陽(yáng)極保護(hù)酸冷卻器的控制

白天

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330031）

陽(yáng)極保護(hù)酸冷卻器的控制

白天

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330031）

陽(yáng)極保護(hù)的濃硫酸冷卻器普遍采用恒電位儀完成控制功能，但由于其不能在DCS中進(jìn)行控制，影響了控制功能的靈活性與適應(yīng)性。根據(jù)陽(yáng)極保護(hù)原理、陽(yáng)極保護(hù)酸冷卻器的工作原理及系統(tǒng)組成，在紫金銅業(yè)實(shí)現(xiàn)了一套由DCS控制的陽(yáng)極保護(hù)酸冷卻器控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的信號(hào)及調(diào)節(jié)回路、聯(lián)鎖保護(hù)邏輯、系統(tǒng)調(diào)試及運(yùn)行的分析，可以看出該系統(tǒng)為陽(yáng)極保護(hù)酸冷器的運(yùn)行管理提供了完善的技術(shù)支持。

陽(yáng)極保護(hù);恒電位儀;控參;控制系統(tǒng)

陽(yáng)極保護(hù)管殼式不銹鋼濃硫酸冷卻器（以下簡(jiǎn)稱酸冷器）是20世紀(jì)80年代初期首先由國(guó)外引進(jìn)的，用于各類制酸裝置的干吸工段濃硫酸的冷卻。該設(shè)備憑借壽命長(zhǎng)、占地面積小、熱效率高、無(wú)污染、日常維護(hù)費(fèi)用低、節(jié)水效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)硫酸行業(yè)的技術(shù)發(fā)展起到了積極的作用，已替代鑄鐵排管成為濃硫酸冷卻的首選產(chǎn)品。

在國(guó)內(nèi)銅冶煉廠煙氣制酸的干吸工藝中，普遍地采用了陽(yáng)極保護(hù)的濃硫酸冷卻器（包括干燥塔、一吸塔、二吸塔酸冷卻器），這些設(shè)備的監(jiān)控較多的是采用了控制和執(zhí)行功能均由恒電位儀完成的形式。雖然這種方式有性能穩(wěn)定、連接距離短、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但由于其不能在已廣泛使用的DCS等生產(chǎn)車間的監(jiān)控界面上進(jìn)行控制，使其在工藝條件變化較大時(shí)的適應(yīng)性及操作的靈活性受到影響。如果能將恒電位儀的控制功能放在DCS中完成，構(gòu)成DCS結(jié)合恒電位儀的系統(tǒng)對(duì)酸冷卻器進(jìn)行控制，將會(huì)提高陽(yáng)極保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行效果。

1　陽(yáng)極保護(hù)原理

金屬腐蝕的過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。當(dāng)某種金屬浸入電解質(zhì)溶液中時(shí)，金屬表面和溶液之間會(huì)建立起一個(gè)電位，也就是電化學(xué)中的自然腐蝕電位。在電解質(zhì)溶液中的金屬上施加直流電，金屬的自然腐蝕電位就會(huì)發(fā)生變化，即偏離穩(wěn)定電位而極化。具有鈍化性傾向的金屬在進(jìn)行陽(yáng)極極化時(shí)，如果電流達(dá)到足夠大，在金屬表面上能夠生成一層具有很高耐蝕性能的鈍化膜而使電流減少，金屬表面呈鈍態(tài)。施加較小的電流就可以維持這種鈍化狀態(tài)，從而減輕金屬在電解液中的腐蝕[1-2]。陽(yáng)極鈍化曲線如圖1所示。

