DCS監控系統在轉爐煙氣制酸流程的應用
摘 要:文章通過工程實例介紹了轉爐煙氣制酸流程的DCS 監控系統對采用動力波洗滌煙氣與二轉二吸的煙氣SO2 回收工藝流程實施了較為完善的電儀合一的監控,編程組態簡捷,運行可靠,是一較為成功的工程應用實例,具有一定的借鑒作用。
關鍵詞:制酸;DCS;監控
Abstract: This paper introduces a DCS monitoring and control system for acid-making process using the gas from the air-blown converter. The process is an integration of electrical equipments and instruments in the recycling of SO2 using the gas of the power wave washing and twice converting with twice absorbing.
Key words: acid-making; DCS; monitoring and control
1 引言
銅冶煉爐排出的煙氣視銅礦的硫（S）成份的不同含有不同的SO2氣體,這種含有有害氣體的煙氣排放大氣中,造成自然環境的嚴重污染,對周圍的生態造成非常嚴重的威脅。這與可持續發展的國策、高品質的生態環境保護要求是格格不入的。隨著科技進步和環保的嚴格要求,新老銅冶煉企業改造建設成為無公害工廠——綠色工廠已日顯其迫切性和必要性[1]。銅冶煉轉爐煙氣制酸不單是煙氣污染環境的治理,而且能充分利用煙氣的硫氧化物,生產工農業都需要的硫酸產品,成為銅冶煉工廠的非常重要的附產品。
本文所涉及的煙氣制酸工藝采用了先進的二段動力波洗滌煙氣和二轉二吸等新技術,達到生產高品的硫酸產品,消除污染,保護環境的雙重目的。伴隨著動力波煙氣洗滌凈化和SO轉化吸收技術在國內的應用和推廣,工藝流的檢測與監控技術也日益發展和完善,從常規儀表的測控系統已發展到普遍采用DCS集散控制系統階段[2]。從儀表、電力分兩個專業各自進行傳統模式的控制到現今儀電一體化綜合監控系統。
針對上述生產工藝特點,DCS 系統采用ABB Industrial ITFreelance控制系統。該系統是面向工廠自動化的新一代開放式DCS系統,全面支持現場總線技術,系統采用全局數據庫技術,實現全局一體化編程。系統通信為標準以太網,系統結構具有較強擴展能力,系統編程采用國際化標準。現場控制站采用符合技術要求的遠程I/O ABB S800 并通過Profibus 總線與控制站進行數據通信。
2 系統結構
DCS系統的控制器采用冗余控制器,通過Profibus總線與現場設備連接,通過以太網與操作站、工程師站和網關連接。控制器內部電源采用冗余結構,柜外I/O通訊網絡采用光纖環網結構。結構如圖1所示。
DCS系統用于硫酸四系列的整個生產過程的控制,其包括凈化系統、轉化系統、干吸系統及與硫酸四系列相關的整個過程。本DCS 系統與工廠原有DCS 系統和現有廠區管控網相聯并實現數據通訊。
3 監控系統的實現
3.1 凈化系統
從冶煉爐來的SO2 煙氣中含有金屬質的煙氣、酸霧、水蒸汽及其它從原料礦中來的雜質。這些雜質必須清除。煙氣的溫度高,也必須冷卻。冷卻和高效去除氣態、液態、固態雜質由凈化系統來完成。這一系統由一級動力波洗滌器、氣體冷卻塔和二級動力波洗滌器構成。每臺洗滌器都包含有一跟著一洗滌器分離槽的逆向噴嘴。煙氣首先進入一級動力波洗滌器,一組3個噴嘴逆向噴射的稀酸將其急速冷卻和洗滌。絕大部分的煙氣、固體和霧粒從煙氣中分離,并且煙氣也因絕熱飽和（水分的蒸汽）而冷卻。因而,出口氣體的濕體積大大于進口。氣體混合物從一級動力波洗滌器進入洗滌器分離槽,洗滌液從煙氣中分離,并聚集在槽的底部,槽進口的側壁及分離器,有助于煙氣進入冷卻塔和二級動力波前脫離細小霧和其他粒子。一級動力波分離槽的液位由氣體冷卻塔系統、二級動力波分離槽的串入量和電除霧系統的外排液量維持。并有一個自動閥門控制液位。稀酸通過一級動力波洗滌器循環泵打往3個噴嘴和溢流堰,泵靠重力從一級動力波分離槽吸液體。溢流堰的稀酸流量帶高、低和低-低報警監控。這個流量要求在低-低流量時連鎖開啟事故水閥門。噴嘴得稀酸壓力在低- 低壓力時連鎖開啟事故水閥門。
