侯成虎

（甘肅稀土新材料股份有限公司，甘肅 白銀 730922）

甘肅稀土新材料股份有限公司2 萬t/a 離子膜燒堿于2011 年3 月投入運行，控制系統(tǒng)使用浙大中控的WetFieldECS-100 系統(tǒng)， 電解使用日本氯工程n-BiTAC896 型電解槽及杜邦的 Nafion2030 膜。 浙大中控的WetFieldECS-100 控制系統(tǒng)自投入運行以來，基本確保了氯堿生產(chǎn)過程自動控制及安全運行，但是不能滿足公司推進數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展的要求， 實際生產(chǎn)過程中暴露出控制系統(tǒng)部分聯(lián)鎖功能設(shè)計不足的缺點， 公司結(jié)合實際生產(chǎn)情況陸續(xù)對自控系統(tǒng)的聯(lián)鎖工序和邏輯程序進行自行設(shè)計完善，確保生產(chǎn)系統(tǒng)的安全本質(zhì)化。并對生產(chǎn)系統(tǒng)自動化和緊急聯(lián)鎖進行了優(yōu)化完善， 確保氯堿生產(chǎn)系統(tǒng)的安全、高效、穩(wěn)定運行。

1 工藝簡介

二次精制鹽水與循環(huán)淡鹽水經(jīng)混合器混合后進入電解槽陽極室， 電解后產(chǎn)生的淡鹽水和濕氯氣混合物經(jīng)氣液分離器分離。 淡鹽水依靠重力流入陽極液儲槽，濕氯氣進入氯氣總管。向陽極液儲槽的淡鹽水管線中加入鹽酸調(diào)節(jié)pH 值， 經(jīng)陽極液循環(huán)泵一部分循環(huán)送入電解槽， 另一部分被送入脫氯塔進行脫氯和氯酸鹽分解槽分解。 循環(huán)堿液和純水經(jīng)過陰極液熱交換器后進入電解槽陰極室， 電解產(chǎn)生的堿液和濕氫氣混合物經(jīng)氣液分離器分離。 堿液依靠重力流入陰極液儲槽，濕氫氣進入氫氣總管。堿液經(jīng)泵一部分循環(huán)進入電解槽， 另一部分通過燒堿冷卻器與純水換熱后，再經(jīng)換熱器溫度達到45 ℃以下后送入產(chǎn)品燒堿罐。陽極液儲槽的氯氣、脫氯系統(tǒng)產(chǎn)生的氯氣和電解槽產(chǎn)生的氯氣經(jīng)陽極液氣液分離器分離后送到氯氣總管， 為避免膜受到氯氣過大正壓或過大負(fù)壓造成機械損傷，設(shè)置有氯氣正負(fù)壓水封。生產(chǎn)出來的高溫濕氯氣與一次鹽水交換熱量后依次進入氯氣洗滌塔、一段鈦冷器、二段鈦冷器、氯水捕集器及硫酸干燥系統(tǒng)后，經(jīng)泵加壓輸送到后系統(tǒng)，一部分液化生產(chǎn)液氯， 一部分進入三合一鹽酸合成爐生產(chǎn)鹽酸。 電解高溫濕氫氣經(jīng)洗滌塔洗滌、 降溫及冷卻后，直接進入鹽酸合成爐，與干燥后氯氣混合后燃燒生成氯化氫氣體。 氯化氫經(jīng)過冷卻、 吸收后形成31%的工業(yè)鹽酸。

2 聯(lián)鎖系統(tǒng)

聯(lián)鎖在生產(chǎn)設(shè)計方面分為緊急聯(lián)鎖、氯氫聯(lián)鎖、一般聯(lián)鎖和有毒有害聯(lián)鎖。緊急聯(lián)鎖涉及工藝聯(lián)鎖，有毒有害聯(lián)鎖和關(guān)鍵設(shè)備聯(lián)鎖。 一般是有毒有害泄漏優(yōu)先于易燃易爆，如氯氣壓力高、氯氫壓差高低等引起保護電解槽聯(lián)鎖；其次關(guān)鍵設(shè)備故障聯(lián)鎖，如氯氣泵緊急跳閘、整流器故障、槽電壓高，槽電壓變化率高聯(lián)鎖保護停車，整流器聯(lián)鎖高壓，整流器與氯氣泵等關(guān)鍵設(shè)備相互聯(lián)鎖保護等， 提高生產(chǎn)安全性和操作的方便性。

