燒堿裝置的升級改造

肖憲銳

(云南天冶化工有限公司，云南 文山663000)

隨著氯堿行業離子膜電解工藝技術的不斷發展，對應化工單元的安全高產運行、智能過程控制、節能降耗已經成為了氯堿人關心的熱門話題和入門氯堿的必修課。結合企業自身實際開展相關技改項目、項目更新升級改造成了今后企業逐步由“自動化控制”轉變為“智能化控制”的鋪路石，同時是工廠發展過程中的安全保障必要措施之一。

1 企業改造思路和目標

云南天冶化工有限公司(以下簡稱“天冶化工”)10萬t/a離子膜燒堿裝置包含水氣處理單元、一次鹽水精制及液體罐區單元、二次鹽水精制及離子膜電解單元、氯氫及廢氣處理單元、液氯鋼瓶及槽車充裝單元、冷凍站、氯化氫合成及電解水制氫單元和天然氣鍋爐單元8個部分，裝置在廠區跨地面積寬，操作人員分散，存在員工勞動強度大、操作控制水平與企業發展水平不同步、生產成本高和一定的安全環保風險等問題。面臨2018年末至今氯堿市場的價格持續下滑和新冠疫情對貿易市場的沖擊，天冶化工在認真分析和總結市場行情和企業自身實際情況下主動求變，將裝置自動化升級改造作為安全生產高產穩產兩保障、提高裝置自動控制管理水平和挖潛增效的一項重要措施來研判，不斷提高企業在同行業中的市場競爭力和抗風險能力，同時保持企業“一三一”(一創新三重點一有效：以一種創新的工作方法，提高安全意識、落實安全責任、提升安全能力為重點，確保安全標準化有效運行)管理的持續發展。

2 具體實施方案和運行情況

天冶化工根據氯堿市場行情認真開展挖潛增效工作，結合燒堿裝置工藝和運行要求，針對不同問題制定了正確的對應措施，改造邏輯思路縝密，主要從以下10個方面實施，最終實現崗位人員優化配置、崗位合并搬遷、節能降耗等目標。

2.1 電解槽實施防氯氣倒串

天冶化工10萬t/a燒堿電解槽在計劃停車后、聯鎖停車后、電解槽原始開車、增開電解槽灌液并網前、電解槽出口管道氯氣系統及電解槽停車后，投入極化電源產生氯氣并入廢氣系統，經吸收塔+尾氣塔(一塔配兩槽)用堿液進行吸收。即電解開停車時和各種事故狀態時的氯氣進入吸收塔的下部，與經過循環液冷卻器被循環水冷卻后的循環堿液逆流接觸，進行吸收反應。從吸收塔頂部出來的未反應完的含氯尾氣再進入尾氣塔下部，與預先配制好的16%～18%堿液反應，進一步除去其中的氯，達到環保排放標準的尾氣經風機排入大氣中。但當出現以下情況時廢氣系統氯氣易倒串至電解槽：廢氣處理尾氣風機抽力過小，液氯槽車充裝氣或儲槽氣排放量過大將廢氣總管頂正壓，氯氣從廢氣總管分別進入4臺電解槽；廢氯氣總管長期開車過程中由于廢氯氣管道(DN400，PN10，硬PVC/FRP)管徑大、管線長易積水，影響風機抽力，導致電解槽出口至吸收塔段管道為正壓，不能保證負壓操作，氯氣從廢氣總管分別進入4臺電解槽。當電解槽在并網前停止循環過程、電解槽排液過程、電解槽灌液(包括增開電解槽)過程、電解槽膜濕潤完成保壓過程和電解槽大負壓差操作過程中，由于電解槽陽極倒灌氯氣沒有及時被抽走，氯氣通過膜滲透進入陰極室與燒堿反應產生次氯酸根，腐蝕陰極Ni材，從而使陰極的Ni溶出，蓄積在膜上導致電解槽槽電壓不可逆的上升，單元槽槽框陰極室使用壽命大大縮短。