當一級動力波循環泵被停的時候,主風機也連鎖停車。控制如圖2所示。
3.2 轉換系統
SO2 轉化成SO3是氧化放熱反應,在高溫和氧化釩催化劑作用下進行,該反應消耗O2,生成SO3,并升高氣體溫度直至達到平衡狀態,在平衡點反應終止。通過使反應在連續的催化劑層中進行并在層間進行冷卻,可以提高反應程度（轉化效率）。
自動控制用于維持最適宜的轉化層進口溫度,第一層進口溫度控制冷熱交換器（四換）氣體旁路,第二層氣體進口溫度通過熱交換（一換）氣體旁路控制,第三層進口溫度控制中間交換氣體旁路,第四層進口溫度控制冷卻交換器A 和B 氣體旁路。
自動溫度控制也用于第二層出口溫度,通過轉化器系統的旁路部分圍繞著第一層和熱熱交換器殼程（一換）輸送氣體。必須轉移一部分反應熱量到第二層該控制主要需要低氣體溫度,因此離開一吸塔的氣體在返回轉化器之前被充分預熱。
一層進口溫度控制、二層進口溫度控制和二層出口溫度控制流程如圖3所示。
3.3 干吸系統
從傳化器第三層來的煙氣在冷中間交換器A 和B 中冷卻,然后流過一吸塔。在此三層轉化的SO3被第一次吸收到循環的98.5%硫酸中,然后煙氣經過一個高效除霧器流出,在冷中間熱交換器A 和B 及熱中間熱交換器被重新加熱,然后返回轉化器的第四層進行二次轉化。煙氣在進入二吸塔之前在冷熱交換器和SO3 冷卻器中被冷卻。二吸塔中,第四層轉化形成的SO3 被吸收到循環的98.5%硫酸中。煙氣經過一個碰撞型除霧器后流出塔,進入煙囪排放,基本上沒有SO2和酸霧。通過一組在兩系統中允許自動控制酸濃和泵槽液位的串酸管線,它與用于干燥塔的濃酸系統連通。
一吸塔上塔流量控制,通過調節在共用一吸/二吸塔酸冷器酸旁路管線上的閥門。上塔的酸溫控制,通過調節從共用酸冷器到一吸塔的流出管線上閥門。
二吸塔上塔流量控制,通過調節在共用酸冷器酸旁路管線上的閥門。上塔的酸溫控制,通過調節在從一吸/二吸塔酸冷器到埂吸塔的流出管線上的閥門。控制如圖4所示。
4 監控功能
4.1 流程圖及總貌顯示
按照裝置工藝和操作員的專門需要組態的用以表示工藝過程狀態的顯示畫面,工藝流程畫面顯示當前的過程數據或過程狀態,用數字或模擬形式進行顯示（如棒圖.動態填充或趨勢窗口）.畫面顯示中的圖形符號根據過程狀態進行置換、閃爍、變色以及位置變化,即進行動態顯示。而總貌圖則可調出分組顯示,用戶流程畫面顯示、設定曲線顯示、趨勢顯示和SFC 順序顯示。
4.2 快選窗口及分組顯示
功能與總貌顯示畫面類似,但它是可在其它顯示上隨意浮動的窗口,由它調出某一畫面后其自身并不消失而是同時顯示。
為便于更準確的讀數,還同時顯示其物理量綱的數字。通過顏色的變換和閃爍可迅速檢測出各變量的故障狀態。所組態的報警極限值也能顯示出來。從分組顯示單元中可直接選擇所期望的值,它使得操作員能在過程運行中進行快速而適當的干預。
4.3 面板及趨勢顯示和歸檔
采用面板窗口顯示技術,可同時獲得總體和詳細的信息。面板顯示是彈出式窗口,與標準顯示或自由格式的用戶畫面同時顯示在監視器上。它可以隨意拖動,不用時可關閉。所選的過程點隨時可以通過面板來顯示或操作。
模擬和數字過程變量隨時間的變化過程可以趨勢畫面進行顯示并歸檔存儲。
4.4 消息列表及操作員提示
控制器檢測出的過程故障或開關量變化連同其時間標簽（事件發生時刻）,將一同被送往操作站作為消息通報。
