乙炔和氯乙烯气柜安全自控改进方案

闫建宁

（唐山三友氯碱有限责任公司河北省聚氯乙烯技术创新中心，河北 唐山 063305）

电石法聚氯乙烯工艺以电石为原料制乙炔气，乙炔气与氯化氢气经转化器合成氯乙烯。 为平衡生产过程并稳定控制乙炔气和氯乙烯气的压力， 一般需要根据系统的生产能力在系统中分别设置乙炔气柜和氯乙烯气柜。 在气柜钟罩上方放置一定数量的配重块， 利用钟罩自身和配重块的重力来控制气柜内部气体的压力。 在气柜水槽水封的密封下靠钟罩上下移动使气柜能够稳定控制其内部的气体压力，同时缓冲和临时存储生产系统中的乙炔、 氯乙烯气体。

1 现状

唐山三友氯碱有限责任公司（以下简称三友氯碱） 采用电石法生产烧碱和PVC 树脂以及专用树脂， 目前生产规模为烧碱53 万t/a、 通用PVC 树脂43.5 万t/a、专用树脂9 万t/a。乙炔发生工序生产的粗乙炔气经水洗塔和冷却塔洗涤冷却后大部分经乙炔压缩机加压后进入清净工序， 剩余部分进入乙炔气柜缓冲调节发生和清净工序间的生产平衡。 清净后的乙炔气在氯乙烯转化工序与氯化氢气混合， 经氯乙烯转化器合成为粗氯乙烯气；粗氯乙烯气经水洗、碱洗后送到压缩工段， 氯乙烯压缩机将氯乙烯加压后送到精馏工序。 在压缩机前的氯乙烯管线上连接氯乙烯气柜，由氯乙烯气柜平衡和缓冲生产负荷，使精馏工序生产系统运行稳定， 同时确保氯乙烯压缩机前压力稳定。聚合车间回收的氯乙烯气经压缩、冷凝后大部分重新液化回收再利用， 未冷凝液化的氯乙烯气经处理后进入氯乙烯气柜。

生产装置区内有一期乙炔气柜、二期乙炔气柜、一期氯乙烯气柜和二期氯乙烯气柜等4 台气柜，用于通用树脂的生产，为单节湿式气柜，采用DCS（集散控制系统Distributed Control System， 以下简称DCS）实时检测、控制生产系统自动化运行，同时由SIS（安全仪表系统Safety Instrumented System，以下简称SIS）实时检测、控制生产系统安全，GDS（可燃气体和有毒气体检测报警系统Gas Detection System，以下简称GDS）实时监控全厂的可燃有毒气体泄漏情况。 系统正常生产时DCS 按照程序自动检测、控制生产过程，SIS 不干预正常生产；生产系统发生可能会引起安全事故的异常时SIS 介入，根据关键SIS 检测仪表的信号，按照程序及时控制相应的SIS 执行机构做出相应动作， 引导生产装置停车，使整个生产系统处于安全状态。 一期乙炔气柜用于一期乙炔发生清净生产线，二期乙炔气柜用于二期和四期乙炔发生清净生产线。一期氯乙烯气柜用于一期和四期氯乙烯转化和压缩生产线，二期氯乙烯气柜用于二期和三期氯乙烯转化和压缩生产线； 一期氯乙烯气柜和二期氯乙烯气柜可互联，互为备用。 每台气柜均有柜位检测仪表，气柜进料管线和气柜充氮气管线均有气动切断阀，气柜周围均按照规范布置可燃或有毒气体报警器和视频监控系统。

2 自控改进方案

乙炔和氯乙烯气柜使用过程中可能会存在以下几类安全风险，（1）气柜钟罩的升降位置超出正常使用范围； 柜位过高可能会引起乙炔或氯乙烯泄漏安全事故， 柜位过低导致柜体和钟罩在大气压力作用下被抽变形。 （2）气柜钟罩在导轨内的活动异常受限、卡顿或钟罩升降速度过快；钟罩卡顿可能会导致气柜钟罩偏斜或者柜内压力过高或过低； 压力过高可能会导致乙炔或氯乙烯从气柜水槽泄漏， 压力过低可能或导致气柜在大气压的作用下被抽变形损坏。 （3）冬季环境温度低，气柜水槽内的水封结冰或液位过低导致水封失效， 可能会引发乙炔或氯乙烯泄漏事故。 （4）气柜的气水分离器液位过高，导致气柜进出料管线受阻[1]。