3 生產(chǎn)運行過程中仍存在的問題

（1）整流循環(huán)水系統(tǒng)由于機泵故障或臟物過濾器堵塞， 造成循環(huán)水壓力下降， 冷卻純水溫度超過45 ℃，整流器聯(lián)鎖跳車，極易造成非全線停車事故。

（2）鹽酸合成爐在運行過程中，吸收水泵故障，備用泵不能及時開啟， 極易造成合成爐尾氣壓力升高，爐壓超過26 kPa，尾氣管線炸裂，造成酸氣及鹽酸泄漏。

（3）鹽酸合成爐緊急滅爐，在人工操作過程中，氫氣排空閥打開之后，且壓力控制不穩(wěn)定，造成氫氣輸送泵泵前或泵后壓力升高， 嚴(yán)重時造成氫氣泵故障，或造成前系統(tǒng)氫氣壓力升高，電解槽氫氯壓差增大，導(dǎo)致正壓差過大，造成離子膜損傷，嚴(yán)重時會沖破水封造成氫氣外泄。

（4）生產(chǎn)過程中，更換氯氣泵泵酸，出現(xiàn)泵酸循環(huán)酸量不穩(wěn)定或進酸量、出酸量迅速加大，氯氣前系統(tǒng)壓力波動（電解系統(tǒng)為保護電解槽，氯氣壓力到達7.8 kPa 跳閘停車），尤其是在氯氣泵間隙較大，抽力下降情況下，極易發(fā)生氯氣壓力升高，造成反壓差，使電解系統(tǒng)氯氫壓力波動及離子膜損傷， 嚴(yán)重時引起工藝聯(lián)鎖跳車事故。

（5）由于失電等原因，操作人員在操作電解槽緊急停車過程中，極易忘掉關(guān)進電解槽鹽水、循環(huán)堿液閥門，易造成電解槽干槽，不利于電解槽維護保養(yǎng)，影響電解槽使用性能和壽命。

（6）在正常開停車過程中，存在聯(lián)鎖投入不當(dāng)，如進電解槽二次鹽水流量、槽電壓聯(lián)鎖等，由于工藝條件未達到，直接投入聯(lián)鎖值，造成聯(lián)鎖跳閘，由原來計劃停車執(zhí)行為緊急停車。

4 工藝過程聯(lián)鎖優(yōu)化

（1）針對整流循環(huán)水?dāng)嗔鳎瑸槟芗皶r補充自來水至循環(huán)水管道， 在原有管線工藝上增加DN80 自來水自動補水開關(guān)閥門，如果循環(huán)水壓力低于0.1 MPa，直接自動打開自來水補水閥門，給循環(huán)水系統(tǒng)補水，正常運行時，處于關(guān)閉狀態(tài)。

在工藝優(yōu)化方面，將30 L 整流水箱更換為2 m3的不銹鋼材質(zhì)儲槽，實現(xiàn)液位、電導(dǎo)率及水溫在線實時監(jiān)測。 控制電導(dǎo)率≤2 μs/cm，超出指標(biāo)即打開樹脂吸附裝置進行吸附， 確保電導(dǎo)率低于2 μs/cm；純水水溫曲線呈上升超過35 ℃， 檢查循環(huán)水系統(tǒng)，對贓物過濾器等進行檢查，判斷是否存在堵塞等。

供整流系統(tǒng)純水水溫升高、 油溫升高或檢測循環(huán)水水壓低于0.20 MPa， 遠程控制立即聯(lián)鎖打開循環(huán)水自來水補水閥，補充循環(huán)水，防止整流系統(tǒng)因純水或油溫溫度升高造成全線聯(lián)鎖跳閘。 整流循環(huán)水?dāng)嗔髯詣勇?lián)鎖示意圖見圖1。