系統提供以下消息類型:系統故障、過程報警、開關動作和操作員提示。過程消息類型指定五種不同的優先級（從0～5）,系統故障另分成三個優先級（S1～S3）.不同優先級的消息以不同的顏色顯示并可選擇不同的確認方法。此外還顯示過程點的名稱和故障狀態。所有消息均可以中文顯示。為觀察更加清晰,操作員可把某個優先級或裝置區域的消息暫時從屏幕上取消而不顯示。
4.5 記錄及系統診斷顯示
記錄用于記錄來自過程的事件、狀態和順序。記錄文件存貯在硬盤上,可在監視器上顯示、通過打印機輸出或轉存以備將來評估。
系統硬、軟件的當前狀態由一個在后臺自動運行的系統診斷程序進行監視。
系統狀態顯示（顯示包括操作站、過程站、現場控制器以及系統總線在內的系統結構總貌和狀態）、站狀態顯示、模件狀態顯示（顯示與所選模件有關的詳細信息）。
5 結束語
ABB Industrial IT Freelance監控系統有著高性能、全開放、規模靈活、成本較低的特點,也是轉爐煙氣制酸流程過程監控系統選型的著眼點。該DCS 監控系統于2003 年底完成安裝調試及試運行,現已投入正常運行。運行實踐表明,系統能適應硫酸生產中的惡劣環境,性能穩定可靠,產品質量提高,年經濟效益達2000多萬元。
參考文獻:
[ 1 ] 托馬斯•E . 格雷德爾 珍妮弗•A . 霍華德- 格倫維爾．綠色工廠- 觀點、方法與工具（ 翻譯版） [ M ] , 北京, 清華大學出版社,2006
[ 2 ] 中國冶金建設協會, 鋼鐵企業過程檢測和控制自動化設計手冊[M], 北京: 冶金工業出版社,2000
關鍵詞:制酸;DCS;監控
DCS Monitoring and Control System in the
Acid-making ProcessQIAN Xiao-shan（ Physical Science and Technology College, Yichun University, Yichun 336000 China ）
Acid-making ProcessQIAN Xiao-shan（ Physical Science and Technology College, Yichun University, Yichun 336000 China ）
Abstract: This paper introduces a DCS monitoring and control system for acid-making process using the gas from the air-blown converter. The process is an integration of electrical equipments and instruments in the recycling of SO2 using the gas of the power wave washing and twice converting with twice absorbing.
Key words: acid-making; DCS; monitoring and control
1 引言
銅冶煉爐排出的煙氣視銅礦的硫（S）成份的不同含有不同的SO2氣體,這種含有有害氣體的煙氣排放大氣中,造成自然環境的嚴重污染,對周圍的生態造成非常嚴重的威脅。這與可持續發展的國策、高品質的生態環境保護要求是格格不入的。隨著科技進步和環保的嚴格要求,新老銅冶煉企業改造建設成為無公害工廠——綠色工廠已日顯其迫切性和必要性[1]。銅冶煉轉爐煙氣制酸不單是煙氣污染環境的治理,而且能充分利用煙氣的硫氧化物,生產工農業都需要的硫酸產品,成為銅冶煉工廠的非常重要的附產品。
