四氟乙烯单体生产装置的报警优化实践.pdf

2024年第1期Organo-Fluorine Industry38有机氟工业四氟乙烯单体生产装置的报警优化实践李振龙刘丰金于修源约纪长苇！邢艳萍！刘景霞3王金枝3（1.东岳氟硅科技集团有限公司，山东淄博2 56 40 1；2.山东华夏神舟新材料有限公司，山东淄博2 56 40 1；3.山东东岳高分子材料有限公司，山东淄博2 56 40 1）摘要：针对四氟乙烯单体生产装置中存在的自动控制回路投用率低、装置平稳率低、报警多和岗位人员干预频次多的问题，通过优化控制回路的控制方式、整定PID参数和调整滤波时间等，大大提高了装置的自动控制回路投用率和装置平稳率，降低了人员干预和均值报警数量，在此基础上开展了报警优化工作，建立了报警原则，工艺报警优先级得到优化。通过以上两项优化使装置自动控制回路投用率由7 3.3%提高至9 7.4%，装置平稳率由8 3.1%提高至9 8.1%，人员干预频次下降了84.6%，均值报警由每小时12 个降低至2 个，装置报警状态达到L4（鲁棒）级。关键词：四氟乙烯单体；自动控制回路；报警；优化0前言四氟乙烯（TFE）单体是一种重要的氟化工中间体，可用于生产聚四氟乙烯（PTFE）和可熔性聚四氟乙烯（PFA）等聚合物，与六氟丙烯（HFP)共聚可得到聚全氟乙丙烯（FEP），与乙烯共聚可得到乙烯一四氟乙烯共聚物（ETFE），与六氟丙烯、偏氟乙烯（VD F)共聚可得到氟橡胶（FKM）()。在尖端领域中,四氟乙烯与全氟乙烯基醚磺酰氟(PSVE)共聚可得到全氟磺酸树脂，与全氟乙烯基醚羧酸甲酯(PCVE)共聚可得到全氧羧酸树脂2 ,在氟化工产业链中起着举足轻重的作用。采用水蒸气稀释法生产TFE的工艺属于重点监管的危险化工工艺，在提高生产装置自动控制投用率的基础上，优化报警管理是保证装置安全稳定运行的重要举措。1TFE生产工艺与装置现状1#TFE装置的反应部分是二氟一氯甲烷(HCFC22）在裂解炉中加热，与水蒸气混合热裂解产生TFE粗品，TFE粗品经急冷、水碱洗、精馏后得到TFE成品供产业链下游聚合装置使用，裂解炉的燃料为天然气、氢气。1 TFE装置的工艺流程简图如图1所示。塔顶去9#TFE吸收塔成品TFE去下游1#聚合装置原料HCFC-22蒸汽急冷、水碱洗、压缩反应器1#低沸塔TFE成品过热炉成品TFE去天然气、氢气重组分2#TFE精馏塔下游2 聚合装置Y3塔塔顶重组分3#TFE回收塔塔釜重组分去4*残液塔图11#TFE装置工艺流程简图作者简介：李振龙（19 8 8 一），男，硕士，主要从事氟化工工艺安全管理工作。39李振龙等四氟乙烯单体生产装置的报警优化实践2024年第1期原料HCFC-22汽化后经蒸汽过热炉加热至300500，进人裂解反应器与高温过热水蒸气混合，高温裂解生成TFE粗品，裂解生成的TFE粗品经急冷、水碱洗、压缩处理后进入1低沸塔，塔顶轻组分去9*TFE吸收塔回收TFE，塔釜重组分进人2#精馏塔，TFE自2 精馏塔塔顶采出，冷却后得到的TFE成品供下游1#、2 聚合装置使用。2 精馏塔塔釜重组分进人3 TFE回收塔，塔顶轻组分中Y3含量合格时回压缩缓冲罐，Y3含量高时去Y3塔，塔釜重组分去4#残液塔。水蒸气稀释法生产TFE属于重点监管的危险化工工艺，天然气、氢气均是易燃、易爆气体，是重点监管的危险化学品，属于装置固有风险。随着装置运行时间的增加，仪表、阀门等硬件的完整性出现缺陷，自动控制回路的控制性能也随之出现不同程度的劣化，频繁切换手动导致人员干预频次增多，装置运行平稳率也处于相对较低的水平，报警频发，报警状态均达不到L4（鲁棒）级，给装置安全、稳定生产带来了一些不稳定因素。优化前装置的技术指标如表1所示。表1优化前装置的技术指标操作次数自动控制回路平稳率均值报警报警/(次h-)投用率/%/%/(个h-)状态2673.383.112L2基于水蒸气稀释法生产TFE装置存在的问题，开展了自动控制回路优化和报警优化工作，提高装置的自动控制回路投用率和平稳率，减少报警数量。通过减少操作人员干预频次降低出错概率，提高安全保护层的可靠性和有效性。2自动控制回路优化2.1自动控制回路性能分析1TFE生产装置共设置了9 4个自动控制回路，均为单回路控制，回路投用率仅为7 3.3%，即便是投运自动模式的回路，也存在着控制性能不佳的问题，因此对自动控制回路进行了分析，分析结果如表2所示。