氯气液化方法及工艺改进

侯凤银

（唐山三友氯碱有限责任公司河北省聚氯乙烯技术创新中心，河北 唐山 063305）

唐山三友氯碱有限责任公司目前烧碱产能53万t/a，氯气下游产品有盐酸、氯化氢、次氯酸钠、液氯及多种型号的聚氯乙烯树脂等[1]。 液氯工序属于“两重点一重大”范畴，且为3 套烧碱装置的共用装置，是氯气平衡的关键节点。 随着烧碱产能不断扩大，液氯流程单一，设备故障等影响负荷调控，已不能满足总体调控需求。 因此，对液氯工序进行重点管控，不断优化工艺，提升设备及设施水平，是装置持续安全平稳运行的关键。

1 氯气液化方法优选

1.1 氯气液化原理

气体液化的条件：（1）增压；（2）降温。 只要低于最高液化温度，某一温度必有一个对应的压力可以使氯气液化。 氯气的液化温度与压力成单值函数关系[3]，关系对照表见表1。

表1 氯气饱和蒸汽压力与温度的关系对照表

1.2 低压法的选用

根据氯气液化压力的不同将液化方法划分为高压法、中压法及低压法。 随着氯气压力的升高.对设备的要求也越高.安全隐患也越大。 近年来，由于设备的改进，逐渐向中低压方向发展，一般都采用氟利昂冷冻工艺生产液氯[4]。 通过对当前氯气液化设备专业发展进行调查，低压机组相比高压机组具有结构紧凑、体积小、生产环境好的优势。 氯气液化器为列管式，无中间冷媒、冷损低。 另外压缩机的螺杆容积效率高，单机压缩比高，单机能力大。

原有氯气液化工艺流程采用高压法，液环式高压机为主要设备，高压机的液环工作液为浓度98%浓硫酸。 由于压力较高，高压机维修频次高，影响生产负荷调整，工艺处理难度较大，维修费用高昂，给日常生产带来不少困扰。

通过分析现有问题及低压机组的优势，计划使用低压机组改善液氯状况。 低压机组滑阀装在气缸壁下部两圆交汇处， 与两螺杆外圆柱面紧密配合，负荷可在10%~100%范围内进行无级调节， 负荷调整主要是通过滑阀的移动改变螺杆的有效工作长度（即改变压缩机阴、阳螺杆齿间工件容积），以达到能量调节的目的。 氯气液化机组日常运行时的主要控制参数见表2。

表2 氯气液化机组主要参数

1.3 运行问题及措施

（1）运行问题

低压机组投用后有效解决了高压法存在的问题，优势明显，但液氯DCS 系统只能监控低压机组电流，不能对运行数据及时全面监控和调节，生产负荷发生变换时需操作人员至现场调整机组设定参数，存在一定的等待时间。

（2）优化探索

基于以上低压机组调控依赖现场人员进行PLC控制的问题，提出对液氯系统低压机组增加远程控制部分，对重要机组进行在线监测，将低压机组现场PLC 控制箱内数据引入液氯DCS 系统，可随时调整其运行参数。 根据生产负荷随时调整机组设定参数，保证生产安全稳定，提高装置自动化水平，降低操作人员劳动强度。

1.4 改进效果

在使用PLC 控制柜控制低压机组负荷时，由于操作人员离机组较远，在烧碱系统开车初期以及生产异常情况下，需要现场人员通过机组控制箱手动调节机组负荷，调节缓慢。 按影响产量时长15 min、每次影响电流调整2 kA、每年20 次进行计算，依据1 kA 电流1 h 烧碱产量为2.685 t、 烧碱生产成本810 元/t、不含税售价1 671 元/t 计算。

