第三节　生产过程运行的安全控制

一、概述

1.危险化学品生产过程操作功能

对于危险化学品生产装置来说，其生产操作过程越来越复杂化和多样化，一般来说，现代危险化学品生产过程有如下的一些安全操作和安全控制问题：生产过程的开车和停车；设备之间的切换；间歇生产过程的操作；生产负荷的改变。

在连续生产过程中，开车和停车都有自己的一套程序和操作步骤，特别是大型的危险化学品生产过程，其开车要花费很长的时间，若不按照一定的步骤和顺序进行，就会出现生产事故，延长开车时间。对于间歇生产过程，其往复循环操作更频繁，而在某些连续生产过程，也包含着间歇操作的设备和单元，如那些需要再生的系统。有时，要改变生产品种和生产负荷，这些都要求按一定的顺序规划来进行操作。一般来说，顺序操作包括一系列的阶段或操作步骤。这些阶段，有些是由过程事件来决定的，而有些是根据特定的时间间隔来激发的。

除了按顺序操作要求之外，危险化学品生产过程还要求：

①监视和管理整个生产过程；

②对生产过程进行规划、调度和决策；

③生产过程的安全操作与控制。

在过程控制系统中监视和管理整个生产过程是很重要的功能。监视生产过程的变化，收集生产过程的历史数据，对寻找出过程的扰动因素和优化工艺条件以及分析过程操作都是极为有用的。

由于现代危险化学品生产装置、生产过程规模大、设备关联密切，要想达到安全、稳定、长周期、满负荷优质生产，对于工艺过程的扰动十分敏感。例如：炼油工业中催化、裂化的生产过程，采用固体催化剂液态化技术，该工艺技术过程不仅要求物料和能量的平衡，而且要求压力保持平衡，使固体催化剂保持在良好的流态化状态。再如芳烃精馏生产过程，各精馏塔之间不仅物料紧密相连，而且采用热集成技术，前后装置的热量耦合在一起。因此，现代危险化学品生产过程，能量平衡接近于临界状态，一个局部的扰动，就会引发整个工艺生产过程的变化，给安全生产带来很大的威胁。

2.影响危险化学品生产过程安全控制的因素

危险化学品生产除了上面简述的特点外，若从反馈控制的观点来分析，其被控过程，又具有如下特性，影响着危险化学品生产过程的安全操作、安全控制和安全优化。

危险化学品生产过程的物料流与能量流都是在密闭的管道与容器中传递、反应或分离，而有些物料又具有易燃、易爆、有毒、有害的特性。生产过程的变量很难在线测量，特别是那些物料性质和产品质量的参数，只能通过取样送化验室分析化验才能获得。有些可能测不准，噪声大且不可靠。虽然随着在线分析仪的逐步使用，已经使得原来不可测的变量变成可测量，但是，在线分析仪仍然满足不了千变万化的危险化学品生产过程的需要。为了解决这一问题，人们寻求用间接的方法来测量不可测的变量，通常称为软测量或称为推断测量的方法，即利用可测量的变量和相关模型，计算出不可测量的变量。对于负反馈控制来说，完全依赖于危险化学品生产过程信号测量的准确性。

3.危险化学品生产过程安全控制系统发展

自19世纪工业革命以后，化工生产过程由简单到复杂、生产规模由小到大。至今，已有各种各样的危险化学品生产过程，生产出多种多样的产品满足人们的生活需要。作为危险化学品生产过程一部分的工业过程控制也在不断发展和提高。

在危险化学品生产过程中，通常需要测量的变量有温度、压力、流量、液位、称重、电量（电流、电压、功率）和成分等。这些变量的测量和控制随着电子技术、计算机技术以及测量技术的不断发展，虽然其基本测量原理变化不大，但是信号置换、显示和控制装置的变化十分迅速。近60年，工业自动化仪表从气动仪表到电动仪表，从现场就地控制到中央控制室控制，从在仪表屏上操作到用计算机操作站（CRT）操作，从模拟信号到数字信号等，其发展和变化十分惊人。如表2-6所示。