2018年4月，天冶化工停下C、D槽檢查，發現有80%～90%的單元槽陰極網面有不同程度的局部腐蝕斷絲(包括2017年4月份投用的新槽有兩片也有輕微腐蝕)，有斷一個頭的，有線狀腐蝕的，也有小塊點狀腐蝕的，一片槽陰極網面有幾個點或幾十個點，甚至上百個點的腐蝕斷絲點不等。但幾乎每片槽上的腐蝕斷絲點都分布在陽極出口部位或陰極出口部位，總體槽頭前半區的腐蝕斷絲較后半區的嚴重。分析造成該現象的原因如下。①陰極網接觸到了呈酸性的腐蝕性物質或較長時間接觸到氧氣，鎳絲被氧化，鎳被吸出。②根據每片槽的腐蝕斷絲點都分布在陽極出口部位或陰極出口部位這一特點，基本確定是在電解槽停車狀態時，有少量的氯氣經過電解槽氯氣出口總管進入電解槽陽極室，由于離子膜長期是在保濕的狀態，進入電解槽的氯氣溶解到有水分的離子膜上以鹽酸、次氯酸狀態存在，滲過膜的酸性物質接觸到陰極網的部位，陰極網面局部被腐蝕。電解槽極網腐蝕破損，可造成離子膜的摩擦損傷，影響安全生產。停車換膜產生離子膜消耗的直接經濟損失和人工、停產等間接經濟損失。

為了保證電解在上述情況下系統內氯氣在排出時有足夠和穩定的負壓，將4臺電解槽出口至廢氣處理的氯氣管道與脫氯真空泵來的廢氣管道斷開單獨配管至廢氣處理尾氣塔01T0502進口，并在該管道最低點設置排水口，將排出氯水引流至陽極液排放槽01V-280，最后送至脫氯塔。投用后經過三年多運行驗證，自改造后電解槽從未出現氯氣進入陰極室，對離子膜和電解槽的損傷導致離子膜效率下降、交流電耗上升現象。對保障電解槽安、穩、長、滿、優運行具有重要作用。

2.2 延長樹脂塔再生周期

在一次鹽水后反應槽01R0107現場加入磷酸鹽藥劑，不影響原生產工藝。將磷酸鹽加入與原碳酸鈉精致劑充分反應的粗鹽水中，能夠促使鹽水中的Ca2+、Mg2+進一步反應，減少一次鹽水中的Ca2+、Mg2+濃度，使粗鹽水中的Ca2+、Mg2+近似完全反應，一次鹽水中的Ca2+、Mg2+濃度就會相應地減少，該反應更完全，反應速度更快，生成沉淀更容易使其從鹽水中分離出去，一次鹽水質量得到較大的改善。一次鹽水質量的改善，可有效地降低樹脂塔的運行負荷，延長其連續運行時間，實現樹脂塔再生過程中燒堿自用，從而實現降本增效。

項目運行后將二次鹽水離子交換樹脂塔再生周期延長至≥4天/次。樹脂塔再生1次需消耗32%燒堿2.1 m3(實際運行統計用量)、31%HCl用量2.06 m3，樹脂塔再生周期延長后實現降低燒堿、鹽酸消耗，從而達到降本增效的目的。同時，二次鹽水中鈣鎂離子含量比項目未投用前降低了6×10-9左右，對電解槽電耗的穩定做出了很大貢獻。減少樹脂塔再生次數，不光減少原材質消耗，最主要在環保要求嚴格的條件下，減少了大量的廢水。

2.3 能源(蒸汽)綜合優化節能利用

隨國家能源政策的調整，節能、環保要求的不斷提高，鍋爐技術及自動控制技術的提高，采用燃氣為清潔燃料和潔凈燃燒技術的高效、節能、低污染工業鍋爐將是工業鍋爐產品發展的趨勢。天冶化工原設計采用45 t/h×2循環流化床鍋爐供蒸汽，負荷在7～9 t/h，負荷低，蒸汽成本高，環保矛盾顯現。3臺副產蒸汽氯化氫合成爐余熱蒸汽基本沒有回收使用，放空排放，轉化器反應溫度偏高。