圖1 整流循環(huán)水?dāng)嗔髯詣勇?lián)鎖示意圖

通過改造優(yōu)化之后， 出現(xiàn)整流純水溫度升高或油溫升高時，在1 s 內(nèi)迅速開啟自來水補充閥，解決整流純水、油溫升高，循環(huán)水不能及時補充造成的全線停車。

（2）針對鹽酸合成爐吸收水泵，實現(xiàn)吸收水泵自動切換，吸收水壓力低于0.2 MPa 或流量低于0.5 m3/h，備用泵60 s 自動切換。 吸收水泵泵出口安裝DN50逆止閥，在閥芯中間開小孔，冬天防凍。 通過這樣改造之后，運行吸收水泵故障，吸收水壓力低于0.2 MPa，備用泵立即啟動，防止?fàn)t壓升高，合成爐緊急滅爐。合成爐吸收水泵自啟動及流量壓力低自動轉(zhuǎn)化啟動備用泵示意圖見圖2。

圖2 合成爐吸收水泵自啟動及流量壓力低自動轉(zhuǎn)化啟動備用泵示意圖

（3）為調(diào)節(jié)合成爐在緊急滅爐的過程中，氫氣系統(tǒng)憋壓，造成前系統(tǒng)壓力憋壓，對進合成爐氫氣緩沖罐閥門參數(shù)進行設(shè)定， 并將自動排放工藝參數(shù)設(shè)定為30~35 kPa，根據(jù)系統(tǒng)壓力自動進行調(diào)節(jié)，解決合成爐緊急滅爐過程中，人工排放不及時，造成前系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定。

（4）為確保電解槽氯氣壓力穩(wěn)定，在氟機跳閘、更換泵酸、75%，85%及95%塔酸更換， 操作過程不精細，引起氯氣壓力波動。 利用事故氯閥門對氯氣總管壓力進行調(diào)節(jié)，在開停車過程，停車或在開車過程通過調(diào)節(jié)事故氯閥門開度保持壓力在-1.0～-0.4 kPa，根據(jù)電解槽電流運行， 低負(fù)荷時將閥門壓力設(shè)置為3.9 kPa，高負(fù)荷運行將壓力設(shè)置為6.8 kPa。 在更換泵酸，75%，85%及95%硫酸過程中， 出現(xiàn)壓力波動超過5.9~6.9 kPa，事故氯泄壓閥門及時打開進行泄壓，避免對電解槽及離子膜傷害。

（5）對電解槽進槽二次鹽水調(diào)節(jié)閥、循環(huán)鹽水閥門及循環(huán)堿液閥門進行聯(lián)鎖設(shè)置。緊急停車，自動關(guān)閉，防止電解槽物料倒流，造成干槽，影響電解槽使用壽命。 電解槽緊急停車聯(lián)鎖關(guān)閉進液閥示意圖見圖3。

圖3 電解槽緊急停車連鎖關(guān)閉進液閥

（6）對關(guān)鍵聯(lián)鎖及關(guān)鍵閥門開啟設(shè)置語音提醒，如電解槽二次鹽水流量大于15 m3/h， 才能投入聯(lián)鎖，在投入聯(lián)鎖之前存在語音提示，DCS 操作人員進行再次確認(rèn)，達到條件進行投入，未達到條件可不予投入聯(lián)鎖。開啟氯氣泵，打開氯氣總管大閥的語音提示，解決停車進行系統(tǒng)抽空，氯氣總管自控調(diào)節(jié)閥門未開啟，造成管線系統(tǒng)抽負(fù)壓過大，設(shè)備破損等，發(fā)生泄漏事故。

