乙炔和氯乙烯氣柜安全自控改進方案

閆建寧

（唐山三友氯堿有限責任公司河北省聚氯乙烯技術創(chuàng)新中心，河北 唐山 063305）

電石法聚氯乙烯工藝以電石為原料制乙炔氣，乙炔氣與氯化氫氣經(jīng)轉化器合成氯乙烯。 為平衡生產過程并穩(wěn)定控制乙炔氣和氯乙烯氣的壓力， 一般需要根據(jù)系統(tǒng)的生產能力在系統(tǒng)中分別設置乙炔氣柜和氯乙烯氣柜。 在氣柜鐘罩上方放置一定數(shù)量的配重塊， 利用鐘罩自身和配重塊的重力來控制氣柜內部氣體的壓力。 在氣柜水槽水封的密封下靠鐘罩上下移動使氣柜能夠穩(wěn)定控制其內部的氣體壓力，同時緩沖和臨時存儲生產系統(tǒng)中的乙炔、 氯乙烯氣體。

1 現(xiàn)狀

唐山三友氯堿有限責任公司（以下簡稱三友氯堿） 采用電石法生產燒堿和PVC 樹脂以及專用樹脂， 目前生產規(guī)模為燒堿53 萬t/a、 通用PVC 樹脂43.5 萬t/a、專用樹脂9 萬t/a。乙炔發(fā)生工序生產的粗乙炔氣經(jīng)水洗塔和冷卻塔洗滌冷卻后大部分經(jīng)乙炔壓縮機加壓后進入清凈工序， 剩余部分進入乙炔氣柜緩沖調節(jié)發(fā)生和清凈工序間的生產平衡。 清凈后的乙炔氣在氯乙烯轉化工序與氯化氫氣混合， 經(jīng)氯乙烯轉化器合成為粗氯乙烯氣；粗氯乙烯氣經(jīng)水洗、堿洗后送到壓縮工段， 氯乙烯壓縮機將氯乙烯加壓后送到精餾工序。 在壓縮機前的氯乙烯管線上連接氯乙烯氣柜，由氯乙烯氣柜平衡和緩沖生產負荷，使精餾工序生產系統(tǒng)運行穩(wěn)定， 同時確保氯乙烯壓縮機前壓力穩(wěn)定。聚合車間回收的氯乙烯氣經(jīng)壓縮、冷凝后大部分重新液化回收再利用， 未冷凝液化的氯乙烯氣經(jīng)處理后進入氯乙烯氣柜。

生產裝置區(qū)內有一期乙炔氣柜、二期乙炔氣柜、一期氯乙烯氣柜和二期氯乙烯氣柜等4 臺氣柜，用于通用樹脂的生產，為單節(jié)濕式氣柜，采用DCS（集散控制系統(tǒng)Distributed Control System， 以下簡稱DCS）實時檢測、控制生產系統(tǒng)自動化運行，同時由SIS（安全儀表系統(tǒng)Safety Instrumented System，以下簡稱SIS）實時檢測、控制生產系統(tǒng)安全，GDS（可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)Gas Detection System，以下簡稱GDS）實時監(jiān)控全廠的可燃有毒氣體泄漏情況。 系統(tǒng)正常生產時DCS 按照程序自動檢測、控制生產過程，SIS 不干預正常生產；生產系統(tǒng)發(fā)生可能會引起安全事故的異常時SIS 介入，根據(jù)關鍵SIS 檢測儀表的信號，按照程序及時控制相應的SIS 執(zhí)行機構做出相應動作， 引導生產裝置停車，使整個生產系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。 一期乙炔氣柜用于一期乙炔發(fā)生清凈生產線，二期乙炔氣柜用于二期和四期乙炔發(fā)生清凈生產線。一期氯乙烯氣柜用于一期和四期氯乙烯轉化和壓縮生產線，二期氯乙烯氣柜用于二期和三期氯乙烯轉化和壓縮生產線； 一期氯乙烯氣柜和二期氯乙烯氣柜可互聯(lián)，互為備用。 每臺氣柜均有柜位檢測儀表，氣柜進料管線和氣柜充氮氣管線均有氣動切斷閥，氣柜周圍均按照規(guī)范布置可燃或有毒氣體報警器和視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

