DCS监控系统在转炉烟气制酸流程的应用
摘 要:文章通过工程实例介绍了转炉烟气制酸流程的DCS 监控系统对采用动力波洗涤烟气与二转二吸的烟气SO2 回收工艺流程实施了较为完善的电仪合一的监控,编程组态简捷,运行可靠,是一较为成功的工程应用实例,具有一定的借鉴作用。
关键词:制酸;DCS;监控
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
铜冶炼炉排出的烟气视铜矿的硫（S）成份的不同含有不同的SO2气体,这种含有有害气体的烟气排放大气中,造成自然环境的严重污染,对周围的生态造成非常严重的威胁。这与可持续发展的国策、高品质的生态环境保护要求是格格不入的。随着科技进步和环保的严格要求,新老铜冶炼企业改造建设成为无公害工厂——绿色工厂已日显其迫切性和必要性[1]。铜冶炼转炉烟气制酸不单是烟气污染环境的治理,而且能充分利用烟气的硫氧化物,生产工农业都需要的硫酸产品,成为铜冶炼工厂的非常重要的附产品。
本文所涉及的烟气制酸工艺采用了先进的二段动力波洗涤烟气和二转二吸等新技术,达到生产高品的硫酸产品,消除污染,保护环境的双重目的。伴随着动力波烟气洗涤净化和SO转化吸收技术在国内的应用和推广,工艺流的检测与监控技术也日益发展和完善,从常规仪表的测控系统已发展到普遍采用DCS集散控制系统阶段[2]。从仪表、电力分两个专业各自进行传统模式的控制到现今仪电一体化综合监控系统。
针对上述生产工艺特点,DCS 系统采用ABB Industrial ITFreelance控制系统。该系统是面向工厂自动化的新一代开放式DCS系统,全面支持现场总线技术,系统采用全局数据库技术,实现全局一体化编程。系统通信为标准以太网,系统结构具有较强扩展能力,系统编程采用国际化标准。现场控制站采用符合技术要求的远程I/O ABB S800 并通过Profibus 总线与控制站进行数据通信。
2 系统结构
DCS系统的控制器采用冗余控制器,通过Profibus总线与现场设备连接,通过以太网与操作站、工程师站和网关连接。控制器内部电源采用冗余结构,柜外I/O通讯网络采用光纤环网结构。结构如图1所示。
DCS系统用于硫酸四系列的整个生产过程的控制,其包括净化系统、转化系统、干吸系统及与硫酸四系列相关的整个过程。本DCS 系统与工厂原有DCS 系统和现有厂区管控网相联并实现数据通讯。
3 监控系统的实现
3.1 净化系统
从冶炼炉来的SO2 烟气中含有金属质的烟气、酸雾、水蒸汽及其它从原料矿中来的杂质。这些杂质必须清除。烟气的温度高,也必须冷却。冷却和高效去除气态、液态、固态杂质由净化系统来完成。这一系统由一级动力波洗涤器、气体冷却塔和二级动力波洗涤器构成。每台洗涤器都包含有一跟着一洗涤器分离槽的逆向喷嘴。烟气首先进入一级动力波洗涤器,一组3个喷嘴逆向喷射的稀酸将其急速冷却和洗涤。绝大部分的烟气、固体和雾粒从烟气中分离,并且烟气也因绝热饱和（水分的蒸汽）而冷却。因而,出口气体的湿体积大大于进口。气体混合物从一级动力波洗涤器进入洗涤器分离槽,洗涤液从烟气中分离,并聚集在槽的底部,槽进口的侧壁及分离器,有助于烟气进入冷却塔和二级动力波前脱离细小雾和其他粒子。一级动力波分离槽的液位由气体冷却塔系统、二级动力波分离槽的串入量和电除雾系统的外排液量维持。并有一个自动阀门控制液位。稀酸通过一级动力波洗涤器循环泵打往3个喷嘴和溢流堰,泵靠重力从一级动力波分离槽吸液体。溢流堰的稀酸流量带高、低和低-低报警监控。这个流量要求在低-低流量时连锁开启事故水阀门。喷嘴得稀酸压力在低- 低压力时连锁开启事故水阀门。
当一级动力波循环泵被停的时候,主风机也连锁停车。控制如图2所示。
3.2 转换系统
SO2 转化成SO3是氧化放热反应,在高温和氧化钒催化剂作用下进行,该反应消耗O2,生成SO3,并升高气体温度直至达到平衡状态,在平衡点反应终止。通过使反应在连续的催化剂层中进行并在层间进行冷却,可以提高反应程度（转化效率）。
自动控制用于维持最适宜的转化层进口温度,第一层进口温度控制冷热交换器（四换）气体旁路,第二层气体进口温度通过热交换（一换）气体旁路控制,第三层进口温度控制中间交换气体旁路,第四层进口温度控制冷却交换器A 和B 气体旁路。
