焙燒爐燃燒站中泄漏控制檢測

孟 靜 ，趙彥如

（1.河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，河南 焦作454000；2.中鋁中州鋁業(yè)有限公司，河南 焦作454174）

氫氧化鋁焙燒是氧化鋁生產(chǎn)工藝中最后一道工序，焙燒的目的是在1000℃左右的高溫下把氫氧化鋁的附著水和結(jié)晶水脫除，從而生產(chǎn)出符合電解要求和其他用途的氧化鋁[1]。在國外，美國多數(shù)采用的是流態(tài)化閃速焙燒爐，德國采用的是循環(huán)流態(tài)焙燒爐，國內(nèi)氧化鋁企業(yè)包括中國鋁業(yè)、山東信發(fā)等大多數(shù)采用的是丹麥的氣體懸浮焙燒爐，氣體懸浮爐采用了在干燥段設(shè)計安裝干燥加熱燃燒站，當(dāng)供料氫氧化鋁附水含量增加時，只需啟動干燥熱發(fā)生站來增加干燥段的熱量，從而避免了廢氣量大增而大量熱能損失，同時采用多段燃燒站的控制方式，將固體顆粒與熱氣流直接混合接觸并均勻分布于其中，強化了傳質(zhì)、傳熱的過程，其熱效利用率可達(dá)80%[2]。本文詳細(xì)介紹了焙燒爐燃燒站的構(gòu)成、工作原理、安全及連鎖控制的使用和測試結(jié)果。通過合理的配置燃燒站和控制燃燒站的運行，防止煤氣泄漏，達(dá)到使焙燒爐安全穩(wěn)定運行的目的。

1 泄漏檢測系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理

氣體懸浮焙燒爐采用的燃?xì)饨^大部分是熱值較高的焦?fàn)t煤氣或者天然氣，因此用氣的安全條件較為嚴(yán)格，同時燃燒站配套設(shè)備的泄漏檢測也必須細(xì)化[3]。為了實現(xiàn)泄漏控制程序，一般采用三套氣動開關(guān)閥（分別為放散閥V05、安全閥V03和切斷閥V04），并配合兩個壓力開關(guān)（46B1和46B2）以及泄漏控制器LDU11來分別檢測三套閥門之間的泄漏情況（LDU11為SIEMENS公司生產(chǎn)的專門用于氣體泄漏檢測的機械裝置）。

泄漏控制系統(tǒng)中的控制閥門和各種變送器均采用防爆型，主要是在系統(tǒng)啟動時測試V04、V03、V05閥門是否泄漏，是整個燃燒站的核心部分。快關(guān)閥V04、V03、V05是否泄漏，關(guān)系到燃燒站設(shè)備和運行人員的安全。因此，在燃燒站運行前，首先必須對其進(jìn)行泄漏檢測。

從圖1中可以看出，燃?xì)庥捎覀?cè)首先通過V02閥，進(jìn)入管道，燃燒站點起時V02閥一般開至20%左右即可，待燃燒站完全點燃，焙燒爐穩(wěn)定燃燒后，V02閥交由主控控制，操作工根據(jù)工藝實際情況進(jìn)行V02閥的調(diào)節(jié)，以控制進(jìn)入爐膛內(nèi)的燃?xì)饬俊Ｃ簹膺M(jìn)入爐體內(nèi)之前，必須要進(jìn)行泄漏控制檢測，檢漏測試前必須確認(rèn)安裝在爐體之前的兩道安全截止閥即V03安全閥和V04切斷閥無泄漏。煤氣安全檢漏在點火前一次完成，點火前只有V05放散閥為打開狀態(tài)，其他閥均為關(guān)閉狀態(tài)[4]。

圖1 泄漏控制檢測示意圖

煤氣從V02閥進(jìn)入后，開始充滿V03閥的前側(cè)，此時V03閥為關(guān)閉狀態(tài)，V05放散閥為打開狀態(tài)，此時V04閥亦為關(guān)閉狀態(tài)。這樣在V03閥至V04閥這一段，即形成泄漏控制檢測管道段，用以檢測煤氣是否在這兩個安全截止閥門處有泄漏，從而在燃燒站點起之前，為焙燒爐的安全穩(wěn)定運行提供保障。

1.1 泄漏控制檢測相關(guān)配置

進(jìn)行泄漏控制檢測，是整個燃燒站系統(tǒng)的安全中心。不僅僅要使用三套氣動開關(guān)閥，實現(xiàn)對閥門V03、V04、V05的泄漏控制檢測，還要有配套的高低壓力開關(guān)，即46B1高壓壓力開關(guān)和46B2低壓壓力開關(guān)，在配合LDU11泄漏控制器使用的時候，能夠有效地幫助進(jìn)行對V03安全閥和V04切斷閥的泄漏檢測。