改进控制方式后增产烧碱产生的经济效益：

（1 671-810）×2.685×20×2×15÷60=2.3（万元/a）。

另外，项目实施后减少了现场人员配置及工资成本。

国家对氯碱行业安全生产越来越重视，氯气液化及包装岗位作为氯碱公司重大危险源成为重中之重。将低压机组控制引入DCS 系统后改变了液氯生产负荷现场调节滞后和操作人员劳动强度大的弊端，极大提高了液氯岗位的负荷调整速度，提高自动化水平，保证生产安全稳定。 有利于合成炉突然灭炉、外送氯气停车等突发情况的应急处理和公司的总体氯平衡。

1.5 操作及异常处理

通过投用及运行中的摸索改进，稳定性和负荷调整能力都有了很大提升，操作简便快捷，以下是低压机组操作及异常处理措施。

1.5.1 氯气液化机组开机操作

（1）确认液化器氯气进口阀、尾气出口阀、尾氯切断阀及其前后手动阀打开，确认液化器抽空阀、泄压阀、尾氯切断阀旁路阀关闭，打开液化器出液阀。

（2）确认氯气液化机组的吸气阀、排气阀，氟冷却器进气阀、出液阀，经济器进、出口阀，氟储罐进液阀，蒸发器供液阀，冷却系统阀门，油系统阀门打开。

（3）打开氟冷却器的循环水出口阀、进口阀，打开氟储罐出液阀。

（4）确认油分温度在20 ℃以上，过滤器后油温在7.4 ℃以上。

（5）检查喷液冷却旁路阀，确认阀门关闭。

（6）DCS 将吸气压力设定值设定为当前机组吸气压力值。

（7）按“机组启动”按钮，启动机组。

（8）待排气温度达到60 ℃，现场逐渐开喷液冷却旁路阀，控制排气温度在55～65 ℃。

（9）依据缓冲罐压力调整低压机组吸气压力设定值，将缓冲罐压力控制在85～110 kPa。

1.5.2 氯气液化机组正常停车操作

（1）依缓冲罐压力逐渐调高待停机组吸气压力设定值，使机组滑阀开度降至10%以下。

（2）点击“机组停止”按钮，停机组。

（3）关闭停机机组氟储罐出液阀。

（4）若无特殊要求不得关闭尾氯切换阀及其前后手动阀。 如需关闭，需提前开大液氯储罐平衡管与尾氯管联通阀，以保障供合成尾气量。

1.5.3 两台低压机组运行任意一台发生停机处理措施

协调降低液氯负荷。 调节运行机组吸气压力，增加另一台运行机组带量能力，允许短时将机组吸气压力调至低限值；依据循环碱液浓度增加进次钠装置氯气量，利用提高制酸炉进气量的方式降低送液氯量，协调降低电解槽运行负荷。 根据氯气分配台的压力情况可以短时选择走废氯气泄压。

低压机组停机后，调节跳停机组吸气压力至高值，将滑阀开度降至20%以下。 检查停机机组状态，排查停机原因。 待停机机组吸排气压差降低至允许启动范围后，尝试开启停机机组，如机组不具备开机条件联系技术人员排查具体原因。 3 套烧碱系统需考虑快速降低负荷， 降电流或合成炉提高负荷，减少液氯产量，避免废氯气量过大造成跑氯，必要时可以考虑停1 套烧碱系统快速降低液氯负荷。

2 流程优化

氯气液化工序不仅在设备选型、液化途径等方面进行改进， 结合自身实际生产调节及运行情况，不断优化流程，例如氯气输送、泄漏检测、商品次钠和处理装置的投用， 平衡管线及缓冲罐的设置等，以下简要对其中两项工艺改进进行介绍。

2.1 氯气外送流程

2.1.1 原流程存在的问题

原有液氯工序工艺流程单一，氯气只有以液氯槽车及钢瓶充装的方式进行外售。 在节假日升级管理期间，对液氯储量进行低控，随之带来的是PVC、盐酸、氯化氢等氯下游产品负荷不能提升的前提下烧碱负荷将直接受制于液氯工序产量低控的限制，导致烧碱负荷降低。 影响产量的同时增加单位消耗，成本增加。 在此情况下进一步对液氯工序的流程进行多元化设置，增加调节能力成为必要。 原氯气液化工序流程图见图1。

