黃麗梅

（中建安裝石化工程設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 210049）

氯化氫合成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黃麗梅

（中建安裝石化工程設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 210049）

重點(diǎn)介紹了氯化氫合成的工藝流程，控制系統(tǒng)的總體硬件方案，氯氣、氫氣流量的雙閉環(huán)比值控制，流量測(cè)量的溫壓補(bǔ)償，氯化氫合成開車的順序控制以及自動(dòng)聯(lián)鎖停車控制。

氯化氫合成；冗余；雙閉環(huán)；比值控制；順序控制；聯(lián)鎖停車

1 氯化氫合成工藝簡(jiǎn)介

從上游工段送來(lái)的氯氣和氫氣分別經(jīng)過(guò)氯氣緩沖罐、氫氣緩沖罐、氯氣阻火器、氫氣阻火器，通過(guò)流量調(diào)節(jié)比例控制后（氯氣與氫氣比例為1∶1.05～1∶1.1）進(jìn)入三合一合成爐底部的石英燈頭。

三合一合成爐內(nèi)有氣體燃燒、冷卻和吸收3個(gè)過(guò)程。氯氣走石英燈頭的內(nèi)層，氫氣走石英燈頭的外層，二者在石英燈頭燃燒。吸收水從三合一合成爐頂部進(jìn)入，經(jīng)布液成膜狀沿合成爐壁下流至吸收段，再經(jīng)分酸環(huán)流入降膜式石墨吸收段，與氯化氫氣體逆流接觸。氯化氫不斷被稀酸吸收，氣體濃度越來(lái)越低，而酸濃度越來(lái)越高，而過(guò)量的氯化氫氣體經(jīng)三合一合成爐頂部的分離段，進(jìn)行氣液分離。濃鹽酸進(jìn)入到鹽酸中間罐，未被吸收的氯化氫尾氣從三合一合成爐頂部的側(cè)部進(jìn)入到尾氣吸收塔。由二次鹽水及電解工段的純水泵送來(lái)的純水，經(jīng)尾氣吸收塔吸收氯化氫尾氣后流入到三合一合成爐的頂部。從尾氣吸收塔出來(lái)的不凝氣用引風(fēng)機(jī)抽走。三合一合成爐爐內(nèi)生成的氯化氫燃燒熱和氯化氫溶解熱被冷卻水帶走，送至循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。

2 控制系統(tǒng)的硬件配置

本方案采用的是SIEMENS公司的SIMATIC S7-400FH型的PLC為控制系統(tǒng)。系統(tǒng)控制器由2套CPU417-4H冗余組成，主CPU和熱備CPU之間通過(guò)冗余光纖鏈接，這種鏈接可以使2個(gè)CPU保持“事件驅(qū)動(dòng)同步”程序掃描[1]，見(jiàn)圖1。即使主系統(tǒng)CPU發(fā)生故障，熱備系統(tǒng)CPU的工作也能保證實(shí)際運(yùn)行的連續(xù)性。

系統(tǒng)所需的輸入/輸出模塊均安裝在西門子ET-200M分布式I/O站上，主站與從站分布式I/O站之間的通訊配置為冗余模式，即每個(gè)ET-200M分布式I/O站上安裝2個(gè)153-2接口模塊，做為主接口和備用接口，而主、備CPU17-4H的DP接口分別通過(guò)PROFIBUS-DP總線連接到每個(gè)IM 153-2接口模塊，從而構(gòu)成2條冗余PROFIBUS-DP通信總線，以便將各種I/O信號(hào)傳送到PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理[2]。而在上位機(jī)（Wincc）與PLC的通信中，則采用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)，且將WinCC配置成OPC客戶端，將SIMATIC NET配置成OPC服務(wù)器，并采用西門子公司的CP443-1工業(yè)以太網(wǎng)通信處理器模塊和CP1613工業(yè)以太網(wǎng)卡，在安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序之后，建立上位機(jī)與PLC之間基于Simatic Net OPC方式的通信。

