石灰粉投加自動控制系統設計及應用

劉朝霞，陰聚寶

(1. 國家發展和改革委員會大連培訓中心，遼寧 大連 116013； 2. 遼陽石化公司煉油廠，遼寧 遼陽 111003)

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石灰粉投加自動控制系統設計及應用

劉朝霞1，陰聚寶2

(1. 國家發展和改革委員會大連培訓中心，遼寧 大連 116013； 2. 遼陽石化公司煉油廠，遼寧 遼陽 111003)

摘要：針對石灰粉法脫硫工藝中石灰粉投加量不準確、脫硫效果不穩定、pH值波動大等缺陷，采用西門子S7-200系列PLC設計開發了一套石灰粉投加自動控制系統。闡述了該系統的結構組成及工作流程，為原脫硫系統改造提供了良好的解決方案和對策。實際應用證明該系統能夠達到高效的控制改進作用。

關鍵詞：可編程控制器傳感器觸摸屏石灰法脫硫料倉

石灰粉法脫硫工藝具有運行成本低、脫硫效果好、設備配置簡單等優點，被廣泛應用于脫硫項目上。它的作用原理是將石灰粉加水制成脫硫液，作為吸收劑加入吸收塔與煙氣充分接觸吸收，煙氣中的二氧化硫與脫硫液中的碳酸鈣以及從塔下部進入的空氣進行氧化反應生成硫酸鈣，硫酸鈣達到一定飽和度后，結晶形成二水石膏，達到脫硫目的，故石灰粉漿液的制備對脫硫效果有很大影響。

原投加系統采用斗式提升機上料，勞動強度大，且造成二次揚塵；給料采用螺旋輸送機輸送，無自動控制，注水管采用自流的方式，造成給料量(脫硫劑配量)不準確，pH值波動大，脫硫效果不穩定；未反應完的石灰粉直接進入沉淀池中，造成脫硫劑的浪費以及石灰粉投加設備和投加管道的沉積和堵塞。因此，需要在工藝設計上加以改進，設計開發合理適用的石灰粉投加自動控制系統。

1石灰粉投加自動控制系統結構

改進后的石灰粉投加自動控制系統結構如圖1所示，主要包括：

1) 料倉系統。石灰儲罐里的石灰粉經吸槍、5m 長吸料軟管，由氣動真空吸料器吸到5m3料倉；在料倉頂部設1臺負壓除塵器，處理石灰粉落入料倉后產生的揚塵；料倉設有料位計；料倉頂部安裝安全閥，當料倉壓力達到設定上限值時，將自動打開卸壓。

2) 料倉下料系統。料倉下料系統由空氣炮振動裝置和密度補償裝置兩部分組成，空氣炮振動裝置安裝于料倉下部的錐斗上，在下料過程中與密度補償裝置間歇交錯啟動，使石灰粉料能連續不斷地下落，避免出現粉體在下料過程中的空穴及橋拱現象。

3) 空氣動力系統。石灰粉投加系統中，氣動真空吸料器、空氣泡振動裝置、氣動阻隔閥及除塵器等需要使用壓縮空氣，故配備空壓機、干燥機、儲氣罐、安全閥、放空閥及氣源轉換板。

4) 多螺旋給料系統。采用螺旋推進器將料倉下料系統出口的石灰粉送入多螺旋給料機，可以避免溶液罐內水汽直接進入下料系統或儲料倉。多螺旋給料機配備相應齒輪，為滿足投加量需要，采用的螺旋推進器最大可投加量為500kg/h。通過進水量或溶液罐溶液pH值調節變頻器轉速，控制螺旋推進器的投加量，以達到設定的溶液濃度。

5) 注水系統。注水系統包括減壓閥、流量計、電磁閥、調節閥等，溶液罐進水管路口采用雙電磁閥串聯控制，防止因為電磁閥、壓力變送器、液位計或流量計損壞造成罐內水位溢流，不需要通過安裝溢流傳感器來報警。

6) 溶液罐系統。在石灰粉投加系統中，最關鍵的環節是保證粉料投加的精度。水與一定比例的粉料同時投入溶液罐，由攪拌器攪拌均勻，制備成所需濃度的乳液。在溶液罐上方加裝水利除塵器，能有效除去石灰石與水反應發生的煙霧，帶走反應的熱量。溶液罐下側安裝投料泵，將乳液輸送到投加點。