图1 氯气液化工序流程图[2]

2.1.2 改进方案

针对以上问题， 结合周边实际耗氯气企业逐渐发展，产生了较大的气氯输送缺口。因此在原有氯气液化流程基础上增加外送氯气流程，主要增加1 台氯气透平式机用于加压输送， 能够在一定程度上改善氯平衡调整情况。改进后的工艺流程见图2。

图2 氯气液化工序改进后流程

项目首先确定氯气外送能力按照6 万t/a 进行设置。 氯气系统流程是将来自前工序的氯气进入主机的一级进口，通过叶轮高速旋转，气体受离心力作用，获得较高的速度和压力，并在叶轮的中心形成一定的负压，从而实现对气体的连续吸入。 高速气体离开叶轮后进入扩压器 （扩压器为无叶扩压器），由于流道面积的扩大，气体的速度能转变为静压能，在此过程气体会放热，并且高速流动的气体摩擦损失也大， 这种损失造成气体温度的升高， 高温气体由后面的蜗室收集并引至输出管道至冷却器进行冷却， 冷却后的气体又被下一级叶轮吸入、压缩，依次经二级压缩后，使氯气气体的压力由0.1 MPa 提高至0.30～0.41 MPa。

2.1.3 设备说明

选用的压缩机设备规格型号见表3。

表3 规格型号一览表

（1）设备机组技术说明

设备由压缩机、电机、增速箱、联轴器、底座、油站、启动柜、仪控柜等组成。

氯气：压缩机采用二级压缩，气体由系统进入压缩机，经一级压缩后进入中间冷却器，冷却后的气体进入二级压缩，二级压缩后的氯气经后冷却器冷却后进入系统用氯气单元。 机组设有自身回流，以方便系统开车和调节负荷。 机组设有防喘振系统，事故氯气排至废氯气吸收塔，开车时可用做排低浓度氯气用。

密封气：密封气经调节阀，进入密封组件的密封气进气口，大部分密封气排入大气，另一部分随经迷宫梳齿卸压后的氯气被压缩机入口或废氯气吸收塔抽出。

冷却水：冷却器冷却水采用无压回水，冷却器泄漏后能够及时发现，保证冷却水不进入氯气系统。

（2）油系统

透平式氯气压缩机主油泵由增速箱的输入轴拖动。辅油泵为齿轮油泵，由电动机拖动。主机开车之前，启动辅油泵供油，这时油箱内的润滑油经入口粗滤器（100 目）、进入齿轮油泵增压后一路经油冷却器、精滤器（10 μm）后向主机供油，一路经回流阀回油箱，另外一路向轴头泵充油。 当主机运行时，主油泵工作，油压升高至大于0.35 MPa 时，自动停辅油泵， 这时润滑油经粗滤器进入主油泵增压后，经冷却器、精滤器向主机供油。

（3）密封气系统

机组的轴封形式是迷宫密封，但迷宫密封只是一段阻力极大的流道， 为了有效地阻止氯气的泄漏， 机组采用了三腔四段抽充气相结合的结构，它包括密封气充入腔、混合气体排出腔、平衡泄压腔，其机能是： 密封气通过自动阀进入密封气充入腔（使密封气充入腔比混合气体排出腔压力高， 以迷宫式密封排出腔无氯气排出为准）， 进入密封气充入腔的气体大部分经迷宫排向大气，小部分经迷宫后进入混合气排出腔，与从平衡腔中经迷宫过来的氯气一起通过混合气排出管至废氯气吸收塔系统，平衡腔通过平衡管与一级入口相连，起平衡泄压作用。 密封装置的可靠性主要取决于密封气源的稳定性和自控调节阀控制的可靠性。

