化工自动化仪表在氯碱和聚氯乙烯行业的应用

2022-11-19赵安亮安徽华塑股份有限公司安徽定远233290

化工管理 2022年26期

赵安亮(安徽华塑股份有限公司，安徽定远 233290)

0 引言

随着现代科学技术的发展，氯碱和聚氯乙烯行业的生产工艺控制基本实现了全过程自动化控制，通过SIS和GDS系统的推广运用，更提高了氯碱和聚氯乙烯行业各生产装置的安全可靠性。

化工自动化仪表主要包括DCS系统、SIS系统、GDS系统、PLC系统、各类化工检测仪表、自控阀门、各类信号电缆等。如果将整个氯碱和聚氯乙烯行业各生产装置比作一个人，DCS/PLC控制系统是“大脑”，各类化工检测仪表是“眼睛”，各类自控阀门是“手脚”，各类信号电缆是“神经”，由此可见化工自动化仪表在氯碱和聚氯乙烯行业各生产装置安全生产过程的重要性。

1 DCS/PLC系统的在氯碱和聚氯乙烯行业的应用

(1) DCS控制系统符合氯碱和聚氯乙烯行业集中操作和分散控制设计理念，DCS控制系统的控制单元安装在现场机柜间，上位操作单元安装在中央控制室，上位操作单元和控制单元通过光纤进行通讯。

(2)氯碱电解单元以及配套的工艺单元现阶段采用的主流DCS控制系统有横河的CENTUM VP系统、霍尼韦尔的PKS系统、浙江中控的ECS-700系统及和利时的MACS-K系统[1]。

(3)聚氯乙烯生产单元以及配套的工艺单元现阶段采用的主流DCS控制系统是艾默生的DeltaV系统、横河的CENTUM VP系统、霍尼韦尔的PKS系统，聚氯乙烯生产单元自动化程度相对较高，其化学品配制单元、聚合加料单元、聚合过程单元、浆料汽提单元均是采用批量程序或顺控程序进行全过程自动控制的。

(4)氯碱和聚氯乙烯行业各生产装置的主控制系统一般很少用PLC控制系统，PLC控制系统一般都是应用在各生产装置有技术保密的工艺包单元、大型机组的控制单元等，例如一次盐水的膜过滤装置多采用西门子S7300控制系统、聚氯乙烯的离心机控制多采用西门子S7300控制系统等。这些大型机组和工艺包自带的PLC控制系统一般都是通过ModeBus 485与对应的氯碱和聚氯乙烯行业各生产装置主DCS控制系统进行数据通讯的，以便于在主DCS控制系统上能够读取PLC子系统的数据[2]。

2 SIS系统在氯碱和聚氯乙烯行业的应用

(1)随着国家对氯碱和聚氯乙烯行业安全要求的逐年提高，目前国家规范要求氯碱和聚氯乙烯行业必须设置独立于DCS/PLC过程控制系统的SIS系统。其中氯碱和聚氯乙烯行业的SIS系统必须要有不低于TUV SIL3的认证等级。目前国内取得TUV SIL3认证等级的SIS系统品牌有浙江中控、和利时、康吉森，进口品牌的SIS系统主要有HIMA、TRCON、艾默生、横河、霍尼韦尔等。

(2)氯碱电解槽单元的氯、氢压差高高报警联锁停电解槽，液氯单元的液氯储槽液位高高报警联锁关闭进料自控阀门等都是在SIS系统中实现的；聚氯乙烯的聚合单元聚合釜温度和压力高高报警联锁加入紧急终止剂，聚合釜搅拌转速低低报警联锁加入紧急终止剂，聚合釜搅拌电机功率高高报警联锁加入紧急终止剂，VCM单体球罐液位高高报警联锁关闭进料自控阀门等都是在SIS系统中实现的。

3 GDS系统在氯碱和聚氯乙烯行业的应用

按照GBT 50493—2019 《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》要求，GDS系统要独立于DCS/PLC过程控制系统，其主要是用于可燃和有毒气体报警仪表信号的采集、运算、报警以及区域报警联动等。在氯碱各生产装置需要检测的可燃和有毒气体主要有氢气和氯气；在聚氯乙烯各生产装置需要检测的可燃和有毒气体主要有乙炔、庚烷、VCM。氢气可燃气体报警仪采用的是催化燃烧原理，庚烷和乙炔可燃气体报警仪采用的是红外检测原理，VCM和氯气采用的是电化学检测原理。

