光纖拉絲在線式氦氣回收設(shè)備控制系統(tǒng)

黃 衛(wèi)，羅 輝，徐 濤，王傳喜

(安徽萬(wàn)瑞冷電科技有限公司，安徽 合肥 230088)

光纖拉絲在線式氦氣回收設(shè)備控制系統(tǒng)

黃 衛(wèi)，羅 輝，徐 濤，王傳喜

(安徽萬(wàn)瑞冷電科技有限公司，安徽 合肥 230088)

氦氣是一種非可再生的稀有氣體，也是高比熱容的惰性氣體。在國(guó)內(nèi)光纖拉絲領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，主要作為拉絲爐內(nèi)的導(dǎo)熱氣體和光纖冷卻用氣體。由于氦氣價(jià)格昂貴且需求量逐漸加大，越來(lái)越多的光纖企業(yè)迫切需要使用在線式氦氣回收設(shè)備來(lái)有效的減少氦氣用量，從而降低生產(chǎn)成本。針對(duì)光纖拉絲需要的特殊應(yīng)用環(huán)境，我們分析設(shè)備的工作原理和電氣控制特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套全智能化的先進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以保障設(shè)備高效、安全、可靠的運(yùn)行。

光纖拉絲；氦氣回收設(shè)備；全智能化

1 項(xiàng)目背景

氦氣作為一種稀缺的戰(zhàn)略性資源，廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍工、科學(xué)研究、工業(yè)制造等領(lǐng)域。在國(guó)內(nèi)光纖拉絲制造生產(chǎn)過(guò)程中，氦氣通常作為拉絲爐的導(dǎo)熱氣體和冷卻管內(nèi)冷卻用氣體。

最近幾年，隨著氦氣價(jià)格居高不下，而光纖拉絲制造領(lǐng)域的氦氣需求量不斷加大，因此國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的企業(yè)加入該領(lǐng)域的氦氣回收設(shè)備研制行列中。但大多數(shù)企業(yè)研制的設(shè)備不符合光纖拉絲制造工藝的特殊工況，且設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性不高，必須安排人員值守，導(dǎo)致成本增加，經(jīng)濟(jì)效益不好。

因此，針對(duì)光纖拉絲制造需要的特殊應(yīng)用環(huán)境，迫切需要研制一款高效、智能、可靠、24 h無(wú)人值守的在線式氦氣回收純化設(shè)備，能有效的提高氦氣循環(huán)利用率，從而減少光纖拉絲制造中氦氣的用量，大幅降低企業(yè)購(gòu)買氦氣的開支。

2 在線式氦氣回收設(shè)備技術(shù)指標(biāo)和工作原理

在線式氦氣回收設(shè)備由氦氣回收增壓?jiǎn)卧?、混合氣預(yù)處理單元、氦氣分離純化單元、電氣智能控制單元組成。系統(tǒng)要求氦氣進(jìn)氣純度≥30%；氦氣供氣純度≥99%；處理量20～150 L/min；供氣壓力0.2～0.3 MPa；氦氣循環(huán)利用率≥60%。圖1為在線式氦氣回收設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖

從拉絲爐的排氣口和冷卻管的下端抽氣口將氦氣收集到氦氣回收增壓?jiǎn)卧ㄟ^(guò)壓縮增壓將氣體送入混合氣預(yù)處理單元，凈化后的氣體再送入氦氣分離純化單元，純化后得到的大于99%的氦氣，在線送回冷卻管供光纖拉絲生產(chǎn)使用。

氦氣回收增壓?jiǎn)卧饕沙闅庋b置將拉絲爐或冷卻管中氦氣收集起來(lái)，通過(guò)壓縮機(jī)工作產(chǎn)生的吸力將氣體從多路抽氣裝置吸入并混合，再由檢測(cè)裝置對(duì)混合氣的純度和流量進(jìn)行檢測(cè)送入混合氣預(yù)處理單元。

混合氣預(yù)處理單元由油水分離器、冷干機(jī)、過(guò)濾器、加熱器組成。經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)增壓的混合氣中含有較多的油水,需要先由油水分離器進(jìn)行處理，再將氣體送入冷干機(jī)，由冷干機(jī)將混合氣中的氣態(tài)水形成液態(tài)水通過(guò)排水閥排出，處理后的氣體通過(guò)過(guò)濾器去除小顆粒、粉塵，再由加熱器將混合氣體進(jìn)行加熱，維持混合氣體溫度在30～50℃可調(diào)。

