DCS控制系統在氯化氫合成中的設計及應用

　　新疆天辰化工有限公司40萬t／a PVC項目于2007年年底投產運行，該套生產裝置引入了許多國內領先技術。該公司設計人員通過計算機的遠程控制、在線檢測、報警和連鎖等方式，將整個鹽酸系統網羅在DCS系統中．通過1個鼠標即可完成以往十幾個人的工作。在40萬t／aPVC的合成氯化氫項目上．成功地設計和應用了先進的全自動化DCS技術，對氯化氫合成過程和輸送過程進行全程監測和控制。
1 氯化氫合成工藝流程
　　來自氯氫處理崗位干燥后合格的氯氣、氫氣由緩沖罐上放空調節閥穩壓并經流量計計量后，氯氣經支管調節閥、點火閥、切斷閥，氫氣經支管調節閥、點火閥、逆止閥、切斷閥及阻火器與氯氣按C12：H2=1．00：1．05～1．00：1．10的配比經燈頭進入合成爐（多余的氫氣放空處理），在燈頭上合成燃燒。合成的氯化氫氣體從合成爐的冷卻器底部導出．在40℃進入氯化氫分配臺，供PVC或去降膜吸收塔吸收制成鹽酸或高純酸。氯化氫氣體經一級降膜吸收器吸收后的剩余氣體進入二級降膜吸收器再吸收，不凝氣體由水流噴射器抽入酸循環罐分離放空或自行放空，成品酸從一級降膜吸收器底部出來進入鹽酸儲罐待售。
2 DCS技術在氯化氫合成和輸送控制系統中的設計
2．1 采用DCS技術控制方式分析
　　在HC1合成過程中，傳統的控制手段是根據火焰的顏色，手動調節氯、氫流量。由于設備生產能力大，造成進合成爐的氯、氫流量、壓力或配比的細微變化，出現的過量氯氣在氯乙烯合成工序中極易與乙炔反應生成氯乙炔，對安全造成重大影響。在氯化氫生產中，氫氣應控制適當過量，一方面可以防止氯化氫所含的游離氯在制酸時尾氣含氯高．形成氫氯爆炸性混和氣體，特別是采用液氯生產的廢氯來合成鹽酸時，更要提高氫氯配比．避免尾氣系統發生爆炸：另一方面防止氯化氫中的游離氯在氯乙烯合成工序與乙炔反應生成氯乙炔爆炸性氣體。
　　根據以上分析。可以認為對氫氣、氯氣流量的真值測定是實現自動比值控制的關鍵因素．而且，必須將氯氣真值流量作為主流量、氫氣真值流量作為副流量．相互校正。
　　根據工藝生產特點的安全分析，該比例調節系統可以選用開環比值系統、單閉環比值控制系統、雙閉環比值控制系統或變比值控制系統。開環比值本身抗干擾能力差。雙閉環比值控制系統結構比較復雜，使用儀表較多，投資較大，系統調整比較麻煩。變比值控制系統的特點是被控2種物料的比值可以靈活地隨第3變量的需要而加以調整，即受控于第3變量 單閉環比值控制系統不但能實現副流量跟隨主流量的變化而變化，而且還可以克服副流量本身干擾對比值的影響，故主、副流量的比值較為精確，因此．單閉環比值控制系統將是最佳控制手段。
　　在穩定情況下，單閉環比值控制系統的主副流量可滿足工藝要求的氫氯比。當氯氣變化時，根據主流量變化，副流量也有相應的變化。
　　當主流量變化時，氯氣真值流量信號送主控制器。主控制器按預先設置好的比值使輸出成比例變化，也就是成比例地改變副流量控制器的給定值，此時，副流量閉環系統為一個隨動控制系統，從而氫氣流量隨氯氣流量變化，使得在新的工況下，流量比值保持不變。當主流量沒有變化而副流量由于自身干擾發生變化時，此副流量閉環系統相當于一個定值控制系統，通過控制克服干擾，使工藝要求流量比值仍保持不變。這種方案的結構形式比較簡單，實施起來也比較方便。單閉環比值控制系統框圖見圖1。