LDU11泄漏控制器機械裝置的運轉(zhuǎn)，還牽涉到8個隔離繼電器（包含輸入及輸出），分別為：高低壓力開關(guān)信號隔離46K1/46K2；LDU11控制信號隔離166K2；復(fù)位信號隔離166K3；泄漏釋放信號隔離45K2；泄漏報警信號隔離45K1；V03/V05閥門控制信號隔離45K4/45K3[5]。

1.2 一次設(shè)備控制模式和配置

1.2.1 高、低壓壓力開關(guān)

46B1高壓壓力開關(guān)現(xiàn)場的接線端子有三個，分別為：1、2、3.進(jìn)PLC的線是1和3即常閉觸點，分別進(jìn)PLC柜內(nèi)的X3端子排的21和20端子，用于觸發(fā)46K1繼電器，正常時失電吸合，繼而進(jìn)入泄漏控制器程序控制當(dāng)中，用以在泄漏控制檢測中進(jìn)行判斷46K1繼電器是否動作，高壓壓力開關(guān)是否觸發(fā)[6]。

46B2低壓壓力開關(guān)現(xiàn)場的接線端子有三個，分別為：1、2、3.進(jìn)PLC的線是2和3即常開觸點，分別進(jìn)PLC柜內(nèi)的X3端子排的23和22端子，用于觸發(fā)46K2繼電器，正常時失電斷開，繼而進(jìn)入泄漏控制器程序控制當(dāng)中，用以在泄漏控制檢測中進(jìn)行判斷46K2繼電器是否動作，低壓壓力開關(guān)是否觸發(fā)。1.2.2 V03、V04閥限位開關(guān)在PLC上的燈指示

V03、V04閥采用限位開關(guān)向控制系統(tǒng)傳送信號，使用直流檔測量電壓值，接近時為8.32DCV，遠(yuǎn)離時為4.37DCV.

經(jīng)過隔離以后的限位信號送至PLC的DI模塊，接通時為0DCV，斷開時為24DCV，同時對應(yīng)的DI指示燈亮。V03閥接近開關(guān)限位進(jìn)PLC柜內(nèi)后，進(jìn)145N2隔離器，PLC上通道指示為E1.2（開CH1）和E1.3（關(guān)CH2）；V04閥接近開關(guān)限位進(jìn)PLC柜內(nèi)后，進(jìn)145N3隔離器，PLC上通道指示為E1.4（開CH1）和E1.5（關(guān)CH2），如圖2所示。

圖2 V03、V04閥在PLC上的限位指示圖

2 結(jié)合泄漏控制原理圖、時序圖實現(xiàn)檢漏過程

2.1 泄漏控制原理圖

泄漏控制器的工作原理如圖3所示，當(dāng)燃燒站走至第八步需要進(jìn)行泄漏檢測時，由PLC程序發(fā)出命令控制166K2繼電器得電吸合，同時在燃?xì)鈮毫﹂_關(guān)43K、助燃風(fēng)壓力開關(guān)43K4以及壓縮風(fēng)壓力開關(guān)43K6均得電吸合的情況下，即當(dāng)前燃?xì)饬?、助燃風(fēng)量、壓縮風(fēng)量均達(dá)到壓力開關(guān)的低限值后，泄漏控制器LDU11開始工作[7]。

圖3 泄漏控制原理圖

而在泄漏控制進(jìn)行的過程當(dāng)中，一旦有報警，就會觸發(fā)45K1繼電器，此時泄漏控制器終止程序運行，燃燒站點起失敗，需要按下166K3復(fù)位按鈕，使泄漏控制器回至初始狀態(tài)，重新進(jìn)行下一輪的泄漏控制檢測。而泄漏控制檢測一旦通過，則會通過45K2繼電器觸發(fā)進(jìn)行泄漏控制結(jié)束的一個釋放動作，告知PLC泄漏控制檢測已經(jīng)完全結(jié)束，可以讓燃燒站進(jìn)行下一個步驟[8]。

而具體是如何對V03閥和V04閥進(jìn)行泄漏控制檢測的，還要結(jié)合時序圖來分析。

2.2 時序圖

圖4為泄漏控制器的時序圖。從圖中可以看出，在機械式的LDU11從開始運轉(zhuǎn)到最后燃?xì)庑孤┛刂茩z測結(jié)束期間，按照時間順序，都產(chǎn)生了哪些動作。以橫軸為坐標(biāo)軸可以看到，泄漏控制器LDU11是從一個三角形標(biāo)志開始機械運轉(zhuǎn)的，持續(xù)時間為2.5 s，經(jīng)過一個空心的矩形塊，持續(xù)時間為5 s的t4之后，到達(dá)TEST1階段，也即持續(xù)時間為22.5 s的t1，再經(jīng)過一個實心的矩形塊，也即持續(xù)時間為5 s的t3之后，到達(dá)TEST2階段，即持續(xù)時間為27.5 s的t2，最后經(jīng)過釋放持續(xù)時間為22.5 s的t20階段以后，重新回到三角形標(biāo)志起始位置，總共時長為90 s.

