新工藝炭黑生產(chǎn)裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王勤

摘 要：了解新工藝炭黑的自控系統(tǒng)，讓先進(jìn)的控制助力炭黑工藝的創(chuàng)新提升，是我們自控人的責(zé)任。文中闡明了新工藝炭黑生產(chǎn)工藝水平不斷提高的過程中，自動(dòng)控制的重要性。介紹了自動(dòng)控制系統(tǒng)在新工藝炭黑生產(chǎn)中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，包括主要控制方案以及儀表的選型，提出了設(shè)計(jì)中需要注意的一些問題，同時(shí)分析了DCS采用“傳統(tǒng)方式”傳輸信號(hào)與采用PROFIBUS PA方式傳輸信號(hào)，在炭黑生產(chǎn)中應(yīng)用的優(yōu)劣。文中指出，中等規(guī)模的炭黑裝置，更適合采用“傳統(tǒng)方式”。

關(guān)鍵詞：新工藝炭黑 DCS PROFIBUS PA 報(bào)警 聯(lián)鎖 自動(dòng)控制 儀表選型

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）06（a）-0104-02

Abstract：New technology of automatic control system for carbon black， carbon black were controlled by advanced technological innovation to improve， is controlled peoples responsibility.This paper shows new technology carbon black production technology has improved continuously in the course of， the importance of control. Automatic control system was introduced in the design of new technology carbon black production， including key control program and the selection of instruments， the need to pay attention to some problems in design and analysis of DCS using the “traditional approach” transmissions with PROFIBUS PA signal transmission application in the production of carbon black is good or bad.Pointed out in the article， medium-scale carbon black plant， suitable for using “traditional approach”.

Key Words：New technology carbon black；DCS；PROFIBUS PA；Alarm；Interlocks；Automatic control； Instrument selection

新工藝炭黑生產(chǎn)技術(shù)引入我國(guó)已有二十幾個(gè)年頭了，這期間，國(guó)內(nèi)“炭黑人”在其基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量的技術(shù)改進(jìn)與提升工作。生產(chǎn)工藝、自動(dòng)控制、動(dòng)靜設(shè)備得到了全面優(yōu)化，涉及到炭黑生產(chǎn)的反應(yīng)、收集、造粒與干燥、成品儲(chǔ)運(yùn)與包裝四大部分。單條生產(chǎn)線的年產(chǎn)量，也由1.5萬(wàn)噸增加到4萬(wàn)噸。

1 主要控制回路的設(shè)置及儀表選型

1.1 反應(yīng)部分

在炭黑生產(chǎn)的反應(yīng)部分，進(jìn)反應(yīng)爐的燃燒空氣、燃料油、原料油及添加劑的流量、壓力等都有自動(dòng)控制。這里介紹幾個(gè)重要的控制回路。

1.1.1 反應(yīng)爐燃燒空氣流量調(diào)節(jié)

準(zhǔn)確測(cè)量空氣量是這個(gè)調(diào)節(jié)回路的關(guān)鍵點(diǎn)。通過孔板測(cè)得的流量還要進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，同時(shí)，還需要引入空氣濕度值（露點(diǎn)）。再由DCS進(jìn)行計(jì)算，從而得出準(zhǔn)確的空氣量，并以此為依據(jù)，來控制空氣進(jìn)空氣預(yù)熱器的流量。由于這里的管道口徑較大，所以，控制閥選用氣動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥。

1.1.2 進(jìn)反應(yīng)爐原料油流量調(diào)節(jié)

由于原料油溫度較高（280℃），故需采用高溫型質(zhì)量流量計(jì)，以獲得準(zhǔn)確流量值，確保調(diào)節(jié)信號(hào)的精準(zhǔn)，達(dá)到流量穩(wěn)定的目的。

1.1.3 添加劑流量調(diào)節(jié)

由于添加劑的流量很小，且精度要求高，所以，采用質(zhì)量流量計(jì)。控制閥為小口徑氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，過去是靠進(jìn)口，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)也有生產(chǎn)，使用效果尚可！

1.1.4 反應(yīng)爐急冷溫度調(diào)節(jié)

