提高氫化爐安全運(yùn)行可靠性的自動(dòng)控制方案研究

宋永剛1黃楊2朱洪江3

(1.新特能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830026；2.中國(guó)寰球工程公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830026；

3.新疆新捷燃?xì)庥邢挢?zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830026)

摘要：改良西門子法生產(chǎn)多晶硅是當(dāng)今多晶硅生產(chǎn)主流工藝，在生產(chǎn)電子級(jí)多晶硅過(guò)程中，確保四氯化硅熱氫化生產(chǎn)平穩(wěn)長(zhǎng)周期運(yùn)行，消除因異常情況處理不及時(shí)或人為誤操作造成的經(jīng)濟(jì)損失，是多晶硅企業(yè)必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題?，F(xiàn)從實(shí)際生產(chǎn)出發(fā)，分析總結(jié)出一套控制方案，對(duì)氫化爐諸如四氯化硅流量和氫氣流量低、尾氣超壓等7類異常情況進(jìn)行分析，利用集散控制系統(tǒng)，通過(guò)異常情況下工藝參數(shù)自診斷、偏差報(bào)警、自動(dòng)降功率、流量控制閥輸出開(kāi)度限位等6項(xiàng)措施，將異常情況下風(fēng)險(xiǎn)降至最低，提高了氫化爐運(yùn)行安全性，預(yù)防了事故的發(fā)生，能最短時(shí)間內(nèi)完成異常情況的處理。

關(guān)鍵詞：氫化爐；安全運(yùn)行；自動(dòng)控制

收稿日期:2015-05-08

作者簡(jiǎn)介：宋永剛(1984—)，男，新疆人，助理工程師，從事儀表及自動(dòng)化系統(tǒng)維護(hù)管理工作。

0引言

多晶硅氫化爐生產(chǎn)過(guò)程中，停電、供料中斷、閥門失控等異常情況會(huì)造成氫化爐缺料空燒，同時(shí)導(dǎo)致氫化爐加熱棒、四氟套、絕緣瓷環(huán)等熱場(chǎng)材料損壞，影響氫化工序正常進(jìn)行，給企業(yè)帶來(lái)直接及間接經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)此問(wèn)題，我們需研究確保氫化爐長(zhǎng)周期運(yùn)行的方法，延長(zhǎng)爐內(nèi)熱場(chǎng)材料的使用壽命，減少由于設(shè)備故障、人為誤操作引發(fā)事故造成的損失，制定適應(yīng)生產(chǎn)需要的自動(dòng)控制方案。通過(guò)自動(dòng)化控制手段提高氫化爐運(yùn)行安全性，是實(shí)現(xiàn)多晶硅生產(chǎn)氫化爐長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的重要方法，其意義重大。

1存在問(wèn)題

現(xiàn)有多晶硅氫化爐安全保護(hù)措施：在自動(dòng)控制上僅限于對(duì)冷卻水系統(tǒng)泵的聯(lián)鎖保護(hù)；對(duì)于四氯化硅進(jìn)料中斷，氫化爐尾氣超壓，冷卻水系統(tǒng)泵失電，四氯化硅及氫氣流量不足、波動(dòng)，四氯化硅緩沖罐液位不足等異常情況的保護(hù)措施非常有限。加之緊急異常情況下，操作人員不可能及時(shí)處理到位，且每個(gè)操作員技能和方法不一致，這就給氫化爐平穩(wěn)運(yùn)行帶來(lái)了巨大的安全隱患。

2分析問(wèn)題

在多晶硅氫化爐生產(chǎn)過(guò)程中存在以下控制難題：(1) 對(duì)于存儲(chǔ)氫化爐所需反應(yīng)物料的罐區(qū)，輸送至氫化爐的流量無(wú)有效監(jiān)控措施；(2) 現(xiàn)有氫化爐安全聯(lián)鎖單一，缺乏異常狀態(tài)下對(duì)氫化爐的保護(hù)程序；(3) 四氯化硅及氫氣流量不足、緩沖罐液位低時(shí)，缺少報(bào)警及應(yīng)急保護(hù)程序；(4) 對(duì)于氫化爐尾氣超壓情況，缺乏有效的診斷及保護(hù)程序；(5) 四氯化硅及氫氣進(jìn)料流量波動(dòng)、流量控制儀表失效時(shí)，缺少報(bào)警及保護(hù)措施；(6) 電力供應(yīng)中斷及冷卻水泵因失電停止運(yùn)行時(shí)，氫化爐無(wú)有效保護(hù)程序；(7) 在各種緊急情況下，主控操作人員發(fā)現(xiàn)及應(yīng)急處置不及時(shí)，未能控制事故發(fā)生。