5 工藝聯(lián)鎖在開停車過程中的應(yīng)用

通過工藝聯(lián)鎖的優(yōu)化和完善， 為生產(chǎn)過程保駕護航，但在日常生產(chǎn)過程中，尤其是開停車過程，正確投入聯(lián)鎖，才能夠發(fā)揮生產(chǎn)過程中設(shè)置工藝、安全聯(lián)鎖的作用。 就離子膜工藝過程中按照關(guān)鍵設(shè)備運行優(yōu)先順序進行投入。

首先在開車之前， 整流器開啟投入整流器故障聯(lián)鎖及槽電壓聯(lián)鎖，其次氯氣泵、氫氣泵開啟正常后投入聯(lián)鎖。 最后對達到滿足要求的流量聯(lián)鎖進行投入，等電流提至目標(biāo)值，投入氯氫壓力、壓差聯(lián)鎖，既能保證生產(chǎn)正常運行， 又不會因為誤投聯(lián)鎖而達不到條件，導(dǎo)致全線聯(lián)鎖停車。

6 自動控制在事故氯系統(tǒng)的應(yīng)用

從界區(qū)來的30%液堿至配堿罐，與自來水混合配制濃度為15%～18%吸收堿， 通過循環(huán)堿泵倒入15 m3的堿液循環(huán)罐或30 m3的備用堿液循環(huán)罐。 在尾氯分配臺去事故氯管線上加裝氯氣調(diào)節(jié)閥、 氯氣流量計，精確控制排入事故氯系統(tǒng)的氯氣量。氯氣通過尾氯分配臺、合成排氯調(diào)節(jié)閥、電解正壓水封槽、排事故氯切斷閥排入氯氣處理、氯氣液化、液氯貯存充裝區(qū)外泄氯氣抽吸回收至事故氯吸收裝置。 在循環(huán)堿泵堿液循環(huán)罐進出口分別裝上自動切斷閥，自動切斷閥前后手閥常開， 當(dāng)任意一臺堿液循環(huán)罐進出口自動切斷閥打開時， 該循環(huán)堿液的吸收堿通過循環(huán)泵輸送至冷卻后， 進入吸收塔吸收氯氣后再回流至循環(huán)吸收罐， 當(dāng)循環(huán)堿液中有效氯含量大于10%，游離堿在0.1%～1.0%時，可通過DCS 控制室自動切斷閥切換至備用堿液循環(huán)， 由次氯酸鈉泵倒入15 m3的次氯酸鈉罐或28 m3的次氯酸鈉罐，成品次氯酸鈉由次氯酸鈉泵送至化鹽崗位使用或裝車外銷。

完善優(yōu)化事故氯自動控制系統(tǒng)在生產(chǎn)正常運行時尾氣風(fēng)機處于25 Hz 低頻狀態(tài)運行， 當(dāng)生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)生意外跳閘停車或氯氣處理、氯氣液化、液氯貯存充裝區(qū)氯氣外泄現(xiàn)場氯氣濃度檢測儀檢測到氯氣濃度超標(biāo)時，尾氣風(fēng)機頻率自動加載到50 Hz，電解氯氣總管去事故氯自動切斷閥自動打開， 氯氣總管去氯氣站氯氣切斷閥自動關(guān)閉， 崗位工根據(jù)氯氣泄漏點或控制室氯氣濃度監(jiān)測點報警情況及時打開相應(yīng)抽空軟管堵塞， 確保突然跳閘停車或氯氣意外泄漏時， 將開停車氯氣和事故氯氣排入或抽空至事故氯裝置吸收。在生產(chǎn)正常運行時，依據(jù)在線循環(huán)堿液的溫度和化驗分析次氯酸鈉液體中有效氯、 游離堿的含量，及時調(diào)節(jié)氯氣調(diào)節(jié)閥大小，控制氯氣排量大小，當(dāng)次氯酸鈉產(chǎn)品合格后DCS 中控室可隨時切換至備用堿液循環(huán)罐的運行， 也可在生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)生意外停車或事故時及時切換至備用循環(huán)堿液槽運行，通過循環(huán)堿液槽進出口自動切斷閥、 事故氯排氯調(diào)節(jié)閥的操作， 實現(xiàn)該系統(tǒng)在生產(chǎn)次氯酸鈉產(chǎn)品和事故氯吸收的及時切換。根據(jù)在線監(jiān)測氯氣濃度，實現(xiàn)事故氯風(fēng)機的自動聯(lián)鎖高頻切換。