①1kgf/cm2=98.0665kPa，下同。

②1psi=6894.76Pa，下同。

4.计算机在危险化学品生产控制中的应用

计算机在危险化学品生产过程中的应用发展过程如表2-7所示。在20世纪60年代，计算机在危险化学品生产过程控制中的应用，只是代替常规的PID控制器、显示、记录和报警仪表，实现所谓直线数字控制（Directly Digital Control，DDC）。这种集中式的计算机控制系统，由于可靠性不够高，所以，模拟仪表控制系统仍旧大量使用。直到20世纪70年代，微处理器和微型计算机出现，从而开发出基于微处理器的集散型计算机控制系统（Distributed Control System，DCS）。由于这种系统对测量和控制回路采用分散结构，而信息又进行集中处理和管理，大大提高了计算机控制系统的可靠性，成为现代大型危险化学品生产工业、石油化工装置安全运行的普遍控制技术，从而为计算机在危险化学品生产过程中的应用开创了新局面。到了20世纪80年代，DCS进入成熟期，一条生产线乃至一个工厂可用一台大型的DCS来控制。真正实现计算机控制危险化学品生产过程，其安全性大大提高。同时，更好的人机接口及硬件和软件平台，为先进控制和优化控制奠定物质基础。进入20世纪90年代，人们称之为信息化和网络化的时代，基于现场总线的计算机控制系统逐步走向实用化。随着计算机在企业管理和控制中的应用，过程自动化（PA）、工厂自动化（FA）、计算机集成过程控制（CIPS）、计算机集成制造系统（CIMS）等，正在成为提高危险化学品生产过程安全生产水平的关键手段。

为了使一个危险化学品生产过程或一个危险化学品企业良好、高效地运行，离不开对整个生产过程物料、能源、人力等的管理、组织和运作。要达到目的，必须对危险化学品生产过程的信息、数据进行及时的检测和控制。因此，在危险化学品企业中生产调度、安全操作、稳定运行等都离不开自动化技术。其中生产过程是由有关的生产过程工艺设备，如容器、泵、机器、管道等组成。不同的产品由不同的生产设备来生产，一般认为，危险化学品的生产过程的设备是不变的。但是，由于腐蚀、老化等原因，这些设备需进行定期检修或更换。常规控制方法是由生产过程工艺参数的测量变送仪表、仪器、自动执行机构（如控制阀、电磁阀、电动执行机构）以及显示、记录、控制器（有时称调节器）等组成。该方法是利用自动监视和代替人工控制的基本的自动化设备。先进控制层是由计算机（或DCS）和有关软件及控制算法等组成，该方法的功能是实现常规控制层无法做到的多变量控制。优化层是由计算机和有关优化软件及优化算法等组成，它的功能是为先进控制层提供优化给定值、优化控制轨迹或生产方案。

二、危险化学品安全控制系统组成

1.控制系统组成

（1）液位控制系统　安全控制系统是在人工控制的基础上利用自动控制技术产生和发展起来的。如图2-18所示为液体储罐内液位的人工控制示意。

从维持生产平衡进行考虑，工艺上希望罐内的液位h能维持在所希望的位置h0上。液位h是需要控制的工艺变量。显然，当进液量Q1或出液量Q0波动时，都会使罐内的液位发生变化。现假定通过控制出液量Q0维持液位的恒定，称Q0为操作变量。进液量Q1是造成被控变量产生不期望波动的原因，成为扰动。

