摘 要：通過對氯堿生產中氯化氫轉化工序運行不穩定的主要因素進行分析，從改進測量方式、增加冗余配置、改變聯鎖邏輯等多方面提出了改進方案，提高了氯乙烯轉化工序運行的穩定性，為系統的穩定運行提供有力依據。
電石法聚氯乙烯生產工藝是用電石水解產生的乙炔氣體和前燒堿工序產生的氯化氫氣體混合進行反應生成氯乙烯，再經壓縮、精餾獲得高純氯乙烯，供聚合、干燥工序生產聚氯乙烯樹脂。在氯乙烯生產中， 乙炔和氯化氫以 1∶1.05～1∶1.1 的比例混合后進入轉化器。在轉化工序的聯鎖程序中，氯化氫總管流量和乙炔總管流量比值高高或是低低、 氯化氫管道出現反向差壓都會聯鎖氯化氫總管和乙炔總管切斷閥關閉。因氯化氫總管、乙炔總管切斷閥的關反饋信號為前系統停車的聯鎖條件， 引發前燒堿工序氯化氫生產系統停車。在以上的控制回路中，當出現乙炔和氯化氫流量測量波動、氯化氫管道反向差壓故障、切斷閥誤動作等非工藝生產故障時， 便會啟動聯鎖程序，造成系統非正常停車，影響生產安全和穩定，給企業帶來經濟損失和不良的社會影響。 本文針對氯化氫流量測量裝置精度低、易故障、氯化氫反向差壓測量不準確、氯化氫總管切斷閥故障、聯鎖判據單一易啟動聯鎖幾個造成轉化工序運行不穩定的重點因素進行了分析，查找問題和故障出現的原因，并針對問題提出了改進方案， 提高氯乙烯轉化工序運行的穩定性，維護企業生產安全穩定，保證企業設備和人員安全。
1 氯乙烯轉化工序穩定性差的原因分析
1.1 氯化氫流量測量裝置精度低、易故障
進入轉化工序的氯化氫氣體是由前燒堿工序生產的，因工藝特點，前工序生產的氯化氫氣體含有少量水分， 輸送至轉化工序的氯化氫管道一般都采用PVC 、 PE 等耐腐蝕材質。 目前行業針對此工藝狀況，氯化氫氣體的測量大都采用孔板流量計， 取壓方式為法蘭取壓。 孔板采用 PVC 材質，孔板法蘭、取壓短管采用與管道同材質， 安裝時將孔板法蘭與管道焊接連接。 采用 PVC 材質的孔板，受材質和加工工藝的影響，孔板易老化變形且測量精度低，而且這種測量方式連接處泄漏點多， 容易發生氯化氫泄漏事故且不易檢修維護。在使用過程中，取壓短管受環境溫度變化的影響易老化，加之本身比較細，時常出現取壓短管斷裂，導壓管連接處泄漏等故障，引起測量波動，導致整個生產系統聯鎖停車，造成經濟損失，威脅安全生產。
1.2 氯化氫反向差壓測量不準確
在氯化氫氣體和乙炔氣體混合過程中， 當出現氯化氫上游來料流量低或乙炔氣上游裝置乙炔壓縮機回流系統壓力調節回路失效造成乙炔系統壓力升高的非正常工況時， 如若處理不及時便會出現乙炔氣逆流至氯化氫管線的情況， 危及生產安全和造成經濟損失。為了檢測乙炔氣體是否出現逆流情況，通過測量氯化氫孔板前后的差壓來判斷。 在節流孔板前后各安裝一臺壓力變送器， 當出現乙炔氣逆流現象時，孔板后的壓力值大于孔板前壓力值，發出報警信號，延時數秒后聯鎖投入，氯化氫總管、乙炔總管切斷閥關閉。 但在實際測量中， 因氯化氫管道壓力低，一般為幾千帕，對測量儀表的要求較高。 安裝在孔板前后的兩臺壓力變送器因安裝位置不同， 特別是安裝在室外，受環境影響大，容易出現測量偏差，造成差壓值測量不準確， 出現誤報警甚至導致聯鎖停車。 而且這種測量差壓的方式需要對兩臺壓力變送器的測量值做差值， 單臺出現故障或是測量不準確，都會影響差壓值，測量穩定性差。
