DCS 控制系統，使液氯負荷調節不依賴于操作人員至現場進行操作，保證了負荷的便捷調控，提升了裝置異常處理能力。

液氯工序增加以氣態氯氣形式輸送至周邊企業工藝流程， 也降低了液氯工序的平衡生產的壓力。 另外，氯氣液化工序還增加了商品次鈉、平衡管線及緩沖罐等多元化流程改進，總體氯平衡能力得到提升。 液氯儲罐單元雙液位計及雙進出口液閥門的安裝及安全儀表系統聯鎖程序的獨立設置，氯氣泄漏預防設施的增設等系列優化，液氯工序負荷調整能力不斷增強，安全風險防控設施水平得到提升。