烧碱装置的升级改造

肖宪锐

(云南天冶化工有限公司，云南 文山663000)

随着氯碱行业离子膜电解工艺技术的不断发展，对应化工单元的安全高产运行、智能过程控制、节能降耗已经成为了氯碱人关心的热门话题和入门氯碱的必修课。结合企业自身实际开展相关技改项目、项目更新升级改造成了今后企业逐步由“自动化控制”转变为“智能化控制”的铺路石，同时是工厂发展过程中的安全保障必要措施之一。

1 企业改造思路和目标

云南天冶化工有限公司(以下简称“天冶化工”)10万t/a离子膜烧碱装置包含水气处理单元、一次盐水精制及液体罐区单元、二次盐水精制及离子膜电解单元、氯氢及废气处理单元、液氯钢瓶及槽车充装单元、冷冻站、氯化氢合成及电解水制氢单元和天然气锅炉单元8个部分，装置在厂区跨地面积宽，操作人员分散，存在员工劳动强度大、操作控制水平与企业发展水平不同步、生产成本高和一定的安全环保风险等问题。面临2018年末至今氯碱市场的价格持续下滑和新冠疫情对贸易市场的冲击，天冶化工在认真分析和总结市场行情和企业自身实际情况下主动求变，将装置自动化升级改造作为安全生产高产稳产两保障、提高装置自动控制管理水平和挖潜增效的一项重要措施来研判，不断提高企业在同行业中的市场竞争力和抗风险能力，同时保持企业“一三一”(一创新三重点一有效：以一种创新的工作方法，提高安全意识、落实安全责任、提升安全能力为重点，确保安全标准化有效运行)管理的持续发展。

2 具体实施方案和运行情况

天冶化工根据氯碱市场行情认真开展挖潜增效工作，结合烧碱装置工艺和运行要求，针对不同问题制定了正确的对应措施，改造逻辑思路缜密，主要从以下10个方面实施，最终实现岗位人员优化配置、岗位合并搬迁、节能降耗等目标。

2.1 电解槽实施防氯气倒串

天冶化工10万t/a烧碱电解槽在计划停车后、联锁停车后、电解槽原始开车、增开电解槽灌液并网前、电解槽出口管道氯气系统及电解槽停车后，投入极化电源产生氯气并入废气系统，经吸收塔+尾气塔(一塔配两槽)用碱液进行吸收。即电解开停车时和各种事故状态时的氯气进入吸收塔的下部，与经过循环液冷却器被循环水冷却后的循环碱液逆流接触，进行吸收反应。从吸收塔顶部出来的未反应完的含氯尾气再进入尾气塔下部，与预先配制好的16%～18%碱液反应，进一步除去其中的氯，达到环保排放标准的尾气经风机排入大气中。但当出现以下情况时废气系统氯气易倒串至电解槽：废气处理尾气风机抽力过小，液氯槽车充装气或储槽气排放量过大将废气总管顶正压，氯气从废气总管分别进入4台电解槽；废氯气总管长期开车过程中由于废氯气管道(DN400，PN10，硬PVC/FRP)管径大、管线长易积水，影响风机抽力，导致电解槽出口至吸收塔段管道为正压，不能保证负压操作，氯气从废气总管分别进入4台电解槽。当电解槽在并网前停止循环过程、电解槽排液过程、电解槽灌液(包括增开电解槽)过程、电解槽膜湿润完成保压过程和电解槽大负压差操作过程中，由于电解槽阳极倒灌氯气没有及时被抽走，氯气通过膜渗透进入阴极室与烧碱反应产生次氯酸根，腐蚀阴极Ni材，从而使阴极的Ni溶出，蓄积在膜上导致电解槽槽电压不可逆的上升，单元槽槽框阴极室使用寿命大大缩短。

2018年4月，天冶化工停下C、D槽检查，发现有80%～90%的单元槽阴极网面有不同程度的局部腐蚀断丝(包括2017年4月份投用的新槽有两片也有轻微腐蚀)，有断一个头的，有线状腐蚀的，也有小块点状腐蚀的，一片槽阴极网面有几个点或几十个点，甚至上百个点的腐蚀断丝点不等。但几乎每片槽上的腐蚀断丝点都分布在阳极出口部位或阴极出口部位，总体槽头前半区的腐蚀断丝较后半区的严重。分析造成该现象的原因如下。①阴极网接触到了呈酸性的腐蚀性物质或较长时间接触到氧气，镍丝被氧化，镍被吸出。②根据每片槽的腐蚀断丝点都分布在阳极出口部位或阴极出口部位这一特点，基本确定是在电解槽停车状态时，有少量的氯气经过电解槽氯气出口总管进入电解槽阳极室，由于离子膜长期是在保湿的状态，进入电解槽的氯气溶解到有水分的离子膜上以盐酸、次氯酸状态存在，渗过膜的酸性物质接触到阴极网的部位，阴极网面局部被腐蚀。电解槽极网腐蚀破损，可造成离子膜的摩擦损伤，影响安全生产。停车换膜产生离子膜消耗的直接经济损失和人工、停产等间接经济损失。