圖1 控制系統(tǒng)的硬件配置

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

氯化氫合成控制系統(tǒng)中，流量的溫壓補(bǔ)償功能采用結(jié)構(gòu)化控制語(yǔ)言（Structured Control Language，SCL）來(lái)處理復(fù)雜數(shù)學(xué)函數(shù)的運(yùn)算。三合一合成爐的順序控制采用順序功能圖語(yǔ)言（S7-Graph），主要是將整個(gè)控制過(guò)程分解為許多擁有具體功能的步（Step），當(dāng)相鄰2步的轉(zhuǎn)換條件符合要求后，上一步動(dòng)作結(jié)束而下一步動(dòng)作開始，按一定的順序控制，從而組成完整的控制程序。其中，步與步之間的轉(zhuǎn)換、互鎖和監(jiān)控等可采用梯形圖（Ladder Diagram，LAD）和功能塊圖（FunctionBlockDiagram，F(xiàn)BD）語(yǔ)言編程[3]。自動(dòng)聯(lián)鎖停車程序采用連續(xù)功能圖（Continuous Function Chart，CFC）[4]進(jìn)行編程組態(tài)的。

3.1 氯氣、氫氣流量比值控制的設(shè)計(jì)

進(jìn)三合一合成爐（R701）的氫氣是圍繞氯氣比例調(diào)節(jié)的，氯氣、氫氣的流量配比采用雙閉環(huán)比值控制實(shí)現(xiàn)[5]，這是在單閉環(huán)比值控制的基礎(chǔ)上增設(shè)了主流量控制回路而構(gòu)成的控制系統(tǒng)。雙閉環(huán)比值控制的運(yùn)用克服了單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)主流量受干擾的影響，同時(shí)也克服了生產(chǎn)負(fù)荷在較大范圍內(nèi)波動(dòng)的情況[6-7]。控制方框圖見(jiàn)圖2。

圖2 氯氣、氫氣流量雙閉環(huán)比值控制

在氫氣、氯氣流量的測(cè)量過(guò)程中，由于工藝條件的不斷變化，氫氣和氯氣的溫度、壓力也在變化中，造成了氫氣、氯氣的密度也在不斷變化。而實(shí)際使用中，體積流量計(jì)的標(biāo)尺是以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（20℃、101.325 kPa）下的流量為刻度（Nm3/h）的。由式（1）差壓式流量計(jì)的流量方程式[8]可知，用差壓式流量計(jì)測(cè)量的體積流量由于介質(zhì)的密度與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的密度不同會(huì)出現(xiàn)較大的測(cè)量誤差。所以在測(cè)量體積流量時(shí)將被測(cè)氣體的溫度、壓力引入體積流量測(cè)量系統(tǒng)，使系統(tǒng)通過(guò)換算進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，這樣得到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量值?；谏鲜鰷貕貉a(bǔ)償?shù)姆治?，在氯氣、氫氣的緩沖罐中均設(shè)置了熱電阻、壓力變送器，用于合成爐入口氯氣、氫氣體積流量的溫度、壓力補(bǔ)償，并在組態(tài)控制畫面中實(shí)時(shí)顯示氯氣與氫氣流量的比值，并設(shè)置了比值的高、低報(bào)警，避免原料流量及壓力的波動(dòng)而產(chǎn)生游離氯。

式中：QV為體積流量，m3/h；C為流出系數(shù)；E為漸進(jìn)速度系數(shù)；ε為可膨脹系數(shù)；d為節(jié)流件的開孔直徑，m；Δp為差壓，Pa；ρ為密度，kg/m3。

3.2 三合一合成爐開車順序控制的設(shè)計(jì)

氯化氫合成是氯氣在氫氣中不爆炸燃燒的條件下進(jìn)行，所以開車點(diǎn)火時(shí)，必須要等氫氣點(diǎn)燃后再通入氯氣，以達(dá)到氫氣和氯氣的穩(wěn)定燃燒。氯化氫合成開車的控制程序流程，見(jiàn)圖3。