本文所涉及的煙氣制酸工藝采用了先進的二段動力波洗滌煙氣和二轉二吸等新技術,達到生產高品的硫酸產品,消除污染,保護環境的雙重目的。伴隨著動力波煙氣洗滌凈化和SO轉化吸收技術在國內的應用和推廣,工藝流的檢測與監控技術也日益發展和完善,從常規儀表的測控系統已發展到普遍采用DCS集散控制系統階段[2]。從儀表、電力分兩個專業各自進行傳統模式的控制到現今儀電一體化綜合監控系統。
針對上述生產工藝特點,DCS 系統采用ABB Industrial ITFreelance控制系統。該系統是面向工廠自動化的新一代開放式DCS系統,全面支持現場總線技術,系統采用全局數據庫技術,實現全局一體化編程。系統通信為標準以太網,系統結構具有較強擴展能力,系統編程采用國際化標準。現場控制站采用符合技術要求的遠程I/O ABB S800 并通過Profibus 總線與控制站進行數據通信。
2 系統結構
DCS系統的控制器采用冗余控制器,通過Profibus總線與現場設備連接,通過以太網與操作站、工程師站和網關連接。控制器內部電源采用冗余結構,柜外I/O通訊網絡采用光纖環網結構。結構如圖1所示。
圖1 硫酸四系系統網絡結構圖
DCS系統用于硫酸四系列的整個生產過程的控制,其包括凈化系統、轉化系統、干吸系統及與硫酸四系列相關的整個過程。本DCS 系統與工廠原有DCS 系統和現有廠區管控網相聯并實現數據通訊。
3 監控系統的實現
3.1 凈化系統
從冶煉爐來的SO2 煙氣中含有金屬質的煙氣、酸霧、水蒸汽及其它從原料礦中來的雜質。這些雜質必須清除。煙氣的溫度高,也必須冷卻。冷卻和高效去除氣態、液態、固態雜質由凈化系統來完成。這一系統由一級動力波洗滌器、氣體冷卻塔和二級動力波洗滌器構成。每臺洗滌器都包含有一跟著一洗滌器分離槽的逆向噴嘴。煙氣首先進入一級動力波洗滌器,一組3個噴嘴逆向噴射的稀酸將其急速冷卻和洗滌。絕大部分的煙氣、固體和霧粒從煙氣中分離,并且煙氣也因絕熱飽和（水分的蒸汽）而冷卻。因而,出口氣體的濕體積大大于進口。氣體混合物從一級動力波洗滌器進入洗滌器分離槽,洗滌液從煙氣中分離,并聚集在槽的底部,槽進口的側壁及分離器,有助于煙氣進入冷卻塔和二級動力波前脫離細小霧和其他粒子。一級動力波分離槽的液位由氣體冷卻塔系統、二級動力波分離槽的串入量和電除霧系統的外排液量維持。并有一個自動閥門控制液位。稀酸通過一級動力波洗滌器循環泵打往3個噴嘴和溢流堰,泵靠重力從一級動力波分離槽吸液體。溢流堰的稀酸流量帶高、低和低-低報警監控。這個流量要求在低-低流量時連鎖開啟事故水閥門。噴嘴得稀酸壓力在低- 低壓力時連鎖開啟事故水閥門。
當一級動力波循環泵被停的時候,主風機也連鎖停車。控制如圖2所示。
圖2 凈化系統控制系統圖
3.2 轉換系統
SO2 轉化成SO3是氧化放熱反應,在高溫和氧化釩催化劑作用下進行,該反應消耗O2,生成SO3,并升高氣體溫度直至達到平衡狀態,在平衡點反應終止。通過使反應在連續的催化劑層中進行并在層間進行冷卻,可以提高反應程度（轉化效率）。
自動控制用于維持最適宜的轉化層進口溫度,第一層進口溫度控制冷熱交換器（四換）氣體旁路,第二層氣體進口溫度通過熱交換（一換）氣體旁路控制,第三層進口溫度控制中間交換氣體旁路,第四層進口溫度控制冷卻交換器A 和B 氣體旁路。
自動溫度控制也用于第二層出口溫度,通過轉化器系統的旁路部分圍繞著第一層和熱熱交換器殼程（一換）輸送氣體。必須轉移一部分反應熱量到第二層該控制主要需要低氣體溫度,因此離開一吸塔的氣體在返回轉化器之前被充分預熱。
一層進口溫度控制、二層進口溫度控制和二層出口溫度控制流程如圖3所示。
圖3 轉換系統控制系統圖
3.3 干吸系統