为解决上述问题， 委托有资质的设计院按照国家的法律法规和标准对公司乙炔和氯乙烯气柜及相关装置进行HAZOP 及LOPA 分析， 发现并解决生产系统的问题。 根据分析结论对生产系统进行改进完善工艺流程，增加部分检测仪表和气动切断阀，在乙炔或氯乙烯泄漏释放源附近增加可燃或有毒气体报警器， 在生产检测控制系统增加监视和联锁逻辑保护程序，在气柜周围设置全方位视频监控系统，通过自动化检测控制手段降低生产系统的运行风险；在气柜运行的工艺参数异常或气柜本体异常时能立即检测发现，并及时切断气柜与生产系统的联系，使生产系统转化到安全状态， 防止生产安全事故或阻止事故扩大。

增加的自控设备， 根据HAZOP 和LOPA 分析情况分别将其信号引入DCS、SIS 或GDS， 在DCS、SIS 或GDS 增加相应的检测、控制程序。其中信号引入SIS 的仪表应取得SIL 认证 （安全完整性等级Safety integrity level，以下简称SIL）。

2.1 乙炔气柜自控改进方案

一期乙炔气柜与一期乙炔发生及一期乙炔压缩机连接， 二期乙炔气柜与二期、 四期乙炔发生及二期、 四期乙炔压缩机连接。 不同生产线的乙炔发生工序生产波动时会引起相应的乙炔气柜柜位或气柜内压力的变化， 气柜钟罩卡顿也可能会引起柜位过高或过低、柜内压力过高或过低，柜位或压力的变化超出正常生产允许的变化可能会引发生产事故。 气柜水槽的液位过低或结冰可能导致生产系统异常，引发生产安全事故。

2.1.1 乙炔气柜现状

导致乙炔气柜柜位过高的原因有上游的乙炔发生生产波动、乙炔压缩机故障、乙炔压缩机平衡阀调节回路故障造成高压乙炔气返回低压系统、 乙炔气柜气水分离器充氮阀故障等， 可能会导致乙炔气从气柜的安全放空管放空造成物料浪费， 同时排空的乙炔气遇明火可能引起火灾或爆炸。

改进前， 一二期乙炔气柜各设置有2 台柜位检测仪表，操作人员可实时监控乙炔气柜的柜位；并且DCS 设置有联锁逻辑控制程序，在2 台柜位检测仪表同时出现高高报警时关闭乙炔发生去乙炔气柜切断阀； 在2 台柜位检测仪表同时出现低低报警时打开乙炔气柜气水分离器充氮阀向气柜内充氮气。DCS 根据乙炔气柜柜位调节发生器、震荡加料器、变频器的调节系统用于稳定乙炔气柜的柜位。 中控室内有远程视频监控系统， 操作人员可在中控室实时监视乙炔气柜。在2 台DCS 乙炔气柜柜位检测仪表的基础上，设置了SIS 柜位检测仪表，其分布在气柜的不同角度， 当气柜导轨卡住钟罩时及时检测可能产生的柜位测量偏差， 防止乙炔气柜的压力过高或过低。

2.1.2 乙炔气柜改进措施

（1）新增1 套SIF（安全仪表功能Safety instrumented function）及时检测判断，预防气柜钟罩卡顿，在检测到可能发生卡顿时由SIS 和DCS 启动自动处置程序。乙炔气柜增加3 台远传柜位检测仪表，这3 台仪表与原有的DCS 柜位检测仪表均匀分布在乙炔气柜上； 同时在乙炔气柜的进气管线上增加1台SIS 气动切断阀。新增的远传柜位检测仪表信号进SIS，在SIS 设置柜位高报警，同时设置2oo3（三选二逻辑， 即3 台远传柜位检测仪表中的其中2 台出现高高报警时， 输出高高报警信号， 以下简称2oo3） 高高联锁关闭新增进料SIS 切断阀的联锁程序，同时SIS 的柜位检测仪表2oo3 高高联锁信号送至DCS，DCS 编写程序采取相应措施。此SIF 回路的SIL 等级为SIL2[2]。

（2）在一期乙炔发生去一期乙炔气柜的总管上增加SIS 气动切断阀，二期和四期乙炔发生去二期乙炔气柜总管上增加SIS 气动切断阀，2 台气柜各自新增的3 台远传柜位检测仪表在SIS 中设置柜位低报警，2oo3 低低联锁关闭各自气柜对应的乙炔压缩机，同时关闭乙炔气管线新增的SIS 气动切断阀，将SIS 的信号送至DCS 显示。 此SIF 回路的SIL 等级为SIL2。同时，在DCS 新增联锁，当一期气柜对应的乙炔压缩机全部停机时联锁关闭一期乙炔气柜对应的乙炔发生器的震动给料器；当二期气柜对应的乙炔压缩机全部停机时联锁关闭二期和四期乙炔发生器的震动给料器，停止相应发生器的电石加料。

