比值自动控制调节系统在氯化氢合成中的应用

胡丹宁

（柳化氯碱公司电仪分厂，广西柳州545600）

比值自动控制调节系统在氯化氢合成中的应用

胡丹宁

（柳化氯碱公司电仪分厂，广西柳州545600）

针对氯化氢合成中人工调节氯气、氢气流量配比的不足之处，选择了比值自动调节系统。介绍自动配比控制系统的原理及实施方案。设置了安全连锁控制。采用自动调节系统可以节省人工成本、提高氯化氢产品的质量，保证安全生产。

氯化氢；比值自动调节；连锁；比值系数

1 传统的控制方式及其不足

广西柳化氯碱是以年产20万t烧碱，20万tPVC为主的氯碱企业，现已投产10万t/a烧碱，10万t/a PVC的能力。

该公司生产HCl的方法是把从电解来的氯气和氢气经过脱水、干燥、稳压处理后按一定比例送到石墨合成炉进行燃烧而生成的。整个氯碱控制系统采用浙大中控的ECS-100集散控制系统，实现氯化氢的自动配比。氯化氢合成系统的自动控制一直是氯碱企业长期关注的课题，许多企业自上世纪60年代以来就开始研究和探索。

柳化氯碱投产初期，生产HCl气体采用的是通过人工观察火焰来进行氯气和氢气的流量操作，这样就会产生如下问题。

（1）有时，虽然氯气和氢气的流量没有变化，但其纯度发生了变化，实际配比可能已发生了变化。

（2）当氢气流量波动大时，由于氯化氢合成岗位的操作人员没有及时发现或者操作失误，而使氢气压力突降，又没有及时采取措施而导致氯气过量。由于手动操作使氯气压力控制不当，操作人员又没有采取相应措施而造成氯化氢纯度降低。

（3）当氯气纯度低时，火焰发白，有烟雾，影响操作人员对氯气比例的正确判断。如果出现过氯，在氯乙烯合成工序极易产生氯乙炔，对安全造成重大影响。

（4）由于合成炉长期使用，在视镜上存有大量污物，给操作人员观察炉内混合气体燃烧的火焰颜色造成了困难，容易导致氯气过量或氯化氢纯度降低。

（5）人工操作增加了劳动强度和人工成本。

2 氯化氢合成炉的全自动配比控制系统原理

为确保氯碱系统的正常安全生产，对氯气和氢气流量的测定是实现自动比值控制的关键因素，而且必须将氯气真值流量FI_5451作为主流量(Q1)，氢气真值流量FI_5452作为副值（Q2）,用于相互校正。选择既经济又能达到工艺要求的调节系统很重要。

2.1 控制系统的选择

（1）单闭环比值控制系统及方框图见图1。

二是严格湘江流域管理。《湖南省湘江保护条例》作为我国第一部江河流域保护的综合性地方法规，4月1日已正式实施，成立了由省长担任主任的湘江保护协调委员会，其办公室设在水利厅，并把湘江保护与治理作为省政府“一号重点工程”，制定《〈湘江保护条例〉实施方案》，推进湘江保护与治理。

图1 单闭环比值控制系统及方框图

单闭环比值控制系统是一个随动的闭环控制回路，而主物流量的控制部分是开环的。主流量Q1（Cl2）经比值运算后，使输出信号与氢气（H2）输出信号成一定比例，这种方式的优点是2种物料流量的比值较为精确，实施方便。但当流量出现大的扰动或负荷变化频繁时，副流量在调节过程中，相当于控制器的给定会出现较大的偏差。因此，这种方式对于严格要求动态比值的化学反应过程是不适应的。

（2）双闭环比值控制系统及方框图见图2。

如果主流量也要保持定值，主流量也要有个闭合控制回路，主、副流量通过比值器来实现比值关系，它实质上是由一个定值控制系统和一个随动控制系统组成，它不仅能保持2个流量的比值关系，也能保证总流量不变，与采用2个单回路流量控制相比，其优越性在于当主流量失调时，仍能保持原定比值。

