化工自動化儀表在氯堿和聚氯乙烯行業的應用

趙安亮(安徽華塑股份有限公司，安徽 定遠 233290)

0 引言

隨著現代科學技術的發展，氯堿和聚氯乙烯行業的生產工藝控制基本實現了全過程自動化控制，通過SIS和GDS系統的推廣運用，更提高了氯堿和聚氯乙烯行業各生產裝置的安全可靠性。

化工自動化儀表主要包括DCS系統、SIS系統、GDS系統、PLC系統、各類化工檢測儀表、自控閥門、各類信號電纜等。如果將整個氯堿和聚氯乙烯行業各生產裝置比作一個人，DCS/PLC控制系統是“大腦”，各類化工檢測儀表是“眼睛”，各類自控閥門是“手腳”，各類信號電纜是“神經”，由此可見化工自動化儀表在氯堿和聚氯乙烯行業各生產裝置安全生產過程的重要性。

1 DCS/PLC系統的在氯堿和聚氯乙烯行業的應用

(1) DCS控制系統符合氯堿和聚氯乙烯行業集中操作和分散控制設計理念，DCS控制系統的控制單元安裝在現場機柜間，上位操作單元安裝在中央控制室，上位操作單元和控制單元通過光纖進行通訊。

(2)氯堿電解單元以及配套的工藝單元現階段采用的主流DCS控制系統有橫河的CENTUM VP系統、霍尼韋爾的PKS系統、浙江中控的ECS-700系統及和利時的MACS-K系統[1]。

(3)聚氯乙烯生產單元以及配套的工藝單元現階段采用的主流DCS控制系統是艾默生的DeltaV系統、橫河的CENTUM VP系統、霍尼韋爾的PKS系統，聚氯乙烯生產單元自動化程度相對較高，其化學品配制單元、聚合加料單元、聚合過程單元、漿料汽提單元均是采用批量程序或順控程序進行全過程自動控制的。

(4)氯堿和聚氯乙烯行業各生產裝置的主控制系統一般很少用PLC控制系統，PLC控制系統一般都是應用在各生產裝置有技術保密的工藝包單元、大型機組的控制單元等，例如一次鹽水的膜過濾裝置多采用西門子S7300控制系統、聚氯乙烯的離心機控制多采用西門子S7300控制系統等。這些大型機組和工藝包自帶的PLC控制系統一般都是通過ModeBus 485與對應的氯堿和聚氯乙烯行業各生產裝置主DCS控制系統進行數據通訊的，以便于在主DCS控制系統上能夠讀取PLC子系統的數據[2]。

2 SIS系統在氯堿和聚氯乙烯行業的應用

(1)隨著國家對氯堿和聚氯乙烯行業安全要求的逐年提高，目前國家規范要求氯堿和聚氯乙烯行業必須設置獨立于DCS/PLC過程控制系統的SIS系統。其中氯堿和聚氯乙烯行業的SIS系統必須要有不低于TUV SIL3的認證等級。目前國內取得TUV SIL3認證等級的SIS系統品牌有浙江中控、和利時、康吉森，進口品牌的SIS系統主要有HIMA、TRCON、艾默生、橫河、霍尼韋爾等。

(2)氯堿電解槽單元的氯、氫壓差高高報警聯鎖停電解槽，液氯單元的液氯儲槽液位高高報警聯鎖關閉進料自控閥門等都是在SIS系統中實現的；聚氯乙烯的聚合單元聚合釜溫度和壓力高高報警聯鎖加入緊急終止劑，聚合釜攪拌轉速低低報警聯鎖加入緊急終止劑，聚合釜攪拌電機功率高高報警聯鎖加入緊急終止劑，VCM單體球罐液位高高報警聯鎖關閉進料自控閥門等都是在SIS系統中實現的。

3 GDS系統在氯堿和聚氯乙烯行業的應用

按照GBT 50493—2019 《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計標準》要求，GDS系統要獨立于DCS/PLC過程控制系統，其主要是用于可燃和有毒氣體報警儀表信號的采集、運算、報警以及區域報警聯動等。在氯堿各生產裝置需要檢測的可燃和有毒氣體主要有氫氣和氯氣；在聚氯乙烯各生產裝置需要檢測的可燃和有毒氣體主要有乙炔、庚烷、VCM。氫氣可燃氣體報警儀采用的是催化燃燒原理，庚烷和乙炔可燃氣體報警儀采用的是紅外檢測原理，VCM和氯氣采用的是電化學檢測原理。

4 各類化工檢測儀表在氯堿和聚氯乙烯行業的應用

4.1 溫度檢測儀表

在氯堿和聚氯乙烯行業應用的溫度檢測儀表主要有三大類，熱電阻(RTD)、熱電偶(TC)、雙金屬溫度計，其中由于氯堿和聚氯乙烯工藝控制溫度一般在中、低溫范圍(-35～600 ℃)，其主要應用的遠傳溫度檢測儀表為熱電阻(PT100)，熱電偶應用的相對少一些。