（3）乙炔气柜新增的3 台SIS 柜位检测仪表设置柜位偏差报警， 检测这3 台柜位检测仪表测量值之间的差值， 在差值超过设定的限值时发出报警信号，提示操作人员及时处置；设置柜位升降速率指示和升降速率高报警， 在这3 台柜位检测仪表测量值升降过快时，提示操作人员及时处置。 同时，定期对乙炔气柜的钟罩进行升降实验， 防止出现气柜导轨卡顿情况。

（4）在乙炔气柜的进气管线上增加3 台远传压力变送器，信号进相应SIS，SIS 设置压力高报警和低报警，在乙炔气柜进气管线的压力过高或过低时及时警示操作人员； 设置2oo3 压力高高或低低联锁关闭进气管线新增SIS 气动切断阀程序，SIS 的联锁信号送至DCS 显示。这2 套SIF 的SIL 等级为SIL2。

（5）在乙炔气柜的充氮气管线增加自动式调节阀，限制进入乙炔气柜的氮气压力，减压阀后增加安全阀，防止由氮气引起的超压情况引发气柜故障。

（6）在乙炔气柜的水槽增加远传液位计和远传温度仪表，设置液位低报警和温度低报警，及时警示操作人员进行处理， 防止乙炔气由水槽泄漏或冬季水槽结冰影响气柜安全运行。

（7）在乙炔气柜的气水分离器上增加远传液位计，设置液位高报警，液位过高时警示操作人员及时处理，防止气柜进出料受阻[3]。

（8）在原有的基础上增加可燃气体检测报警器，加强乙炔气泄漏的检测和预防。 在乙炔气柜水槽上边缘处均匀布置4 台催化燃烧式乙炔检测报警器，在新增的压力变送器、 远传温度计和气动切断阀附近布置1 台催化燃烧式乙炔检测报警器， 其信号引入乙炔GDS。

（9）在原有视频监控系统的基础上，乙炔气柜周围的各角度增加防爆摄像机， 信号引入重大危险源视频监控系统，全方位监控气柜的现场情况。

（10）由于乙炔发生工段的生产线为不同时期建设，乙炔压缩机有10 kV AC 高压电机驱动（以下称高压压缩机）和380 V AC 低压电机驱动（以下称低压压缩机）2 种方式，并且马达控制中心分布在厂区的不同位置， 不同电压等级的电机采用不同的停车控制方式。 原来乙炔压缩机信号进相应生产线的DCS，由DCS 控制乙炔压缩机的停机，在此基础上需增加SIS 对乙炔压缩机的停机控制。 一般380 V AC低压电机停车命令信号为常闭接点，只需将DCS 的停车命令信号接点与SIS 的停车命令信号接点串联就可以实现DCS 和SIS 同时控制乙炔低压压缩机的停车。 SIS 停乙炔低压压缩机命令信号采用冗余配置，由SIS 输出冗余（2 个常闭接点）的乙炔低压压缩机停车命令信号到相应的乙炔或单体马达控制中心， 信号电缆选用双并控制电缆由SIS 机柜间敷设至乙炔或单体马达控制中心。 在乙炔或单体马达控制中心分别增加中间继电器将SIS 停车命令信号分配到相应的乙炔低压压缩机。 SIS 停乙炔压缩机命令信号接线位置在电气转换开关以上， 确保电气转换开关状态不影响SIS 停乙炔压缩机。 高压电机的停车命令信号一般采用常开接点，采用DCS 停车命令信号与SIS 停车命令信号常开接点并联的方式。 同样，SIS 停乙炔高压压缩机命令信号采用冗余配置，由SIS 系统输出冗余（2 个常开接点）的乙炔高压压缩机停车命令信号到相应的高压马达控制中心，信号电缆选用双并控制，电缆由SIS 机柜间敷设至相应高压马达控制中心。 在高压马达控制中心增加中间继电器， 将SIS 停车命令信号分配到相应的压缩机控制回路， 确保SIS 能够及时停乙炔高压压缩机。

2.2 氯乙烯气柜自控改进方案

2.2.1 氯乙烯气柜现状

一期和二期氯乙烯气柜用于缓冲、 平衡氯乙烯转化工序到氯乙烯压缩工序的生产负荷， 同时接收聚合车间回收的氯乙烯气。 一期氯乙烯气柜负责一期和四期转化工序的氯乙烯气缓冲、 平衡和聚合车间一期的氯乙烯回收； 二期氯乙烯气柜负责二期和三期转化工序的氯乙烯气缓冲、 平衡和聚合车间二期、三期氯乙烯回收。 一般情况下，一期和二期氯乙烯气柜负责各自工序的生产， 在其中一台气柜检修或故障时可切换到另一台气柜负责全部的生产。 导致氯乙烯气柜异常的原因以及原有气柜自控设备和控制方式与乙炔气柜相似。