圖4 泄漏控制時序圖

在時序圖的頂端，有A、B、C三個點位，AB之間代表了控制閥門向泄漏檢測區(qū)域即V03閥到V04閥之間排氣和充氣進(jìn)行實際的泄漏控制檢測，BC之間代表了泄漏通過之后的釋放階段，將泄漏控制器循環(huán)機械運動至初始位置。AB之間持續(xù)時間為66.3 s的t5，是閥門驗證測試時間總計，包含了T4、T6、T1、T3、T2階段。BC之間是持續(xù)時間為22.5 s的t20，是泄漏控制檢測完畢釋放階段[9]。

2.2.1 檢測V03閥是否泄漏

其中t4階段持續(xù)時間為5 s，主要動作是測試區(qū)域排氣，將V05放散閥打開，此時觸發(fā)繼電器45K3（見圖1）。t6階段為泄漏控制器從啟動到自身主繼電器動作的時間，包含了t4階段。而t1階段即TEST1，持續(xù)22.5 s，主要動作過程是將V05放散閥關(guān)閉，檢查V03閥的泄漏情況。此時由于V03閥前充滿煤氣，大約400 mbar，如若V03泄漏，管道內(nèi)泄漏檢測測試區(qū)域泄入一定量的燃?xì)?，到達(dá)低壓開關(guān)的低限值后，將會導(dǎo)致46B2低壓壓力開關(guān)觸點吸合，此信號經(jīng)過隔離繼電器送至LDU11，促使LDU11報警45K1，停止檢漏，并將報警信號送至PLC，使燃燒器站無法繼續(xù)啟動。如若V03無泄漏，46B2開關(guān)保持常開位置，執(zhí)行下一步。

2.2.2 檢測V04閥是否泄漏

而t3階段持續(xù)時間為5 s，將V03閥打開5 s后關(guān)閉，使泄漏檢測測試區(qū)域充滿煤氣，其壓力同樣為400 mbar.t2階段即TEST2，持續(xù)27.5秒，主要目的在于檢查V04的泄漏情況。如若V04泄漏，泄漏檢測測試區(qū)域煤氣壓力值將低于高壓壓力開關(guān)限值，46B1高壓壓力開關(guān)保持常閉位置，此信號經(jīng)過隔離繼電器送至LDU11，促使LDU11報警45K1，停止檢漏，報警信號送至PLC，使燃燒器站無法繼續(xù)啟動。如若V04無泄漏，測試區(qū)域沒燃?xì)鈮毫χ蹈哂诟邏簤毫﹂_關(guān)限值，46B1開關(guān)常閉觸點斷開，執(zhí)行下一步。

2.2.3 泄漏檢測通過

t20持續(xù)時間為22.1 s，即為泄漏檢測完成，LDU11送出釋放信號45K2到PLC，PLC繼續(xù)執(zhí)行其它任務(wù)。

3 結(jié)束語

泄漏控制檢測能夠檢測出設(shè)備10 mbar范圍內(nèi)的燃?xì)庑孤?，在確認(rèn)安全，燃?xì)鉄o泄漏的前提下提高了焙燒爐一次點火成功率，縮短焙燒爐啟動時間20%，有效提高故障判斷和處理效率。在燃燒站點火之前，進(jìn)行泄漏控制檢測，是對安全方面提出的一個巨大考量，這種結(jié)合三套氣動閥進(jìn)行泄漏檢測的方式，完全滿足了焙燒爐燃燒站安全上的需要。

[1]童美松.煤氣泄漏報警原理用于潛艇消氫系統(tǒng)的自動控制設(shè)計[J].海軍工程學(xué)院學(xué)報，1995，92（3）:28-29，34.

[2]孫 寧.煤氣泄漏報警及智能排險系統(tǒng)設(shè)計[J].科技視界，2013，33（4）:7-27.

[3]姜金海.基于次聲波的供熱管道泄漏檢測系統(tǒng)設(shè)計[D].大慶：東北石油大學(xué)，2013.

[4]鄒 兵，丁德武，朱勝杰，等.石化企業(yè)設(shè)備密封點泄漏檢測技術(shù)研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2011，12（8）:192-196.

[5]彭 柯.基于SCADA系統(tǒng)的原油管道泄漏檢測關(guān)鍵技術(shù)研究[D].天津：天津大學(xué)，2004.

[6]樊英峰，王誓學(xué)，廉曉霞.氧化鋁流態(tài)化焙燒爐的應(yīng)用及優(yōu)化[J].有色冶煉，2003，4（12）:42-44.

[7]胥 杰.焙燒爐煙氣污染防治對策的探討[J].湖南有色金屬，2007，3（9）:42-46.

[8]張存兵.焦?fàn)t煤氣在氫氧化鋁流態(tài)化閃速焙燒爐應(yīng)用的節(jié)能分析[J].有色冶金節(jié)能，2007，2（13）:19-23.

[9]劉亞平，劉 偉.氫氧化鋁氣體懸浮焙燒爐在我國的應(yīng)用與改造[J].世界有色金屬，1998，9（17）:24-29.