提高氢化炉安全运行可靠性的自动控制方案研究

提高氢化炉安全运行可靠性的自动控制方案研究

宋永刚1黄杨2朱洪江3

(1.新特能源股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830026；2.中国寰球工程公司新疆分公司，新疆 乌鲁木齐 830026；

3.新疆新捷燃气有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830026)

摘要：改良西门子法生产多晶硅是当今多晶硅生产主流工艺，在生产电子级多晶硅过程中，确保四氯化硅热氢化生产平稳长周期运行，消除因异常情况处理不及时或人为误操作造成的经济损失，是多晶硅企业必须解决的关键问题。现从实际生产出发，分析总结出一套控制方案，对氢化炉诸如四氯化硅流量和氢气流量低、尾气超压等7类异常情况进行分析，利用集散控制系统，通过异常情况下工艺参数自诊断、偏差报警、自动降功率、流量控制阀输出开度限位等6项措施，将异常情况下风险降至最低，提高了氢化炉运行安全性，预防了事故的发生，能最短时间内完成异常情况的处理。

关键词：氢化炉；安全运行；自动控制

收稿日期:2015-05-08

作者简介：宋永刚(1984—)，男，新疆人，助理工程师，从事仪表及自动化系统维护管理工作。

0引言

多晶硅氢化炉生产过程中，停电、供料中断、阀门失控等异常情况会造成氢化炉缺料空烧，同时导致氢化炉加热棒、四氟套、绝缘瓷环等热场材料损坏，影响氢化工序正常进行，给企业带来直接及间接经济损失。针对此问题，我们需研究确保氢化炉长周期运行的方法，延长炉内热场材料的使用寿命，减少由于设备故障、人为误操作引发事故造成的损失，制定适应生产需要的自动控制方案。通过自动化控制手段提高氢化炉运行安全性，是实现多晶硅生产氢化炉长周期稳定运行的重要方法，其意义重大。

1存在问题

现有多晶硅氢化炉安全保护措施：在自动控制上仅限于对冷却水系统泵的联锁保护；对于四氯化硅进料中断，氢化炉尾气超压，冷却水系统泵失电，四氯化硅及氢气流量不足、波动，四氯化硅缓冲罐液位不足等异常情况的保护措施非常有限。加之紧急异常情况下，操作人员不可能及时处理到位，且每个操作员技能和方法不一致，这就给氢化炉平稳运行带来了巨大的安全隐患。

2分析问题

在多晶硅氢化炉生产过程中存在以下控制难题：(1) 对于存储氢化炉所需反应物料的罐区，输送至氢化炉的流量无有效监控措施；(2) 现有氢化炉安全联锁单一，缺乏异常状态下对氢化炉的保护程序；(3) 四氯化硅及氢气流量不足、缓冲罐液位低时，缺少报警及应急保护程序；(4) 对于氢化炉尾气超压情况，缺乏有效的诊断及保护程序；(5) 四氯化硅及氢气进料流量波动、流量控制仪表失效时，缺少报警及保护措施；(6) 电力供应中断及冷却水泵因失电停止运行时，氢化炉无有效保护程序；(7) 在各种紧急情况下，主控操作人员发现及应急处置不及时，未能控制事故发生。

3解决方案

3.1自动控制方案

若结合氢化炉运行特点优化自动控制方案，我们将通过以下方法加强对氢化炉运行安全性的控制：(1) 对四氯化硅进缓冲罐流量增设监控仪表；(2) 当STC进缓冲罐流量、STC/氢气流量低、缓冲罐液位低及尾气超压时启动自动降功率及降低进料量保护程序；(3) 在供电中断的情况下，启动自动降料保护程序；(4) 四氯化硅及氢气进料流量瞬时波动流量调节阀输出开度限位保护；(5) 对于四氯化硅、氢气、缓冲罐液位设置测量值变化率超限报警；(6) 冷却水泵出口总管增设压力监控仪表；(7) 冷却水泵因失电停止运行时启动联锁断电及自动降料保护程序。以上措施能够有效避免由于操作人员处理不及时造成的事故发生。

3.2控制方案关键技术和关键工艺

(1) 增设四氯化硅进缓冲罐流量高可靠性测量仪表，为监测四氯化硅输送情况提供实时数据参考。输送泵电机故障、供电中断、人为误操作点停泵或联锁停泵，都会造成精制四氯化硅输送中断。泵故障情况较多，如果对异常情况一一监测可行性较小且成本较高。若在精制四氯化硅进氢化缓冲罐前加装具有双变送器的孔板流量计，可有效监测四氯化硅输送情况，使用双变送器构成冗余仪表结构，可提高安全仪表系统的可靠性。

