氯化氢合成控制系统的设计

黄丽梅

（中建安装石化工程设计院，江苏 南京 210049）

氯化氢合成控制系统的设计

黄丽梅

（中建安装石化工程设计院，江苏 南京 210049）

重点介绍了氯化氢合成的工艺流程，控制系统的总体硬件方案，氯气、氢气流量的双闭环比值控制，流量测量的温压补偿，氯化氢合成开车的顺序控制以及自动联锁停车控制。

氯化氢合成；冗余；双闭环；比值控制；顺序控制；联锁停车

1 氯化氢合成工艺简介

从上游工段送来的氯气和氢气分别经过氯气缓冲罐、氢气缓冲罐、氯气阻火器、氢气阻火器，通过流量调节比例控制后（氯气与氢气比例为1∶1.05～1∶1.1）进入三合一合成炉底部的石英灯头。

三合一合成炉内有气体燃烧、冷却和吸收3个过程。氯气走石英灯头的内层，氢气走石英灯头的外层，二者在石英灯头燃烧。吸收水从三合一合成炉顶部进入，经布液成膜状沿合成炉壁下流至吸收段，再经分酸环流入降膜式石墨吸收段，与氯化氢气体逆流接触。氯化氢不断被稀酸吸收，气体浓度越来越低，而酸浓度越来越高，而过量的氯化氢气体经三合一合成炉顶部的分离段，进行气液分离。浓盐酸进入到盐酸中间罐，未被吸收的氯化氢尾气从三合一合成炉顶部的侧部进入到尾气吸收塔。由二次盐水及电解工段的纯水泵送来的纯水，经尾气吸收塔吸收氯化氢尾气后流入到三合一合成炉的顶部。从尾气吸收塔出来的不凝气用引风机抽走。三合一合成炉炉内生成的氯化氢燃烧热和氯化氢溶解热被冷却水带走，送至循环水冷却系统。

2 控制系统的硬件配置

本方案采用的是SIEMENS公司的SIMATIC S7-400FH型的PLC为控制系统。系统控制器由2套CPU417-4H冗余组成，主CPU和热备CPU之间通过冗余光纤链接，这种链接可以使2个CPU保持“事件驱动同步”程序扫描[1]，见图1。即使主系统CPU发生故障，热备系统CPU的工作也能保证实际运行的连续性。

系统所需的输入/输出模块均安装在西门子ET-200M分布式I/O站上，主站与从站分布式I/O站之间的通讯配置为冗余模式，即每个ET-200M分布式I/O站上安装2个153-2接口模块，做为主接口和备用接口，而主、备CPU17-4H的DP接口分别通过PROFIBUS-DP总线连接到每个IM 153-2接口模块，从而构成2条冗余PROFIBUS-DP通信总线，以便将各种I/O信号传送到PLC进行数据分析和处理[2]。而在上位机（Wincc）与PLC的通信中，则采用OPC技术实现，且将WinCC配置成OPC客户端，将SIMATIC NET配置成OPC服务器，并采用西门子公司的CP443-1工业以太网通信处理器模块和CP1613工业以太网卡，在安装相应的驱动程序之后，建立上位机与PLC之间基于Simatic Net OPC方式的通信。

图1 控制系统的硬件配置

3 控制系统的软件设计

氯化氢合成控制系统中，流量的温压补偿功能采用结构化控制语言（Structured Control Language，SCL）来处理复杂数学函数的运算。三合一合成炉的顺序控制采用顺序功能图语言（S7-Graph），主要是将整个控制过程分解为许多拥有具体功能的步（Step），当相邻2步的转换条件符合要求后，上一步动作结束而下一步动作开始，按一定的顺序控制，从而组成完整的控制程序。其中，步与步之间的转换、互锁和监控等可采用梯形图（Ladder Diagram，LAD）和功能块图（FunctionBlockDiagram，FBD）语言编程[3]。自动联锁停车程序采用连续功能图（Continuous Function Chart，CFC）[4]进行编程组态的。

3.1 氯气、氢气流量比值控制的设计

进三合一合成炉（R701）的氢气是围绕氯气比例调节的，氯气、氢气的流量配比采用双闭环比值控制实现[5]，这是在单闭环比值控制的基础上增设了主流量控制回路而构成的控制系统。双闭环比值控制的运用克服了单闭环比值控制系统主流量受干扰的影响，同时也克服了生产负荷在较大范围内波动的情况[6-7]。控制方框图见图2。

图2 氯气、氢气流量双闭环比值控制

在氢气、氯气流量的测量过程中，由于工艺条件的不断变化，氢气和氯气的温度、压力也在变化中，造成了氢气、氯气的密度也在不断变化。而实际使用中，体积流量计的标尺是以标准状态（20℃、101.325 kPa）下的流量为刻度（Nm3/h）的。由式（1）差压式流量计的流量方程式[8]可知，用差压式流量计测量的体积流量由于介质的密度与标准状态的密度不同会出现较大的测量误差。所以在测量体积流量时将被测气体的温度、压力引入体积流量测量系统，使系统通过换算进行温压补偿，这样得到标准状态下的体积流量值。基于上述温压补偿的分析，在氯气、氢气的缓冲罐中均设置了热电阻、压力变送器，用于合成炉入口氯气、氢气体积流量的温度、压力补偿，并在组态控制画面中实时显示氯气与氢气流量的比值，并设置了比值的高、低报警，避免原料流量及压力的波动而产生游离氯。