圖1　陽(yáng)極鈍化曲線示意

如圖1所示，在A點(diǎn)時(shí)未加陽(yáng)極電壓，金屬處于自腐蝕狀態(tài)，自腐蝕電位為EA。加陽(yáng)極電壓后，從A點(diǎn)到B點(diǎn)的電流密度隨著電位的上升而增大，到B點(diǎn)時(shí)電流密度不再上升，達(dá)到極大值IM。在此區(qū)間，金屬表面處于活性溶解狀態(tài)，稱為活化區(qū)。當(dāng)電位超過(guò)B點(diǎn)后，電流密度開(kāi)始隨電位上升而下降，在C點(diǎn)降到最小值IF，金屬表面進(jìn)入鈍化狀態(tài)。BC段金屬表面處于活化—鈍化不穩(wěn)定狀態(tài)，叫做過(guò)渡區(qū)。從C點(diǎn)到D點(diǎn)，電位變化時(shí)電流密度變化很小，金屬表面處于穩(wěn)定的鈍化狀態(tài)，稱為鈍化區(qū)。該區(qū)域的電位范圍ED-EC稱為維鈍電位區(qū)間，是陽(yáng)極保護(hù)所要控制的電位區(qū)間[3]。D點(diǎn)以后，電流密度又開(kāi)始隨電位上升而上升，此區(qū)間內(nèi)金屬腐蝕重新加劇，稱為過(guò)鈍化區(qū)。

根據(jù)陽(yáng)極鈍化現(xiàn)象，把需保護(hù)設(shè)備的金屬表面作陽(yáng)極，從濃硫酸中引出電極作為陰極，通過(guò)施加電流，使其產(chǎn)生陽(yáng)極極化，迅速通過(guò)制鈍電位，進(jìn)入鈍化區(qū)并維持電位在這個(gè)區(qū)域，以達(dá)到減輕金屬設(shè)備腐蝕的目的。

2　陽(yáng)極保護(hù)系統(tǒng)

陽(yáng)極保護(hù)系統(tǒng)由濃硫酸設(shè)備本體（陽(yáng)極）、陰極、參比電極（包括控參和監(jiān)參）、恒電位儀以及電線電纜組成（見(jiàn)圖2）。

圖2　陽(yáng)極保護(hù)酸冷卻器電氣系統(tǒng)接線示意

2.1電極

1)陽(yáng)極。被保護(hù)的設(shè)備部分，包括殼程以及所有與濃硫酸接觸的不銹鋼表面。在外殼上直接焊出不銹鋼接線板作為主陽(yáng)極。

2)陰極。作為陰極的金屬電極引出溶液的電位，形成陽(yáng)極—濃硫酸—陰極的電流回路。每一臺(tái)酸冷器有8根兩端插入（干燥/一吸）或3根單端插入（二吸）的主陰極。殼程不通硫酸時(shí)陰極與被保護(hù)體之間是絕緣的，陰極上襯有熱擠壓成型的聚四氟乙烯絕緣套管。聚四氟乙烯管上均勻分布著許多圓孔，使陽(yáng)極、濃硫酸和陰極之間構(gòu)成的電流回路在電流分布上比較均勻。

3）參比電極。參比電極包括控參電極和監(jiān)參電極，用于電位的控制和監(jiān)測(cè)?？貐㈦姌O設(shè)在主管殼的入酸口，監(jiān)參電極設(shè)在主管殼的出酸口。參比電極均襯聚四氟乙烯管，以便達(dá)到與主陽(yáng)極絕緣及法蘭密封的目的。

2.2恒電位儀

系統(tǒng)采用的是無(wú)控制器分體式恒電位儀，由信號(hào)變送部分和極化電源部分組成。恒電位儀有控參、監(jiān)參及陽(yáng)信三路輸入信號(hào)，分別為來(lái)自于酸冷卻器上控參電極和監(jiān)參電極及主陽(yáng)極的mV信號(hào)。通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的非標(biāo)信號(hào)被轉(zhuǎn)換為4~20 mA DC的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送DCS。至DCS的輸出電壓、輸出電流信號(hào)由恒電位儀內(nèi)的直流電源輸出端引出。恒電位儀面板上帶有輸出電流、輸出電壓的顯示。由DCS發(fā)出的4~20 mA DC控制信號(hào)經(jīng)控制模塊轉(zhuǎn)換為0~5 V DC的電壓信號(hào)，送恒電位儀內(nèi)的調(diào)壓器，通過(guò)調(diào)節(jié)執(zhí)行系統(tǒng)中交流電壓的大小，控制了直流電源的輸出。