4 各类化工检测仪表在氯碱和聚氯乙烯行业的应用

4.1 温度检测仪表

在氯碱和聚氯乙烯行业应用的温度检测仪表主要有三大类，热电阻(RTD)、热电偶(TC)、双金属温度计，其中由于氯碱和聚氯乙烯工艺控制温度一般在中、低温范围(-35～600 ℃)，其主要应用的远传温度检测仪表为热电阻(PT100)，热电偶应用的相对少一些。

双金属温度计是根据两种不同材质金属受热形变不同的原理进行温度检测的；热电阻是根据热阻效应来进行温度检测的；热电偶是根据热电效应来进行温度检测的。根据氯碱和聚氯乙烯行业的生产工艺要求，我们一般都选择精度等级为A级的PT100热电阻。PT100热电阻接线形式分为两线制、三线制、四线制三种类型，其中四线制的检测精度最高，两线制的检测精度最低，一般都选择三线制或四线制接线形式。

由于聚氯乙烯行业中的VCM转化单元，每台转化器都有12个温度检测点位，每套VCM转化单元有几十台甚至上百台转化器，温度检测点位多且较为集中，为节省DCS控制系统的I/O点位、节省信号电缆以及降低施工难度，行业内都是通过多路温度采集系统将转化器的温度检测信号引入DCS的。目前行业内应用较为广泛的是MTL或GM的产品。

4.2 压力检测仪表

在氯碱和聚氯乙烯行业主要应用的压力检测仪表有就地压力表、压力变送器和压力开关。

就地压力表是利用弹簧管受力变形的原理工作的；压力变送器主要有两种检测原理，一种是单晶谐振原理，一种是电容原理，其可以将压力信号转换为4～20 mA的标准信号，并远传至DCS/PLC过程控制系统或SIS系统，以实现氯碱和聚氯乙烯行业生产过程的监控报警、PID控制以及联锁保护；压力开关是通过生产过程压力的变化来改变压力开关仪表触点的接通或闭合状态，并将状态的变化信号远传至DCS/PLC过程控制系统或SIS系统，以实现氯碱和聚氯乙烯行业生产过程的监控报警和联锁保护。氯碱行业压力检测仪表在检测盐水介质时，感压膜片一般选择钛材；检测盐酸、氯气介质时，感压膜片选择钽材；检测氢氧化钠溶液介质时，感压膜片选择316L。

4.3 物位检测仪表

在氯碱和聚氯乙烯行业主要应用的物位仪表有雷达物位仪表、双法兰液位仪表、音叉物位仪表、外测式液位仪表、射频导纳物位开关等。下面对比较典型的外测式液位仪表、双法兰液位仪表、雷达物位仪表进行阐述。在氯碱装置的液氯储槽和聚氯乙烯行业VCM装置的球罐都应用了外测式液位仪表，外测式液位仪表是利用微振动原理进行工作的，该类仪表主要应用在盛装剧毒液态物料的球罐和卧式储槽，该类仪表的安装是将传感器通过专用耦合剂粘贴在容器壁的外侧，没有与剧毒工艺介质的连接接口，在很大程度上降低了剧毒液态物料泄漏的风险。

双法兰液位仪表在氯碱和聚氯乙烯行业应用的也较为广泛，该类仪表是利用差压原理来检测液态物料液位的。该类仪表要根据所检测物料的特性来选择感压膜片的材质；根据容器上下两个法兰间的距离，来选择毛细管的长度，毛细管内一般充装的是硅油或氟油。

雷达物位仪表在氯碱装置应用的相对少些，但在聚氯乙烯行业的各生产装置都应用的较为广泛。聚氯乙烯料仓、电石料仓等都采用雷达物位仪表进行检测。需要注意的是，在电石料仓用雷达物位仪表检测时，在雷达物位仪表的喇叭口内壁容易积聚电石灰，从而导致检测数据失真，为防止该问题出现，在雷达物位仪表选型的过程中，要增加氮气反吹装置。有水蒸气存在的场所不适合选用雷达物位仪表，原因是在雷达物位仪表的喇叭口内壁容易凝结水珠，从而导致检测数据失真。

4.4 流量检测仪表

在氯碱和聚氯乙烯行业主要应用的流量检测仪表有电磁流量计、质量流量计、涡街流量计、孔板流量计、超声波流量计、热式质量流量计[3]。

在氯碱装置，尤其在电解槽单元多选用双频励磁的电磁流量计，原因是电解槽单元附近区域直流干扰严重，双频励磁的电磁流量计抗直流干扰能力较强。在聚氯乙烯装置汽提和干燥工序的PVC浆料流量检测也多选用双频励磁的电磁流量计，因为PVC浆料中含有PVC粉料、脱盐水和工艺气体，双频励磁的电磁流量计对固、液、气三相流的抗干扰能力较强。热式质量流量计主要是应用在氯碱装置氯化氢合成单元的氯气流量检测，应用效果较好，原因是氯化氢合成工序的氯气比较干燥和洁净。质量流量计主要应用在聚氯乙烯装置的聚合单元，用于聚合釜VCM单体和各类化学品药剂的加料计量，该类仪表精度较高，价格比较昂贵，主要用于检测精度要求较高的场合。