2.2.2 氯乙烯气柜改进措施

（1）2 台氯乙烯气柜各增加3 台柜位检测仪表，信号进SIS，与原有的柜位检测仪表均匀分布在气柜上； 同时在2 台气柜的进料管线上各增加1 台SIS 气动切断阀。新增的柜位检测仪表在SIS 设置柜位高报警和低报警； 新增柜位2oo3 高高和低低报警，柜位2oo3 高高报警联锁关闭对应的进料SIS 气动切断阀；柜位2oo3 高高或低低报警联锁关闭氯乙烯转化系统的乙炔、 氯化氢管线SIS 气动切断阀并关闭对应的氯乙烯压缩机，将该SIS 信号送至DCS。此SIF 回路的SIL 等级为SIL2。SIS 进料气动切断阀设置阀位反馈联锁功能， 当该阀门关闭时联锁关闭聚合车间氯乙烯回收管线的气动切断阀[4]。

（2）氯乙烯气柜新增的3 台SIS 柜位检测仪表设置柜位偏差报警和柜位升降速率指示及升降速率高报警， 及时发现气柜钟罩卡顿时引起的柜位测量偏差。 同时，定期对氯乙烯气柜进行升降实验，防止气柜导轨卡死。

（3）在氯乙烯气柜的进料管线上增加3 台远传压力变送器，信号引入SIS，在SIS 设置压力高报警和压力低报警，设置2oo3 压力高高联锁和压力低低联锁， 在压力高高报警或低低报警时联锁关闭氯乙烯气柜进料SIS 气动切断阀； 同时关闭氯乙烯转化系统的乙炔、氯化氢管线气动切断阀，关闭氯乙烯压缩机。 该SIS 联锁信号送DCS 显示。

（4）氯乙烯气柜水槽设置远传液位计和远传温度仪表， 防止水槽窜入氯乙烯和防止冬季结冰影响气柜安全运行。

（5）氯乙烯气水分离器增加远传液位计，并设置液位高报警；进口管线增加远传温度计，设置温度高报警和低报警。 在液位和温度异常时警示操作人员及时处理。

（6）在原有视频监控系统的基础上，2 台氯乙烯气柜周围设置各角度防爆摄像机， 信号引入重大危险源视频监控系统， 形成全方位交叉的视频监控的网络。

（7）在原有的基础上增加有毒气体检测报警器，加强氯乙烯泄漏的检测和预防。 在氯乙烯气柜周围布置光致电离型氯乙烯检测报警器， 其信号引入氯乙烯GDS。 氯乙烯气柜地面处围绕气柜均匀布置9 台，水池上边缘处围绕气柜均匀布置9 台，形成立体桶状检测网络，及时检测发现氯乙烯泄漏。同时在其他新增的仪表附近布置氯乙烯报检测警器。

（8）与氯乙烯气柜有关的氯乙烯压缩机共9 台，均为10 kV AC高压氯乙烯压缩机。 原来氯乙烯压缩机监控信号进相应生产线的DCS， 由DCS控制氯乙烯压缩机的停机，在此基础上，增加SIS系统对氯乙烯压缩机的停机控制。 一般高压电机停车命令信号为常开接点，将DCS的停车命令信号接点与SIS的停车命令信号接点并联以实现DCS和SIS同时控制高压氯乙烯压缩机的停车。SIS停高压氯乙烯压缩机命令信号采用冗余配置， 由SIS输出冗余（2个常闭接点）的停车命令信号到相应的高压马达控制中心，信号电缆选用双并控制，电缆由SIS机柜间至相应高压马达控制中心。 在高压马达控制中心增加中间继电器将SIS停车命令信号分配到相应的每台高压氯乙烯压缩机，确保SIS能后及时停高压氯乙烯压缩机[5]。

3 结语

乙炔和氯乙烯气柜的安全稳定运行对于氯碱企业的安全生产至关重要， 本自控方案在原有自控仪表设备和控制系统的基础上增加了SIS 和DCS 仪表和联锁控制程序，确保在发生气柜卡顿、泄漏、上下游生产系统出现异常等影响生产系统安全的非正常情况发生时，引导并使生产系统处于安全状态，防止人身伤害或经济损失。