為減小電纜長(zhǎng)度，恒電位儀應(yīng)設(shè)于酸冷卻器旁，酸冷卻器至恒電位儀的電纜長(zhǎng)度應(yīng)〈100 m。

2.3控制電纜

電纜分電源電纜和信號(hào)電纜。主陰極和主陽(yáng)極的聯(lián)線采用YZ1×35 mm2（干燥/一吸）或YZ2×6 mm2（二吸）電纜,電纜截面積是依據(jù)最大輸出電流，并考慮一定余量選用。由于控參電極和監(jiān)參電極的信號(hào)是mV信號(hào),易受外界干擾,因此選用了RVVP 1×1 mm2的單芯屏蔽電纜。

3　控制系統(tǒng)

3.1輸入輸出信號(hào)及調(diào)節(jié)回路

DCS中陽(yáng)極保護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)控信號(hào)均為4~20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),包括:1)控參電位,控制用參比電極的電位信號(hào)，量程-2~2 V;2)監(jiān)參電位,監(jiān)測(cè)用參比電極的電位信號(hào)，量程-2~2 V;3)輸出電壓,即恒電位儀的輸出電壓，量程0~30 V；4)輸出電流：恒電位儀的輸出電流，量程0~150 A（干燥/一吸）或0~300 A（二吸）。5)至執(zhí)行系統(tǒng)的控制信號(hào)，量程0~5 V。信號(hào)的報(bào)警值等參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　信號(hào)參數(shù)

恒電位儀的控制實(shí)際上就是一個(gè)控參電位的負(fù)反饋單回路調(diào)節(jié)回路，輸入信號(hào)為控參電位信號(hào)，輸出為至恒電位儀的控制信號(hào)。當(dāng)控參電位大于內(nèi)部設(shè)定值時(shí)，輸出的控制信號(hào)將減?。划?dāng)控參電位小于內(nèi)部設(shè)定值時(shí)，輸出的控制信號(hào)將增大，采用比例積分PI的調(diào)節(jié)方式。

對(duì)工藝控制來(lái)說(shuō)，控參信號(hào)和監(jiān)參信號(hào)可以互換，但從控制特性來(lái)看，由于入酸端的電位信號(hào)能更快速地反映酸溫、酸濃以及流速等參數(shù)變化所產(chǎn)生的影響，因此把進(jìn)酸端的信號(hào)作為控制信號(hào)可使調(diào)節(jié)更及時(shí)，從而更有利于保護(hù)設(shè)備。

3.2聯(lián)鎖保護(hù)邏輯

在生產(chǎn)過(guò)程中，由于工藝參數(shù)變化較大等原因，可能會(huì)造成控參控制的較大波動(dòng)，為此對(duì)輸出電流等參數(shù)設(shè)置了聯(lián)鎖保護(hù)，以適應(yīng)極端情況的發(fā)生，保證生產(chǎn)的基本穩(wěn)定。當(dāng)輸出電流大于最大電流時(shí)，控制信號(hào)將以每5秒1%的速度減小,直至輸出電流不大于最大電流時(shí)，控參電位調(diào)節(jié)回路才將起作用，同時(shí)設(shè)控制信號(hào)的負(fù)值切除保護(hù)?？刂葡到y(tǒng)邏輯關(guān)系框圖見(jiàn)圖3。

圖3　控制系統(tǒng)邏輯關(guān)系

3.3系統(tǒng)調(diào)試及運(yùn)行

在系統(tǒng)通電運(yùn)行前，需要先進(jìn)行不通電檢查，通過(guò)模擬信號(hào)源進(jìn)行檢查和校準(zhǔn)，確保傳輸?shù)妮斎胼敵鲂盘?hào)的正確性。通電運(yùn)行后，還需對(duì)相關(guān)電位等參數(shù)進(jìn)行實(shí)測(cè)，并與DCS顯示值進(jìn)行校對(duì)以驗(yàn)證信號(hào)傳輸?shù)恼_。恒電位儀本身具有模擬負(fù)載測(cè)試功能，可在無(wú)真實(shí)負(fù)載的情況下對(duì)儀器的控制、輸出等功能進(jìn)行模擬測(cè)試，方便維修人員對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的故障檢測(cè)及維修。