密封气只有在密封气系统发生故障停车时才允许停止供气。 否则，不论机组是否运行均需向机组供气，保证机组内氯气不进入空气、机组外空气不进入机组内。

（4）压缩机主机系统

压缩机主机系统主要由压缩机、增速箱、主驱动电机、联轴节、联轴器防护罩等组成。 压缩机、增速箱、主电机采用公用底座。 主驱动电机与增速箱，增速箱与压缩机之间通过挠性联轴节连接，主驱动电机为三相异步电机。 压缩机出口与外部工艺管道的连接均采用膨胀节连接，以消除管道热膨胀和安装的附加应力。

2.1.4 常见故障原因及处理方法

（1）换热器泄漏

换热器泄漏是常见的故障之一， 也是机组安全运行的一大威胁， 由于冷却器泄漏不易从运行参数中发现，因此需要在回水侧安装ORP 计，随时监测回水中的ORP 值。当回水ORP 计显示值迅速大幅上涨时，DCS 操作人员立即通知现场打开循环回水导淋阀，如有氯气味直接判断换热器漏，如无氯气味联系质检部对回水取样分析含游离氯情况，如确认换热器泄漏，立即停机组并将泄漏换热器内循环水放净。

（2）主机喘振

喘振是一种低频、高振幅的气流压力脉冲。 严重时发出轰鸣声，机身强烈振动，出口压力、电流剧烈波动。 由于气流在扩压流道或叶轮叶道发生较为严重的边界层分离，产生二次涡流，气流的冲击损失急剧增加，气流阻力也随之增加。 压缩机时而向管网排气，时而管网中气流倒灌。

喘振调节：常见的喘振发生在小流量运转和机组出口压力小于输出压力时。 因此防止流量过低运转是关键， 要求控制机组入口压力在85 kPa 以上，若出现入口压力突然大幅下降，应迅速开大喘振调节阀，并逐渐减少外送氯气量。 若发生喘振现象（表现为机组电流大幅波动，轴振动、轴位移明显变大，现场表现为机组大幅震动、 连接管道大幅晃动、机组运行声音明显变大并与正常运行时有明显不同）， 应迅速开大喘振回流阀， 并逐渐减少送氯气量，直至机组喘振现象消失。 若防喘振回流阀全开，机组喘振现象仍未消失，应停机组，以免伤害主机。

2.2 安全仪表系统

2.2.1 存在问题

液氯储罐作为液氯储存的重点设备，储罐的液位若显示不准确，可能出现物料冒顶泄漏或抽空的危险，因此罐区液位为主要控制参数。 DCS 系统中设置液位计，只要达到联锁条件会执行紧急事故联锁。 液氯存储单元作为重大危险源进行重点管控，若是DCS 系统或者储罐液位计、进出液阀门出现故障造成实际联锁条件达到， 但是联锁未有效执行时，会存在很大的安全隐患。 因此研究提供安全解决措施，在重大危险源设置上非常必要。

2.2.2 改进措施

安全仪表系统（简称SIS）是安全等级高于DCS的自动化控制系统，当系统出现异常时，会自动地按照预先设定的安全功能规范进行保护干预，降低事故发生的可能性。 SIS 系统使用独立的传感器，逻辑计算器和执行机构。 这种系统可以解决之前存在的仪表及系统故障带来的安全问题，确认针对液氯储罐工艺要求进行针对性的设计。

（1）设计内容

液氯安全仪表系统主要针对6 台液氯储罐进行设计，液氯储罐增加液位计、进口管线增加切断阀、出口管线增加切断阀。

安全仪表系统现场控制箱上每个储罐进液和出液切断阀均设置了紧急处理旋钮，当旋钮打至断开位置，对应阀门自动关闭，DCS 无法操作阀门。

主控画面每个阀门都设置手动、自动、复位和联锁解投按钮，正常情况下阀门都在自动状态，当储罐液位达到联锁值后执行联锁。 选择手动开关后阀门可以手动开关。 手动开关只能在遇到特殊情况时使用，且需在储罐液位正常时才可使用，选择手动开关后阀门可以手动开关，检修完成后需选择回自动。