表2自动控制回路分析结果回路数量回路占比问题(原因)备注/个/%控制性能较好3436.2单回路控制改前馈、控制方式不合理66.4比值、串级控制单回路测量点位温度控制33.2选择不合理改压力控制PID参数不合理3941.5阀门等执行器问题77.4阀门黏滞流量计、氧含量测量仪表问题55.3检测仪选型不合理由表2 可知，控制方式不合理占比为6.4%，占比虽小却是限制装置平稳运行的最大瓶颈，单回路控制不适用于相对复杂的被控过程，不能满足TFE生产较高精度控制的要求；PID参数设定不合理的自动控制回路占比达到41.5%，PID参数设定不合理成为回路控制性能下降的直接原因；测量仪表、阀门等执行器完整性缺陷问题占比为12.7%，卡滞易导致振荡现象发生，久而久之影响到整个系统的稳定性。2.2控制方式优化根据自动控制回路的分析结果，对单回路控制方式进行修改优化，增加了串级、比值和前馈等不同的复杂控制，如优化蒸汽过热炉炉膛温度自动控制回路的控制方式，将单回路控制变更为天然气流量串级加前馈控制。蒸汽过热炉炉膛温度自动控制回路如图2 所示。前馈温度补偿运算蒸汽过热炉温度设定主回路控制器副回路控制器调节阀天然气流量蒸汽过热炉温度天然气流量测量仪表蒸汽过热炉温度测量仪表图2蒸汽过热炉炉膛温度自动控制回路.40Organo-Fluorine Industry2024年第1期有机氟工业优化1低沸塔塔釜液位自动控制回路的控制方式，将单回路控制变更为串级加前馈控制。1低沸塔釜液位自动控制回路如图3 所示。优化2 精馏塔塔顶采出自动控制回路的控制方式,将单回路控制变更为前馈控制。2 精馏塔塔顶采出控制回路如图4所示。缓冲罐压力函数1#低沸塔釜液位设定主回路控制器副回路控制器调节阀塔釜出料流量塔釜液位出料流量测量仪表塔釜液位测量仪表图3 1低沸塔釜液位自动控制回路+2精馏塔进料温度温度设定采出流量补偿函数流量设定下游1#聚合装置至下游1#聚合调节阀调节控制器装置送料流量流量测量仪表流量设定下游2#聚合装置至下游2#聚合调节阀调节控制器装置送料流量下游2 聚合装置单体流量与至下游1聚合装置单体流量差值图422精馏塔塔顶采出控制回路自动控制回路优化完成后，蒸汽过热炉炉膛温度波动由7 0 左右降至2 0 左右，降幅明显，后续工艺流程控制也更加平稳。2.3回路PID整定在装置检修期间更换了部分测量误差较大的流量计和卡滞阀门，调整了2 4个自动控制回路的滤波时间，对6 4个自动控制回路的PID参数进行调整优化，增强部分平稳性或抗干扰能力差自动控制回路的鲁棒性。经过自动控制回路优化工作，装置自动控制回路的投用率、平稳率、操作次数和均值报警均有明显改善，装置技术指标如表3 所示。表3装置技术指标操作次数自动控制回路平稳率均值报警报警/(次h-1)投用率/%/%/(个h-)状态1295.195.78L3自动控制回路优化后，蒸汽过热炉炉膛温度波动幅度降低超过7 1.4%，反应温度波动幅度降低超过66.7%，装置趋向“卡边控制，在一定程度上降低了消耗,HCFC-22单耗下降了0.1%、电单耗下降了2.1%、蒸汽单耗下降了5.3%，提高了经济效益。但是均值报警仍未得到根本改善，报警状态由L2提升至L3,仍未达到L4（鲁棒)级，因此,在装置自动控制投用率基础上优化报警成为报警管理提升的重点。3报警优化“报警+人员响应是TFE装置生产过程本质安全保护层的重要一层，运行期间DCS系统发出大量报警，容易致使岗位操作人员无法在大量的报警中快速准确地定位关键报警并及时做出响应操作，导致安全保护层失效3 。确定报警优先级的目的是使岗位操作人员易于辨别重要的报警并及时做出响应操作，报警优先级在静态（设计报警级别）和运行阶段的动态报警（实时报警）情况下优先级分布41李振龙等四氟乙烯单体生产装置的报警优化实践2024年第1期应符合一定的比例规则。分析TFE工艺报警台账和一定时间范围内的DCS报警记录，得到了当前实际静态和动态报警的优先级分布，如表4所示。表4装置工艺报警优先级分布报警静态占比动态占比实际静态占比实际动态占比优先级/%/%/%/%紧急510136高级15 30374748中级25 4010 251930一般25 4075803115由表4可知，当前工艺报警优先级的确定仍存在划分不合理的情形，紧急、高级报警占比比中级、一般报警占比低，失去了通过优先级划区分报警主次的意义，仍需要开展报警合理化工作。