氯碱生产过程中氯氢压力控制分析

2022-01-04潘登张隆刚

氯碱工业 2021年7期

潘登，张隆刚

(陕西北元化工集团股份有限公司，陕西榆林 719319)

陕西北元化工集团股份有限公司(以下简称为“北元化工”)化工分公司现有110万t/a聚氯乙烯树脂、80万t/a离子膜烧碱生产装置。氯碱分厂负责氯气、氢气和烧碱的生产任务，作为整个工艺链的最前端，生产的稳定性极其重要，其核心在于电解槽氯气和氢气的压力控制。投产至今，发生过多起因压力控制失效导致的事故。现就事故发生的原因及采取的应对措施进行分析，希望对提高氯碱生产的稳定性有一定指导意义。

1 电解槽阴阳极出口压力控制

电解槽阳极出口设置了最大允许压力调节阀HV-1175，当阳极出口压力PT-1172与阴极出口压力PT-1173之差PDI-1174超压时，调节阀按照2%/s的速率打开，直到压力恢复到正常操作，阀门关闭。

电解槽阴极出口设置了最大允许压力调节阀HV-1176，当阳极出口压力PT-1172与阴极出口压力PT-1173之差PDI-1174超压时，调节阀按照2%/s的速率打开，直到压力恢复到正常，阀门关闭。

在实际使用过程中，电解槽阳极出口压力调节阀HV-1175和阴极出口压力调节阀HV-1176使用概率较小，因为单台电解槽阴阳极出口和氯氢总管相连，如果出现超压，对单台影响不大，靠总管压力调节阀可以进行调整。主要应用场景为单槽切除系统后，槽头大阀关闭的情况下，在电解槽打压测试时，可以有效避免阴极和阳极系统超压，从而保护电解槽。值得提醒的是，因为系统长时间处于运行状态，电解槽阳极出口压力调节阀HV-1175和阴极出口压力调节阀HV-1176会因内漏导致部分阀体结晶，如果结晶体过大，在阀门需要开启时出现无法打开的情况，因此在系统停车时，需要对阀门的灵敏性进行检查确认。

2 氯氢总管压力控制

氯气总管设置3台氯气压力变送器PT-1151A、B、C，实时进行三选中运算，用计算出的中间值XY-1151去控制氯气调节阀PV-1151A,当开车或运行中出现超压时，开启事故氯调节阀PV-1151B将氯气通过除害塔吸收。阀门开启时先打开到设定值，再按照2%/s的速率全开。

氢气总管设置1台氢气压力变送器PT-1153，氯气和氢气总管之间设置2台差压变送器PDI-1152A、B，由氯气总管上3台氯气压力变送器实时中间值XY-1151和氢气压力变送器PT-1153做差，求得PDI-1152C，利用PDI-1152A、B、C的实时中间值XY-1152控制氢气调节阀PDV-1152A，氢气压力通过PDV-1152A保持在比氯气压力高约2 kPa，开车或运行中出现超压时通过氢气放空阀PDV-1152B经过氢气放空管进行放空。图1为氯氢总管压力控制流程图。

图1 氯氢总管压力控制流程图Fig.1 Process flow diagram of the control of hydrogen and chlorine main pipe pressure

以下为北元化工真实案例：2014年7月13日14:07，第2期电解C线氯氢压差开始波动，电解DCS主控操作人员汇报后，调度和现场操作人员进行检查；14:11:53，氯氢压差高报2.9 kPa，氢气放空阀PDV-1352B自动打开1.5%～4%，经确认，为氢气压力上升造成氯氢压差波动，氢气调节阀PDV-1352A由48.4%开至60.6%；14:15:48，氯氢压差波动至1.4 kPa，氢气放空阀自动关闭。14:16:11，氯氢压差第二次波动氢气放空阀PDV-1352B打开至0.3%～2.8%，氢气调节阀PDV-1352A开度由56.8%开至67.9%。14:24:20，氯氢压差波动至最低值0.56 kPa(氯氢压差低低报为0.5 kPA，延时10 s联锁电解槽停车)；14:24：26，氯氢压差联锁触发，联锁电解C线停车。

笔者想通过以上案例说明：氯氢压差控制是氯碱装置控制的核心。为了确保系统的安全稳定，通常将关键监测仪表设置为三选二(逻辑判断时)或三选中(单回路控制时)，PID参数设置都是要经过很长时间的测试调整才能确定。更为重要的是，一旦系统中出现较大控制偏差，必须在很短时间内调整过来，不然将会出现如上事故。通过多次事故的经验总结，和对系统的深入研究，笔者将介绍氯氢压差波动时如何进行PID参数整定，以及如何应对系统压力出现大幅波动的情况，避免系统全线停车。

3 氯氢调节回路PID设置

在电解阴阳极压力控制中，氯气压力调节为主动调节，氢气压力调节为被动调节，氢气始终围绕着氯氢压差进行调节。氯氢压力及压差控制至关重要，不仅影响系统的稳定运行，而且决定电解设备的使用寿命。因此以图2为例，介绍氯氢压差波动时的治理思路及PID设置原理。

图2 PID参数整定曲线图Fig.2 Curve of PID parameters setting

如图2所示，曲线A代表氯气压力曲线，曲线B代表氯气调节阀控制曲线，曲线C代表氯氢压差曲线，曲线D代表氯氢压差调节阀控制曲线。图中左半部的曲线波动较大，右半部是PID整定后的曲线，控制较为平稳。

PID参数整定中经验法给出了压力控制回路的比例(P)取值范围为30%～70%，积分(I)取值范围为24～180 s。鉴于氯气和氢气分子质量相差35倍，在PID设置时，氯气要求调节及时，氢气要求调节平稳，因此氯气调节阀采用经验法压力参数设置最小值30%，氢气调节阀采用经验法压力参数设置最大值70%，按照这2个基础参数进行适当调整。通过时间标尺，收集到氯气调节阀调节周期为34 s，因此将氯气、氢气压力变送器、氯氢压差变送器阻尼时间设置为17 s，取氯气调节阀调节周期的一半。为了使压力变送器对阶跃信号输出更加稳定，最终氯氢压力等周期振荡。但氯氢压力曲线相位角偏差180°，为氯气调节阀调节半周期的时间。因此须引进微分调节消除此偏差，以氯气调节阀调节1/4周期，即8 s为基础参数适当调整。最终氯氢压差波动得到了有效治理，最终效果见图3[1]。

图3 PID参数设置及趋势图Fig.3 PID parameters setting and trend

4 电解槽跳停氯氢压力的应急控制

在实际运行过程中，发生单槽停车时，氯氢压力波动不大，能够通过氯氢压力调节阀及时调整。但是当2台电解槽同时停车时，往往对系统冲击较大，即便是氯气调节阀PID值调整的能够及时响应，偶尔还是会发生因为氯氢压力低导致全线停车的事故，因此制定了电解槽跳停氯氢压力的应急控制措施。即当2台电解槽跳停时，氯气调节阀PV-1151A按照2%/s的速率关闭，直到氯气压力下降到跳停前的90%为止，在此过程中氢气调节阀PDV-1152A任务为控制氯氢压差保持在2 kPa。