SO2煙氣回收制酸儀控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與儀表選型

王更生，邱繼寧

（漢中鋅業(yè)有限責(zé)任公司，陜西勉縣724204）

0 前言

漢中鋅業(yè)公司10萬(wàn)t/a高純新技改項(xiàng)目，利用鋅精礦焙燒后的SO2煙氣制酸，采用余熱鍋爐、旋風(fēng)除塵、電除塵進(jìn)行降溫除塵，動(dòng)力波－冷卻塔－動(dòng)力波－電除霧酸洗凈化煙氣，兩轉(zhuǎn)兩吸轉(zhuǎn)化吸收的接觸法制酸工藝，有效地回收了鋅精礦中的硫，避免了對(duì)環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)了冶煉煙氣的無(wú)污染排放，使工廠綠色環(huán)保。其中儀控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，主要由現(xiàn)場(chǎng)一次儀表及常規(guī)智能儀表檢測(cè)上傳數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、監(jiān)視、報(bào)警、記錄、控制等功能，現(xiàn)就我公司SO2煙氣制酸儀控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及儀表選型介紹如下。

1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型

1.1 設(shè)計(jì)思想

根據(jù)高純鋅技改項(xiàng)目制酸系統(tǒng)相關(guān)工藝、機(jī)電設(shè)備要求，基于“集中管理，分散控制”的模式，數(shù)字化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化工程的思想，建立一個(gè)先進(jìn)、可靠、高效、安全、實(shí)用且便于進(jìn)一步擴(kuò)充的集過(guò)程控制、監(jiān)視、管理于一體并且具備良好開(kāi)放性的集散式監(jiān)控系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)），完成對(duì)整個(gè)工藝過(guò)程及生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先強(qiáng)調(diào)可靠性和實(shí)用性，在此前提下考慮系統(tǒng)的先進(jìn)性。

1.2 系統(tǒng)功能

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集由生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)一次儀表及常規(guī)智能控制儀表提供的焙燒、除塵、凈化、干吸、轉(zhuǎn)化等各工序相關(guān)工藝、機(jī)電設(shè)備的溫度、壓力、液位、分析、流量信號(hào)，各種設(shè)備動(dòng)作和工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)，在顯示器上用流程模擬圖、數(shù)據(jù)模擬光柱表、開(kāi)關(guān)量表、模擬數(shù)據(jù)表、實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖、報(bào)警及事件記錄等形式將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種狀況真實(shí)反映，指導(dǎo)操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀況進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)程參數(shù)和設(shè)備故障報(bào)警或聯(lián)鎖時(shí)，系統(tǒng)及時(shí)準(zhǔn)確給出報(bào)警提示或進(jìn)行相關(guān)聯(lián)鎖，避免事故發(fā)生和事故進(jìn)一步擴(kuò)大，保證生產(chǎn)過(guò)程安全運(yùn)行，系統(tǒng)重要安全報(bào)警設(shè)計(jì)為隱藏畫面，當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重報(bào)警時(shí)，畫面彈出，提醒操作人員；系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)歷史趨勢(shì)短期回顧（記錄存儲(chǔ)時(shí)間不小于30 d），幫助操作人員了解近期生產(chǎn)、工藝、設(shè)備情況，通過(guò)嚴(yán)格的口令級(jí)別管理排除非操作人員的非法操作。利用該系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前生產(chǎn)情況和重要儀表參數(shù)進(jìn)行查詢，報(bào)表生成及打印，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化管理；系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具備分層分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使整個(gè)系統(tǒng)安全可靠，通訊協(xié)議選用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，方便系統(tǒng)擴(kuò)展。系統(tǒng)設(shè)計(jì)為10個(gè)主要畫面：沸騰爐工序畫面、凈化工序畫面、轉(zhuǎn)化工序畫面、干吸工序畫面、SO2風(fēng)機(jī)畫面、記錄歸檔畫面、系統(tǒng)報(bào)警畫面、系統(tǒng)棒圖畫面、系統(tǒng)檢修畫面、系統(tǒng)退出選擇畫面等。