1）建立报警原则开展报警优化首先要建立报警原则，国外化工工业基于过程工业报警系统ANSIISA-18.2、英国工程设备和材料用户协会EEMUA191等标准开展了良好的报警管理实践4。国内相关标准发布实施相对较晚，2 0 2 2 年发布了过程工业报警系统管理（GB/T41261）、化工企业工艺报警管理实施指南（T/CCSAS012)，用于指导工艺报警全生命周期管理5。在建立报警分类、分组、分区和显示的原则基础上确定报警优先级和报警响应程序建立原则，即结合危险与可操作性分析(HAZOP)采用风险矩阵的方式确定报警优先级，并且要求不同的报警用于提示操作人员执行不同的响应程序，如限值报警通常限值包括低低限、低限、高限和高高限，高限、高高限报警响应程序应不同，不需要操作人员响应的事件可以不设置报警。工艺报警的优先级别矩阵如表5所示。表5工艺报警的优先级别矩阵最大允许后果严重程度响应时间/min无影响影响较小影响较大影响严重大于3 0不设置报警宜取消报警或重新设置报警参数2530不设置报警一般中级高级1525不设置报警一般中级高级10 15不设置报警中级高级紧急1#TFE生产装置DCS实施时为全部过程参数预留了低低限、低限、高限和高高限，高限、高高限报警设置报警时未作充分的合理化论证，将全部点位均设置了报警，设置的报警数量太多，很多报警是无意义的、不需要的，针对此项问题，组织工艺、设备、电仪和安全等专业技术人员开展HAZOP、保护层分析（LOPA），结合运行经验对报警触发后在没有任何安全保护措施的情况下可能导致后果的严重程度进行重新分析，移除了无意义的报警。在此基础上利用报警死区、偏差报警、变化率报警等基本报警以及报警抑制等高级报警对1 TFE生产装置报警进行了优化。2）删除无意义报警取消了阀门位置反馈、设备仪表的自诊断等提示性报警，如装置机泵等设备停止时系统提示电流断线系统报警，实际并未故障，只是电气传到DCS系统的信号低于0.7 5mA（标准是4mA），进而持续发出大量故障报警。DCS没有接线的备用点通道状态设置为“不使能通道”，从而消除断线报警。3）设置报警死区有效利用报警死区功能，减少稳定性较差的过程参数滋扰报警的数量，当报警触发后，如果参数恢复至报警值以下并不立刻进行报警恢复，而是越过死区后方进行报警恢复，这样避免参数值在报警设定值附近波动反复触发报警，增加报警负载。4）设置变化率报警反应物料出反应器后进人急冷器，列管损坏循环水泄漏时，急冷器下部温度会快速下降，设置温度变化速率报警，可以提示岗位操作人员急冷器存在异常。因此在急冷器设置温度变化率报警，当温度下降过快（大于1/min）时发出报警，提示岗位操作人员进行响应操作，避免触发急冷器低报警时装置产生大量报警。5）设置偏差报警1TFE生产装置塔与塔之间设置有流量计，有时会出现流量计卡的问题，造成控制回路控制效果偏差较大，塔釜液位会慢慢下降或上升，触发液位报警，造成装置异常波动，引起更多报警的产生。因此，设置偏差报警检测流量计及时发现并处置流量计异常问题，避免产生大量报警6）设置报警延迟合理设置报警延时也可以消除抖动报警（瞌睡报警）引起的报警泛滥，如在异常工况下精馏塔塔中温度在2 min内可能产生几十条甚至更多报警，设置合理的延时时间可以减少报警数量。AJnit2024年第1期Organo-Fluorine Industry42有机氟工业7)报警抑制1TFE生产装置在设计时会设置备用设备，如压缩机、碱洗塔、氯化钙塔、粗六氟丙烯储罐等，对处于备用状态的设备进行自动或一键手动抑制可以减少大量报警，另外根据工艺需要也会有间歇操作的设备，如Y3塔自动或一键手动抑制可以减少报警数量。针对周期性切换的备用设备，通过与岗位操作人员讨论，根据标准操作规程（SOP）通过DCS系统编程实现了此类设备的自动切换，减少了岗位操作人干预。通过实施以上优化报警措施，1#TFE生产装置人员干预次数得到进一步减少，报警状态提升至L4级别，优化后1#TFE生产装置实际静态和动态报警的优先级分布以及装置技术指标如表6 所示。