2 自控改進方案

乙炔和氯乙烯氣柜使用過程中可能會存在以下幾類安全風險，（1）氣柜鐘罩的升降位置超出正常使用范圍； 柜位過高可能會引起乙炔或氯乙烯泄漏安全事故， 柜位過低導致柜體和鐘罩在大氣壓力作用下被抽變形。 （2）氣柜鐘罩在導軌內的活動異常受限、卡頓或鐘罩升降速度過快；鐘罩卡頓可能會導致氣柜鐘罩偏斜或者柜內壓力過高或過低； 壓力過高可能會導致乙炔或氯乙烯從氣柜水槽泄漏， 壓力過低可能或導致氣柜在大氣壓的作用下被抽變形損壞。 （3）冬季環(huán)境溫度低，氣柜水槽內的水封結冰或液位過低導致水封失效， 可能會引發(fā)乙炔或氯乙烯泄漏事故。 （4）氣柜的氣水分離器液位過高，導致氣柜進出料管線受阻[1]。

為解決上述問題， 委托有資質的設計院按照國家的法律法規(guī)和標準對公司乙炔和氯乙烯氣柜及相關裝置進行HAZOP 及LOPA 分析， 發(fā)現(xiàn)并解決生產系統(tǒng)的問題。 根據(jù)分析結論對生產系統(tǒng)進行改進完善工藝流程，增加部分檢測儀表和氣動切斷閥，在乙炔或氯乙烯泄漏釋放源附近增加可燃或有毒氣體報警器， 在生產檢測控制系統(tǒng)增加監(jiān)視和聯(lián)鎖邏輯保護程序，在氣柜周圍設置全方位視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過自動化檢測控制手段降低生產系統(tǒng)的運行風險；在氣柜運行的工藝參數(shù)異?；驓夤癖倔w異常時能立即檢測發(fā)現(xiàn)，并及時切斷氣柜與生產系統(tǒng)的聯(lián)系，使生產系統(tǒng)轉化到安全狀態(tài)， 防止生產安全事故或阻止事故擴大。

增加的自控設備， 根據(jù)HAZOP 和LOPA 分析情況分別將其信號引入DCS、SIS 或GDS， 在DCS、SIS 或GDS 增加相應的檢測、控制程序。其中信號引入SIS 的儀表應取得SIL 認證 （安全完整性等級Safety integrity level，以下簡稱SIL）。

2.1 乙炔氣柜自控改進方案

一期乙炔氣柜與一期乙炔發(fā)生及一期乙炔壓縮機連接， 二期乙炔氣柜與二期、 四期乙炔發(fā)生及二期、 四期乙炔壓縮機連接。 不同生產線的乙炔發(fā)生工序生產波動時會引起相應的乙炔氣柜柜位或氣柜內壓力的變化， 氣柜鐘罩卡頓也可能會引起柜位過高或過低、柜內壓力過高或過低，柜位或壓力的變化超出正常生產允許的變化可能會引發(fā)生產事故。 氣柜水槽的液位過低或結冰可能導致生產系統(tǒng)異常，引發(fā)生產安全事故。

2.1.1 乙炔氣柜現(xiàn)狀

導致乙炔氣柜柜位過高的原因有上游的乙炔發(fā)生生產波動、乙炔壓縮機故障、乙炔壓縮機平衡閥調節(jié)回路故障造成高壓乙炔氣返回低壓系統(tǒng)、 乙炔氣柜氣水分離器充氮閥故障等， 可能會導致乙炔氣從氣柜的安全放空管放空造成物料浪費， 同時排空的乙炔氣遇明火可能引起火災或爆炸。

改進前， 一二期乙炔氣柜各設置有2 臺柜位檢測儀表，操作人員可實時監(jiān)控乙炔氣柜的柜位；并且DCS 設置有聯(lián)鎖邏輯控制程序，在2 臺柜位檢測儀表同時出現(xiàn)高高報警時關閉乙炔發(fā)生去乙炔氣柜切斷閥； 在2 臺柜位檢測儀表同時出現(xiàn)低低報警時打開乙炔氣柜氣水分離器充氮閥向氣柜內充氮氣。DCS 根據(jù)乙炔氣柜柜位調節(jié)發(fā)生器、震蕩加料器、變頻器的調節(jié)系統(tǒng)用于穩(wěn)定乙炔氣柜的柜位。 中控室內有遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)， 操作人員可在中控室實時監(jiān)視乙炔氣柜。在2 臺DCS 乙炔氣柜柜位檢測儀表的基礎上，設置了SIS 柜位檢測儀表，其分布在氣柜的不同角度， 當氣柜導軌卡住鐘罩時及時檢測可能產生的柜位測量偏差， 防止乙炔氣柜的壓力過高或過低。