3解決方案

3.1自動(dòng)控制方案

若結(jié)合氫化爐運(yùn)行特點(diǎn)優(yōu)化自動(dòng)控制方案，我們將通過(guò)以下方法加強(qiáng)對(duì)氫化爐運(yùn)行安全性的控制：(1) 對(duì)四氯化硅進(jìn)緩沖罐流量增設(shè)監(jiān)控儀表；(2) 當(dāng)STC進(jìn)緩沖罐流量、STC/氫氣流量低、緩沖罐液位低及尾氣超壓時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)降功率及降低進(jìn)料量保護(hù)程序；(3) 在供電中斷的情況下，啟動(dòng)自動(dòng)降料保護(hù)程序；(4) 四氯化硅及氫氣進(jìn)料流量瞬時(shí)波動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥輸出開(kāi)度限位保護(hù)；(5) 對(duì)于四氯化硅、氫氣、緩沖罐液位設(shè)置測(cè)量值變化率超限報(bào)警；(6) 冷卻水泵出口總管增設(shè)壓力監(jiān)控儀表；(7) 冷卻水泵因失電停止運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)聯(lián)鎖斷電及自動(dòng)降料保護(hù)程序。以上措施能夠有效避免由于操作人員處理不及時(shí)造成的事故發(fā)生。

3.2控制方案關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵工藝

(1) 增設(shè)四氯化硅進(jìn)緩沖罐流量高可靠性測(cè)量?jī)x表，為監(jiān)測(cè)四氯化硅輸送情況提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)參考。輸送泵電機(jī)故障、供電中斷、人為誤操作點(diǎn)停泵或聯(lián)鎖停泵，都會(huì)造成精制四氯化硅輸送中斷。泵故障情況較多，如果對(duì)異常情況一一監(jiān)測(cè)可行性較小且成本較高。若在精制四氯化硅進(jìn)氫化緩沖罐前加裝具有雙變送器的孔板流量計(jì)，可有效監(jiān)測(cè)四氯化硅輸送情況，使用雙變送器構(gòu)成冗余儀表結(jié)構(gòu)，可提高安全儀表系統(tǒng)的可靠性。

(2) 流量低時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)降功率及降低進(jìn)料量保護(hù)程序。目前為氫化爐共用一個(gè)緩沖罐，四氯化硅輸送泵故障將導(dǎo)致無(wú)法正常供料，加之緩沖罐容積一定，應(yīng)對(duì)進(jìn)料中斷能力有限。若DCS系統(tǒng)檢測(cè)到四氯化硅進(jìn)緩沖罐流量、STC流量、氫氣流量、緩沖罐液位中任意一項(xiàng)低于安全下限，或尾氣壓力超過(guò)安全上限，將自行啟動(dòng)自動(dòng)降功率及自動(dòng)降料保護(hù)程序。

自動(dòng)降功率程序原理：若流量小于安全下限，自動(dòng)降功率程序?qū)@取氫化爐當(dāng)前功率值，作為降功率初始值P0，根據(jù)預(yù)先設(shè)定降功率周期T1、降功率計(jì)時(shí)器數(shù)值t1，按降功率公式Pref=P0-(P0/T1)×t1，將氫化爐運(yùn)行功率由P0自動(dòng)降低至0 kW。

自動(dòng)降料程序原理：若流量小于安全下限，自動(dòng)降功率程序?qū)@取氫化爐當(dāng)前四氯化硅流量值，作為降料初始值F0，根據(jù)預(yù)先設(shè)定降料周期T1、降料計(jì)時(shí)器數(shù)值t2，按降料公式Fref=F0-(F0/T1)×t2，將氫化爐四氯化硅進(jìn)料量由F0自動(dòng)降低至0 kg/h；同時(shí)投用四氯化硅進(jìn)料量與氫氣進(jìn)料量的比值控制，按照預(yù)先設(shè)定配比值，同步將氫氣進(jìn)料量降低至0 kg/h。

(3) 在供電中斷的情況下，啟動(dòng)自動(dòng)降料保護(hù)程序。若出現(xiàn)電力供應(yīng)中斷，造成氫化爐部分或全部斷電，需及時(shí)將運(yùn)行氫化爐進(jìn)料量降低，降料周期應(yīng)盡量短，為此需單獨(dú)設(shè)置自動(dòng)降料周期T2，應(yīng)用上述自動(dòng)降料程序，在短周期內(nèi)將四氯化硅流量和氫氣流量降至最小值。