為合理實現能源優化合理利用，天冶化工停用2臺燃煤鍋爐，新建2臺6 t/h額定蒸汽壓力為1.6 MPa,額定蒸汽溫度204 ℃的天燃氣鍋爐，配套新建60 m3低溫儲罐、汽化裝置、調壓計量加臭裝置的LNG供氣站。依托現有的蒸汽管網，新建2臺燃氣鍋爐共用1個新增分汽缸。分氣缸一路和原有45 t/h×2循環流化床鍋爐的分汽缸串聯使用，在原蒸汽母管上新增減壓裝置，確保閥后壓力調節穩定在0.4 MPa后與3臺氯化氫合成爐副產蒸汽合并供低壓蒸汽管網使用；另外一路進入蓄熱器穩定供聚合蒸汽管網蒸汽，確保聚合涂釜使用。

改造前：按1 t蒸汽耗396 kg原煤，原煤價格365 元/t，每小時耗電1 079 kW·h，電價0.4元/(kW·h)，其他儀表空氣、氮氣、脫鹽水等正常計算，則蒸汽成本合計293.82元/t。按11 t/h供汽計算，燃煤鍋爐運行費用為2 585.652萬元/a。改造后：按噸蒸汽耗天然氣75 m3，天然氣單價3.5元/m3，耗電60 kW·h，電價0.4元/(kW·h)，其他儀表空氣、氮氣、脫鹽水等正常計算，蒸汽成本360.5元/t，運行費用為1 984.662萬元/a。

停運45 t/h×2循環流化床鍋爐，采用2臺2 t/h天燃氣鍋爐運行，每年可節約費用2 565.852-1 984.662=581.19(萬元)；另外，隨天然氣管網鋪設等基礎設施建設，采用管道天然氣后，天然氣成本、燃氣鍋爐運行成本將會進一步下降。同時，停運2臺45 t/h循環流化床鍋爐，解決了煙氣排放超標的環保風險。

改造后單臺副產蒸汽合成爐平均以65%的負荷運行，實際平均副產蒸汽產量為2.3 t/h，蒸汽壓力為0.5～0.55 MPa，副產蒸汽利用率在98%以上，產蒸汽18 400 t/a。

2.4 氯壓機自動控制改造

氯氫處理系統就像人的呼吸系統，是燒堿裝置順利啟停和平穩運行的重要保障[1]。氯壓機的操作控制關系著電解氯氣系統壓力平穩的關鍵。將氯壓機單臺氯壓機自身回流和進口手動閥更改為DCS控制調節閥，在后系統出現異常情況(如1臺或多臺合成爐跳停)、氯壓機組關停、增開氯壓機和穩定控制電解系統氯氣氫氣壓差平穩運行等情況時，即可在DCS內完成平穩快捷地維護氯氣系統壓力穩定和異常情況處置，避免造成不必要停車。

改造運行至今，氯壓機自動化改造項目達到預期目標，即緊急情況下(特別是在2019年下半年的4次晃電過程中系統氯氣壓力波動大的情況下)，未造成整個裝置的聯鎖停車，已降低因氯壓機聯鎖停車次數。氯壓機自動化升級改造后，有效地控制了因氯壓機引起的聯鎖停車次數，為公司安全生產提供了保障，有效地減少因聯鎖停車而引起的經濟損失。