2．2 儀表的選擇與性能比較
　　由于工藝裝置控制要求嚴格，為使HC1裝置能安全、可靠地運行，必須采用多個控制回路。對儀表的測量精度、穩定性及可靠性都有很高的要求。
　　（1）該工序的介質主要是氯氣和氫氣，界區內是防爆場所，廠房內的儀表應符合防爆要求。
　　（2）由于被測介質中含有氯氣等介質，具有較強的腐蝕性。因此，大部分現場儀表應具備防腐性能。氯氣控制閥需控制精確，根據口徑大小可選用氣動不銹鋼單座控制閥或不銹鋼蝶型控制閥。氫氣無腐蝕性，但易燃易爆，因此，氫氣變送器應采用本安型，測量膜片和其他氣體接觸部位的材質采用不銹鋼材質。氫氣控制閥可采用氣動單座控制閥，材質方面無特殊要求，其電氣閥門定位器必須采用本安型。
　　（3）該工序控制儀表采用的流量計以進口原裝流量計為主，相對于其他類型的儀表具有測量精度高、反應快、性能穩定等特點。
2．3 全自動DCS控制系統的結構形式設計
　　氯化氫合成全自動化控制系統采用的是日本橫河西儀公司的CS一3000系統。
2.3．1 CS一3000系統的特點
　　（1）綜合性。CS一3000是一個功能齊全的系統，綜合了多種控制、管理、自動化和信 息技術于一身。
　　（2）開放性。CS一3000系統是緊跟IT技術發展的開放性局域網結構。操作站的硬件可采用最新型的PC機，提供DDE和OPC 2種通訊接口，可直接與用戶的上位工廠信息管理系統（pims）、internet網、intranet網連接和通信，也可通過標準協議與多個廠家的PLC系統以及符合ff、hart、profibus—dp等現場網絡標準的廠家的設備進行通信：另外，還可直接將各種通用應用軟件如msexcel、vb等應用于工程中。（3）高可靠性。現場控制站為高性能雙重化現場控制站AFV10D，具有4個CPU冗余容錯，電源卡雙重化，通訊卡雙重化，具有獨立的控制柜和端子板柜。系統單獨配置有OPC服務器．滿足每秒2000點的數據上傳，可以為上位管理系統提供所需要的數據。可實現在任何故障及隨機錯誤產生的情況下連續運行。供電系統、通訊網絡和總線、I／0模塊均可實現雙重化。Vnet總線采用交替工作模式的雙重化結構。
　　（4）高性能。控制站采用高速RISC處理器，可進行64位浮點運算和最高50 mS控制周期的模擬與邏輯控制。
　　（5）高效簡捷的工程。系統提供CAE（計算機輔助工程），直接用control drawing圖或填表格的方式進行軟件組態．軟件組態十分簡潔直觀。并可提供虛擬測試和仿真軟件，從而縮短軟件的調試周期。
2.3.2 全自動DCS控制系統的軟件配置
　　CS-3000系統屬于模塊化小型DCS系統．對8臺合成爐的31O多個檢測點、73個控制回路系統配置了2個控制站。這套系統的每個CPU、Vnet／IP通訊卡件均帶有自診斷功能和故障報警功能，便于調試和維修。模板本身具有PID控制程序，在CPU故障或CPU停止時可以繼續獨立控制，保證生產的正常運行。
2．3．3 全自動DCS控制系統的硬件配置
　　操作站為DELL 390 workstation．目前配置為P43．0GHz、128M顯卡、1G內存、80G硬盤、CD—RW 光驅、19”LCD、winXP操作系統。工程師站為雙核至強處理器5100、1 G內存、73 G 10 k RPM SAS硬盤、19”LCD、WINDOW$2003 SERVER OS。操作站和工程師站配有專用Vnet／IP通訊卡，操作站均配有橫河西儀公司專用的操作員鍵盤。這是目前世界上比較先進的視圖軟件，其操作界面靈活、方便，提供了比較大的自我發展空間，用戶可以通過系統提供的編程語言完成所需要的特殊功能，真正提高生產操作和管理水平。
3 DCS控制系統在生產和輸送上的應用
3．1 DCS控制系統的自動調節作用
　　通過氯氣、氫氣壓力和流量設定值對進爐氯氣、氫氣進行自動調節配比，設定進爐的氫氣和氯氣壓力、流量。雙重數據設定保證了進入合成爐內參與合成氯化氫反應的氯氣和氫氣的最佳量．氯化氫中不含游離氯，為氯乙烯合成工序安全生產提供了可靠的保證。氯氣、氫氣流量調節順控圖見圖2。