1.3 氯化氫總管切斷閥故障
在轉化工序聯鎖邏輯中， 當出現氯化氫總管流量和乙炔總管流量比值異常、 氯化氫孔板前后出現反向壓差的情形時，總管切斷閥聯鎖動作，隨即切斷閥關信號聯鎖上游裝置停車。由此聯鎖邏輯分析，氯化氫總管切斷閥關信號也是重要的聯鎖條件。 在生產實際中，即使氯化氫、乙炔進料正常，一旦出現儀表氣源故障、電磁閥失電等單一故障時，切斷閥也會故障關閉，造成裝置停車，危害生產穩定。 限位開關進水短路也可能會將關反饋信號送至 DCS ，切斷閥沒有關閉也會造成上游裝置聯鎖停車。
1.4 聯鎖判據單一易啟動聯鎖
現有氯乙烯轉化系統中氯化氫反向差壓、 氯化氫和乙炔流量比值均為單判據聯鎖條件， 存在單臺儀表損壞導致的系統聯鎖停車風險。 單個變送器及導壓管線腐蝕、泄漏、損壞、斷線等故障均會導致系統聯鎖停車。
2 改進措施
2.1 改變氯化氫流量測量裝置材質和結構形式
2.1.1 選用純金屬材質的節流孔板提高檢測精度
在差壓式流量測量中常選用標準節流裝置，對于轉化工序氯化氫這種工況流量的測量可選用標準孔板。 一般用于腐蝕性介質測量的孔板材質為聚四氟乙烯等耐腐蝕非金屬材質。 這種材質的孔板在加工時，加工精度低，而且受溫度和環境的影響大，長時間使用還會出現孔板變形，降低測量精度 [1] 。 為解決非金屬孔板存在的問題， 可考慮選用一種合適的金屬材質孔板。 通過查閱金屬耐腐蝕表， 對加工工藝、材料性質、產品價格等綜合對比，可將節流孔板材質改為哈氏合金 C 的金屬材質，該材質對氯化氫氣體有很好的耐腐蝕性， 且金屬材質在進行加工時，對開口和坡口的加工精度都高于非金屬材質， 從根本上解決了孔板精度低、材質易老化變形等問題。
2.1.2 采用徑距取壓方式提高穩定性
標準孔板常用的取壓方式有角接取壓、 法蘭取壓和徑距取壓。 角接取壓和法蘭取壓的取壓位置在環室或法蘭上， 取壓短管直徑較小， 若為非金屬材質，取壓管根部強度低，在安裝或維修時，易出現根部斷裂的情況。 并且長時間安裝在現場， 受環境影響，也易出現老化斷裂的情況，造成氣體外泄，威脅生產和人身安全。 一般轉化工序的氯化氫總管直徑較大，按照一般規定，當管道直徑大于等于 350 mm時，可選用徑距取壓方式，這種取壓方式的取壓裝置和節流裝置是分開的，取壓孔在管道上，兩個取壓孔的中心位置分別位于孔板端面的前 1D 處和后 1/2D處， D 為管道的實際內徑。 以DN600 管道為例，徑距取壓節流裝置結構圖見圖 1 。
標準孔板前后管段的制作方法簡單， 可按照圖紙尺寸單好制作， 前取壓管段距節流孔板一個管道直徑的位置開取壓孔， 在取壓孔上焊接鋼制取壓短管及法蘭，整個裝置做好后進行內部反襯處理，后取壓管段的制作同前取壓管道。 采取圖 1 的徑距取壓裝置結構從根本上解決了取壓導管老化變性、 易斷裂的問題，提高了測量裝置的穩定性。圖 1 的裝置結構，前取壓管道、標準孔板、后取壓管道各部件相對好立，互不影響，方便安裝更換和維修拆檢。 取壓短接材質采用鋼襯，內部襯層耐氯化氫氣體腐蝕，本體材質為碳鋼，剛度強，不會出現斷裂情況，結實耐用，而且取壓短接直徑較大， 在運行中不會出現積液和堵塞問題，提高了測量系統的穩定性。