氦氣分離純化單元是將加壓凈化處理后的混合氣送入多級(jí)膜分離組件進(jìn)行提純。當(dāng)純度檢測(cè)≥99%時(shí)，由供氣緩沖罐將氣體穩(wěn)壓在0.2～0.3 MPa，再供到光纖拉絲冷卻管用氦氣柜；當(dāng)純度不達(dá)標(biāo)時(shí)，供氣閉環(huán)裝置開啟，自動(dòng)將不達(dá)標(biāo)氣體返回到氦氣回收增壓?jiǎn)卧?/p>

3 項(xiàng)目對(duì)控制系統(tǒng)的要求

設(shè)備面向工業(yè)化需求，要求滿足24 h不間斷運(yùn)行、全智能化、安全、可靠等性能。設(shè)備要求在不影響生產(chǎn)工藝的情況下，最大程度的回收拉絲爐和冷卻管中的氦氣，并和光纖拉絲生產(chǎn)線保持信號(hào)通訊，根據(jù)生產(chǎn)工況自動(dòng)開停機(jī)并開啟相應(yīng)的安全保護(hù)措施。另外，控制系統(tǒng)需要自動(dòng)對(duì)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的主要參數(shù)進(jìn)行記錄，并可以通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方式查看設(shè)備效益相關(guān)的數(shù)據(jù)，方便統(tǒng)計(jì)、分析出設(shè)備的節(jié)氣效率和經(jīng)濟(jì)效益。

4 在線式氦氣回收設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1控制系統(tǒng)介紹

控制系統(tǒng)選用工業(yè)化應(yīng)用的西門子PLC和Proface觸摸屏組成，執(zhí)行和采集元件包括：溫度傳感器、壓力變送器、純度分析儀、質(zhì)量流量控制器、電磁閥、中間繼電器、接觸器、熱過(guò)載、固態(tài)繼電器等。如圖2所示，PLC對(duì)溫度、壓力、流量、純度、各設(shè)備和閥門狀態(tài)、生產(chǎn)線氦氣用量進(jìn)行采集，將各數(shù)據(jù)傳輸?shù)接|摸屏上直觀顯示，軟件根據(jù)采集的參數(shù)信號(hào)對(duì)系統(tǒng)各個(gè)執(zhí)行元件進(jìn)行自動(dòng)控制。當(dāng)生產(chǎn)工藝參數(shù)有所變動(dòng)時(shí)，可以在觸摸屏上事先設(shè)定的人機(jī)交互界面進(jìn)行參數(shù)修改，保證系統(tǒng)控制設(shè)置與生產(chǎn)工藝相匹配。設(shè)備具有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)置、存儲(chǔ)輸出、各設(shè)備狀態(tài)顯示以及進(jìn)行各種控制、生成曲線、數(shù)據(jù)查看、遠(yuǎn)程報(bào)警等功能。觸摸屏具有USB口，可以將記錄的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)導(dǎo)出。

4.2智能自動(dòng)收氣控制功能

光纖拉絲有拉絲生產(chǎn)階段和拉絲間歇階段，其中拉絲間歇階段拉絲爐和冷卻管是不用氦氣的，這期間對(duì)應(yīng)的回收線不進(jìn)行氦氣回收，且為了保證拉絲生產(chǎn)中工藝穩(wěn)定和設(shè)備回收氣體的純度≥30%，氦氣回收過(guò)程中各回收線的開停和氣體的抽速必須進(jìn)行合理控制。因此系統(tǒng)在各路抽氣管路中設(shè)有質(zhì)量流量控制器(即MFC)。

