汽車自動定量高效充裝硫酸技術研究與應用

劉 歡，柴瑾瑜，遲棧洋，賈 苗，楊 會

（金川集團股份有限公司鎳冶煉廠，甘肅金昌737100）

金川集團股份有限公司鎳冶煉廠（以下簡稱鎳冶煉廠）現有2套硫酸系統，產能分別為480 kt/a和700 kt/a，主要生產w(H2SO4)為93%、98%和104.5% 3種硫酸產品。硫酸產品主要通過汽車手動充裝銷往外地。近年來，政府各級管理部門對危化品公路運輸管控更加嚴格，相繼出臺了《關于深入開展平安交通專項整治行動的通知》、《超限運輸車輛行駛公路管理規定》、《公路貨運車輛超限超載認定標準》、《甘肅省交通運輸廳、公安廳關于聯合開展貨車非法改裝和非法超限超載治理工作的通告》等法律法規，明確了公路貨運車輛超限超載認定標準，并制定了相應的處罰和整治措施。

鎳冶煉廠現有480 kt/a和700 kt/a 2個硫酸庫區，共22個儲罐、15個充裝貨位，其中，480 kt/a硫酸庫區10個儲罐、11個充裝貨位[w(H2SO4)為98%硫 酸2個，w(H2SO4)為93%硫 酸7個，w(H2SO4)為104.5%發煙硫酸2個]；700 kt/a硫酸庫區12個儲罐、4個充裝貨位。汽車充裝是采用大庫液位自壓充裝，裝酸嘴處由人工操作手動閥門進行裝酸，滿罐充裝量約50～90 t/車，裝車速率45 min/臺。對照相關規定，現有規格的汽車槽車充裝量僅為滿罐的一半。

1 存在的問題分析

要實現120 kt/a的硫酸標噸充裝，主要存在如下問題：

1）統計近幾年的充裝量，w(H2SO4)為98%硫酸最大充裝量1 000 t/d，目前的2個充裝貨位能夠滿足要求，但手動裝酸無法滿足標噸充裝的精度要求。w(H2SO4)為104.5%發煙硫酸最大充裝量500 t/d，也能滿足充裝量的要求，但充裝精度無法保證。

2）w(H2SO4)為93%硫酸最大充裝量6 kt/d，480 kt/a硫酸庫區7個w(H2SO4)93%硫酸貨位，基本能夠滿足充裝量的要求，但手動裝酸無法滿足標噸充裝量的要求。

3）700 kt/a硫酸庫區僅有4個硫酸貨位，且用酸大戶甕福化肥股份有限公司的裝酸基本上均在700 kt/a硫酸庫區裝酸，目前的手動裝酸存在壓車的情況，依據標噸充裝的要求，同等裝車量的情況下，裝車臺數將提高近1倍，根本滿足不了充裝要求，需新增充裝貨位，并提高充裝效率和精度。

4）裝酸過程為手動作業，采用人員目測與自制標尺進行計量，極易發生少裝和超裝現象，少裝增加了運輸成本，且客戶會要求進行補裝，影響效率；超裝則必須將多裝的酸放入地下槽，人員勞動強度和作業危險性均會增加。

2 解決措施

2.1 汽車定量裝酸計量技術的研究與應用

針對目前手動裝酸存在的問題，開發汽車定量裝酸計量技術。

2.1.1 定量裝車控制原理

定量裝車控制系統的設備組成：每個鶴位安裝1臺電磁流量計用來測量流量，1個高位防溢液位開關用來控制液位，1臺控制裝車量的兩段式氣動球閥，1臺定量裝車控制儀及現場控制箱。該系統能有效地完成裝車作業過程中的參數設置、數據采集、定量控制、程序操作、防溢聯鎖控制、運行監視、報表打印等各項工作。系統還具備與上位管理計算機的通信接口，可與系統外計算機聯網。自動定量裝車系統控制原理見圖1。