为了保证电解在上述情况下系统内氯气在排出时有足够和稳定的负压，将4台电解槽出口至废气处理的氯气管道与脱氯真空泵来的废气管道断开单独配管至废气处理尾气塔01T0502进口，并在该管道最低点设置排水口，将排出氯水引流至阳极液排放槽01V-280，最后送至脱氯塔。投用后经过三年多运行验证，自改造后电解槽从未出现氯气进入阴极室，对离子膜和电解槽的损伤导致离子膜效率下降、交流电耗上升现象。对保障电解槽安、稳、长、满、优运行具有重要作用。

2.2 延长树脂塔再生周期

在一次盐水后反应槽01R0107现场加入磷酸盐药剂，不影响原生产工艺。将磷酸盐加入与原碳酸钠精致剂充分反应的粗盐水中，能够促使盐水中的Ca2+、Mg2+进一步反应，减少一次盐水中的Ca2+、Mg2+浓度，使粗盐水中的Ca2+、Mg2+近似完全反应，一次盐水中的Ca2+、Mg2+浓度就会相应地减少，该反应更完全，反应速度更快，生成沉淀更容易使其从盐水中分离出去，一次盐水质量得到较大的改善。一次盐水质量的改善，可有效地降低树脂塔的运行负荷，延长其连续运行时间，实现树脂塔再生过程中烧碱自用，从而实现降本增效。

项目运行后将二次盐水离子交换树脂塔再生周期延长至≥4天/次。树脂塔再生1次需消耗32%烧碱2.1 m3(实际运行统计用量)、31%HCl用量2.06 m3，树脂塔再生周期延长后实现降低烧碱、盐酸消耗，从而达到降本增效的目的。同时，二次盐水中钙镁离子含量比项目未投用前降低了6×10-9左右，对电解槽电耗的稳定做出了很大贡献。减少树脂塔再生次数，不光减少原材质消耗，最主要在环保要求严格的条件下，减少了大量的废水。

2.3 能源(蒸汽)综合优化节能利用

随国家能源政策的调整，节能、环保要求的不断提高，锅炉技术及自动控制技术的提高，采用燃气为清洁燃料和洁净燃烧技术的高效、节能、低污染工业锅炉将是工业锅炉产品发展的趋势。天冶化工原设计采用45 t/h×2循环流化床锅炉供蒸汽，负荷在7～9 t/h，负荷低，蒸汽成本高，环保矛盾显现。3台副产蒸汽氯化氢合成炉余热蒸汽基本没有回收使用，放空排放，转化器反应温度偏高。

为合理实现能源优化合理利用，天冶化工停用2台燃煤锅炉，新建2台6 t/h额定蒸汽压力为1.6 MPa,额定蒸汽温度204 ℃的天燃气锅炉，配套新建60 m3低温储罐、汽化装置、调压计量加臭装置的LNG供气站。依托现有的蒸汽管网，新建2台燃气锅炉共用1个新增分汽缸。分气缸一路和原有45 t/h×2循环流化床锅炉的分汽缸串联使用，在原蒸汽母管上新增减压装置，确保阀后压力调节稳定在0.4 MPa后与3台氯化氢合成炉副产蒸汽合并供低压蒸汽管网使用；另外一路进入蓄热器稳定供聚合蒸汽管网蒸汽，确保聚合涂釜使用。

改造前：按1 t蒸汽耗396 kg原煤，原煤价格365 元/t，每小时耗电1 079 kW·h，电价0.4元/(kW·h)，其他仪表空气、氮气、脱盐水等正常计算，则蒸汽成本合计293.82元/t。按11 t/h供汽计算，燃煤锅炉运行费用为2 585.652万元/a。改造后：按吨蒸汽耗天然气75 m3，天然气单价3.5元/m3，耗电60 kW·h，电价0.4元/(kW·h)，其他仪表空气、氮气、脱盐水等正常计算，蒸汽成本360.5元/t，运行费用为1 984.662万元/a。

停运45 t/h×2循环流化床锅炉，采用2台2 t/h天燃气锅炉运行，每年可节约费用2 565.852-1 984.662=581.19(万元)；另外，随天然气管网铺设等基础设施建设，采用管道天然气后，天然气成本、燃气锅炉运行成本将会进一步下降。同时，停运2台45 t/h循环流化床锅炉，解决了烟气排放超标的环保风险。