采用上述取壓結構的裝置， 正負取壓管的過程連接形式為 DN50 法蘭連接， 可連接高精度的雙法蘭差壓變送器，直接將法蘭用螺栓連接即可，但目前行業內這種變送器的量程為 0~1.0 kPa ，僅在這個量程范圍內可選用，超過這個量程就無法選用。由于轉化工序氯化氫總管的差壓值較小，一般為幾千帕，符合這種量程要求的變送器都為差壓配管式， 所以要解決變送器與取壓法蘭連接的問題。 變送器與取壓裝置連接示意圖見圖 2 。
變送器接頭選用耐腐蝕的哈氏合金材質， 變送器連接法蘭選用 DN50 哈氏合金盲板制作， 中間開孔。 導壓管選用 PFA 材質，采用壓接的方式與變送器接頭和變送器法蘭相連接。 螺栓、螺母、墊片按一般要求與 DN50 法蘭連接即可。 法蘭式截止閥采用與管道同材的鋼襯材質， 可滿足氯化氫氣體的防腐蝕要求。 圖 2 的連接方式解決了配管式差壓變送器與取壓短管的法蘭連接問題，且材料結實耐用，密封性好，耐腐蝕，解決了原導壓管路老化變性、易斷裂的問題，提高測量裝置的穩定性。
2.2 采用差壓變送器測量氯化氫孔板前后壓力差
氯化氫總管壓力低，孔板前后幾千帕的壓力差，采用兩臺好立的遠傳壓力變送器進行測量， 受周圍環境和變送器本身測量精度的影響， 很容易出現測量誤差。采用兩臺壓力變送器測量，當有一臺變送器出現斷線、測量波動等情況時，便會影響正常測量。
為了解決上述問題，采用圖 1 的結構，在前后取壓管道增加一對取壓孔， 參照氯化氫流量測量裝置的安裝方式，按照圖 2 的連接方式安裝一臺差壓變送器，用于測量氯化氫氣體反向壓差。 這樣孔板前后的差壓值通過差壓變送器內部計算得出， 不受安裝位置和環境因素的影響， 消除了兩臺壓力變送器單好測量的測量偏差。采用這種測量方法，測量結果更為準確，測量的穩定性也得到很大提高。
2.3 降低氯化氫總管切斷閥故障措施
2.3.1 采用電磁閥并接冗余配置方式
一般情況下，切斷閥配有一臺電磁閥，通過控制電磁閥得失電控制切斷閥的開關。 氯化氫總管的切斷閥為故障關的閥門， 一旦出現電磁閥接線頭松動或線頭脫落、電磁閥接線口進水、電磁閥線圈燒壞等常見故障，便會造成電磁閥失電，導致切斷閥意外動作，從而引發聯鎖停車。 為了避免以上情況發生，可以采用雙電磁閥冗余配置的連接方式，見圖 3 。
圖 3 中，電磁閥 1 的出氣口 B 接電磁閥 2 的排氣口 C ，正常工作狀態下，兩臺電磁閥同時勵磁，儀表空氣通過電磁閥 2 為切斷閥供氣。 采用兩臺電磁閥并接的配置方式， 當一臺電磁閥出現故障或是斷電的情況，另一臺電磁閥正常工作，氣動開關閥不受影響，只有當兩臺電磁閥同時失電或故障，氣動開關閥才會動作， 不會出現單臺電磁閥故障造成的閥門誤動作從而引發聯鎖事故的發生， 系統具有高穩定性的特點。
2.3.2 采取氣源防誤碰措施