圖1 自動定量裝車系統控制原理

2.1.2 定量裝車設備

1）定量裝車控制儀。定量控制儀可實現下列功能：①參數設置功能，控制儀可以根據裝車需要通過控制儀設定灌裝參數，包括預置灌裝量、流量系數、報警量、開閥延遲時間、流體密度等；②定量灌裝控制，確定灌裝儀的工作參數之后，灌裝儀就會按照指定的程序完成自動灌裝過程，當灌裝量達到設定值時，自動控制閥門關閉；③數據采集功能，灌裝控制儀可采集流量計脈沖信號，接入汽車防溢開關信號；④遠程和就地實時監視功能，灌裝儀配有高亮度液晶顯示屏，實時顯示灌裝進程，遠程監控計算機與灌裝儀同步實時顯示灌裝進程和相關設備的狀態；⑤通訊聯網功能，控制儀具有通訊和聯網能力，可以以RS-485、MODBUS RTU 等形式與上位機（DCS系統）相連，傳輸流量累積信息和閥位信息給上位系統，能夠遠程監測現場的灌裝情況；⑥設備自檢功能，系統自動檢測灌裝控制儀工作狀態，控制儀發生故障時，系統會自動提示。

由于下位機安裝使用于半露天的場合，從設備安全考慮，在電路設計上采用三級抗雷電和防靜電處理措施，在遇到瞬間強電流爬升的過程中，電路的放電、阻流、降壓和瞬態抑制將使機器得到最大保護。此外，處于防爆殼內的供電電路增加了抗電磁干擾的模塊，大大提高了機器的工作穩定性。

2）電磁流量計。電磁流量計在整個定量裝車控制系統中屬關鍵設備，它的主要功能是依據電磁感應效應測量導電液體流速值，通過介質的密度、濃度等計算過流量，并進行采集數據的上傳。由于其工作原理是基于法拉第電磁感應定律，測量結果與流速分布、流體壓力、溫度、密度、黏度等物理參數無關，所以采集的數據誤差值較小，適用于定量裝車系統。

3）氣動兩段式防腐調節閥。氣動兩段式防腐調節閥是一種閥板為部分球面的偏心角行程切斷閥，與球形調節閥相比，具有結構簡單、質量輕、流通能力大、可調比高等特點。采用氣動兩段式防腐調節閥的主要原因是其適用于低壓差大流量控制的環境，帶V形切口球面的閥板在小開度時，仍能精確地控制流體，大大增加了可調比性，同時V形切口與閥座間還有剪切作用，適用于含纖維質的流體、料漿類流體、高黏度流體及含聚合物、顆粒物、結晶體等流體的控制，不會因閥板的增大或減小調節引起管道劇烈震動。此外，利用三位式執行機構實現流量的大小控制，可避免充裝過程中液面起伏過大導致防溢液位開關的基本功能失效的問題。

2.1.3 定量裝車實施流程

鎳冶煉廠硫酸車間對所有裝酸貨位安裝成套自動裝酸裝置，并詳細統計、記錄所有硫酸拉運車輛的車牌、限裝噸位等信息，根據車輛噸位設定充裝噸位，具體過程如下：

1）硫酸充裝崗位人員檢查硫酸庫大庫放酸閥、管道及裝酸閥是否良好，充裝站房內開啟通風機，通風5 min后進入充裝站房[適用于w(H2SO4)98%和w(H2SO4)104.5%硫酸站房]。

2）由客戶押運人員確認，充裝崗位人員復查，確認內容包括：罐車是否泄漏、底排口閥門是否關緊、罐車裝酸口是否對準裝酸嘴、裝酸橡膠套筒是否懸掛穩當等內容，簽字確認。客戶進行檢查確認時必須穿戴好防酸衣、防酸手套等勞動保護用品，勞保用品穿戴不齊全者裝酸人員可制止其作業或拒絕為其裝車。

3）裝車前，由客戶押運人員檢查汽車罐車內是否清空，不允許有剩余液體，否則充裝崗位人員可拒絕裝車。

4）根據客戶需要，崗位人員安排車輛至相應硫酸貨位裝車。

5）客戶押運人員將鶴咀準確對入汽車槽罐裝酸口，綁扎好接酸管。

6）崗位人員開啟自動充裝操作電源，閉合所有貨位電閘。

7）崗位人員將操作箱開關打至“合”位置，顯示操作界面，按“停止/修改”鍵，光標閃爍后，進入主界面。

8）崗位人員聯系中控室確定可裝酸的硫酸庫號，打開相應大庫的手動放酸閥。

9）崗位人員按下自動裝酸控制儀主畫面，進入裝車操作界面，根據車輛最大允許充裝量，設定裝車噸數。操作自動裝酸控制儀主畫面進入狀態查詢界面，確定裝置狀態是否正常。確認無誤后根據狀態欄提示操作，充裝自動閥自動打開進行裝車，充裝結束后，充裝自動閥自動關閉。充裝結束后報警燈提示充裝完畢。