（1）開車前準(zhǔn)備工作

各項(xiàng)原料氣（氫氣緩沖罐壓力PT-3202、氯氣緩沖罐壓力PT-3203）、公用工程（儀表空氣總管壓力PT-3402，氮?dú)鈮毫T-3401，合成爐循環(huán)水流量開關(guān)FSL-3223，冷卻器循環(huán)水流量FSL-3221）勻滿足工藝要求操作指標(biāo)。

設(shè)置控制閥門為預(yù)設(shè)初始階段：氯氣切斷閥HV-3208關(guān)；氯氣調(diào)節(jié)閥FV-3206關(guān)；氯氣小火閥HV-3207關(guān)；氫氣切斷閥HV-3211關(guān)；氫氣調(diào)節(jié)閥FV-3209關(guān)；氫氣小火閥HV-3210關(guān)；尾氣放空閥HV-3312開；尾氣負(fù)壓閥HV-3313關(guān)。

（2）氮?dú)獯祾?/p>

按下氮?dú)獯祾甙粹oS100，即打開氮?dú)獯祾唛y門HV-3212對(duì)合成爐內(nèi)進(jìn)行氮?dú)廪D(zhuǎn)換，吹掃時(shí)間為預(yù)設(shè)值（t sec.）；當(dāng)完成氮?dú)獯祾吆?，進(jìn)行爐內(nèi)含氫檢測(cè)，確保爐內(nèi)含氫量＜0.5%，當(dāng)檢測(cè)不符合控制指標(biāo)時(shí)，可進(jìn)行再次吹掃，使其符合操作指標(biāo)。

（3）點(diǎn)火開車

操作人員發(fā)出點(diǎn)火允許信號(hào)（S110）至點(diǎn)火控制系統(tǒng)后，關(guān)閉尾氣放空閥HV-3312，打開尾氣負(fù)壓閥HV-3313，打開吸收水閥FV-3304至10%開度，并啟動(dòng)風(fēng)機(jī)（B-701）進(jìn)行抽負(fù)壓，進(jìn)入點(diǎn)火操作。再進(jìn)行下一次點(diǎn)火時(shí)，必須對(duì)合成爐再次進(jìn)行氮?dú)獯祾咧脫Q及爐內(nèi)含氫分析。

（4）點(diǎn)燃成功后

當(dāng)點(diǎn)火槍點(diǎn)火成功后（YL-3234=1），開啟（可設(shè)成手動(dòng)/自動(dòng)開啟）主管路上氫氣切斷閥HV-3211、氫氣小火閥HV-3210，將合成爐燃燒器小火點(diǎn)燃；5 s后開啟主管路氯氣切斷閥HV-3208、氯氣小火閥HV-3207，此時(shí)，合成爐燃燒器小火為氫氣、氯氣混合燃燒。停引風(fēng)機(jī)（B-701），依次關(guān)閉爐底空氣補(bǔ)充閥HV-3315、打開尾氣排空閥HV-3312、關(guān)閉抽空閥HV-3313。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)火焰大小情況，關(guān)閉合成爐空氣補(bǔ)充閥或爐門；若火焰較小，則適當(dāng)開啟主管路氫氣、氯氣調(diào)節(jié)閥，再關(guān)閉合成爐空氣補(bǔ)充閥或爐門。

3.3 自動(dòng)聯(lián)鎖停車保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在合成爐的運(yùn)行過(guò)程中，氫氣緩沖罐壓力PT-3202、氯氣緩沖罐壓力PT-3203、儀表空氣總管壓力PT-3402，應(yīng)滿足一定的工藝條件，若是壓力到達(dá)低限時(shí)報(bào)警提醒工作人員注意；當(dāng)壓力到達(dá)低低低限時(shí)自動(dòng)聯(lián)鎖停車。在合成爐正式點(diǎn)燃后（氯氣在氫氣中燃燒），2只火焰檢測(cè)器同時(shí)檢測(cè)不到火焰時(shí)，自動(dòng)聯(lián)鎖停車。當(dāng)出現(xiàn)誤操作HV-3211、FV-3209、HV-3208、FV-3206任意一只閥門關(guān)閉時(shí)，自動(dòng)聯(lián)鎖停車。自動(dòng)聯(lián)鎖停車時(shí)，原則上是“先斷氫、后斷氯”，但后斷氯容易發(fā)生余氯過(guò)量泄漏、人員中毒等現(xiàn)象。而若是“先斷氯、后斷氫”，則冗余發(fā)生余氫爆炸。因此，聯(lián)鎖停車設(shè)計(jì)幾乎同時(shí)切斷氫氣、氯氣2種氣源。氯化氫合成的自動(dòng)聯(lián)鎖停車保護(hù)系統(tǒng)見(jiàn)圖4。