（3）变比值控制系统控制方框图见图3。

在生产过程中，需要2种物料的比值按具体情况而改变，比值由另一个控制器来设定，比值控制作为副回路，从而构成串级比值控制系统即变比值控制系统。变比值控制系统的特点是被控2种物料的比值可以灵活地随第三变量的需要而调整，即受控于第三变量。

图2 双闭环比值控制系统及方框图

图3 变比值控制方框图

2.2 比值控制系统的实施方案的选择

比值控制系统的实施方案一般有相乘方案和相除方案。相乘方案是将主物料乘以比值系数后作为从物料的设定值；相除方案是将2种物料的商作为比值控制器的测量值。相除方案的优点是能读取其动态比值，缺点是稳定性较差，而相乘方案的优缺点刚好与除法方案相反，因此，目前相乘方案使用较多。根据以上控制系统的选择和实施方案选择分析，该公司HCl合成炉的氯、氢配比调节选择双闭环比值控制系统、相乘方案。

3 氯气、氢气流量配比控制的实际应用

来自氯碱系统的氯气通过压力自动调节阀稳压，进入氯气缓冲罐；氢气通过压力自动调节阀稳压，进入氢气缓冲罐。由缓冲罐出来后，分别通过各自管线上的弯管流量计、流量调节阀、连锁切断阀、一大、一小并联的人工手动截止阀把氯气和氢气按一定比例送到并联的合成炉中进行燃烧生成HCl气体。当工艺指标波动达到设定的极限值，直接威胁到系统的安全时，直接反馈到系统连锁切断阀，切断原料氯气、氢气来源，避免燃烧爆炸事故的发生。自动调节系统可以保证在较短的反应时间内，应对各个实发的原料气波动，做到小波动可调节，大波动可报警，从而最大限度地保证氯化氢产品的质量，使生产装置安全运行。

进合成炉的氢气、氯气流量配比采用比值控制，进合成炉的氢气流量根据氯气流量的变化而变化，通过比值器运算进行自动控制，控制方框图见图4。

图4 实际控制方框图

当主流量FI_5451发生变化或受到干扰时，一路送到FIC_5451调节器与设定值SP进行比较，去控制FV_5451阀门的开度，从而达到改变进合成炉氯气流量。另一路与设定的比值系数K相乘后，经比值开关做为FIC_5452调节器的外给定值与FI_5452进行比较去控制FV_5452阀门的开度，从而达到氢气流量随着氯气流量按着一定的比例进行变化（理论上H2∶Cl2=1.05∶1.00），使得在新的工况下，氢气与氯气的流量比值保持不变。当主流量（Cl2）没有变化，而副流量由于自身干扰发生变化时，副流量闭环系统相当于一个定值控制系统，通过控制克服干扰，使氢气流量仍然保持不变。

4 异常情况的安全连锁控制

（1）在安全连锁控制上采取紧急跳车控制，以及进合成炉的氢气、氯气切断阀任一个出现关断，通过“连锁/旁路”切换开关的“连锁”投入，可实现异常情况下进合成炉的氯气、氢气的快速切断，氯化氢去VCM转化工序快速切断，氯化氢去石墨吸收塔的快速打开，打开进合成炉的氮气自动进行置换，吸收水控制阀快速打开，实现HCl气体完全被吸收，安全连锁控制如图5所示。

（2）在对氯气和氢气进行比值调节时，由于某种原因引起动态比值系数大于设定的比值系数上限值，就会出现氢气过量，造成合成出的HCl气体纯度下降，达不到工艺要求，最终影响到氯乙烯合成和精馏的吸收率，如果氢气过量超过20%，则有可能形成爆炸混合物，不利于安全生产。同样，若其他原因引起动态比值系数小于设定的比值系数下限值，造成合成出的HCl气体中含游离氯超标。超标的游离氯会对合成炉中的石墨产生局部氧化作用，降低合成炉的使用寿命；超标的游离氯会在VCM转化器中与乙炔发生气相反应，生成极易爆炸的氯乙炔，造成氯乙烯合成系统的爆炸。在用双闭环比值控制系统时，为了安全生产，设置了图6所示的安全连锁控制。