2.1.2 乙炔氣柜改進措施

（1）新增1 套SIF（安全儀表功能Safety instrumented function）及時檢測判斷，預防氣柜鐘罩卡頓，在檢測到可能發(fā)生卡頓時由SIS 和DCS 啟動自動處置程序。乙炔氣柜增加3 臺遠傳柜位檢測儀表，這3 臺儀表與原有的DCS 柜位檢測儀表均勻分布在乙炔氣柜上； 同時在乙炔氣柜的進氣管線上增加1臺SIS 氣動切斷閥。新增的遠傳柜位檢測儀表信號進SIS，在SIS 設置柜位高報警，同時設置2oo3（三選二邏輯， 即3 臺遠傳柜位檢測儀表中的其中2 臺出現(xiàn)高高報警時， 輸出高高報警信號， 以下簡稱2oo3） 高高聯(lián)鎖關閉新增進料SIS 切斷閥的聯(lián)鎖程序，同時SIS 的柜位檢測儀表2oo3 高高聯(lián)鎖信號送至DCS，DCS 編寫程序采取相應措施。此SIF 回路的SIL 等級為SIL2[2]。

（2）在一期乙炔發(fā)生去一期乙炔氣柜的總管上增加SIS 氣動切斷閥，二期和四期乙炔發(fā)生去二期乙炔氣柜總管上增加SIS 氣動切斷閥，2 臺氣柜各自新增的3 臺遠傳柜位檢測儀表在SIS 中設置柜位低報警，2oo3 低低聯(lián)鎖關閉各自氣柜對應的乙炔壓縮機，同時關閉乙炔氣管線新增的SIS 氣動切斷閥，將SIS 的信號送至DCS 顯示。 此SIF 回路的SIL 等級為SIL2。同時，在DCS 新增聯(lián)鎖，當一期氣柜對應的乙炔壓縮機全部停機時聯(lián)鎖關閉一期乙炔氣柜對應的乙炔發(fā)生器的震動給料器；當二期氣柜對應的乙炔壓縮機全部停機時聯(lián)鎖關閉二期和四期乙炔發(fā)生器的震動給料器，停止相應發(fā)生器的電石加料。

（3）乙炔氣柜新增的3 臺SIS 柜位檢測儀表設置柜位偏差報警， 檢測這3 臺柜位檢測儀表測量值之間的差值， 在差值超過設定的限值時發(fā)出報警信號，提示操作人員及時處置；設置柜位升降速率指示和升降速率高報警， 在這3 臺柜位檢測儀表測量值升降過快時，提示操作人員及時處置。 同時，定期對乙炔氣柜的鐘罩進行升降實驗， 防止出現(xiàn)氣柜導軌卡頓情況。

（4）在乙炔氣柜的進氣管線上增加3 臺遠傳壓力變送器，信號進相應SIS，SIS 設置壓力高報警和低報警，在乙炔氣柜進氣管線的壓力過高或過低時及時警示操作人員； 設置2oo3 壓力高高或低低聯(lián)鎖關閉進氣管線新增SIS 氣動切斷閥程序，SIS 的聯(lián)鎖信號送至DCS 顯示。這2 套SIF 的SIL 等級為SIL2。

（5）在乙炔氣柜的充氮氣管線增加自動式調節(jié)閥，限制進入乙炔氣柜的氮氣壓力，減壓閥后增加安全閥，防止由氮氣引起的超壓情況引發(fā)氣柜故障。

（6）在乙炔氣柜的水槽增加遠傳液位計和遠傳溫度儀表，設置液位低報警和溫度低報警，及時警示操作人員進行處理， 防止乙炔氣由水槽泄漏或冬季水槽結冰影響氣柜安全運行。

（7）在乙炔氣柜的氣水分離器上增加遠傳液位計，設置液位高報警，液位過高時警示操作人員及時處理，防止氣柜進出料受阻[3]。

（8）在原有的基礎上增加可燃氣體檢測報警器，加強乙炔氣泄漏的檢測和預防。 在乙炔氣柜水槽上邊緣處均勻布置4 臺催化燃燒式乙炔檢測報警器，在新增的壓力變送器、 遠傳溫度計和氣動切斷閥附近布置1 臺催化燃燒式乙炔檢測報警器， 其信號引入乙炔GDS。

