濕法制乙炔電石自動(dòng)加料的研究及應(yīng)用

王 進(jìn)，白永明

（陜西北元化工集團(tuán)股份有限公司，陜西 榆林 719319）

陜西北元化工集團(tuán)有限公司依托榆林地區(qū)豐富的煤炭、電石和原鹽資源優(yōu)勢，已建成包括110 萬t/a聚氯乙烯、88 萬t/a 燒堿裝置，4×125 MW 抽氣式直接空冷汽輪發(fā)電裝置，240 萬t/a 工業(yè)廢渣水泥裝置，項(xiàng)目年可直接轉(zhuǎn)化原鹽 165 萬t、電石 165 萬t，間接轉(zhuǎn)化原煤600 萬t，化工分公司配套有生產(chǎn)能力約為25 000 m3/h 的濕法乙炔裝置，共計(jì)12 臺(tái)濕法發(fā)生器。

1 濕法制乙炔生產(chǎn)背景技術(shù)

化工分公司年產(chǎn)100 萬t PVC 項(xiàng)目，共有12 臺(tái)濕法乙炔發(fā)生器， 在正常生產(chǎn)過程中每臺(tái)發(fā)生器平均20 min 左右加完一斗電石，即在20 min 內(nèi)需完成一次電石由小缸加至上儲(chǔ)斗、 再由上儲(chǔ)斗加至下儲(chǔ)斗，期間還需不斷開啟上儲(chǔ)斗放空閥、充氮閥進(jìn)行保壓、置換、檢漏等操作，操作人員每人至多同時(shí)監(jiān)控3 臺(tái)發(fā)生器，濕法制乙炔DCS 操作人員需進(jìn)行頻繁的操作。一方面工作量過大需要大量操作人員；另一方面頻繁操作易造成人員疲勞而誤操作導(dǎo)致重大安全事故。為了降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度，避免因人員疲勞誤操作，提高生產(chǎn)現(xiàn)場的自動(dòng)化水平，需要提出解決方案。

2 自動(dòng)加料解決方案

2.1 電石料位的測量

要實(shí)現(xiàn)濕法制乙炔自動(dòng)化， 首先要解決的問題是各類工藝參數(shù)的準(zhǔn)確采集， 尤其是發(fā)生器加料小缸、上儲(chǔ)斗、下儲(chǔ)斗電石料位的測量，關(guān)系到程序能否準(zhǔn)確判斷及運(yùn)行。

2.1.1 工況簡介

加料小缸和上儲(chǔ)斗、 上儲(chǔ)斗和下儲(chǔ)斗之間各有一閥門用于乙炔氣體的密封。 在加料小缸到上儲(chǔ)斗或者上儲(chǔ)斗到下儲(chǔ)斗卸料過程中既要保證物料全部卸完（否則閥門無法關(guān)閉），又要保證下面儲(chǔ)斗的氣體不要進(jìn)入到上面儲(chǔ)斗內(nèi)， 因此對(duì)儲(chǔ)斗內(nèi)料位的控制極其重要，傳統(tǒng)方法是采用風(fēng)鎬（氣錘）敲擊罐體人工聽聲音的方法辨別是否有料， 如果料位低于風(fēng)鎬安裝位置，將完全失去作用，全靠操作工人的經(jīng)驗(yàn)判斷，給操作帶來極大難度。 且易造成誤操作導(dǎo)致事故的發(fā)生。

2.1.2 解決方案

（1）由于閥門是在儀表報(bào)警后（下料結(jié)束）關(guān)閉，有乙炔氣體進(jìn)入料倉且溫度達(dá)到50 ℃， 安裝附件必須能滿足密封要求（前、后端均采用陶瓷密封，壓力按 1 MPa 設(shè)計(jì)）。

（2）由于下料速度快，單位時(shí)間進(jìn)出料頻繁，必須考慮附件伸入倉內(nèi)部分的耐磨性及抗砸能力 （安裝附件為壁厚 13 mm 45 號(hào)鋼淬火， 硬度大于HRC38）滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求。