(2) 流量低时启动自动降功率及降低进料量保护程序。目前为氢化炉共用一个缓冲罐，四氯化硅输送泵故障将导致无法正常供料，加之缓冲罐容积一定，应对进料中断能力有限。若DCS系统检测到四氯化硅进缓冲罐流量、STC流量、氢气流量、缓冲罐液位中任意一项低于安全下限，或尾气压力超过安全上限，将自行启动自动降功率及自动降料保护程序。

自动降功率程序原理：若流量小于安全下限，自动降功率程序将获取氢化炉当前功率值，作为降功率初始值P0，根据预先设定降功率周期T1、降功率计时器数值t1，按降功率公式Pref=P0-(P0/T1)×t1，将氢化炉运行功率由P0自动降低至0 kW。

自动降料程序原理：若流量小于安全下限，自动降功率程序将获取氢化炉当前四氯化硅流量值，作为降料初始值F0，根据预先设定降料周期T1、降料计时器数值t2，按降料公式Fref=F0-(F0/T1)×t2，将氢化炉四氯化硅进料量由F0自动降低至0 kg/h；同时投用四氯化硅进料量与氢气进料量的比值控制，按照预先设定配比值，同步将氢气进料量降低至0 kg/h。

(3) 在供电中断的情况下，启动自动降料保护程序。若出现电力供应中断，造成氢化炉部分或全部断电，需及时将运行氢化炉进料量降低，降料周期应尽量短，为此需单独设置自动降料周期T2，应用上述自动降料程序，在短周期内将四氯化硅流量和氢气流量降至最小值。

(4) 四氯化硅及氢气进料流量波动时流量控制阀输出开度限位。为了避免氢化炉尾气超压，我们将通过DCS系统调节阀开度限制功能，根据四氯化硅及氢气流量调节阀正常运行时的开度范围，设定开度的安全上下限值，即便四氯化硅及氢气的流量出现波动，调节阀也会被控制在安全开度范围内，不会造成氢化炉尾气压力超限。

(5) 四氯化硅和氢气流量、缓冲罐液位增加测量值变化率超限报警。操作员在日常监控过程中将所有氢化炉参数查看一遍需要2～3 min，四氯化硅和氢气流量、缓冲罐液位作为氢化炉运行重要监控参数，若出现波动，瞬间变化过快，操作员不一定能及时发现异常。对此，我们引入测量值变化率检测功能，在DCS系统内部编写报警信息提示逻辑，若四氯化硅和氢气流量、缓冲罐液位1 s内变化超过上限值，相应测量值变化率超限标记量为真，则在监控界面弹出报警提示，例如“四氯化硅流量变化较快，请注意！”，以便操作员及时发现异常，做出相应处理。

(6) 冷却水泵因失电停止运行，启动联锁断电及自动降料保护程序。现有氢化炉冷却水泵联锁保护程序，仅针对主泵故障时启动备用泵，对于主备两台泵因失电停止运行的异常情况缺乏相应保护。我们通过在泵出口总管增加压力检测仪表，可精确监控冷却水供应情况，当检测到出口总管压力低于安全下限值时，立即启动联锁断电保护程序，将氢化炉分闸；同时，启动自动降料保护程序，如(4) 所述将四氯化硅及氢气流量降为0 kg/h。

3.3有益效果

(1) 具有双变送器的孔板流量计，由于应用冗余仪表结构，可靠性由普通仪表的92%提高至97%。将为系统提供具有高可靠性的流量测量值。(2) 四氯化硅进缓冲罐流量、STC/氢气流量、缓冲罐液位低于安全下限，或尾气压力超过安全上限时启动自动降功率及降低进料量保护程序，将有效控制炉内热场冷却过程，及时自动调整氢化炉运行参数，避免炉内空烧引起的热场材料损坏及由此带来的经济损失。(3) 在电力供应中断或冷却水泵因失电停止运行的情况下，及时快速降低氢化炉进料，将在很大程度上保证氢化炉内热场材料免受损坏，减少由事故带来的损失。(4) 增设四氯化硅及氢气进料流量控制阀输出开度限位功能，将有效避免氢化炉尾气超压。(5) 增设四氯化硅和氢气流量、缓冲罐液位增加测量值变化率超限报警功能，将在异常情况发生的第一时间提示操作员，为及时调整参数、规避事故发生争取宝贵时间。

4结语

生产事故发生将给多晶硅生产企业造成极大的经济损失，并对产量、电耗和整个系统的平衡造成巨大影响。提高氢化炉运行安全性自动控制方案的应用，将极大程度地避免由于四氯化硅输送泵故障、流量计和调节阀失效等设备问题引发的事故，并在氢化炉运行出现异常时，提供及时准确的提示报警信息，便于操作员快速反应，控制事故发生，为多晶硅企业规避生产风险、降低生产成本提供有效的技术支持，从而为企业长周期安全平稳运行打下坚实基础。