通過此次自動控制優(yōu)化， 根據(jù)反應(yīng)過程及氯氣純度，充分掌握在進行次氯酸鈉吸收過程，根據(jù)有效堿濃度及時調(diào)整流量， 掌握開始吸收氯氣流量為30~40 m3/h，末尾吸收氯氣流量5~10 m3/h，根據(jù)氯氣純度，確保有效堿濃度降低0.1%~0.3%，減少事故氯過飽和造成氯氣外泄事故。

7 關(guān)鍵設(shè)備在線監(jiān)控和安全聯(lián)鎖

氯氣泵、氫氣泵做為關(guān)鍵輸送設(shè)備，出現(xiàn)電流、電壓波動等，極易造成氯氫壓力波動，甚至造成全線停車。

為確保設(shè)備正常運行， 對設(shè)備電機運行參數(shù)主要包括電流數(shù)、電壓，線電流、線電壓等進行檢測。其次根據(jù)生產(chǎn)，對氯氣泵聯(lián)鎖電解槽、聯(lián)鎖開關(guān)閥等進行優(yōu)化。 在正常生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)整流器緊急停車，聯(lián)鎖氯氣泵停車，泵后切斷閥及時關(guān)閉，防止氯氣倒壓，造成氯氣總管壓力波動。

其次對氯氣、 氫氣總管壓力及壓差的聯(lián)鎖范圍進一步確定， 保證電解槽在大的壓力波動范圍最大程度保護離子膜，保持良好的運行環(huán)境，氯氫壓力總管關(guān)鍵聯(lián)鎖見圖4。

圖4 氯氫壓力總管關(guān)鍵聯(lián)鎖

8 在中間過程方面控制——配制稀堿應(yīng)用

根據(jù)生產(chǎn)要求，配制稀堿濃度，需要計量人員進行取樣分析，調(diào)節(jié)水及液堿流量，配制滿足生產(chǎn)要求稀堿4.80~5.10 mol/L，24 h 不間斷配制，需專設(shè)崗位進行操作。 通過優(yōu)化，實現(xiàn)在線自動配置。 控制成品堿濃度、溫度穩(wěn)定（密度在1.29 g/cm3，溫度范圍在40~45 ℃），利用流量配比實現(xiàn)自動控制。 控制流程圖見圖5。

圖5 控制流程圖

根據(jù)水堿流量比 （1.01~1.05） 或堿水流量比（0.90~0.95），通過管道混合器混合后，進入稀堿儲槽，濃度穩(wěn)定在4.90~5.10 mmol/L。僅需要遠程操作，在DCS 進行閥門調(diào)節(jié)即可。 根據(jù)水質(zhì)情況，僅需定期對流量計進行維護，降低了人工成本，提高了生產(chǎn)過程及產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

9 結(jié)語

隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，DCS 強大的集控功能為工藝優(yōu)化提供越來越便利的操作流程， 進一步降低生產(chǎn)過程操作風(fēng)險。實時在線數(shù)據(jù)收集，為工藝過程控制提供可研判的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗， 進一步提升管理水平。借助自控系統(tǒng)搭建各種信息平臺，如能源體系建立，水、電、蒸汽的在線監(jiān)控等，并利用折標(biāo)煤系數(shù)和燒堿能源準(zhǔn)則，準(zhǔn)確計量能源消耗，促進氯堿行業(yè)節(jié)能降耗，綠色發(fā)展。 變頻器啟動機泵應(yīng)用，為機泵操作提供便利，通過遠程控制變頻頻率和實現(xiàn)高頻、低頻遠程切換， 大大降低工人與危險環(huán)境接觸的頻次，在線監(jiān)控的介入更是為生產(chǎn)提供科學(xué)監(jiān)控手段，為生產(chǎn)保駕護航。