新工藝炭黑的最大特點(diǎn)，是采用雙高溫技術(shù)，即入爐燃燒空氣高溫（800℃），入爐原料油高溫（280℃），而爐內(nèi)的最高溫度達(dá)1900℃以上，一急冷后為1050℃，對(duì)此點(diǎn)溫度的調(diào)節(jié)關(guān)乎產(chǎn)品的品質(zhì)，所以溫度的準(zhǔn)確測(cè)量與給水量的準(zhǔn)確控制是關(guān)鍵。

1.2 收集部分

收集部分主要控制對(duì)象是主袋濾器、排氣袋濾器和再處理袋濾器。

1.2.1 主袋濾器及排氣袋濾器尾氣出口反吹閥門順控

主袋濾器和排氣袋濾器各箱體都需要定時(shí)輪流吹掃。輪流定時(shí)關(guān)閉各箱體之一的出口蝶閥，打開反吹蝶閥，吹掃一定時(shí)間后，關(guān)閉反吹風(fēng)閥，打開出口蝶閥。接著，再進(jìn)行下一個(gè)箱體的吹掃，其時(shí)間間隔可用DCS設(shè)定。反吹時(shí)間一般為20～30s，幾個(gè)主袋濾器箱體中，總有且只有一個(gè)在反吹，由DCS安排輪換的次序。在DCS畫面上可用顏色顯示閥門的開閉狀態(tài)。

1.2.2 再處理袋濾器閥門反吹脈沖控制

它是由設(shè)置在造粒廠房控制室內(nèi)的脈沖控制儀來完成的。

另外，主、排袋濾器各箱體袋子的壓降情況，可通過差壓變送器測(cè)得，DCS將根據(jù)差壓值的變化，調(diào)整反吹的時(shí)長(zhǎng)，當(dāng)差壓值過大時(shí)，更換過濾袋子。為防止引壓管堵塞，測(cè)量管線應(yīng)考慮加裝吹掃裝置。

1.3 造粒干燥部分

濕法造粒干燥控制系統(tǒng)，是由諸多調(diào)節(jié)回路組成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

1.3.1 復(fù)雜調(diào)節(jié)回路

（1）粘合劑流量和造粒水流量組成雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，以水流量為主回路，粘合劑流量為副回路。

（2）造粒水流量和造粒機(jī)功率組成串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以造粒機(jī)功率為主參數(shù)，造粒水流量為副參數(shù)。

（3）尾氣燃燒器的尾氣流量和燃燒空氣組成雙閉環(huán)比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以尾氣流量為主回路，空氣流量為副回路。

（4）尾氣流量和造粒水組成雙閉環(huán)變比值控制系統(tǒng)。

1.3.2 其他主要監(jiān)控回路

（1）造粒機(jī)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)：通過調(diào)節(jié)加熱蒸汽的流量來實(shí)現(xiàn)。

（2）尾氣粉塵濃度檢測(cè)：考慮到要滿足環(huán)保的要求，近幾年，在炭黑設(shè)計(jì)中，已增設(shè)了對(duì)脈沖袋濾器出口管的放空尾氣，進(jìn)行粉塵含量監(jiān)測(cè)的儀表，即氣體粉塵檢測(cè)儀。需要注意的是，該儀表在使用時(shí)，應(yīng)考慮配置吹掃裝置。

1.4 包裝部分

包裝部分的監(jiān)控，主要是炭黑貯罐的料位超限檢測(cè)，包括不合格品貯罐和產(chǎn)品貯罐。當(dāng)料位超高時(shí)，DCS將有聲光報(bào)警。該料位開關(guān)選用射頻導(dǎo)納式或電極式料位開關(guān)均可。

新工藝炭黑裝置的儀表均為隔爆型或本安型。其遠(yuǎn)傳溫度計(jì)，多為熱電偶（K或B），控制閥中，口徑≤150 mm的，選用Globe氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，口徑>150 mm的，選用三偏心氣動(dòng)蝶閥。