自动温度控制也用于第二层出口温度,通过转化器系统的旁路部分围绕着第一层和热热交换器壳程（一换）输送气体。必须转移一部分反应热量到第二层该控制主要需要低气体温度,因此离开一吸塔的气体在返回转化器之前被充分预热。
一层进口温度控制、二层进口温度控制和二层出口温度控制流程如图3所示。
3.3 干吸系统
从传化器第三层来的烟气在冷中间交换器A 和B 中冷却,然后流过一吸塔。在此三层转化的SO3被第一次吸收到循环的98.5%硫酸中,然后烟气经过一个高效除雾器流出,在冷中间热交换器A 和B 及热中间热交换器被重新加热,然后返回转化器的第四层进行二次转化。烟气在进入二吸塔之前在冷热交换器和SO3 冷却器中被冷却。二吸塔中,第四层转化形成的SO3 被吸收到循环的98.5%硫酸中。烟气经过一个碰撞型除雾器后流出塔,进入烟囱排放,基本上没有SO2和酸雾。通过一组在两系统中允许自动控制酸浓和泵槽液位的串酸管线,它与用于干燥塔的浓酸系统连通。
一吸塔上塔流量控制,通过调节在共用一吸/二吸塔酸冷器酸旁路管线上的阀门。上塔的酸温控制,通过调节从共用酸冷器到一吸塔的流出管线上阀门。
二吸塔上塔流量控制,通过调节在共用酸冷器酸旁路管线上的阀门。上塔的酸温控制,通过调节在从一吸/二吸塔酸冷器到埂吸塔的流出管线上的阀门。控制如图4所示。
4 监控功能
4.1 流程图及总貌显示
按照装置工艺和操作员的专门需要组态的用以表示工艺过程状态的显示画面,工艺流程画面显示当前的过程数据或过程状态,用数字或模拟形式进行显示（如棒图.动态填充或趋势窗口）.画面显示中的图形符号根据过程状态进行置换、闪烁、变色以及位置变化,即进行动态显示。而总貌图则可调出分组显示,用户流程画面显示、设定曲线显示、趋势显示和SFC 顺序显示。
4.2 快选窗口及分组显示
功能与总貌显示画面类似,但它是可在其它显示上随意浮动的窗口,由它调出某一画面后其自身并不消失而是同时显示。
为便于更准确的读数,还同时显示其物理量纲的数字。通过颜色的变换和闪烁可迅速检测出各变量的故障状态。所组态的报警极限值也能显示出来。从分组显示单元中可直接选择所期望的值,它使得操作员能在过程运行中进行快速而适当的干预。
4.3 面板及趋势显示和归档
采用面板窗口显示技术,可同时获得总体和详细的信息。面板显示是弹出式窗口,与标准显示或自由格式的用户画面同时显示在监视器上。它可以随意拖动,不用时可关闭。所选的过程点随时可以通过面板来显示或操作。
模拟和数字过程变量随时间的变化过程可以趋势画面进行显示并归档存储。
4.4 消息列表及操作员提示
控制器检测出的过程故障或开关量变化连同其时间标签（事件发生时刻）,将一同被送往操作站作为消息通报。
系统提供以下消息类型:系统故障、过程报警、开关动作和操作员提示。过程消息类型指定五种不同的优先级（从0～5）,系统故障另分成三个优先级（S1～S3）.不同优先级的消息以不同的颜色显示并可选择不同的确认方法。此外还显示过程点的名称和故障状态。所有消息均可以中文显示。为观察更加清晰,操作员可把某个优先级或装置区域的消息暂时从屏幕上取消而不显示。
4.5 记录及系统诊断显示
记录用于记录来自过程的事件、状态和顺序。记录文件存贮在硬盘上,可在监视器上显示、通过打印机输出或转存以备将来评估。
系统硬、软件的当前状态由一个在后台自动运行的系统诊断程序进行监视。
系统状态显示（显示包括操作站、过程站、现场控制器以及系统总线在内的系统结构总貌和状态）、站状态显示、模件状态显示（显示与所选模件有关的详细信息）。
5 结束语
ABB Industrial IT Freelance监控系统有着高性能、全开放、规模灵活、成本较低的特点,也是转炉烟气制酸流程过程监控系统选型的着眼点。该DCS 监控系统于2003 年底完成安装调试及试运行,现已投入正常运行。运行实践表明,系统能适应硫酸生产中的恶劣环境,性能稳定可靠,产品质量提高,年经济效益达2000多万元。
参考文献:
[ 1 ] 托马斯•E . 格雷德尔 珍妮弗•A . 霍华德- 格伦维尔．绿色工厂- 观点、方法与工具（ 翻译版） [ M ] , 北京, 清华大学出版社,2006
[ 2 ] 中国冶金建设协会, 钢铁企业过程检测和控制自动化设计手册[M], 北京: 冶金工业出版社,2000