雙金屬溫度計是根據兩種不同材質金屬受熱形變不同的原理進行溫度檢測的；熱電阻是根據熱阻效應來進行溫度檢測的；熱電偶是根據熱電效應來進行溫度檢測的。根據氯堿和聚氯乙烯行業的生產工藝要求，我們一般都選擇精度等級為A級的PT100熱電阻。PT100熱電阻接線形式分為兩線制、三線制、四線制三種類型，其中四線制的檢測精度最高，兩線制的檢測精度最低，一般都選擇三線制或四線制接線形式。

由于聚氯乙烯行業中的VCM轉化單元，每臺轉化器都有12個溫度檢測點位，每套VCM轉化單元有幾十臺甚至上百臺轉化器，溫度檢測點位多且較為集中，為節省DCS控制系統的I/O點位、節省信號電纜以及降低施工難度，行業內都是通過多路溫度采集系統將轉化器的溫度檢測信號引入DCS的。目前行業內應用較為廣泛的是MTL或GM的產品。

4.2 壓力檢測儀表

在氯堿和聚氯乙烯行業主要應用的壓力檢測儀表有就地壓力表、壓力變送器和壓力開關。

就地壓力表是利用彈簧管受力變形的原理工作的；壓力變送器主要有兩種檢測原理，一種是單晶諧振原理，一種是電容原理，其可以將壓力信號轉換為4～20 mA的標準信號，并遠傳至DCS/PLC過程控制系統或SIS系統，以實現氯堿和聚氯乙烯行業生產過程的監控報警、PID控制以及聯鎖保護；壓力開關是通過生產過程壓力的變化來改變壓力開關儀表觸點的接通或閉合狀態，并將狀態的變化信號遠傳至DCS/PLC過程控制系統或SIS系統，以實現氯堿和聚氯乙烯行業生產過程的監控報警和聯鎖保護。氯堿行業壓力檢測儀表在檢測鹽水介質時，感壓膜片一般選擇鈦材；檢測鹽酸、氯氣介質時，感壓膜片選擇鉭材；檢測氫氧化鈉溶液介質時，感壓膜片選擇316L。

4.3 物位檢測儀表

在氯堿和聚氯乙烯行業主要應用的物位儀表有雷達物位儀表、雙法蘭液位儀表、音叉物位儀表、外測式液位儀表、射頻導納物位開關等。下面對比較典型的外測式液位儀表、雙法蘭液位儀表、雷達物位儀表進行闡述。在氯堿裝置的液氯儲槽和聚氯乙烯行業VCM裝置的球罐都應用了外測式液位儀表，外測式液位儀表是利用微振動原理進行工作的，該類儀表主要應用在盛裝劇毒液態物料的球罐和臥式儲槽，該類儀表的安裝是將傳感器通過專用耦合劑粘貼在容器壁的外側，沒有與劇毒工藝介質的連接接口，在很大程度上降低了劇毒液態物料泄漏的風險。

雙法蘭液位儀表在氯堿和聚氯乙烯行業應用的也較為廣泛，該類儀表是利用差壓原理來檢測液態物料液位的。該類儀表要根據所檢測物料的特性來選擇感壓膜片的材質；根據容器上下兩個法蘭間的距離，來選擇毛細管的長度，毛細管內一般充裝的是硅油或氟油。

雷達物位儀表在氯堿裝置應用的相對少些，但在聚氯乙烯行業的各生產裝置都應用的較為廣泛。聚氯乙烯料倉、電石料倉等都采用雷達物位儀表進行檢測。需要注意的是，在電石料倉用雷達物位儀表檢測時，在雷達物位儀表的喇叭口內壁容易積聚電石灰，從而導致檢測數據失真，為防止該問題出現，在雷達物位儀表選型的過程中，要增加氮氣反吹裝置。有水蒸氣存在的場所不適合選用雷達物位儀表，原因是在雷達物位儀表的喇叭口內壁容易凝結水珠，從而導致檢測數據失真。

4.4 流量檢測儀表

在氯堿和聚氯乙烯行業主要應用的流量檢測儀表有電磁流量計、質量流量計、渦街流量計、孔板流量計、超聲波流量計、熱式質量流量計[3]。

在氯堿裝置，尤其在電解槽單元多選用雙頻勵磁的電磁流量計，原因是電解槽單元附近區域直流干擾嚴重，雙頻勵磁的電磁流量計抗直流干擾能力較強。在聚氯乙烯裝置汽提和干燥工序的PVC漿料流量檢測也多選用雙頻勵磁的電磁流量計，因為PVC漿料中含有PVC粉料、脫鹽水和工藝氣體，雙頻勵磁的電磁流量計對固、液、氣三相流的抗干擾能力較強。熱式質量流量計主要是應用在氯堿裝置氯化氫合成單元的氯氣流量檢測，應用效果較好，原因是氯化氫合成工序的氯氣比較干燥和潔凈。質量流量計主要應用在聚氯乙烯裝置的聚合單元，用于聚合釜VCM單體和各類化學品藥劑的加料計量，該類儀表精度較高，價格比較昂貴，主要用于檢測精度要求較高的場合。

