石灰粉投加自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉朝霞，陰聚寶

(1. 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)大連培訓(xùn)中心，遼寧 大連 116013； 2. 遼陽(yáng)石化公司煉油廠，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

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石灰粉投加自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

劉朝霞1，陰聚寶2

(1. 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)大連培訓(xùn)中心，遼寧 大連 116013； 2. 遼陽(yáng)石化公司煉油廠，遼寧 遼陽(yáng) 111003)

摘要：針對(duì)石灰粉法脫硫工藝中石灰粉投加量不準(zhǔn)確、脫硫效果不穩(wěn)定、pH值波動(dòng)大等缺陷，采用西門(mén)子S7-200系列PLC設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套石灰粉投加自動(dòng)控制系統(tǒng)。闡述了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及工作流程，為原脫硫系統(tǒng)改造提供了良好的解決方案和對(duì)策。實(shí)際應(yīng)用證明該系統(tǒng)能夠達(dá)到高效的控制改進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：可編程控制器傳感器觸摸屏石灰法脫硫料倉(cāng)

石灰粉法脫硫工藝具有運(yùn)行成本低、脫硫效果好、設(shè)備配置簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于脫硫項(xiàng)目上。它的作用原理是將石灰粉加水制成脫硫液，作為吸收劑加入吸收塔與煙氣充分接觸吸收，煙氣中的二氧化硫與脫硫液中的碳酸鈣以及從塔下部進(jìn)入的空氣進(jìn)行氧化反應(yīng)生成硫酸鈣，硫酸鈣達(dá)到一定飽和度后，結(jié)晶形成二水石膏，達(dá)到脫硫目的，故石灰粉漿液的制備對(duì)脫硫效果有很大影響。

原投加系統(tǒng)采用斗式提升機(jī)上料，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且造成二次揚(yáng)塵；給料采用螺旋輸送機(jī)輸送，無(wú)自動(dòng)控制，注水管采用自流的方式，造成給料量(脫硫劑配量)不準(zhǔn)確，pH值波動(dòng)大，脫硫效果不穩(wěn)定；未反應(yīng)完的石灰粉直接進(jìn)入沉淀池中，造成脫硫劑的浪費(fèi)以及石灰粉投加設(shè)備和投加管道的沉積和堵塞。因此，需要在工藝設(shè)計(jì)上加以改進(jìn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)合理適用的石灰粉投加自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1石灰粉投加自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后的石灰粉投加自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括：

1) 料倉(cāng)系統(tǒng)。石灰儲(chǔ)罐里的石灰粉經(jīng)吸槍、5m 長(zhǎng)吸料軟管，由氣動(dòng)真空吸料器吸到5m3料倉(cāng)；在料倉(cāng)頂部設(shè)1臺(tái)負(fù)壓除塵器，處理石灰粉落入料倉(cāng)后產(chǎn)生的揚(yáng)塵；料倉(cāng)設(shè)有料位計(jì)；料倉(cāng)頂部安裝安全閥，當(dāng)料倉(cāng)壓力達(dá)到設(shè)定上限值時(shí)，將自動(dòng)打開(kāi)卸壓。

2) 料倉(cāng)下料系統(tǒng)。料倉(cāng)下料系統(tǒng)由空氣炮振動(dòng)裝置和密度補(bǔ)償裝置兩部分組成，空氣炮振動(dòng)裝置安裝于料倉(cāng)下部的錐斗上，在下料過(guò)程中與密度補(bǔ)償裝置間歇交錯(cuò)啟動(dòng)，使石灰粉料能連續(xù)不斷地下落，避免出現(xiàn)粉體在下料過(guò)程中的空穴及橋拱現(xiàn)象。

3) 空氣動(dòng)力系統(tǒng)。石灰粉投加系統(tǒng)中，氣動(dòng)真空吸料器、空氣泡振動(dòng)裝置、氣動(dòng)阻隔閥及除塵器等需要使用壓縮空氣，故配備空壓機(jī)、干燥機(jī)、儲(chǔ)氣罐、安全閥、放空閥及氣源轉(zhuǎn)換板。

4) 多螺旋給料系統(tǒng)。采用螺旋推進(jìn)器將料倉(cāng)下料系統(tǒng)出口的石灰粉送入多螺旋給料機(jī)，可以避免溶液罐內(nèi)水汽直接進(jìn)入下料系統(tǒng)或儲(chǔ)料倉(cāng)。多螺旋給料機(jī)配備相應(yīng)齒輪，為滿足投加量需要，采用的螺旋推進(jìn)器最大可投加量為500kg/h。通過(guò)進(jìn)水量或溶液罐溶液pH值調(diào)節(jié)變頻器轉(zhuǎn)速，控制螺旋推進(jìn)器的投加量，以達(dá)到設(shè)定的溶液濃度。