2石灰粉投加自動控制系統工作流程

圖1　石灰粉投加自動控制系統結構示意

圖2　石灰粉投加自動控制系統流程示意

該系統采用OMRON變頻器控制，以實現定量投加，其系統流程如圖2所示。整個系統由PLC完成自動控制，工作狀態和故障信息可同時在觸摸屏上顯示。由圖2可知，工作開始，在觸摸上設置液位的上下限值和上上、下下限值，經數模(D/A)轉換器將數值轉換成4～20mA電信號，并由PLC自動控制讀取液位計的測量值，由程序判斷液位計是否達到下限值，如果達到下限值，開啟石灰輸送泵，在觸摸屏上設定流量計的流量，由程序根據注水流量計算所需要的精確的石灰投遞量，經D/A轉換將數值轉換成4～20mA電信號，以此調節變頻器的轉速來調節石灰粉投加量，并開啟水泵開始注水，開啟攪拌器電機開始攪拌，制成所需要的乳液。測定乳液pH值，由程序計算是否合格，若不合格，調節變頻器轉速來調節石灰粉的投加量。根據使用需要，開啟投料泵，將合格的乳液投加到投加點進行脫硫。檢測液位是否低于下下限值，如果低于則馬上關閉投料泵電機；如果沒有則繼續判斷液位是否達到上限液位值，若達到則關閉石灰輸送泵、注水泵、攪拌器電機。繼續判斷液位是否低于下限位值，以便開始投加石灰粉。同時判斷液位是否達到上上限位值，若達到則開啟溶液罐進水管路口雙電磁閥串聯控制，防止乳液溢出。

觸摸屏程序采用DOPSoft 1.01.08設計，可以在觸摸屏上查看制備狀態及更改參數。采用觸摸屏式的智能人機界面，所有數據能實時顯示，系統參數調節也更加簡便和可靠。

在投加系統自動運行過程中，也可以對設備進行單獨手動設置變頻器的轉速值，方便檢修維護。

3結束語

對某電廠脫硫石灰粉投加項目進行了改造，實際應用證明石灰粉自動投加控制系統能夠達到高效的控制改進作用，具有以下優勢：

1) 系統由氣動真空吸料器上料，配有負壓除塵器處理揚塵，保證了環境干凈清潔。

2) 由空氣炮振動裝置和密度補償裝置間歇交錯啟動，解決了粉體在下料過程中的空穴及橋拱現象。

3) 采用注水流量與pH值相結合來控制變頻器轉速，控制多螺旋給料機精確投加石灰。

4) 石灰粉輸送、配液、攪拌、投加、反沖洗全部由PLC程序指令控制實現，配置的漿液pH值穩定，粉狀石灰溶解較充分，很好地解決了石灰投加設備和投加管道的沉積和堵塞問題。

5) 采用觸摸屏式的智能人機界面，所有數據能實時顯示，系統參數調節也更加簡便可靠，可手動設置變頻器的轉速值，方便檢修維護。

參考文獻：

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無紙記錄儀

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滑板式控制閥在高可調比中的應用

在流程工業生產裝置上，經常會遇到一些特殊工況條件，并對控制閥的選擇帶來了很多問題。例如： 在同一條管道上要求實現從小流量到大流量輸送控制的工況條件，這對控制閥選型提出的要求是既要滿足在小流量工況下流量或壓力的穩定控制，又要適合大流量工況下流量或壓力平穩調節。

按照通常的控制閥選型思路，一般都會考慮采用分程控制回路，即用2臺控制閥來實現這一目標，但會導致設備投資的增加和工況切換時流量和壓力的波動。

用1臺直通單座控制閥來實現這個控制目的，可能會出現控制系統不穩定及其精度不理想以及閥門振蕩損壞的情況，另外直通閥的閥芯和閥座在小開度時，閥芯和閥座間的節流間隙很小，易發生摩擦撞擊而損壞密封面。因此，對直通單座控制閥的選擇原則是： 滿足可控流量的前提下，盡可能地避開控制閥在小開度的情況下工作，同時也必須留有一定的可控余量。

滑板式控制閥具有受流體的不平衡力小，控制穩定性好，在全行程范圍內都能實現正常控制等優點。當氣動滑板式控制閥配備智能閥門定位器時，最小可控開度可以從3%開始，最大可到96%(實際可調比為32)，而不影響閥門使用壽命和控制精度。