根據(jù)上述要求， 通過實(shí)際考察， 選用某公司的HAWK 微波物位開關(guān)，此物位開關(guān)由3 個(gè)電器隔離的單元構(gòu)成，即發(fā)射器、接收器與放大器，發(fā)射器與接收器相互正對(duì)安裝。 為獲得良好的性能需要確保接收器、發(fā)射器的安裝是牢固且是嚴(yán)格正對(duì)的。發(fā)射器向具有微波偵測能力的接收器發(fā)送微波束， 微波束發(fā)送200 次/s， 當(dāng)在接收器同一平面出現(xiàn)吸收微波的物料時(shí)，微波束將不能到達(dá)接收器，因而接收器將不能偵測到微波束。當(dāng)接收器端偵測到微波束，狀態(tài)改變時(shí)將會(huì)觸發(fā)繼電器動(dòng)作，從而向DCS 傳遞料位信息。

另外，根據(jù)工藝條件的要求，為了確保物位開關(guān)真實(shí)反映加料小缸及儲(chǔ)斗是否存在電石， 要求物位開關(guān)必須安裝在各儲(chǔ)斗的下部，示意圖見圖1。

圖1 物位開關(guān)安裝位置示意圖

通過現(xiàn)場實(shí)際調(diào)試投入試用， 此物位開關(guān)可以滿足現(xiàn)場工況要求，為DCS 提供可靠的料位信息。

2.2 電石自動(dòng)加料應(yīng)用研究

目前， 國內(nèi)大部分濕法制乙炔電石加料采用DCS 人工手動(dòng)進(jìn)行加料，需要操作人員不停操作充氮閥、放空閥、加料閥來完成置換、保壓、加料等步驟，一方面頻繁操作易造成人員疲勞而誤操作，另一方面需要大量的操作工，提高了生產(chǎn)經(jīng)營成本。

2.2.1 自動(dòng)加料程序?qū)崿F(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)電石自動(dòng)加料， 將一個(gè)完整的加料程序分為6 個(gè)步驟來分解實(shí)現(xiàn)，即加料前排氣置換、小缸向上儲(chǔ)斗加料、加料后排氣置換、保壓判斷、上儲(chǔ)斗向下儲(chǔ)斗加料和泄壓判斷。 通過6 個(gè)步驟完成一次完整的發(fā)生器加料過程。 自動(dòng)加料流程示意圖見圖2。

圖2 自動(dòng)加料流程示意圖

（1）加料前排氣置換

在小缸料位計(jì)顯示有料且上儲(chǔ)斗料位計(jì)顯示無料的情況下，點(diǎn)擊自動(dòng)加料，加料前排氣置換自動(dòng)開始，上儲(chǔ)斗放空閥自動(dòng)打開、充氮閥自動(dòng)PID 調(diào)節(jié)上儲(chǔ)斗壓力在13 kPa 左右進(jìn)行置換，在上儲(chǔ)斗壓力大于11 kPa 的條件下，置換7 min 合格，加料前排氣置換步驟完成。 若在7 min 內(nèi)出現(xiàn)上儲(chǔ)斗壓力小于11 kPa 的情況，則程序自動(dòng)報(bào)故障需人工手動(dòng)處理，操作人員需手動(dòng)置換合格后點(diǎn)擊確認(rèn)鍵進(jìn)行下一步驟。

（2）小缸向上儲(chǔ)斗加料

加料前排氣置換步驟完成后， 具備小缸向上儲(chǔ)斗加料條件，打開上活門進(jìn)行加料，在50 s 內(nèi)若上儲(chǔ)斗料位計(jì)顯示有料且小缸料位計(jì)顯示無料則表示小缸向上儲(chǔ)斗加料步驟完成，延時(shí)10 s 后開始關(guān)閉上活門，再延時(shí)10 s，準(zhǔn)備進(jìn)行下一步驟。若超過50 s仍不能滿足 “上儲(chǔ)斗料位計(jì)顯示有料且小缸料位計(jì)顯示無料”條件則程序報(bào)故障需人工手動(dòng)處理，直至“上儲(chǔ)斗料位計(jì)顯示有料， 且小缸料位計(jì)顯示無料”條件滿足點(diǎn)確認(rèn)鍵進(jìn)行下一步驟。

（3）加料后排氣置換

小缸向下儲(chǔ)斗步驟完成后， 上儲(chǔ)斗充氮閥自動(dòng)PID 調(diào)節(jié)上儲(chǔ)斗壓力在13 kPa 左右進(jìn)行置換，在上儲(chǔ)斗壓力大于11 kPa 的條件下，置換7 min 合格，加料后排氣置換步驟完成。 若在7 min 內(nèi)出現(xiàn)上儲(chǔ)斗壓力小于11 kPa 的情況，則程序自動(dòng)報(bào)故障需人工手動(dòng)處理， 操作人員需手動(dòng)置換合格后點(diǎn)擊確認(rèn)鍵進(jìn)行下一步驟。