操作方式上，在恒電位儀上可進(jìn)行本地/遠(yuǎn)方的切換。本地手動(dòng)操作用于在設(shè)備的調(diào)試階段，通過(guò)調(diào)恒電位儀內(nèi)的電位器直接控制電流、電壓輸出。在遠(yuǎn)方（即DCS上）的控制狀態(tài)分為手動(dòng)和自動(dòng)。手動(dòng)控制用于開(kāi)車停車或酸濃、酸溫等變化過(guò)快時(shí)引起的電流、電位變化過(guò)大的情況，也用于致鈍調(diào)試時(shí)。當(dāng)手動(dòng)控制致鈍電流一直到各電位比較平穩(wěn)時(shí)，系統(tǒng)可切入到自動(dòng)狀態(tài)。

對(duì)于控參電位設(shè)定值，為取得好的保護(hù)效果，理論上控參電位和監(jiān)參電位應(yīng)處于圖1中的CD區(qū)域內(nèi)，而區(qū)域中間的F點(diǎn)是安全裕量最大的一點(diǎn)，為最佳工作點(diǎn)。由于檢測(cè)點(diǎn)硫酸溫差等原因，控參電位和監(jiān)參電位總是存在偏差，很少有一致的情況。因此，實(shí)際使用中控參電位設(shè)定值的確定，必須兼顧好整個(gè)殼體內(nèi)電流、電位的分布情況，使各電位處于以最佳控制值為中心的安全區(qū)域內(nèi)[4]。

工藝參數(shù)（如酸溫、酸濃、酸流量等）的變化會(huì)使鈍化膜不穩(wěn)定，使電流和電位發(fā)生變化。比如酸溫升高時(shí)，輸出電流會(huì)增大；酸濃降低時(shí)，輸出電流也會(huì)增大。因此保持工藝參數(shù)的穩(wěn)定是陽(yáng)極保護(hù)系統(tǒng)良好運(yùn)行的關(guān)鍵。

使用較長(zhǎng)時(shí)間后，如果控參電位與監(jiān)參電位的差值越來(lái)越不穩(wěn)定，可能是有酸泥沉淀在主陰極或控參電極和監(jiān)參電極上，需進(jìn)行清洗。

4　結(jié)論

該套由DCS控制的陽(yáng)極保護(hù)酸冷卻器控制系統(tǒng)在紫金銅業(yè)投入運(yùn)行以來(lái)，運(yùn)行良好，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和操作的靈活性;同時(shí)DCS的歷史趨勢(shì)記錄、報(bào)表打印、聲光報(bào)警等強(qiáng)大功能又為陽(yáng)極保護(hù)酸冷器的運(yùn)行管理、操作記錄及故障分析等工作提供了完善的技術(shù)支持。

[1]天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院.陽(yáng)極保護(hù)維護(hù)技術(shù)[EB/OL]. [2014-08-16](2015-01-12).http://wenku.baidu.com/link?url= JT3r5kwvSCgMltZT1dHkMqCD9WQyhjlvuhsRcK_BeKOUNGWzB2eM-SYLlT-xIDh2CXBT9dI0UD56RMsnfW7CWPZ0lhkSxiq 46qP00sMSeO3.

[2]曾儒斯.一種新型陽(yáng)極保護(hù)恒電位儀的設(shè)計(jì)[D].大連：大連交通大學(xué)，2012.

[3]蘇樂(lè)波,宋春梅.陽(yáng)極保護(hù)技術(shù)在硫磺制酸裝置中的應(yīng)用[J].瀘天化科技,2011(1):42-44.

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Control of Anodic Protection Acid Cooler

BAI Tian
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

Potentiostat is commonly adopted to complete control function in anodic protection concentrated acid cooler,flexibility and adaptability of control function is affected because it cannot be used in DSC for control.According to principle of anodic protection and working principle and system composition of anodic protection acid cooler,one set of anodic protection acid cooler control system controlled by DCS is established in Zijin Copper Industry Company.By analyzing input/output signal,control circuit, interlocking protection logic and system commissioning and operation,it can be seen that perfect technical support of the system is provided for operation management of anodic protection acid cooler.

anodic protection;potentiostat;control parameters;control system

TP273

B

1004-4345(2015)04-0043-03

2015-03-27

白天（1964—），男，高級(jí)工程師，主要從事生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的設(shè)計(jì)工作。