改造后单台副产蒸汽合成炉平均以65%的负荷运行，实际平均副产蒸汽产量为2.3 t/h，蒸汽压力为0.5～0.55 MPa，副产蒸汽利用率在98%以上，产蒸汽18 400 t/a。

2.4 氯压机自动控制改造

氯氢处理系统就像人的呼吸系统，是烧碱装置顺利启停和平稳运行的重要保障[1]。氯压机的操作控制关系着电解氯气系统压力平稳的关键。将氯压机单台氯压机自身回流和进口手动阀更改为DCS控制调节阀，在后系统出现异常情况(如1台或多台合成炉跳停)、氯压机组关停、增开氯压机和稳定控制电解系统氯气氢气压差平稳运行等情况时，即可在DCS内完成平稳快捷地维护氯气系统压力稳定和异常情况处置，避免造成不必要停车。

改造运行至今，氯压机自动化改造项目达到预期目标，即紧急情况下(特别是在2019年下半年的4次晃电过程中系统氯气压力波动大的情况下)，未造成整个装置的联锁停车，已降低因氯压机联锁停车次数。氯压机自动化升级改造后，有效地控制了因氯压机引起的联锁停车次数，为公司安全生产提供了保障，有效地减少因联锁停车而引起的经济损失。

2.5 氯化氢合成炉视镜自动清洗及远程监火

天冶化工氯化氢合成工序设有3台副产蒸汽型合成炉，每台合成炉在控制室内设有2个火焰观测口，通过DN150的CPVC管道将合成炉视镜内火焰反馈至控制室内的镜子上，由操作人员对火焰进行人工监火。改造前运行存在以下3点问题：①在人工火焰监测过程中，人工监测过于滞后，存在不能及时发现合成炉断火、偏烧、过氢、过氯等异常情况发生的风险，导致无法及时作出判断，并且控制质量较差，人工分析滞后时间长，很难保证合成炉系统运行的安全性和稳定性。②在合成炉运行过程中，人工火焰监测口视镜表面会被深黄色的冷凝酸覆盖，从而导致火焰观测口变得模糊不清，视镜受冷凝酸长期的积累影响导致操作人员无法及时对合成炉火焰过氯或过氢进行判断，对VCM装置的安全运行造成一定的影响。③随着氯碱化工企业的安全管理的相关要求升级，氯化氢合成炉控制室和合成炉不允许设置在同一个区域，对人工监测合成炉火焰造成了很大的影响。

针对上述存在问题，天冶化工制定了相应的解决措施。①在火焰观测口处增设自动清洗阀门和 PFA 水管，对火焰观测石英玻璃视镜进行清洗。清洗系统可通过DCS进行远程手动或自动清洗。在手动模式下控制阀的动作需通过手动执行；在自动模式下，通过对自动清洗时间的预先设定，实现对控制阀按预定的程序执行工作。②增加火焰在线监测系统。火焰检测系统是基于图形识别技术的集监测、识别及报警于一体的火焰检测系统，由计算机代替肉眼观察火焰颜色、亮度、形状、频率等要素，达到火焰断火报警、火焰偏烧报警、火焰颜色发红报警、火焰颜色发暗报警、过氯报警目的。同时，根据合成炉稳定运行时的火焰颜色预判出合成炉出口氯化氢气体纯度。

投用后经过调试摸索，火焰观测视镜最佳循环清洗时间为70 min，在此清洗循环时间内既保证了火焰观测视镜的干净又保证了火焰在线监测系统质量，火焰检测在线分析氯化氢纯度与人工分析值吻合度达98%。经过改造，完成了合成炉现场操作控制室与生产现场的分离搬迁。

2.6 氯化氢吸收酸系统自动控制

天冶化工氯化氢系统设有4套吸收系统，操作模式全为手动模式，该模式存在员工劳动强度大、转化紧急停车时倒氯化氢气体至吸收系统耗时长(50 min)，且倒回气体流量过大不能及时判断吸收水流量、人工分析滞后、吸收水不足导致氯化氢气体泄漏和尾气塔憋压带来较大的安全环保风险等问题。通过自动化改造，在DCS完全实现烧酸、倒酸操作。在吸收水流量、吸收水流量调节阀、氯化氢气体流量三者之间建立回路控制，实现吸收水流量根据氯化氢流量自动调节。