（4）保壓判斷

加料后排氣步驟完成后， 程序自動(dòng)關(guān)閉上儲(chǔ)斗放空閥，判斷上儲(chǔ)斗壓力是否在10 kPa 以上，若低于10 kPa 則打開上儲(chǔ)斗充氮閥充氮至10 kPa 以上，若高于10 kPa 則直接延時(shí)10 s，取出當(dāng)時(shí)上儲(chǔ)斗壓力值P1，再延時(shí)30 s，P1 與當(dāng)前上儲(chǔ)斗壓力值作差取絕對(duì)值P。 若P 小于0.5 kPa，則保壓判斷合格，保壓判斷步驟完成；若P 大于0.5 kPa，則程序自動(dòng)報(bào)故障需手動(dòng)處理漏點(diǎn)， 處理完成后點(diǎn)擊確認(rèn)鍵再進(jìn)行一次保壓判斷步驟，若合格進(jìn)入下一步，若不合格則仍需手動(dòng)處理漏點(diǎn)直至處理合格。

（5）上儲(chǔ)斗向下儲(chǔ)斗加料

保壓判斷步驟完成后，首先判斷“上儲(chǔ)斗料位計(jì)顯示有料且下儲(chǔ)斗料位計(jì)顯示無料”條件是否滿足，若不滿足程序等待，若滿足則關(guān)閉給料機(jī)電流，延時(shí)10 s 后，打開下活門進(jìn)行加料，在50 s 內(nèi)若下儲(chǔ)斗料位計(jì)顯示有料且上儲(chǔ)斗料位計(jì)顯示無料則表示小缸向上儲(chǔ)斗加料步驟完成，延時(shí)10 s 后開始關(guān)閉下活門，再延時(shí)10 s，準(zhǔn)備進(jìn)行下一步驟。 若超過50 s 仍不能滿足 “下儲(chǔ)斗料位計(jì)顯示有料且上儲(chǔ)斗料位計(jì)顯示無料”條件則程序報(bào)故障需手動(dòng)處理，直至“下儲(chǔ)斗料位計(jì)顯示有料且上儲(chǔ)斗料位計(jì)顯示無料”條件滿足點(diǎn)確認(rèn)鍵進(jìn)行下一步驟。

（6）泄壓判斷

上儲(chǔ)斗向下儲(chǔ)斗加料步驟完成后， 打開上儲(chǔ)斗放空閥泄壓至上儲(chǔ)斗壓力小于0.2 kPa，關(guān)閉上儲(chǔ)斗放空閥。 延時(shí)30 s 后若上儲(chǔ)斗壓力小于1 kPa 則泄壓判斷合格，顯示進(jìn)料結(jié)束，等待下一次加料。 若延時(shí)30 s 后出現(xiàn)上儲(chǔ)斗壓力大于1 kPa 的情況則程序自動(dòng)報(bào)故障需人員手動(dòng)處理漏點(diǎn)， 處理完成后點(diǎn)擊確認(rèn)鍵再進(jìn)行一次泄壓判斷步驟， 若合格則顯示進(jìn)料結(jié)束， 若不合格則仍需手動(dòng)處理漏點(diǎn)直至處理合格。

每個(gè)步驟的開始是通過判斷各儲(chǔ)斗的料位開關(guān)、壓力、閥門的反饋狀態(tài)來進(jìn)行。 各個(gè)步驟按順序執(zhí)行。 為了避免加料小缸不能及時(shí)備料或備料不足的情況發(fā)生， 在每次自動(dòng)加料程序開始需手動(dòng)點(diǎn)擊開始， 在每個(gè)步驟中出現(xiàn)故障時(shí)程序停止運(yùn)行并畫面報(bào)警。 操作人員處理故障后點(diǎn)擊確認(rèn)后程序自動(dòng)進(jìn)入下一步驟。程序在運(yùn)行過程中，當(dāng)操作人員需要手動(dòng)操作時(shí)，點(diǎn)擊手動(dòng)按鈕，程序停止運(yùn)行，操作人員可進(jìn)行手動(dòng)操作。操作完成后點(diǎn)擊下一步按鈕，程序自動(dòng)進(jìn)入點(diǎn)手動(dòng)按鈕時(shí)步驟的下一步驟。 程序運(yùn)行過程中在打開下活門前自動(dòng)關(guān)閉給料機(jī)電流，以防下料過程中壓力過高產(chǎn)生危險(xiǎn)。 在下料結(jié)束下活門關(guān)閉后自動(dòng)給料機(jī)一定電流開始運(yùn)行。