若由操作工完成这一项控制任务，所需要的工作是：

①用眼睛观察液位计实际液位的指示值，并通过神经系统告诉大脑；

②通过大脑对眼睛观察到的实际液位值与事先在大脑中储存好的希望值即给定值进行比较，根据偏差的大小和方向，经过分析、思考，然后根据操作经验发出命令；

③ 根据大脑发出的控制命令，经过人的手的动作去改变液阀门开度，以改变Q0的控制液位；

④反复执行上述操作，直到将液位控制到所希望的数值上。

上述操作工通过眼、脑、手相互配合完成液位的控制过程就是一个人工控制的过程，操作工与所控制的液体罐设备构成了一个人工控制系统。

人们在危险化学品生产过程中不断地控制实践中体会到，人工控制受到人本身生理上的限制，不仅经常发生操作失误，而且人的反应速度也满足不了大型现代化危险化学品生产的需要。如果能用一些仪表或装置来代替操作人员的眼、脑、手自动地完成控制任务，不仅能大大减轻操作工的劳动强度，防止人为的失误。而且可大大提高控制的速度和精度。为此，采用液位测量变送器LT检测液位计并转换为标准信号，如4～20mA。这一测量信号送往液位控制器LC，控制器的设定值由人工给定。控制器根据偏差的正负、大小及变化情况发出控制信号。控制器的输出送往执行器，此处为控制阀，控制阀根据控制信号变化增大或减小阀门的开度，调节出液流量，使测量值接近或等于给定值。这样，就构成了液位自动控制系统、测量变送器、控制器和执行器，它们分别具有眼、脑、手的功能。通常将控制器、变送器用通用符号来表示，表达成如图2-19所示的形式。

图2-19称为工艺控制流程，它是用自控设计的文字符号和图形符号在工艺流程图上描述生产过程自动控制的原理。图中小圆圈表示某些自动化仪表，圈内有两位及两位以上字母，第一位字母表示被测变量，后继字母表示仪表的功能。通常被测变量和仪表功能的代号如表2-8所示。

（2）温度控制系统　如图2-20所示的是蒸汽加热器的温度自动控制系统，它由蒸汽加热器、温度变送器TT、温度控制器TC和蒸汽流量控制阀组成。控制的目标是保持流体出口温度恒定，这是生产装置运行过程的重要参数。当进料流量或温度等因素的变化引起出口物料的温度变化时，通过温度变送器TT测得温度的变化，并将其信号送至温度控制器TC与给定值进行比较，温度控制器TC根据其偏差信号进行运算后将控制命令送至控制阀，以改变蒸汽流量来维持出口温度。

（3）流量控制系统　图2-21为流量控制系统。

它由管路系统、孔板和差压变送器、流量控制器FC和流量控制阀组成。控制的目标是保持流量恒定，这是生产装置运行过程的重要参数。当管道其他部分阻力发生变化或有其他扰动时，流量将偏离设定值。利用孔板作为检测元件，把孔板上、下游的静压用连接导管接至差压变送器，将流量信号转化为标准电流信号；该信号送至流量控制器FC与给定值进行比较，流量控制器FC根据其偏差信号进行运算后将控制命令送至控制阀，改变阀门开度，就调整了管道中流体的阻力，从而影响了流量，使流量维持在设定值。

2.典型控制方案分析

在危险化学品生产过程中，其生产过程往往有一个“流程”。按物料经各生产环节的先后，分成前工序和后工序，前工序的出料即是后工序的进料，而后者的出料又源源不断地输送给其他设备作为进料。均匀控制是针对“流程”中协调前后顺序的物料流量而提出来的。我们以连续精馏的多塔分离过程为例，见图2-22。

前塔塔底的出料作为后塔的进料。前塔出料多，后塔进料也必然多；前塔出料少，后塔进料也必然少，两者是息息相关的。然而，由于两个塔都各自力求操作平稳，这将引起两塔之间的矛盾。对前塔来说，当它经受扰动而使平衡操作破坏时，它就要通过物料的调整来克服，这样就会引起出料量的波动，也就是说出料量的波动是适应前塔操作所必需的；而对后塔来说，为了本塔操作平稳，它总是希望进料量越平稳越好。这就提出了这样一个课题：怎样将一个变化比较剧烈的流量变换成一个变化较缓慢的流量。

要使一个变化剧烈的流量变成一个变化较缓慢的流量，一种方法是前后工序之间特意增加一个缓冲罐。但这会增加设备投资和扩大装置占地面积，并且有些危险化学品中间产品增加停留时间后可能产生副反应，所以，额外增加缓冲罐可能不是最理想的方法。另一种方法利用原有设备的某些容量，作为缓冲罐。如图2-22所示连续精馏的情况，前塔塔釜就可看成缓冲罐。将流入塔釜的物料看成前工序的出料，而流出塔釜的物料看成后工序的进料。用缓冲罐来平缓流量时其液位必然会产生波动。因而当利用附着于原有设备的“缓冲罐”来平缓流量时，由于液位的波动往往会影响原有的工艺操作。如塔釜液位往往与再沸器的工作有关，液位波动过大会严重影响再沸器工作，因而必须兼顾液位的平衡。一种比较好的改进是在塔釜加一块隔板。如图2-23所示。