连锁图6与连锁图5比较，少了氯气、氢气的调节阀、切断阀的全关和关断，这是考虑到合成炉的点火是人工操作，每次点火即麻烦又耗时，影响产量。因此，即使动态比值系数大于或小于设定的比值系数上限值或下限值，也不要把2个切断阀因连锁而关断，从而使合成炉不灭炉，通过报警和连锁，及时发现并处理超标的氯气和氢气，把不合格的HCl气体全部送到酸吸收系统去。

图5 安全连锁控制简图

图6 安全连锁控制简图

（3）当氯气、氢气自调阀的阀位输出由于某种因素出现大于或小于设定的阀位上限或下限值时，同样出现（2）所述的不安全情况，所以设置了安全连锁如图7所示的控制。

图7 安全连锁控制简图

5 实现氯气、氢气比值调节的设备、流程图、组态程序及实际操作

（1）为使合成炉的比值调节系统能够正常投运，自动调节氯气、氢气流量的比值系数，特别是在小流量时也能实现比值自动调节，要对所用的氢气、氯气流量调节阀和流量计进行认真选型。选择氯气流量调节阀为单座调节阀，FC，流开、等百分比，柱塞式、DN100，薄膜、反作用（气开阀）。氢气流量调节阀为单座调节阀，FC，流开、等百分比，柱塞式、DN80，薄膜、反作用（气开阀）。选择流量计为弯管流量计。

（2）合成炉比值自动调节流程如图8所示。

图8 合成炉比值回动调节流程图

图中HV_5451B为把HCl气体送VCM转化的遥控阀；HV_5452B为把HCl气体送石墨吸收塔制酸的遥控阀；HV_5458B为氯气切断阀；HV-5459为氢气切断阀；FIC_5451BS为氯气调节阀，FIC_5452B为氢气调节阀；动态比值系数用来实时监控氯气、氢气的配比变化情况和比值调节的稳定性；静态比值系数是做为比值调节的乘法系数；按钮切换到“常规”调节系统是一个单回路调节；按钮切换到“比值”调节系统是1个双闭环比值自动调节系统。

（3）合成炉比值调节系统在开车、运行的实际操作过程是开车时，首先使氢气和氯气调节阀FV_5452和FV_5451、切断阀HV_5459和HV_5458全开,经过置换、分析合格后，开始人工点火。点着后，先由人工调节氯气和氢气阀使其流量达到一定值，观察火焰是否为青白色，并按一定比例继续分别调节氢气、氯气流量人工阀门，使流量达到工艺指标为止，此时，在操作监控画面上用手动调节FV_5451和FV_5452自调阀的阀位输出。当阀位输出使氯气和氢气流量达到工艺要求时，把人工阀处于全开位置，然后，把调节系统由“手动”切换到“自动”。当动态比值系数指示稳定且符合工艺要求时，把比值开关由“常规”切换到“比值”，这样，就实现了双闭环比值调节的氢气、氯气流量的稳定控制。

6 投运效果

该调节系统自2010年1月正式投入运行以来，运行平稳，各项工艺控制指标均达到设计要求。

（1）减少了操作人员（由原来每班5人减少到2人），降低了劳动强度，节约了人工成本。

（2）合成炉生产HCl气体的产量可通过操作监控画面上的氯气流量调节给定值而改变。同时，氢气流量能自动按比例增加或减少，生产出的HCl气体中游离氯的体积分数小于5×10－6。

（3）通过改变静态比值系数，可以生产出85%～98%氯化氢。

（4）该比值控制系统在安全连锁保护下，稳定性得到保证，未发生因过氯而引起的爆炸和停车事故。

（5）系统运行平稳可靠，各项控制指标均达到工艺实际要求。

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