2.2.2 自動(dòng)加料程序故障及處理

在自動(dòng)加料過程中， 最重要的一個(gè)問題就是在運(yùn)行過程出現(xiàn)故障時(shí)不滿足運(yùn)行條件時(shí)的處理。 在程序運(yùn)行的6 個(gè)步驟中設(shè)置了條件故障跳轉(zhuǎn)， 當(dāng)程序檢測到故障條件滿足時(shí)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)程序至手動(dòng)狀態(tài)，并在DCS 畫面提示程序故障。 要求操作人員參與消除故障，在故障消除后，操作人員點(diǎn)擊確認(rèn)后，程序投入自動(dòng)運(yùn)行。尤其在小缸向上儲(chǔ)斗加料、保壓判斷、 上儲(chǔ)斗向下儲(chǔ)斗加料、 泄壓判斷這四個(gè)步驟中， 出現(xiàn)故障操作人員處理后會(huì)再次判斷步驟是否完成，避免人員誤點(diǎn)確認(rèn)而造成嚴(yán)重后果。

2.2.3 投用后常見問題及解決

（1）加料前、后排氣容易出現(xiàn)故障，在最初的程序中設(shè)置當(dāng)上儲(chǔ)斗壓力大于12 kPa 時(shí)開始計(jì)時(shí)并在大于12 kPa 的情況下排氣7 min 合格， 若出現(xiàn)小于12 kPa 的情況則程序自動(dòng)報(bào)故障。 排氣壓力是由充氮閥 PID 控制（PID 設(shè)定值 13 kPa），在上儲(chǔ)斗壓力由0 上漲至13 kPa 左右的過程中，尤其是在開始大于12 kPa 開始計(jì)時(shí)的瞬間，往往會(huì)出現(xiàn)壓力短暫的波動(dòng)小于12 kPa 而導(dǎo)致程序報(bào)故障。 介于此原因， 在設(shè)置程序時(shí)在大于12 kPa 時(shí)先延時(shí)5 s 等待壓力穩(wěn)定后再開始計(jì)時(shí)排氣，另一方面將“排氣壓力出現(xiàn)小于12 kPa 判斷為故障”修改為“排氣壓力出現(xiàn)小于11 kPa 判斷為故障”， 大大減少了程序報(bào)故障的幾率。

（2）在正常生產(chǎn)中會(huì)遇到特殊情況需要停車，而自動(dòng)加料程序在停車時(shí)可能運(yùn)行在不同的步驟，下次開車時(shí)又需要自動(dòng)加料程序從頭運(yùn)行。 所以在程序中增加復(fù)位，即不管程序運(yùn)行在那個(gè)步驟，只要點(diǎn)擊復(fù)位即可回到程序初始化位置。

（3）在一些步驟中尤其是加料前、后排氣步驟有延時(shí)，操作人員不能準(zhǔn)確了解程序運(yùn)行至那個(gè)階段，故在步驟中加入計(jì)時(shí)器， 并在DCS 操作畫面上顯示，方便操作人員了解程序運(yùn)行情況。并在運(yùn)行各個(gè)步驟或步驟報(bào)故障時(shí)在DCS 畫面均有提示，方便操作人員了解程序運(yùn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)。

3 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步， 自動(dòng)化在化工生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛， 甚至逐漸起著重要的決定作用。 在化工生產(chǎn)過程中采用自動(dòng)化技術(shù)可以大幅提升生產(chǎn)效率，降低人力資源投入。另一方面自動(dòng)化的提升可以減少人員參與，降低誤操作幾率，保障企業(yè)安全穩(wěn)定生產(chǎn)。 通過本次對(duì)濕法制乙炔電石自動(dòng)加料的研究與實(shí)踐應(yīng)用， 促進(jìn)公司邁向自動(dòng)化生產(chǎn)，對(duì)提高該公司行業(yè)競爭力有著重要意義。