10）所有充裝完畢后，崗位人員關閉硫酸庫手動放酸閥。

11）崗位人員將各槽車裝酸噸位分別記錄到相應臺帳，同時告之主控室汽車罐車的裝車數量。

2.2 高效兌車技術的研究與應用

分析硫酸汽車充裝過車兌車過程，發現存在效率低的情況，主要原因有：反復倒車、斜坡地面易打滑、直角拐彎等。針對以上問題，一一進行了改進。

2.2.1 大跨度-近充裝-車棧垂直裝酸棧橋

現場測量，原汽車裝酸棧橋與馬路方向平行布置，每個裝酸咀對應1個立柱支撐，通道支柱間距長4 m，間距較窄，裝酸車輛時常發生擦碰。通過精確的車輛尺寸統計、現場位置勘察、裝酸噸位及數量計算，將原棧橋鋼結構和彩板房整體移位成橫跨馬路方向，棧橋支柱間距由原來的4 m變更為8 m，裝酸咀設置在車輛行駛方向的車尾部位，并進行工藝配管。合理規劃裝酸嘴布置方向，根據罐車行駛方向設立裝酸口，沿罐車行駛方向罐車無需進行倒車操作即可開始裝酸。改裝后罐車沿地面黃色警示漆標識進入裝酸入口。

在700 kt/a硫酸庫區分別改造、新建了共2套大跨度-近充裝-車棧垂直裝酸棧橋。車輛在行進庫區過程中即完成了兌車，徹底實現了裝酸車輛的無倒車、直接駛入裝酸嘴的便利條件，大幅度節省兌車時間，提高裝酸效率。

2.2.2 平地+地溝防滑技術

700 kt/a硫酸庫區裝酸現場呈斜坡狀，且無排水設施，冬天容易積雪結冰導致路面濕滑，極易在倒車時因為速度較快碰撞庫區圍堰，不僅對客戶造成損失，對硫酸車間日常維護也存在一定影響，且原棧橋寬度距離圍堰距離也較短，司機在視角盲區大的情況下很容易碰撞后方圍堰，存在安全隱患。

針對存在的問題，拆除了大斜坡路面，低部墊高、高處挖平，重新硬化，將原來微“凹”型地面改造成自圍堰向左方向5°的微斜路面，并在最左側，裝酸現場新、舊裝酸區域新建1條排水溝，采用防酸缸磚，引至酸水排放口。假設因自動裝酸設備故障出現汽車冒槽現象，現場開啟沖洗水沖洗路面積酸，沖洗后的液體直接進入地溝收集處理，減少安全環保風險。

2.2.3 弧形拐彎半徑

跟蹤車輛運行軌跡，模擬弧形拐彎半徑尺寸，對700 kt/a硫酸庫區直角圍堰進行改造，由直角改成弧形，便于車輛拐彎行駛。通常18～19 m3的罐車長度在13～13.5 m，改造后可避免因車輛過長路面不寬造成刮碰圍堰的現象。

2.2.4 技術成果應用

該技術成果已于2019年5月全部成功應用于700 kt/a硫酸系統，應用后兌車效率明顯增加，兌車時間由5～10 min/輛縮短至1～2 min/輛。

3 實施效果

手動硫酸裝車改為自動裝車系統后，解決了目測裝酸誤差較大、裝酸效率低、員工勞動強度大等問題，實現了裝酸自動化操作，確保了裝酸準確計量，杜絕了因罐車裝酸槽口位置不當需要二次對位的情況，提高了裝酸效率，操作簡便，避免了裝酸過程存在的安全環保隱患，提高了安全性。自動硫酸裝車系統應用后，裝車準確率達100%，裝酸效率大大提高，降低了操作人員的勞動強度，確保了裝酸安全。

700 kt/a硫酸系統采用大跨度-近充裝-車棧垂直裝酸棧橋后，充裝車輛直接駛入兌車，提高了兌車效率；平地+地溝防滑技術和弧形拐彎半徑，利于車輛行駛現場，進一步提高了兌車的效率和安全性，兌車時間由5～10 min/輛縮短至1～2 min/輛。

4 結語

鎳冶煉廠將自動化技術與現場生產實際相結合，對相關工藝、設備、設施進行了研究和創新，形成了1套適應汽車裝酸的自動化系統，并根據實際需要對現場進行改造，保證了裝車準確性，提高了裝車效率和安全性。

目前該技術已應用于480 kt/a和700 kt/a硫酸系統，運行安全、穩定，社會和經濟效益顯著，在液體充裝領域具有廣泛的推廣應用價值。