（2）联锁逻辑关系

a.SIS 联锁旁路不投，联锁不执行，阀门呈开启状态。

b.旁路开关投入，联锁条件满足，执行联锁程序。

c.联锁执行后对阀门保持关闭状态，联锁条件消失后也不会开启，使用复位开关恢复阀门开启状态。

d.联锁条件满足并且旁路开关投入，复位开关不起作用，需要解除旁路开关，才能使用复位开关进行阀门复位操作。

下面以V-604B 罐为例， 液氯储罐安全仪表系统联锁逻辑见图3。

图3 液氯储罐V-604B安全仪表系统联锁逻辑图

2.2.3 投用效果

液氯储罐作为氯碱公司重点监控的重大危险源， 其装置安全设施水平直接影响周边人员的安全。 要保证液氯工序生产稳定及创造利润，不断提升重大危险源的安全设施水平永远是最重要的课题。 没有液氯储罐的运行安全，创效无从谈起。

区别于一般的联锁单纯设置一个联锁投入及解除开关，SIS 系统的联锁设置了自动、联锁开关及复位开关等多个开关及判断条件，联锁逻辑细节设置也体现了安全防控等级要求。 SIS 系统投用后，能够在储罐实际液位出现过高或过低且原本仪表阀门及DCS 系统失效条件下执行联锁保护动作，从而不需要依赖操作人员的经验进行紧急处理。 SIS 系统是对液氯工序的安全平稳运行增加的一道双层保障，联锁的执行有效提高了重点管控部位的风险防控水平。

2.2.4 事故应急处理预案

安全仪表系统增设后安全风险防控水平增加，但是也会带来相应的问题，对于应急事件发生时的处理需要设置对应的方案。

安全仪表系统故障， 造成其中部分储罐进液切断阀关闭。若执行联锁储罐为进液储罐，则打开一台其他在用储罐进液；若执行联锁储罐未进液，联系仪表排查原因，待故障恢复后正常使用。若所有储罐进液切断阀关闭， 立即通知现场人员至现场检查，并通知值班长联系各岗位紧急降低送液氯工序氯气量，待故障恢复后，恢复生产。

安全仪表系统故障， 造成储罐出液切断阀关闭。 若为正在包装的储罐，可造成液氯加压泵供液量不足，此时应立即打开其他高液位在用储罐出液阀门，若其他储罐液位全部都在10%以下则停液氯加压泵，停止包装；若所有储罐出液切断阀关闭，应立即停液氯加压泵停止包装，并通知现场人员及仪表人员排查原因，待故障恢复后恢复正常使用。

3 结语

通过液化设备优化选择，解决了高压法对设备及管道要求高、 检修频繁及设备维护费用高的弊端。 采用低压法避免了使用浓硫酸作为高压机工作液、日常操作不便、安全风险高等影响，降低了过高的系统压力带来的重大安全隐患。 采用低压法生产液氯后生产更易操作，设备检修费用低、运行安全可靠。 进一步将联锁及控制程序由现场PLC 控制引入DCS 控制系统，使液氯负荷调节不依赖于操作人员至现场进行操作，保证了负荷的便捷调控，提升了装置异常处理能力。

液氯工序增加以气态氯气形式输送至周边企业工艺流程， 也降低了液氯工序的平衡生产的压力。 另外，氯气液化工序还增加了商品次钠、平衡管线及缓冲罐等多元化流程改进，总体氯平衡能力得到提升。 液氯储罐单元双液位计及双进出口液阀门的安装及安全仪表系统联锁程序的独立设置，氯气泄漏预防设施的增设等系列优化，液氯工序负荷调整能力不断增强，安全风险防控设施水平得到提升。