從傳化器第三層來的煙氣在冷中間交換器A 和B 中冷卻,然后流過一吸塔。在此三層轉化的SO3被第一次吸收到循環的98.5%硫酸中,然后煙氣經過一個高效除霧器流出,在冷中間熱交換器A 和B 及熱中間熱交換器被重新加熱,然后返回轉化器的第四層進行二次轉化。煙氣在進入二吸塔之前在冷熱交換器和SO3 冷卻器中被冷卻。二吸塔中,第四層轉化形成的SO3 被吸收到循環的98.5%硫酸中。煙氣經過一個碰撞型除霧器后流出塔,進入煙囪排放,基本上沒有SO2和酸霧。通過一組在兩系統中允許自動控制酸濃和泵槽液位的串酸管線,它與用于干燥塔的濃酸系統連通。
一吸塔上塔流量控制,通過調節在共用一吸/二吸塔酸冷器酸旁路管線上的閥門。上塔的酸溫控制,通過調節從共用酸冷器到一吸塔的流出管線上閥門。
二吸塔上塔流量控制,通過調節在共用酸冷器酸旁路管線上的閥門。上塔的酸溫控制,通過調節在從一吸/二吸塔酸冷器到埂吸塔的流出管線上的閥門。控制如圖4所示。
圖4 干吸系統控制系統圖
4 監控功能
4.1 流程圖及總貌顯示
按照裝置工藝和操作員的專門需要組態的用以表示工藝過程狀態的顯示畫面,工藝流程畫面顯示當前的過程數據或過程狀態,用數字或模擬形式進行顯示（如棒圖.動態填充或趨勢窗口）.畫面顯示中的圖形符號根據過程狀態進行置換、閃爍、變色以及位置變化,即進行動態顯示。而總貌圖則可調出分組顯示,用戶流程畫面顯示、設定曲線顯示、趨勢顯示和SFC 順序顯示。
4.2 快選窗口及分組顯示
功能與總貌顯示畫面類似,但它是可在其它顯示上隨意浮動的窗口,由它調出某一畫面后其自身并不消失而是同時顯示。
為便于更準確的讀數,還同時顯示其物理量綱的數字。通過顏色的變換和閃爍可迅速檢測出各變量的故障狀態。所組態的報警極限值也能顯示出來。從分組顯示單元中可直接選擇所期望的值,它使得操作員能在過程運行中進行快速而適當的干預。
4.3 面板及趨勢顯示和歸檔
采用面板窗口顯示技術,可同時獲得總體和詳細的信息。面板顯示是彈出式窗口,與標準顯示或自由格式的用戶畫面同時顯示在監視器上。它可以隨意拖動,不用時可關閉。所選的過程點隨時可以通過面板來顯示或操作。
模擬和數字過程變量隨時間的變化過程可以趨勢畫面進行顯示并歸檔存儲。
4.4 消息列表及操作員提示
控制器檢測出的過程故障或開關量變化連同其時間標簽（事件發生時刻）,將一同被送往操作站作為消息通報。
系統提供以下消息類型:系統故障、過程報警、開關動作和操作員提示。過程消息類型指定五種不同的優先級（從0～5）,系統故障另分成三個優先級（S1～S3）.不同優先級的消息以不同的顏色顯示并可選擇不同的確認方法。此外還顯示過程點的名稱和故障狀態。所有消息均可以中文顯示。為觀察更加清晰,操作員可把某個優先級或裝置區域的消息暫時從屏幕上取消而不顯示。
4.5 記錄及系統診斷顯示
記錄用于記錄來自過程的事件、狀態和順序。記錄文件存貯在硬盤上,可在監視器上顯示、通過打印機輸出或轉存以備將來評估。
系統硬、軟件的當前狀態由一個在后臺自動運行的系統診斷程序進行監視。
系統狀態顯示（顯示包括操作站、過程站、現場控制器以及系統總線在內的系統結構總貌和狀態）、站狀態顯示、模件狀態顯示（顯示與所選模件有關的詳細信息）。
5 結束語
ABB Industrial IT Freelance監控系統有著高性能、全開放、規模靈活、成本較低的特點,也是轉爐煙氣制酸流程過程監控系統選型的著眼點。該DCS 監控系統于2003 年底完成安裝調試及試運行,現已投入正常運行。運行實踐表明,系統能適應硫酸生產中的惡劣環境,性能穩定可靠,產品質量提高,年經濟效益達2000多萬元。
參考文獻:
[ 1 ] 托馬斯•E . 格雷德爾 珍妮弗•A . 霍華德- 格倫維爾．綠色工廠- 觀點、方法與工具（ 翻譯版） [ M ] , 北京, 清華大學出版社,2006
[ 2 ] 中國冶金建設協會, 鋼鐵企業過程檢測和控制自動化設計手冊[M], 北京: 冶金工業出版社,2000
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