超声波流量计主要用于氯碱和聚氯乙烯行业各生产装置脱盐水介质的流量检测，应用效果良好。

孔板流量计是在氯碱和聚氯乙烯行业应用时间最长且传统的仪表，其可以检测所有的气体、单相液体的流量，但该仪表的缺点就是精度相对较低，维护相对麻烦，还需要配套对应的温度和压力补偿仪表。尤其在对氯碱和聚氯乙行业各生产装置的易燃和易爆气体进行流量检测时，有严格的流速限制要求，防止出现爆炸事故。

4.5 分析仪表

在氯碱和聚氯乙烯行业应用的分析仪表主要有pH分析仪、ORP分析仪、氯中含水分析仪、游离氯分析仪，火焰监测仪，盘柜式氧分析仪、盘柜式乙炔分析仪、可燃和有毒气体报警器、环保监测VOCS分析小屋等，下面对其中几个主要分析仪表的应用进行阐述。

微量水分析仪在氯碱装置中的应用，由于氯气压缩机转子和主轴是高强度合金钢材质，不耐盐酸的腐蚀，如果干燥处理后的氯气中含水不能控制在合格的工艺指标内(一般工艺控制在150 mg/L之内)[4]，就会出现氯气压缩机转子被腐蚀而导致机组不能正常工作的情况，因此氯气压缩机出口安装微量水分析仪是必要的，目前应用的微量水分析仪主要有两种检测原理：一种是五氧化二磷吸水检测原理；一种是激光检测检测原理。

游离氯分析仪在氯碱装置中的应用，由于出氯化氢合成炉后送VCM装置的氯化氢气体中的游离氯含量对VCM装置混合器的影响较大，容易导致混合器的着火和爆炸，因此在氯化氢合成炉出口的氯化氢总管安装游离氯分析仪是必要的，目前行业内应用的主要是紫外检测原理的游离氯分析仪。

盘柜式氧分析仪和乙炔分析仪在聚氯乙烯行业乙炔装置中的应用，由于乙炔装置破碎系统中料斗提机、细料斗提机、返料斗提机以及电石成品仓对氧气含量、乙炔含量的要求都较高，原因是电石破碎系统内的乙炔含量和氧含量的浓度达到一定限值并有火源的情况下极易产生爆炸，氧气和乙炔分析仪的检测数据的准确性对工艺控制的安全是非常关键的。

5 自控阀门在氯碱和聚氯乙烯行业的应用

在氯碱和聚氯乙烯行业应用的自控阀门按照用途划分主要有自控调节阀和自控切断阀，按照执行机构的能源驱动形式划分主要有电动自控阀和气动自控阀，按照阀体的结构形式划分主要有自控单座阀(globe)、自控蝶阀、自控球阀、自控柱塞阀、自控刀闸阀等。

由于氯碱和聚氯乙烯行业各生产装置对防爆的要求较高，多选用气动自控阀门。气动自控调节阀除阀体和执行机构之外的主要附件就是电气阀门定位器，气动自控切断阀除阀体和执行机构之外的主要附件就是电磁阀和阀位开关。聚氯乙烯生产装置中，聚合釜卸料阀主要采用柱塞阀，根据生产实践经验，聚合釜卸料用柱塞阀最好选用气动柱塞阀。SIS系统控制的阀门，要根据设计要求选择具有整阀SIL认证等级要求的自控阀门。

6 氯碱和聚氯乙烯行业用仪器仪表防爆等级的选择

在氯碱装置防爆区域主要是根据氢气存在的区域来进行划分的，一般选择不低于ExiaIICT4或ExdIICT4的防爆等级标准。在聚氯乙烯行业的各装置防爆区域的划分，乙炔装置是根据乙炔气体存在的区域来划分的，一般选择不低于ExiaIICT2或ExdIICT2的防爆等级标准。VCM装置是根据综合考虑乙炔、庚烷、VCM气体可能存在的区域，一般选择不低于ExiaIICT4或ExdIICT4的防爆等级标准。聚氯乙烯装置是根据VCM气体存在的区域来划分的，一般选择不低于ExiaIIBT4或ExdIIBT4的防爆等级标准。