(4) 四氯化硅及氫氣進(jìn)料流量波動(dòng)時(shí)流量控制閥輸出開(kāi)度限位。為了避免氫化爐尾氣超壓，我們將通過(guò)DCS系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度限制功能，根據(jù)四氯化硅及氫氣流量調(diào)節(jié)閥正常運(yùn)行時(shí)的開(kāi)度范圍，設(shè)定開(kāi)度的安全上下限值，即便四氯化硅及氫氣的流量出現(xiàn)波動(dòng)，調(diào)節(jié)閥也會(huì)被控制在安全開(kāi)度范圍內(nèi)，不會(huì)造成氫化爐尾氣壓力超限。

(5) 四氯化硅和氫氣流量、緩沖罐液位增加測(cè)量值變化率超限報(bào)警。操作員在日常監(jiān)控過(guò)程中將所有氫化爐參數(shù)查看一遍需要2～3 min，四氯化硅和氫氣流量、緩沖罐液位作為氫化爐運(yùn)行重要監(jiān)控參數(shù)，若出現(xiàn)波動(dòng)，瞬間變化過(guò)快，操作員不一定能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常。對(duì)此，我們引入測(cè)量值變化率檢測(cè)功能，在DCS系統(tǒng)內(nèi)部編寫報(bào)警信息提示邏輯，若四氯化硅和氫氣流量、緩沖罐液位1 s內(nèi)變化超過(guò)上限值，相應(yīng)測(cè)量值變化率超限標(biāo)記量為真，則在監(jiān)控界面彈出報(bào)警提示，例如“四氯化硅流量變化較快，請(qǐng)注意！”，以便操作員及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，做出相應(yīng)處理。

(6) 冷卻水泵因失電停止運(yùn)行，啟動(dòng)聯(lián)鎖斷電及自動(dòng)降料保護(hù)程序?，F(xiàn)有氫化爐冷卻水泵聯(lián)鎖保護(hù)程序，僅針對(duì)主泵故障時(shí)啟動(dòng)備用泵，對(duì)于主備兩臺(tái)泵因失電停止運(yùn)行的異常情況缺乏相應(yīng)保護(hù)。我們通過(guò)在泵出口總管增加壓力檢測(cè)儀表，可精確監(jiān)控冷卻水供應(yīng)情況，當(dāng)檢測(cè)到出口總管壓力低于安全下限值時(shí)，立即啟動(dòng)聯(lián)鎖斷電保護(hù)程序，將氫化爐分閘；同時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)降料保護(hù)程序，如(4) 所述將四氯化硅及氫氣流量降為0 kg/h。

3.3有益效果

(1) 具有雙變送器的孔板流量計(jì)，由于應(yīng)用冗余儀表結(jié)構(gòu)，可靠性由普通儀表的92%提高至97%。將為系統(tǒng)提供具有高可靠性的流量測(cè)量值。(2) 四氯化硅進(jìn)緩沖罐流量、STC/氫氣流量、緩沖罐液位低于安全下限，或尾氣壓力超過(guò)安全上限時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)降功率及降低進(jìn)料量保護(hù)程序，將有效控制爐內(nèi)熱場(chǎng)冷卻過(guò)程，及時(shí)自動(dòng)調(diào)整氫化爐運(yùn)行參數(shù)，避免爐內(nèi)空燒引起的熱場(chǎng)材料損壞及由此帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。(3) 在電力供應(yīng)中斷或冷卻水泵因失電停止運(yùn)行的情況下，及時(shí)快速降低氫化爐進(jìn)料，將在很大程度上保證氫化爐內(nèi)熱場(chǎng)材料免受損壞，減少由事故帶來(lái)的損失。(4) 增設(shè)四氯化硅及氫氣進(jìn)料流量控制閥輸出開(kāi)度限位功能，將有效避免氫化爐尾氣超壓。(5) 增設(shè)四氯化硅和氫氣流量、緩沖罐液位增加測(cè)量值變化率超限報(bào)警功能，將在異常情況發(fā)生的第一時(shí)間提示操作員，為及時(shí)調(diào)整參數(shù)、規(guī)避事故發(fā)生爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。

4結(jié)語(yǔ)

生產(chǎn)事故發(fā)生將給多晶硅生產(chǎn)企業(yè)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失，并對(duì)產(chǎn)量、電耗和整個(gè)系統(tǒng)的平衡造成巨大影響。提高氫化爐運(yùn)行安全性自動(dòng)控制方案的應(yīng)用，將極大程度地避免由于四氯化硅輸送泵故障、流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥失效等設(shè)備問(wèn)題引發(fā)的事故，并在氫化爐運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)，提供及時(shí)準(zhǔn)確的提示報(bào)警信息，便于操作員快速反應(yīng)，控制事故發(fā)生，為多晶硅企業(yè)規(guī)避生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)、降低生產(chǎn)成本提供有效的技術(shù)支持，從而為企業(yè)長(zhǎng)周期安全平穩(wěn)運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。