3．2 DCS控制系統的安全性
3．2．1 氫氣進爐前的壓力連鎖控制
　　在氫氣緩沖罐設置大小2個放空調節閥．當氫氣總管超壓時，自動打開小調節閥放空，當小調節閥全開，壓力還高時自動打開大調節閥放空。壓力下降時先關大閥再關小閥。氫氣超壓放空順控圖見圖3。

3．2．2 氯氣進爐前的壓力連鎖控制
在氯氣緩沖罐上設置了壓力調節閥．當氯氣總管超壓時，緩沖罐上調節閥連鎖自動打開向液化除害泄壓。
3．2.3 進爐氫氣、氯氣切斷閥、充氮閥連鎖控制
DCS設置了合成爐一鍵停車按鈕，當鼠標按下停車按鈕后，氫氣、氯氣進口切斷閥關閉，充氮閥連鎖自動打開．HCI去吸收調節閥連鎖自動打開，同時連鎖關閉HC1去混合脫水調節閥，以防止乙炔氣倒人。吸收水調節閥同時連鎖打開，同時關閉乙炔進混合器閥門。
3．2．4 HCl總管超壓連鎖和混合脫水混合器溫度超高連鎖控制
　　當HC1總管壓力超過指標，或混合器溫度高于指標時，連鎖所有送HC1合成爐自動打開HC1去吸收調節閥，同時關閉HC1去混合脫水調節閥以防止乙炔氣倒人，同時打開吸收水調節閥，同時關閉乙炔進混合器閥門。氯氣超壓去液化順控圖見圖4。

3．2．5 電解停車時的連鎖控制
　　鹽酸與電解電流連鎖。當電解跳停，連鎖所有運行合成爐氫氣、氯氣進口切斷閥關閉．充氮閥自動打開，自動打開HC1去吸收調節閥，同時關閉HCI去混合脫水調節閥以防止乙炔氣倒人．同時打開吸收水調節閥，同時關閉乙炔進混合器閥門。
4 DCS控制系統在生產和輸送上的應用
　　（1）在氯化氫合成生產和輸送過程中的連鎖完善可靠。將合成爐火焰控制信號引入DCS系統控制，使所有控制參數自動連鎖控制。當有危險發生時。都能利用DCS系統進行控制．使工藝運行處在安全狀態。
　　（2）對氯化氫生產和輸送過程中的控制更加安全。實現了復雜控制系統和安全的連鎖報警系統，降低了故障率，提高了生產中的安全可靠性，降低了現場操作人員和儀表維護人員的勞動強度。
　　（3）功能齊全。將系統控制、連續控制、連鎖控制有機結合，可以實現串級、前饋、解耦、自適應和預測控制等先進的控制方式，并可以方便加入所需要的特殊控制模塊和控制算法。
5 結語
　　通過DCS控制系統實現了整個氯化氫合成和輸送系統的自動化管理，提高了生產的自動化水平．使氯化氫合成和輸送更加穩定便捷，降低了員工的勞動強度，降低了生產成本，控制效果理想，取得了良好經濟效益。