式中：QV为体积流量，m3/h；C为流出系数；E为渐进速度系数；ε为可膨胀系数；d为节流件的开孔直径，m；Δp为差压，Pa；ρ为密度，kg/m3。

3.2 三合一合成炉开车顺序控制的设计

氯化氢合成是氯气在氢气中不爆炸燃烧的条件下进行，所以开车点火时，必须要等氢气点燃后再通入氯气，以达到氢气和氯气的稳定燃烧。氯化氢合成开车的控制程序流程，见图3。

（1）开车前准备工作

各项原料气（氢气缓冲罐压力PT-3202、氯气缓冲罐压力PT-3203）、公用工程（仪表空气总管压力PT-3402，氮气压力PT-3401，合成炉循环水流量开关FSL-3223，冷却器循环水流量FSL-3221）匀满足工艺要求操作指标。

设置控制阀门为预设初始阶段：氯气切断阀HV-3208关；氯气调节阀FV-3206关；氯气小火阀HV-3207关；氢气切断阀HV-3211关；氢气调节阀FV-3209关；氢气小火阀HV-3210关；尾气放空阀HV-3312开；尾气负压阀HV-3313关。

（2）氮气吹扫

按下氮气吹扫按钮S100，即打开氮气吹扫阀门HV-3212对合成炉内进行氮气转换，吹扫时间为预设值（t sec.）；当完成氮气吹扫后，进行炉内含氢检测，确保炉内含氢量＜0.5%，当检测不符合控制指标时，可进行再次吹扫，使其符合操作指标。

（3）点火开车

操作人员发出点火允许信号（S110）至点火控制系统后，关闭尾气放空阀HV-3312，打开尾气负压阀HV-3313，打开吸收水阀FV-3304至10%开度，并启动风机（B-701）进行抽负压，进入点火操作。再进行下一次点火时，必须对合成炉再次进行氮气吹扫置换及炉内含氢分析。

（4）点燃成功后

当点火枪点火成功后（YL-3234=1），开启（可设成手动/自动开启）主管路上氢气切断阀HV-3211、氢气小火阀HV-3210，将合成炉燃烧器小火点燃；5 s后开启主管路氯气切断阀HV-3208、氯气小火阀HV-3207，此时，合成炉燃烧器小火为氢气、氯气混合燃烧。停引风机（B-701），依次关闭炉底空气补充阀HV-3315、打开尾气排空阀HV-3312、关闭抽空阀HV-3313。

根据现场火焰大小情况，关闭合成炉空气补充阀或炉门；若火焰较小，则适当开启主管路氢气、氯气调节阀，再关闭合成炉空气补充阀或炉门。

3.3 自动联锁停车保护系统的设计

在合成炉的运行过程中，氢气缓冲罐压力PT-3202、氯气缓冲罐压力PT-3203、仪表空气总管压力PT-3402，应满足一定的工艺条件，若是压力到达低限时报警提醒工作人员注意；当压力到达低低低限时自动联锁停车。在合成炉正式点燃后（氯气在氢气中燃烧），2只火焰检测器同时检测不到火焰时，自动联锁停车。当出现误操作HV-3211、FV-3209、HV-3208、FV-3206任意一只阀门关闭时，自动联锁停车。自动联锁停车时，原则上是“先断氢、后断氯”，但后断氯容易发生余氯过量泄漏、人员中毒等现象。而若是“先断氯、后断氢”，则冗余发生余氢爆炸。因此，联锁停车设计几乎同时切断氢气、氯气2种气源。氯化氢合成的自动联锁停车保护系统见图4。

图3 三合一合成炉的开车顺序控制

图4 氯化氢合成自动联锁停车保护系统

确保氯化氢合成装置和设备的正常运转及故障时自动联锁停车，是进行联锁逻辑设计的主要目的。生产过程一旦出现异常情况，自动联锁停车保护系统应按照已定的联锁关系进行控制，使相关设备联锁动作，装置安全停车，以尽可能减少对生产过程的不利影响[9]。在联锁逻辑设计过程中，所有现场检测仪表均加检修旁路，并设置相应的安全权限；系统输出去现场电磁阀的DO回路，全部经继电器隔离；现场仪表采用故障安全型，正常工况触点闭合为“1”，联锁状态触点断开为“0”；继电器、电磁阀为正常线圈带电，励磁状态为“1”，非励磁状态为“0”。

4 结语

通过设计基于S7-400FH来实现对氯化氢合成装置的各个关键设备的控制和运行。使产品的质量显著提高；通过开车的顺序控制，减少操作人员，降低劳动成本；通过自动联锁保护系统，使装置的稳定性、安全性等得到了保证。

［1］廖常初．S7－300／400 PLC应用技术．北京：机械工业出版社，2005．

［2］喻寿益，凌 云，宋东球．基于S7－400PLC的镀膜玻璃生产线控制系统．控制工程，2009，16（6）：55－58．

［3］张 春．西门子STEP 7编程语言与使用技巧．北京：机械工业出版社，2009．

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

［5］陈 勇．西门子S7－300在氧化钒焙烧配料控制系统中的应用．电气传动，2014，44（5）：54－56．

［6］胡寿松．自动控制原理．北京：科学出版社，2013：1－225．

［7］孙洪程，马 昕，焦 磊．过程自动化工程．北京：机械工业出版社，2010：57－74．

［8］张 毅，张宝芬，曹 丽，等．自动检测技术及仪表控制系统．北京：化学工业出版社，2009：1－273．

［9］王民涛，周贤国，王栓柱，等．氯化氢合成控制系统浅析．中国氯碱，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