在生產現場，巡檢人員、檢修人員及施工人員在工作過程中存在誤碰現場設施的風險， 尤其是現場施工人員。切斷閥儀表氣管和氣源球閥一旦誤碰，便會造成閥門失氣而意外動作，破壞生產穩定。可以在氣源球閥處懸掛警示標牌， 并將氣源球閥位于開的位置進行綁扎處理，防止人員誤碰。對于安裝在室外的氯化氫總管切斷閥，可以為閥門安裝防雨罩，減少雨雪天氣穿線管進水的風險， 避免閥門誤動作引起聯鎖停車事故。
2.4 采取三選二聯鎖邏輯提高系統的穩定性
現有氯乙烯轉化系統中，氯化氫流量、乙炔流量設有流量報警和流量比值調節，人員可以及時響應。當出現氯化氫和乙炔流量比值高高或是低低時，延時一段時間聯鎖投入，切斷閥關閉，在延時的時間段內， 如果操作人員處理及時， 可以避免停車事故發生。 但是氯化氫反向壓差的聯鎖條件比較嚴格，當壓力差出現負值時，延時幾秒后就投入聯鎖。當用于測量氯化氫差壓的裝置出現導壓管線腐蝕、泄漏，變送器斷線、進水、損壞等故障時均會引發系統聯鎖，存在很大的風險。
為了解決單一聯鎖存在的風險， 可以增加測量設備，采用三取二的聯鎖邏輯結構，提高系統的安全性和穩定性 [2] 。《石油化工自動化儀表選型設計規范》中提出，當一套節流裝置需要配多臺差壓變送器時，可在節流裝置上開多對取壓孔，但#多不超過 4 對。在制作氯化氫孔板的前后直管段時，開 3 對， 1 對用于氯化氫流量的測量， 另外 2 對用于氯化氫反向壓差的測量， 這種開孔方式和開孔數量符合設計規范要求。在具體實施中，測量氯化氫流量的差壓變送器同測量反向差壓的兩臺差壓變送器量程上限設定一致， 將流量差壓變送器的量程下限由零改為同兩臺差壓變送器的量程下限， 這樣 3 臺差壓變送器的量程范圍設定一致。 原氯化氫流量的測量和聯鎖程序保留，不受增加儀表影響。 DCS 在程序上取流量差壓值和兩臺反向差壓值作為三取二聯鎖條件。 這種聯鎖結構采用 3 個測量儀表進行測量， 對 3 個測量結果兩兩取值，只要有兩個測量值在正常范圍內，便不會啟動聯鎖。 這樣，即使有一臺儀表出現故障，也不會造成聯鎖停車。 而且， 3 臺變送器的值還可以相互比對，及時提醒維修人員對儀表進行校驗。采用這種邏輯結構， 系統的安全性和可用性都得到了很大提高。
3 結語
綜上所述，為針對氯乙烯轉化工序運行不穩定的常見問題給出的技術解決方案，其中氯化氫流量測量裝置材質和結構形式改進方案結構簡單、易于實現，并可以從根本上解決老化、斷裂、腐蝕等問題，同時該方法也適用于其他大口徑小差壓腐蝕性氣體的測量，對此工況的流量儀表選用安裝有很大的指導意義。 另外，在對電磁閥進行冗余配置的同時，還應重視電磁閥本體性能方面的選用，以提高單臺電磁閥的可靠性，例如一般的電磁閥內部接線空間狹小，不利于反復打開密封壓蓋檢查，可選用帶好立接線空間的新型防爆電磁閥，實現接線端子與機械動作空間的隔離。在腐蝕環境現場增加好立防護箱，將現有過濾減壓閥、電磁閥等元件進行密封防護，杜絕現場腐蝕環境對氣路、線路等的腐蝕隱患，另外，還應從設備管理、設備定期維護保養等多方面入手解決生產中常見問題，維護系統安全穩定運行。
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