電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將各路生產(chǎn)線氦氣用量的信號(hào)通過(guò)信號(hào)倍增器轉(zhuǎn)換出一路4～20 mA信號(hào)傳輸?shù)絇LC控制系統(tǒng)，從而保證設(shè)備和光纖拉絲生產(chǎn)線保持通訊。PLC控制系統(tǒng)讀取每條線的當(dāng)前氦氣用量信號(hào)和拉絲速度穩(wěn)定后的氦氣用量對(duì)比后處理信號(hào)，再輸出控制信號(hào)到MFC，由MFC智能調(diào)節(jié)閥門開度，精確控制單線回收氣體的流量大小。從而避免拉絲線因?yàn)槌樗龠^(guò)快導(dǎo)致工藝不穩(wěn)定，且保證從各路拉絲線抽取回來(lái)的混合氣純度達(dá)標(biāo)。

圖2 控制系統(tǒng)示意圖

圖3 收氣流程示意圖

如圖3所示，從各路MFC抽取過(guò)來(lái)的混合氣經(jīng)過(guò)緩沖罐進(jìn)行充分混合，再用氦氣純度分析儀和氦氣質(zhì)量流量計(jì)檢測(cè)氦氣純度和氣體流量，得到當(dāng)前從各生產(chǎn)線抽取到的氦氣量。這種收氣方式智能化高，能最大程度的將氦氣回收起來(lái)。由于氦氣質(zhì)量流量計(jì)檢測(cè)的氣體主要是氦氣和空氣的混合氣，從各生產(chǎn)線收集回來(lái)混合氣體流量的顯示值需要根據(jù)檢測(cè)出的氦氣純度計(jì)算轉(zhuǎn)換系數(shù)，再進(jìn)行讀數(shù)的糾正，即顯示值=(糾正前讀數(shù)/1.409)×轉(zhuǎn)換系數(shù)C。轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算公式：

C=C1/C2

C1=0.3106〔N1(w1/wT)+N2(w2/wT)〕

C2=ρ1CP1(w1/wT)+ρ2CP2(w2/wT)〕

式中，w1、w2為相應(yīng)氣體的流量；wT為混合氣體的流量；ρ1、ρ2為相應(yīng)氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度(數(shù)值見氣體轉(zhuǎn)換系數(shù)表)；CP1、CP2為相應(yīng)氣體的定壓比熱(數(shù)值見氣體轉(zhuǎn)換系數(shù)表)；N1、N2為相應(yīng)氣體的分子構(gòu)成系數(shù)(He取1.01，Air取1.00)。

4.3設(shè)備自動(dòng)開停、保護(hù)功能

光纖拉絲生產(chǎn)線的氦氣用量隨著生產(chǎn)工藝的要求在實(shí)時(shí)變化著，且設(shè)備開機(jī)對(duì)進(jìn)氣量有最低要求。這樣為了避免設(shè)備頻繁開停機(jī)，控制系統(tǒng)通過(guò)PLC讀取每條拉絲線的當(dāng)前氦氣用量信號(hào)，再進(jìn)行智能累積。若PLC檢測(cè)到累積流量低于10 L/min，設(shè)備停機(jī)泄壓保護(hù)；若PLC檢測(cè)到累積流量大于20 L/min，設(shè)備從停機(jī)狀態(tài)恢復(fù)到等待開機(jī)，再進(jìn)行自我檢測(cè)，滿足開機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備自動(dòng)開機(jī)。為了保障氦氣回收設(shè)備和拉絲生產(chǎn)的穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了加熱器加熱溫度異常、壓縮機(jī)出口壓力異常、純度不達(dá)標(biāo)閉環(huán)回氣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、設(shè)備供氣壓力不穩(wěn)定、生產(chǎn)線拉絲氦氣用量瞬間沖擊、設(shè)備動(dòng)力源突然斷電等保護(hù)措施。

4.4主要數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和輸出功能

為了更好的滿足光纖拉絲生產(chǎn)需求和了解設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況，需要確定的主要數(shù)據(jù)有：瞬時(shí)供氣流量、累積供氣流量、瞬時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)效率、24 h運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

瞬時(shí)供氣流量：設(shè)備供氣純度≥99%，對(duì)應(yīng)在供氣口設(shè)置檢測(cè)氣體成分為99% He+1% Air的質(zhì)量流量計(jì)，實(shí)時(shí)檢測(cè)供到生產(chǎn)線的氣體流量。