表6优化后1 TFE生产装置静态和动态报警优先级分布以及装置技术指标静态占比动态占比操作次数自动控制回路投用率平稳率均值报警报警优先级报警状态/%/%/(次h-)/%/%/(个 h-)紧急42高级296497.498.12L4中级3521一般32714结语针对1#TFE生产装置中存在的自动控制回路投用率低、平稳率低、DCS报警数量多以及岗位人员干预频次多等问题，通过开展自动控制回路性能优化和报警优化工作，使装置自动控制回路投用率由73.3%提高至9 7.4%，装置平稳率由8 3.1%提高至98.1%，人员干预频次下降了8 4.6%，均值报警由每小时12 个降至2 个，装置报警状态达到L4（鲁棒）级，装置运行更加安全、高效，为行业同类装置报警优化提升提供参考。参考文献1杨瑞影，李红杰，魏志华，等我国四氟乙烯及下游聚合物生产现状J精细与专用化学品，2 0 2 0，2 8（12）：1-2.2孟庆文，余国军，何华全氟磺酸树脂的合成与应用J.有机氟工业，2 0 2 3（3）：3 1-3 2.3吴中相，王慧锋流程工业中报警值的优化设置及条件报警J.化工自动化及仪表，2 0 17，44（11）：10 42-10 44.【4路帅，付军良基于风险的报警优先级量化设定方法研究J.中国安全生产科学技术，2 0 18，14(2）：150-153.5范宗海，贺文敏，冀晓举，等先进报警管理系统的设计实施与应用研究J石油化工自动化，2 0 18，54(1):7-9.larm Optimization Practices of Tetrafluoroethylene Monomer ProductionLI Zhenlong,LIU Fengjin,YU Xiuyuan,JI Changwei,XING Yanping,LIU Jingxia,WANG Jinzhi(1.Dongyue Fluorosilicone Technology Group Co.,Ltd.,Zibo 256401,China;2.Shandong Huaxia Shenzhou New Material Co.,Ltd.,Zibo 256401,China;3.Shandong Dongyue Polymer Material Co.,Ltd.,Zibo 256401,China)Abstract:Aiming at the problems of low automatic control loop utilization rate,low stable rate of unit,multiplealarms and frequent intervention of post personnel in tetrafluoroethylene monomer production unit.By optimizing thecontrol mode of control loop,setting PID parameters and adjusting filtering time,the automatic control loop utilizationrate and stability rate of the unit are greatly improved,and the number of personnel intervention and mean alarm isreduced.On this basis,the alarm optimization work is carried out,the alarm principle is established,and the priorityof process alarm is optimized.Through the above two optimization work,the automatic control loop operation rate ofthe unit is increased from 73.3%to 97.4%,the unit stability rate is increased from 83.1%to 98.1%,the frequency ofpersonnel intervention is decreased by 84.6%,the average alarm is reduced from 12 to 2 per hour,and the alarmstate of the unit reaches L4(robust)level.Keywords:tetrafluoroethylene monomer;automatic control loop;alarm;optimization