关键词:制酸;DCS;监控
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
铜冶炼炉排出的烟气视铜矿的硫（S）成份的不同含有不同的SO2气体,这种含有有害气体的烟气排放大气中,造成自然环境的严重污染,对周围的生态造成非常严重的威胁。这与可持续发展的国策、高品质的生态环境保护要求是格格不入的。随着科技进步和环保的严格要求,新老铜冶炼企业改造建设成为无公害工厂——绿色工厂已日显其迫切性和必要性[1]。铜冶炼转炉烟气制酸不单是烟气污染环境的治理,而且能充分利用烟气的硫氧化物,生产工农业都需要的硫酸产品,成为铜冶炼工厂的非常重要的附产品。
本文所涉及的烟气制酸工艺采用了先进的二段动力波洗涤烟气和二转二吸等新技术,达到生产高品的硫酸产品,消除污染,保护环境的双重目的。伴随着动力波烟气洗涤净化和SO转化吸收技术在国内的应用和推广,工艺流的检测与监控技术也日益发展和完善,从常规仪表的测控系统已发展到普遍采用DCS集散控制系统阶段[2]。从仪表、电力分两个专业各自进行传统模式的控制到现今仪电一体化综合监控系统。
针对上述生产工艺特点,DCS 系统采用ABB Industrial ITFreelance控制系统。该系统是面向工厂自动化的新一代开放式DCS系统,全面支持现场总线技术,系统采用全局数据库技术,实现全局一体化编程。系统通信为标准以太网,系统结构具有较强扩展能力,系统编程采用国际化标准。现场控制站采用符合技术要求的远程I/O ABB S800 并通过Profibus 总线与控制站进行数据通信。
2 系统结构
DCS系统的控制器采用冗余控制器,通过Profibus总线与现场设备连接,通过以太网与操作站、工程师站和网关连接。控制器内部电源采用冗余结构,柜外I/O通讯网络采用光纤环网结构。结构如图1所示。
图1 硫酸四系系统网络结构图
DCS系统用于硫酸四系列的整个生产过程的控制,其包括净化系统、转化系统、干吸系统及与硫酸四系列相关的整个过程。本DCS 系统与工厂原有DCS 系统和现有厂区管控网相联并实现数据通讯。
3 监控系统的实现
3.1 净化系统
从冶炼炉来的SO2 烟气中含有金属质的烟气、酸雾、水蒸汽及其它从原料矿中来的杂质。这些杂质必须清除。烟气的温度高,也必须冷却。冷却和高效去除气态、液态、固态杂质由净化系统来完成。这一系统由一级动力波洗涤器、气体冷却塔和二级动力波洗涤器构成。每台洗涤器都包含有一跟着一洗涤器分离槽的逆向喷嘴。烟气首先进入一级动力波洗涤器,一组3个喷嘴逆向喷射的稀酸将其急速冷却和洗涤。绝大部分的烟气、固体和雾粒从烟气中分离,并且烟气也因绝热饱和（水分的蒸汽）而冷却。因而,出口气体的湿体积大大于进口。气体混合物从一级动力波洗涤器进入洗涤器分离槽,洗涤液从烟气中分离,并聚集在槽的底部,槽进口的侧壁及分离器,有助于烟气进入冷却塔和二级动力波前脱离细小雾和其他粒子。一级动力波分离槽的液位由气体冷却塔系统、二级动力波分离槽的串入量和电除雾系统的外排液量维持。并有一个自动阀门控制液位。稀酸通过一级动力波洗涤器循环泵打往3个喷嘴和溢流堰,泵靠重力从一级动力波分离槽吸液体。溢流堰的稀酸流量带高、低和低-低报警监控。这个流量要求在低-低流量时连锁开启事故水阀门。喷嘴得稀酸压力在低- 低压力时连锁开启事故水阀门。
当一级动力波循环泵被停的时候,主风机也连锁停车。控制如图2所示。
图2 净化系统控制系统图
3.2 转换系统
SO2 转化成SO3是氧化放热反应,在高温和氧化钒催化剂作用下进行,该反应消耗O2,生成SO3,并升高气体温度直至达到平衡状态,在平衡点反应终止。通过使反应在连续的催化剂层中进行并在层间进行冷却,可以提高反应程度（转化效率）。
自动控制用于维持最适宜的转化层进口温度,第一层进口温度控制冷热交换器（四换）气体旁路,第二层气体进口温度通过热交换（一换）气体旁路控制,第三层进口温度控制中间交换气体旁路,第四层进口温度控制冷却交换器A 和B 气体旁路。
自动温度控制也用于第二层出口温度,通过转化器系统的旁路部分围绕着第一层和热热交换器壳程（一换）输送气体。必须转移一部分反应热量到第二层该控制主要需要低气体温度,因此离开一吸塔的气体在返回转化器之前被充分预热。