1.3 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)分為基礎(chǔ)級(jí)自動(dòng)化設(shè)備（PLC）、過(guò)程級(jí)自動(dòng)化設(shè)備（工控機(jī)）、管理級(jí)自動(dòng)化設(shè)備（服務(wù)器）三級(jí)自動(dòng)化控制管理系統(tǒng)：基礎(chǔ)級(jí)自動(dòng)化設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)總線Profibus網(wǎng)，使用西門子ET200M遠(yuǎn)程I/O冗余組。Profibus網(wǎng)的傳輸介質(zhì)選擇屏蔽雙絞線和光纜，最大傳輸距離為1 200 m，最大傳輸速率為1.5 Mbps。本系統(tǒng)Profibus網(wǎng)設(shè)計(jì)帶寬為1.5 Mbps，雙路通訊網(wǎng)將各I/O站點(diǎn)連接起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)其中的A網(wǎng)絡(luò)在故障狀態(tài)下的無(wú)擾動(dòng)的切換到B網(wǎng)絡(luò)，確保采集信號(hào)的連續(xù)性。過(guò)程級(jí)自動(dòng)化設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊采用西門子工業(yè)以太網(wǎng)，使用西門子SCALANCE環(huán)型以太網(wǎng)通訊交換機(jī)，通訊速率為10/100 Mbps，以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)通訊是目前冗余通訊中最為可靠的一種方式。以太網(wǎng)交換機(jī)上預(yù)留以太網(wǎng)接口，與上級(jí)管理級(jí)計(jì)算機(jī)通訊，將制酸生產(chǎn)納入公司的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，進(jìn)行統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程管理自動(dòng)化。

圖1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

基礎(chǔ)級(jí)自動(dòng)化設(shè)備通過(guò)I/O模塊采集制酸生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)量、模擬量信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行連鎖控制，同時(shí)，通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus網(wǎng)將采樣信號(hào)、設(shè)備動(dòng)作信號(hào)、故障信號(hào)等現(xiàn)場(chǎng)狀況實(shí)時(shí)傳遞給雙冗余中央處理器，中央處理器所在機(jī)架的雙路以太網(wǎng)模塊與配備的兩臺(tái)以太網(wǎng)交換機(jī)時(shí)實(shí)交換數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)置4臺(tái)過(guò)程級(jí)計(jì)算機(jī)，過(guò)程級(jí)計(jì)算機(jī)將制酸生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的重要生產(chǎn)、工藝、設(shè)備狀況，在顯示器上用模擬圖、數(shù)據(jù)表、趨勢(shì)圖等形式真實(shí)反映，指導(dǎo)操作人員對(duì)生產(chǎn)狀況進(jìn)行調(diào)整、控制，保證生產(chǎn)正常運(yùn)行。

1.4 系統(tǒng)選型

電源部分選用專用的UPS電源，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)電源波動(dòng)大、干擾大的情況下，使系統(tǒng)能穩(wěn)定、可靠地工作，斷電時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無(wú)擾切換，對(duì)系統(tǒng)控制電源進(jìn)行30 min的斷電保護(hù)。低壓控制系統(tǒng)所有空氣斷路器選用施耐德產(chǎn)品；所有中間繼電器選用HF（合資）產(chǎn)品；PLC選用西門子S7－400和S7－300系列產(chǎn)品，遠(yuǎn)程I/O站選用西門子ET200M；端子選用ABB產(chǎn)品；PLC選型時(shí)DI/DO點(diǎn)、AI/AO點(diǎn)按實(shí)際點(diǎn)數(shù)的110％考慮；PLC所有數(shù)字量輸出控制信號(hào)進(jìn)行繼電器隔離后輸出。

4個(gè)操作站選用標(biāo)準(zhǔn)PC總線工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，Intel公司Pentium IV系列CPU，內(nèi)置Siemens公司10/100M以太網(wǎng)卡，19英寸寬平液晶顯示器，以太網(wǎng)通訊電纜、以太網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)附件、現(xiàn)場(chǎng)總線電纜、現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)附件，工控機(jī)與PLC之間采用西門子工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)行連接。

系統(tǒng)編程采用Windows XP操作系統(tǒng)，SIMATIC WINCC組態(tài)監(jiān)控軟件，西門子以太網(wǎng)通訊軟件，輔助開(kāi)發(fā)環(huán)境VB、VC++。

網(wǎng)絡(luò)通訊采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)總線Profibus，網(wǎng)通訊速率為1.5 Mbps/S，采用雙路通訊冗余，以太網(wǎng)通訊速率為100 Mbps/S，以太網(wǎng)通訊采用熱備雙冗余。