图2-23中是一块溢流隔板，它可保证与再沸器工作有关的液位（塔釜左侧液位）稳定，而用作缓冲器的液位（塔釜右侧液位）允许波动。即使这样，缓冲器的液位也有个要求，即既不能抽干，也不能满溢（这里指不能超过隔板）。为了兼顾流量平稳和液位又在允许区间这两个因素，应该配以控制系统。均匀控制的出现就是为了满足这一要求的。

对于一套控制系统，它能充分利用储罐的缓冲，将一个变化剧烈的流量变换成一个变化平缓的流量，这种控制系统称均匀控制（或称均流控制）。因而均匀控制之称是指控制目的，而不是指控制系统的结构。在均匀控制中涉及两个指标：储罐的输出流量要求平稳或变化缓慢；在最大扰动时，液位仍在允许的上、下限之间波动。

三、危险化学品生产过程重要安全控制系统

1.液氨蒸发器控制系统

从整个生产流程控制的角度看，所有控制系统可分为三类：物料平衡（或能量平衡）控制、质量控制和极限控制。超限控制属于极限控制一类，一般是从生产安全角度提出来的，如要求温度、压力、液位等参数不能超限。

极限控制的特点是：在正常工况下，该参数不会超限，所以也不考虑对它进行直接控制；而在非正常情况下，该参数会达到极限值，这时又要求采取强有力的控制手段，避免超限。

①参数达到第一极限时报警→设法排除故障→若没有及时排除故障，参数值会达到更严重的第二极限，经联锁装置动作，自动停车。这种做法称为硬保护。

②参数达到极限时报警→设法排除故障→在这同时改变操作方式，按使参数脱离极限值为主要控制目标进行控制，以防该参数进一步超限。这种操作方式一般会使原有控制质量降低，但能维持生产的连续运转，避免了停车。这种做法称为软保护。

液氨蒸发器是一个换热设备。它是利用液氨的汽化需要吸收大量热量，以此来冷却流经管内的被冷却物料。在生产上，往往要求被冷却物料的出口温度稳定，这样就构成了以被冷却的物料出口温度为被控变量，以液氨流量为操作变量的控制方案。见图2-24。

这一控制方案目的是改变传热面积来调节传热量的方法。因液位高度会影响换热器的浸润传热面积，因此，液位高度即间接地反映了传热面积的变化情况。由此可见，液氨蒸发器实际上是一个单输入（液氨流量）两输出（温度和液位）系统。液氨流量既会影响液位，也会影响温度，温度和液位有一种粗略的对应性。通过工艺的合适设计，在正常工况下当温度得到控制后，液位也应该在一定允许区间内。

超限现象总是因为出现了非正常工况的缘故。在这里，不妨假设有杂质油漏入被冷却物料管线，使传热系数猛降，为了取走同样的热量，就要大大增加传热面积。当液位淹没了换热器的所有列管时，传热面积的增加已达到极限，如果继续增加氨蒸发器内的液氨量，并不会提高传热量，但是液位的继续升高却可能带来事故。这是因为汽化的氨是要回收重复使用的，氨气将进入压缩机入口，若氨气带液，液滴会损坏压缩机叶片，因而液氨蒸发器上部必须留有足够的汽化空间，以保证良好的汽化条件。为了保持足够的汽化空间，就要限制氨液位不得高于某一最高限制。为此，需在原油温度控制基础上，增加一个防液位超限的控制系统。

这两个控制系统的逻辑规律如下：在正常工况下，由温度控制器操纵阀门进行温度控制；而当出现非正常工况，引起氨的液位达到高限时，被冷却物料的出口温度即使仍然偏高，但此时温度的偏高暂时成为次要因素，而保护氨压缩机不致损坏已上升为主要矛盾，于是液位控制器应取代温度控制器工作（即操纵阀门）。

2.安全氮封控制系统

在危险化学品生产企业中，有许多储罐存放着各种化学品或油品。这些储罐建造在室外（俗称罐区），为了使这些化学品或油品不与空气中的氧气接触被氧化变质，或引起爆炸的危险，经常采用罐顶充氮气的办法，使其与外界空气隔绝，工厂中一般称为氮气保护。