一层进口温度控制、二层进口温度控制和二层出口温度控制流程如图3所示。
图3 转换系统控制系统图
3.3 干吸系统
从传化器第三层来的烟气在冷中间交换器A 和B 中冷却,然后流过一吸塔。在此三层转化的SO3被第一次吸收到循环的98.5%硫酸中,然后烟气经过一个高效除雾器流出,在冷中间热交换器A 和B 及热中间热交换器被重新加热,然后返回转化器的第四层进行二次转化。烟气在进入二吸塔之前在冷热交换器和SO3 冷却器中被冷却。二吸塔中,第四层转化形成的SO3 被吸收到循环的98.5%硫酸中。烟气经过一个碰撞型除雾器后流出塔,进入烟囱排放,基本上没有SO2和酸雾。通过一组在两系统中允许自动控制酸浓和泵槽液位的串酸管线,它与用于干燥塔的浓酸系统连通。
一吸塔上塔流量控制,通过调节在共用一吸/二吸塔酸冷器酸旁路管线上的阀门。上塔的酸温控制,通过调节从共用酸冷器到一吸塔的流出管线上阀门。
二吸塔上塔流量控制,通过调节在共用酸冷器酸旁路管线上的阀门。上塔的酸温控制,通过调节在从一吸/二吸塔酸冷器到埂吸塔的流出管线上的阀门。控制如图4所示。
图4 干吸系统控制系统图
4 监控功能
4.1 流程图及总貌显示
按照装置工艺和操作员的专门需要组态的用以表示工艺过程状态的显示画面,工艺流程画面显示当前的过程数据或过程状态,用数字或模拟形式进行显示（如棒图.动态填充或趋势窗口）.画面显示中的图形符号根据过程状态进行置换、闪烁、变色以及位置变化,即进行动态显示。而总貌图则可调出分组显示,用户流程画面显示、设定曲线显示、趋势显示和SFC 顺序显示。
4.2 快选窗口及分组显示
功能与总貌显示画面类似,但它是可在其它显示上随意浮动的窗口,由它调出某一画面后其自身并不消失而是同时显示。
为便于更准确的读数,还同时显示其物理量纲的数字。通过颜色的变换和闪烁可迅速检测出各变量的故障状态。所组态的报警极限值也能显示出来。从分组显示单元中可直接选择所期望的值,它使得操作员能在过程运行中进行快速而适当的干预。
4.3 面板及趋势显示和归档
采用面板窗口显示技术,可同时获得总体和详细的信息。面板显示是弹出式窗口,与标准显示或自由格式的用户画面同时显示在监视器上。它可以随意拖动,不用时可关闭。所选的过程点随时可以通过面板来显示或操作。
模拟和数字过程变量随时间的变化过程可以趋势画面进行显示并归档存储。
4.4 消息列表及操作员提示
控制器检测出的过程故障或开关量变化连同其时间标签（事件发生时刻）,将一同被送往操作站作为消息通报。
系统提供以下消息类型:系统故障、过程报警、开关动作和操作员提示。过程消息类型指定五种不同的优先级（从0～5）,系统故障另分成三个优先级（S1～S3）.不同优先级的消息以不同的颜色显示并可选择不同的确认方法。此外还显示过程点的名称和故障状态。所有消息均可以中文显示。为观察更加清晰,操作员可把某个优先级或装置区域的消息暂时从屏幕上取消而不显示。
4.5 记录及系统诊断显示
记录用于记录来自过程的事件、状态和顺序。记录文件存贮在硬盘上,可在监视器上显示、通过打印机输出或转存以备将来评估。
系统硬、软件的当前状态由一个在后台自动运行的系统诊断程序进行监视。
系统状态显示（显示包括操作站、过程站、现场控制器以及系统总线在内的系统结构总貌和状态）、站状态显示、模件状态显示（显示与所选模件有关的详细信息）。
5 结束语
ABB Industrial IT Freelance监控系统有着高性能、全开放、规模灵活、成本较低的特点,也是转炉烟气制酸流程过程监控系统选型的着眼点。该DCS 监控系统于2003 年底完成安装调试及试运行,现已投入正常运行。运行实践表明,系统能适应硫酸生产中的恶劣环境,性能稳定可靠,产品质量提高,年经济效益达2000多万元。
参考文献:
[ 1 ] 托马斯•E . 格雷德尔 珍妮弗•A . 霍华德- 格伦维尔．绿色工厂- 观点、方法与工具（ 翻译版） [ M ] , 北京, 清华大学出版社,2006
[ 2 ] 中国冶金建设协会, 钢铁企业过程检测和控制自动化设计手册[M], 北京: 冶金工业出版社,2000
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