2.5 氯化氫合成爐視鏡自動清洗及遠程監火

天冶化工氯化氫合成工序設有3臺副產蒸汽型合成爐，每臺合成爐在控制室內設有2個火焰觀測口，通過DN150的CPVC管道將合成爐視鏡內火焰反饋至控制室內的鏡子上，由操作人員對火焰進行人工監火。改造前運行存在以下3點問題：①在人工火焰監測過程中，人工監測過于滯后，存在不能及時發現合成爐斷火、偏燒、過氫、過氯等異常情況發生的風險，導致無法及時作出判斷，并且控制質量較差，人工分析滯后時間長，很難保證合成爐系統運行的安全性和穩定性。②在合成爐運行過程中，人工火焰監測口視鏡表面會被深黃色的冷凝酸覆蓋，從而導致火焰觀測口變得模糊不清，視鏡受冷凝酸長期的積累影響導致操作人員無法及時對合成爐火焰過氯或過氫進行判斷，對VCM裝置的安全運行造成一定的影響。③隨著氯堿化工企業的安全管理的相關要求升級，氯化氫合成爐控制室和合成爐不允許設置在同一個區域，對人工監測合成爐火焰造成了很大的影響。

針對上述存在問題，天冶化工制定了相應的解決措施。①在火焰觀測口處增設自動清洗閥門和 PFA 水管，對火焰觀測石英玻璃視鏡進行清洗。清洗系統可通過DCS進行遠程手動或自動清洗。在手動模式下控制閥的動作需通過手動執行；在自動模式下，通過對自動清洗時間的預先設定，實現對控制閥按預定的程序執行工作。②增加火焰在線監測系統。火焰檢測系統是基于圖形識別技術的集監測、識別及報警于一體的火焰檢測系統，由計算機代替肉眼觀察火焰顏色、亮度、形狀、頻率等要素，達到火焰斷火報警、火焰偏燒報警、火焰顏色發紅報警、火焰顏色發暗報警、過氯報警目的。同時，根據合成爐穩定運行時的火焰顏色預判出合成爐出口氯化氫氣體純度。

投用后經過調試摸索，火焰觀測視鏡最佳循環清洗時間為70 min，在此清洗循環時間內既保證了火焰觀測視鏡的干凈又保證了火焰在線監測系統質量，火焰檢測在線分析氯化氫純度與人工分析值吻合度達98%。經過改造，完成了合成爐現場操作控制室與生產現場的分離搬遷。

2.6 氯化氫吸收酸系統自動控制

天冶化工氯化氫系統設有4套吸收系統，操作模式全為手動模式，該模式存在員工勞動強度大、轉化緊急停車時倒氯化氫氣體至吸收系統耗時長(50 min)，且倒回氣體流量過大不能及時判斷吸收水流量、人工分析滯后、吸收水不足導致氯化氫氣體泄漏和尾氣塔憋壓帶來較大的安全環保風險等問題。通過自動化改造，在DCS完全實現燒酸、倒酸操作。在吸收水流量、吸收水流量調節閥、氯化氫氣體流量三者之間建立回路控制，實現吸收水流量根據氯化氫流量自動調節。

2.7 燒堿鹽水及電解單元自動化改造

隨著氯堿系統的不斷發展，鹽水系統和電解單元控制技術和水平基本達到頂尖水平，但結合每家企業實際，還能將安全生產管理和節能降耗工作做得更細，在細節上仍可下功夫。天冶化工做了如下改造：在一次鹽水工序新增pH在線檢測儀、ORP、流量計、調節閥、鹽水濃度在線檢測儀等，通過DCS程序控制，實現氫氧化鈉、碳酸鈉、鹽酸、FeCl3等精制劑的自動投加、自動補水、自動倒槽以及自動切換機泵。還增加了碳酸鈉過堿量和氫氧化鈉過堿量在線分析儀。電解單元01P-174AB、01P-264AB、01P-274AB、01P-154AB，實現聯鎖自動啟停及切換。即在每臺泵出口增加止回閥和壓力變送器，將機泵電動機更換為變頻電動機，將機泵回流閥更換為調節閥，建立機泵變頻控制泵壓、泵出口液位調節閥自控儲槽液位的邏輯關系，機泵在停運或晃電情況下自動聯鎖啟動備用泵的聯鎖邏輯關系。有效解決了現場倒泵需勞動力多、晃電或機泵跳停等異常情況時造成陽極液循環槽01V-260和陰極液循環槽01V-270液位達聯鎖設定值造成系統跳停。