实行氮封的技术要求是：要始终保持储罐内的氮气压微量正压。储罐内储存物料增减时，将引起罐顶压力的升降，对此应及时地进行控制，否则将使储罐变形，更有甚者会将储罐吸瘪，造成重大事故的发生。因此，当储罐内液面上升时，应停止继续补充氮气，并将压缩的氮气适量排出。反之，当液面下降时应停止放出氮气。只有这样才能做到既隔绝空气，又保证容器不变形。这一充氮控制方案如图2-25所示。

构成这一氮封分程控制方案所用的仪表皆为气动仪表。控制器具有反作用和PI控制规律，进入储罐的氮气阀门A具有气开特性，而排出氮气的阀门B具有气关特性。两阀的分程动作关系见图2-26。

3.离心式压缩机的控制方案

离心式压缩机的构造基本与离心泵相同，其工作原理也是借助于高速旋转叶轮产生的离心力，它的原动机有蒸汽透平、电动机或能量回收透平。习惯上把离心式压缩机的组合体称为压缩机组，或称为透平压缩机组。由于石油化学工业以及危险化学品工业向大型化方向发展，离心式压缩机组迅猛地向高压、高速、大容量和高自动化方向发展。与往复式压缩机相比，离心式压缩机具有如下特点：

①压缩机的润滑油等不会污染被输送的气体；

②调节性能好，调节气量的变化范围广；

③运行率高，维修简单，易损件、备件少；

④体积小，流量大，质量轻；

⑤有较好的经济性能。

由于离心式压缩机的这些特点，使它成为当今危险化学品生产中应用最为普遍的压缩机类型。而往复式压缩机等则主要用在流量小、压缩比较高的场合。

从离心式压缩机本身的特点看，虽然有很多优点，但它也有一些固有的而且是难以消除的缺点，如喘振、轴向推力大等。常常可能因为微小的偏差造成严重的事故。而且事故的出现往往是迅速猛烈，单靠人工处理是措手不及的。因此，针对离心式压缩机的这些特点，必须认真设置相应的控制系统。

离心式压缩机往往是生产过程中十分重要的气体输送设备。为了保证压缩机能够在工艺所要求的工况下安全运行，必须配备一系列自控系统。一台大的离心式压缩机组通常包括下列控制系统。

①气量或出口压力控制系统，即负荷控制系统。控制方式有多种，基本类似离心泵的排量和出口压力的控制方案，如直接节流法、旁路回流法、调节原动机的转速等。但是需要注意两点：其一，采用旁路回流法时，气体经多级压缩后，出口与入口压力即压缩比已很大，此时，不宜从末端出口至第一段入口直接旁路，因为这样做，能量消耗大，阀座在高压差下磨损也大，故一般宜采用分段旁路，或增设降压消声等措施；其二，对汽轮机（蒸汽透平）进行调速时，要求汽轮机（蒸汽透平）的转速可调范围能够满足气量调节的需要。

②防喘振控制系统。因为喘振是离心式压缩机的固有特性，必须设置相应的防喘振控制系统，以确保压缩机的安全运行。

③压缩机组的油路控制系统。一台大型离心式压缩机组常具有密封油、控制油和润滑油等。对这些油的油压、油温等需要设置联锁报警控制系统。

④压缩机主轴的轴向推力、轴向位移及振动的指示与联锁保护系统。

4.传热设备的安全控制系统

在许多危险化学品生产过程中，如蒸馏、干燥、蒸发、结晶、反应等，均需要根据具体的工艺要求对物料进行加热或冷却来维持一定的温度，对于化学反应来讲，为了使反应能达到预定要求，更需要严格控制一定的反应温度，这也得靠冷却或加热才能实现。传热过程是危险化学品生产过程中及其重要的组成部分。因此，对传热设备的控制就显得格外重要。

用实现冷热两相流体换热的设备称为传热设备。换热有直接换热和间接换热两种方式。直接换热是指冷热两流体直接混合以达到加热或冷却的目的，而间接换热是指冷热两流体在间接状态下以达到加热或冷却的目的。在危险化学品等工业生产过程中，一般以间接换热较为常见。因此，在这里主要讨论的是间壁传热设备的控制问题，其结构形式有列管式、蛇管式、夹套式和套管式等。如图2-27所示。