圖3 三合一合成爐的開車順序控制

圖4 氯化氫合成自動(dòng)聯(lián)鎖停車保護(hù)系統(tǒng)

確保氯化氫合成裝置和設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及故障時(shí)自動(dòng)聯(lián)鎖停車，是進(jìn)行聯(lián)鎖邏輯設(shè)計(jì)的主要目的。生產(chǎn)過(guò)程一旦出現(xiàn)異常情況，自動(dòng)聯(lián)鎖停車保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)按照已定的聯(lián)鎖關(guān)系進(jìn)行控制，使相關(guān)設(shè)備聯(lián)鎖動(dòng)作，裝置安全停車，以盡可能減少對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的不利影響[9]。在聯(lián)鎖邏輯設(shè)計(jì)過(guò)程中，所有現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表均加檢修旁路，并設(shè)置相應(yīng)的安全權(quán)限；系統(tǒng)輸出去現(xiàn)場(chǎng)電磁閥的DO回路，全部經(jīng)繼電器隔離；現(xiàn)場(chǎng)儀表采用故障安全型，正常工況觸點(diǎn)閉合為“1”，聯(lián)鎖狀態(tài)觸點(diǎn)斷開為“0”；繼電器、電磁閥為正常線圈帶電，勵(lì)磁狀態(tài)為“1”，非勵(lì)磁狀態(tài)為“0”。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)基于S7-400FH來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)氯化氫合成裝置的各個(gè)關(guān)鍵設(shè)備的控制和運(yùn)行。使產(chǎn)品的質(zhì)量顯著提高；通過(guò)開車的順序控制，減少操作人員，降低勞動(dòng)成本；通過(guò)自動(dòng)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，使裝置的穩(wěn)定性、安全性等得到了保證。

［1］廖常初．S7－300／400 PLC應(yīng)用技術(shù)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

［2］喻壽益，凌 云，宋東球．基于S7－400PLC的鍍膜玻璃生產(chǎn)線控制系統(tǒng)．控制工程，2009，16（6）：55－58．

［3］張 春．西門子STEP 7編程語(yǔ)言與使用技巧．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009．

［4］Simens．SIMATIC CFC for SIMATIC S7．SIEMENS AG，2006／11.

［5］陳 勇．西門子S7－300在氧化釩焙燒配料控制系統(tǒng)中的應(yīng)用．電氣傳動(dòng)，2014，44（5）：54－56．

［6］胡壽松．自動(dòng)控制原理．北京：科學(xué)出版社，2013：1－225．

［7］孫洪程，馬 昕，焦 磊．過(guò)程自動(dòng)化工程．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：57－74．

［8］張 毅，張寶芬，曹 麗，等．自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：1－273．

［9］王民濤，周賢國(guó)，王栓柱，等．氯化氫合成控制系統(tǒng)淺析．中國(guó)氯堿，2007，（4）：31－34．

Design of control system for hydrogen chloride synthesis

HUANG Li-mei
（CCIEI Petrochemical Engineering Design Institute， Nanjing 210049， China）

The process of hydrogen chloride synthesis，the overall hardware configuration of control system，the double closed-loop ratio control of chlorine and hydrogen flow，the temperature-pressure?compensation in flow measurement，the sequence control and automatic interlock control of hydrogen chloride synthesis drive are introduced emphatically.

hydrogen chloride synthesis；redundant；double closed-loop；ratio control；sequence control；interlock shutdown

TQ124.4+2

B

1009－1785(2017)09-0034-04

2017-05-03