累積供氣流量：在程序中1 s采集一次瞬時(shí)供氣流量，并進(jìn)行實(shí)時(shí)累加。

瞬時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)效率：通過(guò)實(shí)時(shí)采集每路拉絲線生產(chǎn)的氦氣用量信號(hào)，程序中進(jìn)行累加得到瞬時(shí)生產(chǎn)總計(jì)氦氣用量。根據(jù)公式，瞬時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)效率=(瞬時(shí)供氣流量×瞬時(shí)供氣純度)/瞬時(shí)生產(chǎn)總計(jì)氦氣用量。

24 h運(yùn)轉(zhuǎn)效率：在程序中1s采集一次瞬時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)效率，并進(jìn)行實(shí)時(shí)累加。用定時(shí)器和計(jì)數(shù)器組合編寫一個(gè)24 h計(jì)時(shí)程序，當(dāng)24 h計(jì)時(shí)到達(dá)后， 觸發(fā)信號(hào)將實(shí)時(shí)累加值求平均值輸出到指定地址，得到24 h運(yùn)轉(zhuǎn)效率值，并清零原先的累加值地址，然后程序進(jìn)行重新計(jì)時(shí)和累加求平均值。

輸出功能通過(guò)觸摸屏設(shè)定1min采集一次主要數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)起來(lái)，觸摸屏內(nèi)部編寫一個(gè)0點(diǎn)觸發(fā)信號(hào)，每天到0點(diǎn)時(shí)刻，觸摸屏將從上一次0點(diǎn)到本次0點(diǎn)，存儲(chǔ)起來(lái)的數(shù)據(jù)以Excel表格的形式輸出到U盤，方便客戶讀取U盤查看設(shè)備運(yùn)行的主要數(shù)據(jù)。通過(guò)查看主要數(shù)據(jù)確定設(shè)備的節(jié)氣效率，再結(jié)合氦氣的采購(gòu)價(jià)格，計(jì)算出設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益。

4.5遠(yuǎn)程報(bào)警及監(jiān)測(cè)功能

遠(yuǎn)程報(bào)警功能：為方便客戶及時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，控制系統(tǒng)中配置安裝有F2X03工業(yè)IP MODEM(DTU)模塊，該F2003 GSM IP MODEM 是一種物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)終端，利用公用GSM網(wǎng)絡(luò)為用戶提供無(wú)線長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸功能。如圖4所示，系統(tǒng)采用F2003 GSM IP MODEM模塊向手機(jī)客戶發(fā)送Proface GP3000系列人機(jī)界面的報(bào)警信息。

圖4 報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)將設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的故障和報(bào)警信息均進(jìn)行分析、轉(zhuǎn)化成報(bào)警代碼形式發(fā)送到觸摸屏設(shè)定的手機(jī)號(hào)碼中。另外，為了客戶更好的了解設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，系統(tǒng)中將設(shè)備的累積供氣流量和24 h運(yùn)轉(zhuǎn)效率通過(guò)數(shù)值的方式發(fā)送到設(shè)定的手機(jī)號(hào)碼中。這一功能的實(shí)現(xiàn)可以讓設(shè)備無(wú)需人員值守，讓客戶無(wú)論在哪里都能第一時(shí)間知道設(shè)備的運(yùn)行狀況，從而及時(shí)維護(hù)設(shè)備。經(jīng)濟(jì)便捷的滿足了工業(yè)化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備需要持續(xù)運(yùn)行，從而產(chǎn)生最大價(jià)值的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

該項(xiàng)目以西門子PLC1500和Proface GP3000系列觸摸屏為核心搭建的一套智能化控制系統(tǒng)，可靠性高、成本低，并實(shí)現(xiàn)控制器和生產(chǎn)線的通信，保證生產(chǎn)穩(wěn)定進(jìn)行。另外，短信模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和設(shè)備效果查看，減去了人員每天查表和觀察設(shè)備運(yùn)行情況的必要。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化不間斷運(yùn)行，大大提高了設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益，完全滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求。當(dāng)前設(shè)備在多家用氦企業(yè)應(yīng)用，使用效果很好。

[1] 孫猛，李荷慶，金向華.光纖拉絲氦氣回收提純技術(shù)[J].低溫與特氣，2016,34(4)：42-45.

[2] 馮欣宇，何智，楊家濤.貝加萊PCC構(gòu)建氦氣回收設(shè)備控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化儀表，2016.37(3)：39-41.