5) 注水系統(tǒng)。注水系統(tǒng)包括減壓閥、流量計(jì)、電磁閥、調(diào)節(jié)閥等，溶液罐進(jìn)水管路口采用雙電磁閥串聯(lián)控制，防止因?yàn)殡姶砰y、壓力變送器、液位計(jì)或流量計(jì)損壞造成罐內(nèi)水位溢流，不需要通過(guò)安裝溢流傳感器來(lái)報(bào)警。

6) 溶液罐系統(tǒng)。在石灰粉投加系統(tǒng)中，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是保證粉料投加的精度。水與一定比例的粉料同時(shí)投入溶液罐，由攪拌器攪拌均勻，制備成所需濃度的乳液。在溶液罐上方加裝水利除塵器，能有效除去石灰石與水反應(yīng)發(fā)生的煙霧，帶走反應(yīng)的熱量。溶液罐下側(cè)安裝投料泵，將乳液輸送到投加點(diǎn)。

2石灰粉投加自動(dòng)控制系統(tǒng)工作流程

圖1　石灰粉投加自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖2　石灰粉投加自動(dòng)控制系統(tǒng)流程示意

該系統(tǒng)采用OMRON變頻器控制，以實(shí)現(xiàn)定量投加，其系統(tǒng)流程如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)由PLC完成自動(dòng)控制，工作狀態(tài)和故障信息可同時(shí)在觸摸屏上顯示。由圖2可知，工作開(kāi)始，在觸摸上設(shè)置液位的上下限值和上上、下下限值，經(jīng)數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器將數(shù)值轉(zhuǎn)換成4～20mA電信號(hào)，并由PLC自動(dòng)控制讀取液位計(jì)的測(cè)量值，由程序判斷液位計(jì)是否達(dá)到下限值，如果達(dá)到下限值，開(kāi)啟石灰輸送泵，在觸摸屏上設(shè)定流量計(jì)的流量，由程序根據(jù)注水流量計(jì)算所需要的精確的石灰投遞量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換將數(shù)值轉(zhuǎn)換成4～20mA電信號(hào)，以此調(diào)節(jié)變頻器的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)石灰粉投加量，并開(kāi)啟水泵開(kāi)始注水，開(kāi)啟攪拌器電機(jī)開(kāi)始攪拌，制成所需要的乳液。測(cè)定乳液pH值，由程序計(jì)算是否合格，若不合格，調(diào)節(jié)變頻器轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)石灰粉的投加量。根據(jù)使用需要，開(kāi)啟投料泵，將合格的乳液投加到投加點(diǎn)進(jìn)行脫硫。檢測(cè)液位是否低于下下限值，如果低于則馬上關(guān)閉投料泵電機(jī)；如果沒(méi)有則繼續(xù)判斷液位是否達(dá)到上限液位值，若達(dá)到則關(guān)閉石灰輸送泵、注水泵、攪拌器電機(jī)。繼續(xù)判斷液位是否低于下限位值，以便開(kāi)始投加石灰粉。同時(shí)判斷液位是否達(dá)到上上限位值，若達(dá)到則開(kāi)啟溶液罐進(jìn)水管路口雙電磁閥串聯(lián)控制，防止乳液溢出。

觸摸屏程序采用DOPSoft 1.01.08設(shè)計(jì)，可以在觸摸屏上查看制備狀態(tài)及更改參數(shù)。采用觸摸屏式的智能人機(jī)界面，所有數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)顯示，系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)也更加簡(jiǎn)便和可靠。

在投加系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中，也可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)手動(dòng)設(shè)置變頻器的轉(zhuǎn)速值，方便檢修維護(hù)。

3結(jié)束語(yǔ)

對(duì)某電廠脫硫石灰粉投加項(xiàng)目進(jìn)行了改造，實(shí)際應(yīng)用證明石灰粉自動(dòng)投加控制系統(tǒng)能夠達(dá)到高效的控制改進(jìn)作用，具有以下優(yōu)勢(shì)：