2 主要的報(bào)警、聯(lián)鎖

2.1 主要的報(bào)警設(shè)置

僅在反應(yīng)部分就有多個(gè)報(bào)警對(duì)象，詳見表1。

2.2 主要的聯(lián)鎖設(shè)置

一急冷溫度超高聯(lián)鎖停車（如溫度大于1010℃時(shí)）。

空氣預(yù)熱器出口煙氣溫度超高聯(lián)鎖停車（如溫度大于710℃時(shí)）。

當(dāng)尾氣加壓風(fēng)機(jī)（GB301）停機(jī)時(shí)，聯(lián)鎖打開主袋濾器放空蝶閥（FV-1131）。

作為最重要設(shè)備之一的主供風(fēng)機(jī)，其振動(dòng)、軸溫、電機(jī)電流及故障等信號(hào)，也都是緊急停車的依據(jù)。

3 控制系統(tǒng)的選擇

如今，選擇DCS作為生產(chǎn)裝置的控制系統(tǒng)已很普遍，只是DCS與現(xiàn)場(chǎng)儀表間的信號(hào)傳輸方式有所不同。“傳統(tǒng)方式”是每臺(tái)儀表與DCS系統(tǒng)，都有單獨(dú)連線，信號(hào)為4～20 mADC、1～5VDC、脈沖頻率等，信號(hào)通過DCS電纜，由現(xiàn)場(chǎng)儀表直接進(jìn)出DCS的I/O卡。另一種方式是采用現(xiàn)場(chǎng)總線來進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)儀表與DCS間的信號(hào)傳輸。以PROFIBUS總線為例，其信號(hào)為PA、DP，信號(hào)不能由現(xiàn)場(chǎng)儀表直接接DCS，而是中間還需設(shè)置PA/PA接線盒、DP/PA COUPLER耦合器（見圖1）或在現(xiàn)場(chǎng)加裝ET200信號(hào)轉(zhuǎn)換單元。可見，“傳統(tǒng)方式”的信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，接線簡(jiǎn)單，只是電纜用量較大。而“現(xiàn)場(chǎng)總線方式”的信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)接線及調(diào)試的工作量較大，但電纜（總線專用電纜）用量很少。就總體投資來說，“現(xiàn)場(chǎng)總線方式”的資金投入更大。所以，當(dāng)監(jiān)控點(diǎn)較多（如大于2000點(diǎn)）且現(xiàn)場(chǎng)儀表分散時(shí)，“現(xiàn)場(chǎng)總線方式”有優(yōu)勢(shì)，若反之，還是“傳統(tǒng)方式”更好！

我們認(rèn)為，對(duì)于中等規(guī)模的炭黑裝置來說，更適合采用“傳統(tǒng)方式”。

4 幾點(diǎn)需要注意的問題

一急冷后煙氣溫度TICAS-1104與TIAS-1104A的熱電偶插入深度應(yīng)短些，一般為入反應(yīng)爐內(nèi)壁200～300 mm為宜。

在開車時(shí)，反應(yīng)爐烤爐的前幾天用TE-1114（分度號(hào)K）（470℃），后幾天用TE-1114A（分度號(hào)B）（1800℃），入反應(yīng)爐內(nèi)壁10mm即可，主要是觀察爐壁溫度。

由于尾氣中含有H2O、H2、N2、CO、CO2、H2S等多種成分，而主袋濾器中的尾氣是有可能泄漏出來，而使其附近有少量CO和H2存在，根據(jù)《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，需要在主袋濾器附近，分別設(shè)置有毒氣體探測(cè)器、可燃?xì)怏w探測(cè)器。

干燥機(jī)出口附近，由于溫度較高，所以儀表電纜需采用耐高溫型電纜。

5 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平，是保證新工藝炭黑生產(chǎn)長(zhǎng)期平穩(wěn)可靠運(yùn)行，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo)創(chuàng)優(yōu)的關(guān)鍵，只有不斷提高自控設(shè)計(jì)水平，才能滿足生產(chǎn)工藝不斷創(chuàng)新的要求。只有以先進(jìn)的控制方案以及合理的儀表選型進(jìn)行設(shè)計(jì)，輔以正確的現(xiàn)場(chǎng)施工，才能使建成一條經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)能環(huán)保且產(chǎn)品品質(zhì)一流的新工藝炭黑生產(chǎn)線成為可能！

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