前面简单叙述了热量传递三种方式的主要机理。必须指出的是，在实际进行的传热过程中，很少以一种传热方式单独进行，而是由两种或三种方式综合而成的。例如，在危险化学品的生产过程中常用的间壁式换热器，一般温度不太高，这时候就可忽略热辐射的影响，则传热过程就是对流和热传导的组合。而在管式加热炉的辐射室中，由于温度较高，这时就以热辐射为主，辐射室的有效传热量大致为全炉总热负荷的70%～80%，但在管式加热炉的对流室中，传热方式却又以对流传热为主。总之，在管式和加热炉中其传热过程是传导、对流及热辐射的组合。传热设备的分布参数特点说明如下。

①传热壁面两侧流体都无相变地进行交流，且两侧流体都没有轴向混合时，两侧的温度都将是距离和时间的函数，也就是说两侧都是分布参数对象，一般列管式换热器、套管式换热器都属于此类。

②传热壁面两侧流体都发生相变时，例如，精馏塔的再沸器，两侧的温度皆可近似为集中参数。相变化（汽化或冷凝）的特点是流体温度取决于所处压力，而不是取决于传热量。

③当传热壁面两侧流体中有一侧发生相变时，如列管式蒸汽加热器、氨冷却器等，发生相变的一侧是集中参数，另一侧需视具体情况而定。

在危险化学品生产过程中，许多工艺不允许冷热两流体直接接触，不允许在传热过程中伴有物质交流。因此，为达到传热目的，常采用间壁式换热器。在间壁式换热器中，热流体的热量通过对流传热传给间壁，经间壁热传导后，再由间壁将热量以对流方式传给冷流体。因此，间壁式传热设备属典型的多容量对象，并带有较大的滞后，通常传热设备可以近似地认为具有纯滞后的多容量对象。

传热设备的自动控制系统中被控制变量大多数是温度，而测温元件的测量滞后是比较显著的。常用热电偶、热电阻与测温元件，为了保护其不致损坏或被介质腐蚀，一般均加有保护套管，这样就增加了测温元件的测量滞后，因此，测温元件的测量滞后也给传热设备的自动控制系统增加了滞后时间。

5.精馏塔安全控制系统

精馏操作是危险化学品生产过程的一个十分重要的环节。对精馏塔的控制直接影响到产品的质量、产量和能量的消耗。因此，精馏塔的自动控制长期以来一直受到危险化学品生产企业广大生产管理人员、技术人员和操作人员的重视。

精馏塔是一个多输入和多输出的对象，它由很多级塔板组成，内在机理复杂，对控制作用响应缓慢，参数间相互关联严重，而控制要求又大多较高。这些都给自动控制的实施带来一定的困难。同时，各塔工艺结构特点又千差万别，这就更需要深入地分析工艺特性，结合具体塔的特点，进行自动控制方案的设计和研究。

精馏就是将一定浓度的溶液送入精馏装置，使其反复地进行部分汽化和部分冷凝，从而得到预期的塔顶与塔底产品的操作。完成这一操作过程的相应设备除精馏塔外，还有再沸器、冷凝器、回流罐和回流泵等辅助设备。目前，在危险化学品生产中一般所采用的连续精馏装置的流程，如图2-28所示。

精馏塔的特性分析是进行自动控制系统设计的基础。和其他单元操作一样，精馏塔也是在一定的物料平衡和能量平衡的基础上进行操作的。一切影响因素均通过物料平衡和能量平衡影响塔的正常操作。影响物料平衡的因素是进料量和进料组分的变化，塔顶采出量或塔底采出量的变化。影响能量平衡的因素是进料温度（单相进料时）或热焓（两相送料时）的变化、再沸器加热量和冷凝器冷却量的变化以及环境温度的变化等。同时，物料平衡和能量平衡之间又是相互影响的。因此，要了解这些因素对精馏过程的影响，必须分析精馏塔的静态特性与动态特性。所谓静态特性就是以物料平衡和能量平衡为基础来确定稳态下精馏塔各参数之间的定量关系；而动态特性反映了精馏塔各参数之间的动态影响关系。