1) 系統(tǒng)由氣動(dòng)真空吸料器上料，配有負(fù)壓除塵器處理?yè)P(yáng)塵，保證了環(huán)境干凈清潔。

2) 由空氣炮振動(dòng)裝置和密度補(bǔ)償裝置間歇交錯(cuò)啟動(dòng)，解決了粉體在下料過(guò)程中的空穴及橋拱現(xiàn)象。

3) 采用注水流量與pH值相結(jié)合來(lái)控制變頻器轉(zhuǎn)速，控制多螺旋給料機(jī)精確投加石灰。

4) 石灰粉輸送、配液、攪拌、投加、反沖洗全部由PLC程序指令控制實(shí)現(xiàn)，配置的漿液pH值穩(wěn)定，粉狀石灰溶解較充分，很好地解決了石灰投加設(shè)備和投加管道的沉積和堵塞問(wèn)題。

5) 采用觸摸屏式的智能人機(jī)界面，所有數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)顯示，系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)也更加簡(jiǎn)便可靠，可手動(dòng)設(shè)置變頻器的轉(zhuǎn)速值，方便檢修維護(hù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).CECS 372—2014石灰粉料投加系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程[S].北京： 中國(guó)計(jì)劃出版社，2014.

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滑板式控制閥在高可調(diào)比中的應(yīng)用

在流程工業(yè)生產(chǎn)裝置上，經(jīng)常會(huì)遇到一些特殊工況條件，并對(duì)控制閥的選擇帶來(lái)了很多問(wèn)題。例如： 在同一條管道上要求實(shí)現(xiàn)從小流量到大流量輸送控制的工況條件，這對(duì)控制閥選型提出的要求是既要滿足在小流量工況下流量或壓力的穩(wěn)定控制，又要適合大流量工況下流量或壓力平穩(wěn)調(diào)節(jié)。

按照通常的控制閥選型思路，一般都會(huì)考慮采用分程控制回路，即用2臺(tái)控制閥來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，但會(huì)導(dǎo)致設(shè)備投資的增加和工況切換時(shí)流量和壓力的波動(dòng)。

用1臺(tái)直通單座控制閥來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)控制目的，可能會(huì)出現(xiàn)控制系統(tǒng)不穩(wěn)定及其精度不理想以及閥門(mén)振蕩損壞的情況，另外直通閥的閥芯和閥座在小開(kāi)度時(shí)，閥芯和閥座間的節(jié)流間隙很小，易發(fā)生摩擦撞擊而損壞密封面。因此，對(duì)直通單座控制閥的選擇原則是： 滿足可控流量的前提下，盡可能地避開(kāi)控制閥在小開(kāi)度的情況下工作，同時(shí)也必須留有一定的可控余量。

滑板式控制閥具有受流體的不平衡力小，控制穩(wěn)定性好，在全行程范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)正?？刂频葍?yōu)點(diǎn)。當(dāng)氣動(dòng)滑板式控制閥配備智能閥門(mén)定位器時(shí)，最小可控開(kāi)度可以從3%開(kāi)始，最大可到96%(實(shí)際可調(diào)比為32)，而不影響閥門(mén)使用壽命和控制精度。

滑板式控制閥基本參數(shù)如下：

驅(qū)動(dòng)方式： 氣動(dòng)、電動(dòng)、自力式，手動(dòng)；公稱(chēng)直徑：DN15～DN250；公稱(chēng)壓力：PN16～PN100；介質(zhì)溫度： -200～530 ℃。

滑板式控制閥基本性能特點(diǎn)：

節(jié)能、降耗、免維護(hù)；滑板式控制閥由于受到流體介質(zhì)的不平衡力只是常規(guī)直通單座閥的1/10，因而在小開(kāi)度的情況下也能正常運(yùn)轉(zhuǎn)使用?；迨娇刂崎y開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)沒(méi)有直通單座閥那樣的閥芯閥座密封面的碰撞，并且還能在流體介質(zhì)的壓差作用下在開(kāi)關(guān)動(dòng)作的過(guò)程中做自研磨，控制閥的泄漏極小，密封能得到長(zhǎng)期的保證。

該控制閥具有受流體不平衡力小的特點(diǎn)，主要是由滑板式控制閥的特殊結(jié)構(gòu)所決定的。如圖1所示。

滑板式控制閥的節(jié)流原理： 閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)是由兩塊開(kāi)有節(jié)流槽的平板組成的，一塊平板是固定不動(dòng)的，稱(chēng)之為定滑板；另一塊平板與閥桿相連，由閥桿帶動(dòng)，稱(chēng)之為動(dòng)滑板；當(dāng)動(dòng)滑板上下移動(dòng)時(shí)，動(dòng)滑板與定滑板上的節(jié)流槽會(huì)發(fā)生位置上的相對(duì)變化，從而改變節(jié)流面積，起到調(diào)節(jié)流體流量的作用，如圖2所示。