1.5 主要設(shè)備配置

（1）操作控制臺(tái) 4臺(tái)計(jì)算得：Jα=1.1×10－4kg·m2。（2）PLC控制柜 1面主機(jī)架UR2－H 1塊存儲(chǔ)卡 2塊電源模塊PS407 10A 2塊CPU模塊CPU412H－3 2塊同步模塊 4塊通信模塊CP443－1 2塊DI模塊 16×24VDC 6ES7321－1BH02－0AA0 9塊DO模塊 16×24VDC 6ES7422－1BH01－0AA0 1塊AI模塊8×4～20 mA 6ES7331－7NF00－0AB0 18塊AO模塊4×4～20 mA 6ES73321－5HD01－0AB0 1塊接口模塊IM153－2冗余組 3塊現(xiàn)場(chǎng)總線模塊（熱插拔） 20個(gè)前連接器20針 11個(gè)40針 18個(gè)存儲(chǔ)器 2個(gè)機(jī)架 3塊以太網(wǎng)交換機(jī)SCALANCE 2臺(tái)交換機(jī)附件 2套計(jì)算得：Jα=1.1×10－4kg·m2。（3）電源柜 1面隔離變壓器220/220V/5KW AC 1個(gè)電源恒壓器220V AC 4KW 1個(gè)低通濾波器220V/20A AC 1個(gè)開(kāi)關(guān)電源10A 24V DC 2個(gè)（4）后備電源山特UPS 4KW 1套（5）工控機(jī) 4臺(tái)機(jī)型標(biāo)準(zhǔn)PC總線工業(yè)控制計(jì)算機(jī)CPU INTEL P4 2.0G

硬盤80 G MAXTOR內(nèi)存512 M KINGMAX西門子以太網(wǎng)卡10/100 MHZ CP1613光驅(qū)52xCD－ROM SONY鍵盤鼠標(biāo)顯示器19″寬屏液晶SAMSUNG系統(tǒng)軟件Windows XP組態(tài)軟件WinCC6.0 SIEMENS通訊軟件S7－REDCONGNECT SIEMENS（6）以太網(wǎng)系統(tǒng)配置西門子以太網(wǎng)交換機(jī)SCALANCE 2臺(tái)以太網(wǎng)交換機(jī)附件 2套（7）電氣臺(tái)柜通用技術(shù)數(shù)據(jù)：額定電壓220 V AC 50 Hz交流控制電壓220 V AC 50 Hz直流控制電壓24 VDC電氣柜結(jié)構(gòu)型式固定式安裝高度≯1 000 m（海撥）環(huán)境溫度≯40℃絕緣等級(jí)B級(jí)

2 一次儀表及常規(guī)智能控制儀表的設(shè)計(jì)選型

冶煉、化工系統(tǒng)生產(chǎn)條件通常較為惡劣，這對(duì)檢測(cè)儀表特別是一次儀表有較高的要求，為此，我們本著測(cè)量準(zhǔn)確、可靠，經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，維護(hù)方便的原則，對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。

2.1 溫度檢測(cè)儀表

2.1.1 沸騰爐專用溫度檢測(cè)儀表

沸騰爐工序測(cè)溫儀表的選擇是重中之重，爐膛工況對(duì)于測(cè)溫裝置，要求同時(shí)滿足耐高溫、耐氧化腐蝕、耐磨、高機(jī)械強(qiáng)度等條件，選用高鉻鑄鋼（ZHCr28）套管作為熱電偶外保護(hù)套管，熱電偶本體保護(hù)管直徑φ20，熱電偶芯子直徑φ3.5，法蘭連接方式。

2.1.2 凈化、干吸溫度檢測(cè)儀表

凈化工序采用酸洗凈化流程，其目的是去除焙燒煙氣中的多種有害雜質(zhì)，因此凈化洗滌液的成分較為復(fù)雜，主要是：水和硫酸，微量的氰氟酸、高氯酸、鹽酸等，其對(duì)金屬的侵蝕尤為嚴(yán)重，工藝介質(zhì)溫度較低。凈化工序測(cè)溫儀表選用防腐型Cu50熱電阻，保護(hù)管材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti外敷聚四氟乙烯，直徑φ16，法蘭連接方式。

干吸工序煙氣流程介質(zhì)為凈化后較純凈的SO2煙氣，硫酸主要為93％、98％濃硫酸，測(cè)溫儀表選用Cu50熱電阻，保護(hù)管材質(zhì)1Cr18Ni9Ti，直徑φ16，法蘭連接方式。

2.1.3 轉(zhuǎn)化工序溫度檢測(cè)儀表

轉(zhuǎn)化工序介質(zhì)為凈化干燥后較純凈的SO2煙氣，溫度要求較高，測(cè)溫儀表主要選用K型熱電偶、保護(hù)管材質(zhì)1Cr18Ni9Ti，直徑φ16；考慮到SO2風(fēng)機(jī)振動(dòng)較大，煙氣溫度較低，其進(jìn)出口煙氣溫度的測(cè)量選用鎧裝抗振 Cu50熱電阻，保護(hù)管材質(zhì)1Cr18Ni9Ti，直徑φ16；SO2風(fēng)機(jī)及其電機(jī)的軸承溫度測(cè)量選用帶遠(yuǎn)傳雙金屬溫度計(jì)，既可進(jìn)行就地觀察，也可遠(yuǎn)程傳送在集控室進(jìn)行顯示、報(bào)警、連鎖。