2.8 公用工程水、氣裝置操作控制自動化升級

通過增加DCS控制調節閥、快開閥、流量計對空壓站、循環水站、純水站、凈水站，實施DCS自動操作控制改造，有效實施部分崗位合并，減少操作定員，提高工作效率。

2.9 DCS控制系統升級改造

天冶化工燒堿裝置現用DCS為杭州和利時自動化有限公司HOLLiAS MACS V5控制系統，該系統自運行以來運行狀況基本穩定，但隨著計算機控制系統的飛速發展，該系統已暴露出一些問題：①燒堿DCS系統投運后的幾年中，隨著燒堿裝置技改、新增項目的實施，DCS控制點位不斷增加，HOLLiAS MACS V5控制器硬件配置偏低，現所負載I/O卡件數量已達到飽和狀態。②HOLLiAS MACS V5控制系統為Windows XP操作系統平臺下的版本，Windows XP操作系統軟件已不受微軟公司支持，而且市場上已買不到部分相應硬件。③HOLLiAS MACS V5控制系統使用的是服務器架構，采用雙層網絡技術，第一層為控制器與服務器數據通信；第二層為服務器與工程師站、操作員站數據通信。服務器在整套系統中起到連接操作員站與控制器的關鍵作用，服務器如出現故障，操作人員將不能進行任何監視和操作。服務器具有歷史趨勢記錄、報警記錄、SOE記錄等重要功能。④HOLLiAS MACS V5控制系統不能完全實現無擾下裝，增加硬件、程序有改動都需要裝置停車后才能實施，有礙于新增、技改項目實施。⑤HOLLiAS MACS V5控制系統不能完全實現雙屏顯示功能，影響操作員監控操作；組態軟件操作煩瑣，不利于組態工程師進行組態工作。

綜上對燒堿裝置DCS系統升級，主要升級主控單元及操作員站，取消服務器，保留原有DCS系統各站的所有功能，包括組態的控制策略、操作、顯示、報警、趨勢顯示、歷史趨勢和歷史數據顯示和查詢以及OPC通訊、顯示等，保留原有I/O卡件及點數。將燒堿DCS系統由HOLLiAS MACS V5升級至HOLLiAS MACS V6控制系統，操作員站由DELL 7010升級至及主流的惠普680G3并安裝Windows 10操作系統。系統升級為實現裝置各單元進行集中控制提供了有力保障，有效解決了在生產過程中DCS系統部分改造項目或回路控制程序優化組態完成下裝過程導致系統跳停、關鍵指標趨勢丟失等安全問題。

2.10 增加GDS報警系統和SIS聯鎖系統

2019年，天冶化工投用了氣體檢測報警系統(GDS)，提高了對生產現場有毒及可燃氣體含量在線監測的準確性和穩定性，通過對有毒及可燃氣體含量精確地測量、監測和聯鎖保護，給操作工人判斷設備運行環境中可燃及有毒氣體濃度狀況提供了很好的依據，同時也為生產系統的安全穩定運行提供了可靠保障。天冶化工安全儀表項目作為云南省內第一家化工企業依據國家標準推行的SIS完整項目，具有較強的示范、帶動和擴散能力，對促進產業結構的調整、優化、升級及產品的更新換代，以及行業的發展具有很大作用。

3 結語

通過上述改造、升級措施的實施，提高了企業的自動化控制水平，增強了裝置的本質安全，改造實施后燒堿裝置實現了兩年一大修的檢修目標，為企業控制檢修成本打好了基礎保障。同時，通過上述改造措施的實施，燒堿裝置成功地實現了崗位合并優化，成功優化了崗位操作人員35人。

圍繞高產穩產、減排降耗、對標法規標準、查找生產裝置瓶頸，研究技術方案是開展技術改造工作的初衷，由自動化控制水平逐步轉化為智能化控制水平并確保企業穩定健康發展是終極目標和努力方向，在不斷提高和完善自動化控制技術水平的前提下，一定會實現終極目標。