滑板式控制閥基本參數如下：

驅動方式： 氣動、電動、自力式，手動；公稱直徑：DN15～DN250；公稱壓力：PN16～PN100；介質溫度： -200～530 ℃。

滑板式控制閥基本性能特點：

節能、降耗、免維護；滑板式控制閥由于受到流體介質的不平衡力只是常規直通單座閥的1/10，因而在小開度的情況下也能正常運轉使用。滑板式控制閥開啟與關閉時沒有直通單座閥那樣的閥芯閥座密封面的碰撞，并且還能在流體介質的壓差作用下在開關動作的過程中做自研磨，控制閥的泄漏極小，密封能得到長期的保證。

該控制閥具有受流體不平衡力小的特點，主要是由滑板式控制閥的特殊結構所決定的。如圖1所示。

滑板式控制閥的節流原理： 閥內件結構是由兩塊開有節流槽的平板組成的，一塊平板是固定不動的，稱之為定滑板；另一塊平板與閥桿相連，由閥桿帶動，稱之為動滑板；當動滑板上下移動時，動滑板與定滑板上的節流槽會發生位置上的相對變化，從而改變節流面積，起到調節流體流量的作用，如圖2所示。

滑板式控制閥閥內件的節流槽是垂直截斷流體的，流體流經節流槽時會產生對節流槽四周一個作用力，即通常所說的控制閥的不平衡力。該不平衡力可以通過公式(1)計算:

FA=Δp·μ·ASlot

(1)

式中：Δp——閥前后壓差；Aslot——流體作用的有效面積；μ——滑板之間的動摩擦系數，μ=0.25。

滑板式控制閥的Aslot不等同于常見的直通單座控制閥的閥芯Aseat，它遠比直通單座控制閥閥芯受不平衡力有效面積Aseat要小得多。公式(2)是上海源冠自控設備有限公司的技術人員，將同口徑和壓力等級、相近流量系數的直通單座控制閥和滑板式控制閥在實驗室經過大量的試驗對比所得到的模擬數據計算。

(2)

由公式(2)可知： 在相同的工況條件下，流體介質對滑板式控制閥不平衡力約是直通單座控制閥不平衡力的1/10。

當然，克服控制閥的不平衡力，可以通過提高執行機構的輸出力來實現，但需要增大執行機構的尺寸同時加粗閥桿以提高閥桿的強度；但是直通單座控制閥在關閉時閥芯與閥座的撞擊和摩擦還是不可避免的，密封泄漏難以得到長期保證。而滑板式控制閥只需較小的執行機構就可以輕松克服不平衡力對控制閥的影響，在微小開度時不會因不平衡力特別大而引起控制波動，同時在關閉時只是動滑板與定滑板之間的節流槽位置的錯開，沒有撞擊，并且在閥前壓力的作用下使得動滑板能更緊密地與定滑板貼在一起，再也不用擔心傳統直通閥的閥芯閥座關閉時所產生的撞擊帶來的閥座損壞和密封泄漏問題。

以下通過蘇州化工廠滑板式控制閥實際應用案例作簡單介紹。

在蘇州化工廠的工況條件為：

流體介質： 蒸汽；管道口徑：DN15；閥前壓力： 0.6MPa(G)，閥后壓力： 0.5MPa(G)；最大流量： 10kg/h，正常流量： 5kg/h，最小流量： 1kg/h；操作溫度： 150 ℃。

用戶以前使用直通單座控制閥，實際工況下的開度很小，均在10%開度以下，因此控制閥的工作極不穩定，即使采用手動控制，流量也常難以得到保證，更不能使控制系統投入自動運轉，投運使用一段時間后控制閥的泄漏量增大，經常要對該閥進行維修工作。

該公司依據蘇州化工廠這一特定的工況條件，經計算，選擇V8020氣動滑板式控制閥，其公稱口徑DN15，額定Cv值選擇了0.3。

對應最大流量時的Cv值為0.209，控制閥的開度為68%；對應正常流量時的Cv值為0.104，控制閥的開度為33%；對應最小流量時的Cv值為0.02，控制閥的開度為7.2%。經過6年多的實際運轉使用，滑板式控制閥的控制穩定而有效，自控系統也投入了自動，自投用以來未對該控制閥進行維修維護工作。(上海源冠自控設備有限公司)

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)04-0077-02

作者簡介：劉朝霞(1962—)，女，江西大余人，1985年畢業于上海理工大學計算機及應用專業，獲學士學位，現就職于國家發展和改革委員會大連培訓中心，主要從事網絡開發及控制工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-04-14，修改稿收到日期： 2015-06-01。