2.2 壓力檢測(cè)儀表

SO2煙氣壓力檢測(cè)儀表選用EJA差壓變送器，膜片采用哈氏合金，其他接液部分為防腐材料，變送器安裝在保護(hù)箱內(nèi)，以避免陽(yáng)光直射以及灰塵和腐蝕液的侵害，延長(zhǎng)其使用壽命；在壓力取樣裝置上采用鋼件與PVC軟管之間采用插拔式取樣方式，實(shí)用、簡(jiǎn)單、可靠，維護(hù)方便。

對(duì)于凈化洗滌液的壓力測(cè)量，選用耐腐蝕隔膜壓力表，接液膜片為哈氏合金膜片，其他接液部分材質(zhì)為聚四氟乙烯材料。

2.3 流量、分析、液位儀表

2.3.1 流量測(cè)量?jī)x表

流量測(cè)量?jī)x表選用一體化均速管流量計(jì)，主要用來(lái)測(cè)量沸騰爐爐前風(fēng)機(jī)出口流量，需要指出的是在選型時(shí)一定要提供準(zhǔn)確的儀表要求參數(shù)，安裝時(shí)要盡可能的保證儀表對(duì)直管段要求，保證儀表在管道上的垂直度和同心度。

2.3.2 成分分析儀表

選用熱導(dǎo)式SO2濃度分析儀測(cè)量主風(fēng)機(jī)出口煙氣中SO2的含量，南京分析儀表廠生產(chǎn)的RD－1400熱導(dǎo)式SO2濃度分析儀測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)，其二次智能儀表帶4～20 mA變送輸出，將送給計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。在使用中應(yīng)經(jīng)常巡視預(yù)處理裝置，更換干燥劑，檢查轉(zhuǎn)子流量計(jì)是否在正常的流量范圍，清理積灰，對(duì)分析儀定期進(jìn)行標(biāo)定。在安裝SO2濃度分析儀時(shí)，導(dǎo)氣管應(yīng)盡可能短，將預(yù)處理裝置安裝于室內(nèi)。

選用硫酸濃度分析儀測(cè)量干燥塔循環(huán)酸濃度，南化集團(tuán)研究院生產(chǎn)的UHC型超聲波93％硫酸濃度分析儀測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)，其二次智能儀表帶4～20 mA變送輸出，將氣濃信號(hào)送給計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。在使用中應(yīng)經(jīng)常巡視現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)器運(yùn)行情況、有無(wú)滴漏、調(diào)節(jié)檢測(cè)器中酸的流量并保持穩(wěn)定，以不產(chǎn)生氣泡為準(zhǔn)。在安裝中應(yīng)嚴(yán)格按照說(shuō)明書和相關(guān)規(guī)范合理布局穩(wěn)流管道，選擇合適的調(diào)節(jié)閥，保證流體流動(dòng)形態(tài)穩(wěn)定。

2.3.3 液位儀表

凈化工序液位儀表選型時(shí)須特別注意對(duì)金屬的侵蝕尤為嚴(yán)重的凈化洗滌液，洗滌液溫度一般在40～60℃之間，選用接液部分材質(zhì)均為四氟材料的磁翻柱液位計(jì)，為增加其機(jī)械強(qiáng)度，除接液部分材料外，其他為1Cr18Ni9Ti材質(zhì)。經(jīng)長(zhǎng)期使用，其性能穩(wěn)定，經(jīng)久耐用。干吸工序循環(huán)酸槽上的液位測(cè)量選用玻璃管浮子液位計(jì)，使用效果良好。

3 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)自2009年7月投運(yùn)以來(lái)，測(cè)量準(zhǔn)確，運(yùn)行平穩(wěn)，故障率低，維護(hù)量小，從而為制酸系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障，有效地提高了生產(chǎn)效率。

［1］陳守仁.工程檢測(cè)技術(shù)［M］.北京：中央廣播電視大學(xué)出版社，1984.

［2］陸會(huì)明.控制裝置與儀表［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］樂(lè)嘉謙.儀表工手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

［4］梅光貴，王德潤(rùn)，周敏元，等.濕法煉鋅學(xué)［M］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2001.