2.7 烧碱盐水及电解单元自动化改造

随着氯碱系统的不断发展，盐水系统和电解单元控制技术和水平基本达到顶尖水平，但结合每家企业实际，还能将安全生产管理和节能降耗工作做得更细，在细节上仍可下功夫。天冶化工做了如下改造：在一次盐水工序新增pH在线检测仪、ORP、流量计、调节阀、盐水浓度在线检测仪等，通过DCS程序控制，实现氢氧化钠、碳酸钠、盐酸、FeCl3等精制剂的自动投加、自动补水、自动倒槽以及自动切换机泵。还增加了碳酸钠过碱量和氢氧化钠过碱量在线分析仪。电解单元01P-174AB、01P-264AB、01P-274AB、01P-154AB，实现联锁自动启停及切换。即在每台泵出口增加止回阀和压力变送器，将机泵电动机更换为变频电动机，将机泵回流阀更换为调节阀，建立机泵变频控制泵压、泵出口液位调节阀自控储槽液位的逻辑关系，机泵在停运或晃电情况下自动联锁启动备用泵的联锁逻辑关系。有效解决了现场倒泵需劳动力多、晃电或机泵跳停等异常情况时造成阳极液循环槽01V-260和阴极液循环槽01V-270液位达联锁设定值造成系统跳停。

2.8 公用工程水、气装置操作控制自动化升级

通过增加DCS控制调节阀、快开阀、流量计对空压站、循环水站、纯水站、净水站，实施DCS自动操作控制改造，有效实施部分岗位合并，减少操作定员，提高工作效率。

2.9 DCS控制系统升级改造

天冶化工烧碱装置现用DCS为杭州和利时自动化有限公司HOLLiAS MACS V5控制系统，该系统自运行以来运行状况基本稳定，但随着计算机控制系统的飞速发展，该系统已暴露出一些问题：①烧碱DCS系统投运后的几年中，随着烧碱装置技改、新增项目的实施，DCS控制点位不断增加，HOLLiAS MACS V5控制器硬件配置偏低，现所负载I/O卡件数量已达到饱和状态。②HOLLiAS MACS V5控制系统为Windows XP操作系统平台下的版本，Windows XP操作系统软件已不受微软公司支持，而且市场上已买不到部分相应硬件。③HOLLiAS MACS V5控制系统使用的是服务器架构，采用双层网络技术，第一层为控制器与服务器数据通信；第二层为服务器与工程师站、操作员站数据通信。服务器在整套系统中起到连接操作员站与控制器的关键作用，服务器如出现故障，操作人员将不能进行任何监视和操作。服务器具有历史趋势记录、报警记录、SOE记录等重要功能。④HOLLiAS MACS V5控制系统不能完全实现无扰下装，增加硬件、程序有改动都需要装置停车后才能实施，有碍于新增、技改项目实施。⑤HOLLiAS MACS V5控制系统不能完全实现双屏显示功能，影响操作员监控操作；组态软件操作烦琐，不利于组态工程师进行组态工作。

综上对烧碱装置DCS系统升级，主要升级主控单元及操作员站，取消服务器，保留原有DCS系统各站的所有功能，包括组态的控制策略、操作、显示、报警、趋势显示、历史趋势和历史数据显示和查询以及OPC通讯、显示等，保留原有I/O卡件及点数。将烧碱DCS系统由HOLLiAS MACS V5升级至HOLLiAS MACS V6控制系统，操作员站由DELL 7010升级至及主流的惠普680G3并安装Windows 10操作系统。系统升级为实现装置各单元进行集中控制提供了有力保障，有效解决了在生产过程中DCS系统部分改造项目或回路控制程序优化组态完成下装过程导致系统跳停、关键指标趋势丢失等安全问题。

2.10 增加GDS报警系统和SIS联锁系统

2019年，天冶化工投用了气体检测报警系统(GDS)，提高了对生产现场有毒及可燃气体含量在线监测的准确性和稳定性，通过对有毒及可燃气体含量精确地测量、监测和联锁保护，给操作工人判断设备运行环境中可燃及有毒气体浓度状况提供了很好的依据，同时也为生产系统的安全稳定运行提供了可靠保障。天冶化工安全仪表项目作为云南省内第一家化工企业依据国家标准推行的SIS完整项目，具有较强的示范、带动和扩散能力，对促进产业结构的调整、优化、升级及产品的更新换代，以及行业的发展具有很大作用。

3 结语

通过上述改造、升级措施的实施，提高了企业的自动化控制水平，增强了装置的本质安全，改造实施后烧碱装置实现了两年一大修的检修目标，为企业控制检修成本打好了基础保障。同时，通过上述改造措施的实施，烧碱装置成功地实现了岗位合并优化，成功优化了岗位操作人员35人。

围绕高产稳产、减排降耗、对标法规标准、查找生产装置瓶颈，研究技术方案是开展技术改造工作的初衷，由自动化控制水平逐步转化为智能化控制水平并确保企业稳定健康发展是终极目标和努力方向，在不断提高和完善自动化控制技术水平的前提下，一定会实现终极目标。