超聲波流量計主要用于氯堿和聚氯乙烯行業各生產裝置脫鹽水介質的流量檢測，應用效果良好。

孔板流量計是在氯堿和聚氯乙烯行業應用時間最長且傳統的儀表，其可以檢測所有的氣體、單相液體的流量，但該儀表的缺點就是精度相對較低，維護相對麻煩，還需要配套對應的溫度和壓力補償儀表。尤其在對氯堿和聚氯乙行業各生產裝置的易燃和易爆氣體進行流量檢測時，有嚴格的流速限制要求，防止出現爆炸事故。

4.5 分析儀表

在氯堿和聚氯乙烯行業應用的分析儀表主要有pH分析儀、ORP分析儀、氯中含水分析儀、游離氯分析儀，火焰監測儀，盤柜式氧分析儀、盤柜式乙炔分析儀、可燃和有毒氣體報警器、環保監測VOCS分析小屋等，下面對其中幾個主要分析儀表的應用進行闡述。

微量水分析儀在氯堿裝置中的應用，由于氯氣壓縮機轉子和主軸是高強度合金鋼材質，不耐鹽酸的腐蝕，如果干燥處理后的氯氣中含水不能控制在合格的工藝指標內(一般工藝控制在150 mg/L之內)[4]，就會出現氯氣壓縮機轉子被腐蝕而導致機組不能正常工作的情況，因此氯氣壓縮機出口安裝微量水分析儀是必要的，目前應用的微量水分析儀主要有兩種檢測原理：一種是五氧化二磷吸水檢測原理；一種是激光檢測檢測原理。

游離氯分析儀在氯堿裝置中的應用，由于出氯化氫合成爐后送VCM裝置的氯化氫氣體中的游離氯含量對VCM裝置混合器的影響較大，容易導致混合器的著火和爆炸，因此在氯化氫合成爐出口的氯化氫總管安裝游離氯分析儀是必要的，目前行業內應用的主要是紫外檢測原理的游離氯分析儀。

盤柜式氧分析儀和乙炔分析儀在聚氯乙烯行業乙炔裝置中的應用，由于乙炔裝置破碎系統中料斗提機、細料斗提機、返料斗提機以及電石成品倉對氧氣含量、乙炔含量的要求都較高，原因是電石破碎系統內的乙炔含量和氧含量的濃度達到一定限值并有火源的情況下極易產生爆炸，氧氣和乙炔分析儀的檢測數據的準確性對工藝控制的安全是非常關鍵的。

5 自控閥門在氯堿和聚氯乙烯行業的應用

在氯堿和聚氯乙烯行業應用的自控閥門按照用途劃分主要有自控調節閥和自控切斷閥，按照執行機構的能源驅動形式劃分主要有電動自控閥和氣動自控閥，按照閥體的結構形式劃分主要有自控單座閥(globe)、自控蝶閥、自控球閥、自控柱塞閥、自控刀閘閥等。

由于氯堿和聚氯乙烯行業各生產裝置對防爆的要求較高，多選用氣動自控閥門。氣動自控調節閥除閥體和執行機構之外的主要附件就是電氣閥門定位器，氣動自控切斷閥除閥體和執行機構之外的主要附件就是電磁閥和閥位開關。聚氯乙烯生產裝置中，聚合釜卸料閥主要采用柱塞閥，根據生產實踐經驗，聚合釜卸料用柱塞閥最好選用氣動柱塞閥。SIS系統控制的閥門，要根據設計要求選擇具有整閥SIL認證等級要求的自控閥門。

6 氯堿和聚氯乙烯行業用儀器儀表防爆等級的選擇

在氯堿裝置防爆區域主要是根據氫氣存在的區域來進行劃分的，一般選擇不低于ExiaIICT4或ExdIICT4的防爆等級標準。在聚氯乙烯行業的各裝置防爆區域的劃分，乙炔裝置是根據乙炔氣體存在的區域來劃分的，一般選擇不低于ExiaIICT2或ExdIICT2的防爆等級標準。VCM裝置是根據綜合考慮乙炔、庚烷、VCM氣體可能存在的區域，一般選擇不低于ExiaIICT4或ExdIICT4的防爆等級標準。聚氯乙烯裝置是根據VCM氣體存在的區域來劃分的，一般選擇不低于ExiaIIBT4或ExdIIBT4的防爆等級標準。

7 結語

隨著氯堿和聚氯乙烯行業的快速發展，國家對安全和環保的要求的逐步提高，企業用工成本的逐年增加，化工自動化儀表在氯堿和聚氯乙烯行業中的重要性日趨突顯。化工自動化儀表在氯堿和聚氯乙烯行業的應用，不僅降低了企業的用工成本，而且提高了企業的生產效率和安全可靠性。