（9）在原有視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基礎上，乙炔氣柜周圍的各角度增加防爆攝像機， 信號引入重大危險源視頻監(jiān)控系統(tǒng)，全方位監(jiān)控氣柜的現(xiàn)場情況。

（10）由于乙炔發(fā)生工段的生產線為不同時期建設，乙炔壓縮機有10 kV AC 高壓電機驅動（以下稱高壓壓縮機）和380 V AC 低壓電機驅動（以下稱低壓壓縮機）2 種方式，并且馬達控制中心分布在廠區(qū)的不同位置， 不同電壓等級的電機采用不同的停車控制方式。 原來乙炔壓縮機信號進相應生產線的DCS，由DCS 控制乙炔壓縮機的停機，在此基礎上需增加SIS 對乙炔壓縮機的停機控制。 一般380 V AC低壓電機停車命令信號為常閉接點，只需將DCS 的停車命令信號接點與SIS 的停車命令信號接點串聯(lián)就可以實現(xiàn)DCS 和SIS 同時控制乙炔低壓壓縮機的停車。 SIS 停乙炔低壓壓縮機命令信號采用冗余配置，由SIS 輸出冗余（2 個常閉接點）的乙炔低壓壓縮機停車命令信號到相應的乙炔或單體馬達控制中心， 信號電纜選用雙并控制電纜由SIS 機柜間敷設至乙炔或單體馬達控制中心。 在乙炔或單體馬達控制中心分別增加中間繼電器將SIS 停車命令信號分配到相應的乙炔低壓壓縮機。 SIS 停乙炔壓縮機命令信號接線位置在電氣轉換開關以上， 確保電氣轉換開關狀態(tài)不影響SIS 停乙炔壓縮機。 高壓電機的停車命令信號一般采用常開接點，采用DCS 停車命令信號與SIS 停車命令信號常開接點并聯(lián)的方式。 同樣，SIS 停乙炔高壓壓縮機命令信號采用冗余配置，由SIS 系統(tǒng)輸出冗余（2 個常開接點）的乙炔高壓壓縮機停車命令信號到相應的高壓馬達控制中心，信號電纜選用雙并控制，電纜由SIS 機柜間敷設至相應高壓馬達控制中心。 在高壓馬達控制中心增加中間繼電器， 將SIS 停車命令信號分配到相應的壓縮機控制回路， 確保SIS 能夠及時停乙炔高壓壓縮機。

2.2 氯乙烯氣柜自控改進方案

2.2.1 氯乙烯氣柜現(xiàn)狀

一期和二期氯乙烯氣柜用于緩沖、 平衡氯乙烯轉化工序到氯乙烯壓縮工序的生產負荷， 同時接收聚合車間回收的氯乙烯氣。 一期氯乙烯氣柜負責一期和四期轉化工序的氯乙烯氣緩沖、 平衡和聚合車間一期的氯乙烯回收； 二期氯乙烯氣柜負責二期和三期轉化工序的氯乙烯氣緩沖、 平衡和聚合車間二期、三期氯乙烯回收。 一般情況下，一期和二期氯乙烯氣柜負責各自工序的生產， 在其中一臺氣柜檢修或故障時可切換到另一臺氣柜負責全部的生產。 導致氯乙烯氣柜異常的原因以及原有氣柜自控設備和控制方式與乙炔氣柜相似。

2.2.2 氯乙烯氣柜改進措施

（1）2 臺氯乙烯氣柜各增加3 臺柜位檢測儀表，信號進SIS，與原有的柜位檢測儀表均勻分布在氣柜上； 同時在2 臺氣柜的進料管線上各增加1 臺SIS 氣動切斷閥。新增的柜位檢測儀表在SIS 設置柜位高報警和低報警； 新增柜位2oo3 高高和低低報警，柜位2oo3 高高報警聯(lián)鎖關閉對應的進料SIS 氣動切斷閥；柜位2oo3 高高或低低報警聯(lián)鎖關閉氯乙烯轉化系統(tǒng)的乙炔、 氯化氫管線SIS 氣動切斷閥并關閉對應的氯乙烯壓縮機，將該SIS 信號送至DCS。此SIF 回路的SIL 等級為SIL2。SIS 進料氣動切斷閥設置閥位反饋聯(lián)鎖功能， 當該閥門關閉時聯(lián)鎖關閉聚合車間氯乙烯回收管線的氣動切斷閥[4]。