滑板式控制閥閥內(nèi)件的節(jié)流槽是垂直截?cái)嗔黧w的，流體流經(jīng)節(jié)流槽時(shí)會(huì)產(chǎn)生對(duì)節(jié)流槽四周一個(gè)作用力，即通常所說(shuō)的控制閥的不平衡力。該不平衡力可以通過(guò)公式(1)計(jì)算:

FA=Δp·μ·ASlot

(1)

式中：Δp——閥前后壓差；Aslot——流體作用的有效面積；μ——滑板之間的動(dòng)摩擦系數(shù)，μ=0.25。

滑板式控制閥的Aslot不等同于常見(jiàn)的直通單座控制閥的閥芯Aseat，它遠(yuǎn)比直通單座控制閥閥芯受不平衡力有效面積Aseat要小得多。公式(2)是上海源冠自控設(shè)備有限公司的技術(shù)人員，將同口徑和壓力等級(jí)、相近流量系數(shù)的直通單座控制閥和滑板式控制閥在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)對(duì)比所得到的模擬數(shù)據(jù)計(jì)算。

(2)

由公式(2)可知： 在相同的工況條件下，流體介質(zhì)對(duì)滑板式控制閥不平衡力約是直通單座控制閥不平衡力的1/10。

當(dāng)然，克服控制閥的不平衡力，可以通過(guò)提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出力來(lái)實(shí)現(xiàn)，但需要增大執(zhí)行機(jī)構(gòu)的尺寸同時(shí)加粗閥桿以提高閥桿的強(qiáng)度；但是直通單座控制閥在關(guān)閉時(shí)閥芯與閥座的撞擊和摩擦還是不可避免的，密封泄漏難以得到長(zhǎng)期保證。而滑板式控制閥只需較小的執(zhí)行機(jī)構(gòu)就可以輕松克服不平衡力對(duì)控制閥的影響，在微小開(kāi)度時(shí)不會(huì)因不平衡力特別大而引起控制波動(dòng)，同時(shí)在關(guān)閉時(shí)只是動(dòng)滑板與定滑板之間的節(jié)流槽位置的錯(cuò)開(kāi)，沒(méi)有撞擊，并且在閥前壓力的作用下使得動(dòng)滑板能更緊密地與定滑板貼在一起，再也不用擔(dān)心傳統(tǒng)直通閥的閥芯閥座關(guān)閉時(shí)所產(chǎn)生的撞擊帶來(lái)的閥座損壞和密封泄漏問(wèn)題。

以下通過(guò)蘇州化工廠滑板式控制閥實(shí)際應(yīng)用案例作簡(jiǎn)單介紹。

在蘇州化工廠的工況條件為：

流體介質(zhì)： 蒸汽；管道口徑：DN15；閥前壓力： 0.6MPa(G)，閥后壓力： 0.5MPa(G)；最大流量： 10kg/h，正常流量： 5kg/h，最小流量： 1kg/h；操作溫度： 150 ℃。

用戶以前使用直通單座控制閥，實(shí)際工況下的開(kāi)度很小，均在10%開(kāi)度以下，因此控制閥的工作極不穩(wěn)定，即使采用手動(dòng)控制，流量也常難以得到保證，更不能使控制系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，投運(yùn)使用一段時(shí)間后控制閥的泄漏量增大，經(jīng)常要對(duì)該閥進(jìn)行維修工作。

該公司依據(jù)蘇州化工廠這一特定的工況條件，經(jīng)計(jì)算，選擇V8020氣動(dòng)滑板式控制閥，其公稱(chēng)口徑DN15，額定Cv值選擇了0.3。

對(duì)應(yīng)最大流量時(shí)的Cv值為0.209，控制閥的開(kāi)度為68%；對(duì)應(yīng)正常流量時(shí)的Cv值為0.104，控制閥的開(kāi)度為33%；對(duì)應(yīng)最小流量時(shí)的Cv值為0.02，控制閥的開(kāi)度為7.2%。經(jīng)過(guò)6年多的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)使用，滑板式控制閥的控制穩(wěn)定而有效，自控系統(tǒng)也投入了自動(dòng)，自投用以來(lái)未對(duì)該控制閥進(jìn)行維修維護(hù)工作。(上海源冠自控設(shè)備有限公司)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2015)04-0077-02

作者簡(jiǎn)介：劉朝霞(1962—)，女，江西大余人，1985年畢業(yè)于上海理工大學(xué)計(jì)算機(jī)及應(yīng)用專(zhuān)業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)大連培訓(xùn)中心，主要從事網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)及控制工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-04-14，修改稿收到日期： 2015-06-01。