（2）氯乙烯氣柜新增的3 臺SIS 柜位檢測儀表設置柜位偏差報警和柜位升降速率指示及升降速率高報警， 及時發(fā)現(xiàn)氣柜鐘罩卡頓時引起的柜位測量偏差。 同時，定期對氯乙烯氣柜進行升降實驗，防止氣柜導軌卡死。

（3）在氯乙烯氣柜的進料管線上增加3 臺遠傳壓力變送器，信號引入SIS，在SIS 設置壓力高報警和壓力低報警，設置2oo3 壓力高高聯(lián)鎖和壓力低低聯(lián)鎖， 在壓力高高報警或低低報警時聯(lián)鎖關閉氯乙烯氣柜進料SIS 氣動切斷閥； 同時關閉氯乙烯轉化系統(tǒng)的乙炔、氯化氫管線氣動切斷閥，關閉氯乙烯壓縮機。 該SIS 聯(lián)鎖信號送DCS 顯示。

（4）氯乙烯氣柜水槽設置遠傳液位計和遠傳溫度儀表， 防止水槽竄入氯乙烯和防止冬季結冰影響氣柜安全運行。

（5）氯乙烯氣水分離器增加遠傳液位計，并設置液位高報警；進口管線增加遠傳溫度計，設置溫度高報警和低報警。 在液位和溫度異常時警示操作人員及時處理。

（6）在原有視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基礎上，2 臺氯乙烯氣柜周圍設置各角度防爆攝像機， 信號引入重大危險源視頻監(jiān)控系統(tǒng)， 形成全方位交叉的視頻監(jiān)控的網(wǎng)絡。

（7）在原有的基礎上增加有毒氣體檢測報警器，加強氯乙烯泄漏的檢測和預防。 在氯乙烯氣柜周圍布置光致電離型氯乙烯檢測報警器， 其信號引入氯乙烯GDS。 氯乙烯氣柜地面處圍繞氣柜均勻布置9 臺，水池上邊緣處圍繞氣柜均勻布置9 臺，形成立體桶狀檢測網(wǎng)絡，及時檢測發(fā)現(xiàn)氯乙烯泄漏。同時在其他新增的儀表附近布置氯乙烯報檢測警器。

（8）與氯乙烯氣柜有關的氯乙烯壓縮機共9 臺，均為10 kV AC高壓氯乙烯壓縮機。 原來氯乙烯壓縮機監(jiān)控信號進相應生產線的DCS， 由DCS控制氯乙烯壓縮機的停機，在此基礎上，增加SIS系統(tǒng)對氯乙烯壓縮機的停機控制。 一般高壓電機停車命令信號為常開接點，將DCS的停車命令信號接點與SIS的停車命令信號接點并聯(lián)以實現(xiàn)DCS和SIS同時控制高壓氯乙烯壓縮機的停車。SIS停高壓氯乙烯壓縮機命令信號采用冗余配置， 由SIS輸出冗余（2個常閉接點）的停車命令信號到相應的高壓馬達控制中心，信號電纜選用雙并控制，電纜由SIS機柜間至相應高壓馬達控制中心。 在高壓馬達控制中心增加中間繼電器將SIS停車命令信號分配到相應的每臺高壓氯乙烯壓縮機，確保SIS能后及時停高壓氯乙烯壓縮機[5]。

3 結語

乙炔和氯乙烯氣柜的安全穩(wěn)定運行對于氯堿企業(yè)的安全生產至關重要， 本自控方案在原有自控儀表設備和控制系統(tǒng)的基礎上增加了SIS 和DCS 儀表和聯(lián)鎖控制程序，確保在發(fā)生氣柜卡頓、泄漏、上下游生產系統(tǒng)出現(xiàn)異常等影響生產系統(tǒng)安全的非正常情況發(fā)生時，引導并使生產系統(tǒng)處于安全狀態(tài)，防止人身傷害或經(jīng)濟損失。