[3] 汪澎，章學(xué)華，趙俊.工業(yè)廢氦氣提純技術(shù)探討[J].低溫與超導(dǎo)，2013.41(8)：83-88.

TheControlSystemofOn-lineHeliumRecoveryEquipmentforFiberDrawing

HUANG Wei，LUO Hui，XU Tao，WANG Chuanxi

(Anhui Vacree Technologies Co., Ltd., Hefei 230088，China)

Helium is a non renewable rare gas, but also an inert gas of high specific heat capacity. It is widely used in the field of fiber drawing in China, mainly used as a diathermanous and cooling gas. As helium is expensive and demand is increasing, more and more fiber companies urgently need to use on-line helium recovery equipment to effectively reduce the amount of helium, thereby reducing production costs. According to the special application environment for fiber drawing, we analyzed the working principle and electrical control characteristics of the equipment, and designed a set of fully intelligent advanced automatic control system which can guarantee the efficient safe and reliable operation of the equipment.

fiber drawing；helium recovery equipment；intelligent

2017-08-23

TQ117；TP23

B

1007-7804(2017)05-0039-05

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.05.008

黃 衛(wèi)(1990)，男，助理工程師，安徽萬(wàn)瑞冷電科技有限公司，主要從事工業(yè)氦氣循環(huán)利用裝備的研發(fā)與應(yīng)用。聯(lián)系方式：13695510452

新一體化儲(chǔ)氫制氫裝置能大幅降低成本

德國(guó)科學(xué)家日前開發(fā)出利用有機(jī)載體液和特殊催化劑的儲(chǔ)存和制取氫燃料新工藝，使原先裝卸氫燃料所需的兩個(gè)裝置簡(jiǎn)化成一個(gè)裝置。新工藝能大大降低成本和能耗，對(duì)能源轉(zhuǎn)型具有重要意義。

有效利用可再生能源的一大方式是利用電解水制氫，然后將氫儲(chǔ)存起來(lái)備用。高效儲(chǔ)氫技術(shù)一直是各國(guó)科學(xué)家的攻關(guān)課題。在最新研究中，尤利希研究中心可再生能源研究所與埃朗根-紐倫堡大學(xué)的科學(xué)家，讓一種特殊的有機(jī)載體液與氫燃料結(jié)合成穩(wěn)定的化學(xué)物，便于氫燃料的安全儲(chǔ)存和方便運(yùn)輸。尤利希研究中心專家喬希克介紹說(shuō)，氫燃料的儲(chǔ)存和釋放是可逆的化學(xué)反應(yīng)，兩個(gè)反應(yīng)的步驟不同，各需一種特殊的催化劑，所以有機(jī)載體液和氫燃料的裝卸要在兩個(gè)裝置中分別進(jìn)行。

為了讓兩個(gè)裝置合二為一，研究人員開發(fā)出了一種特殊的催化劑，它可使氫燃料的裝卸反應(yīng)在同樣的溫度下有效催化，因此，在一個(gè)裝置中，改變壓力就可完成氫燃料的儲(chǔ)存和釋放，大幅簡(jiǎn)化了氫燃料存儲(chǔ)對(duì)設(shè)備的要求，可節(jié)約30%至50%的設(shè)備成本。

新工藝的另一大好處，是可以充分利用儲(chǔ)存的氫燃料釋放時(shí)產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)熱。據(jù)喬?？私榻B，目前氫燃料儲(chǔ)存設(shè)備的操作溫度約為150攝氏度;氫燃料釋放設(shè)備的操作溫度約為300攝氏度。盡管理論上可以將氫燃料儲(chǔ)存時(shí)的反應(yīng)熱提供給釋放時(shí)用，但由于兩個(gè)裝置的化學(xué)反應(yīng)溫度不同，上述想法難以實(shí)現(xiàn)。而新工藝在較高溫度下儲(chǔ)存氫燃料，產(chǎn)生的熱可直接供釋放時(shí)使用，為此，研究人員還開發(fā)了高溫氫化工藝，以及與此相應(yīng)的催化劑。

專家稱，與目前使用的分開的氫燃料裝置相比，這種一體化氫燃料裝置最大的好處是，氫燃料的儲(chǔ)存和制取會(huì)十分便捷，對(duì)儲(chǔ)存和制取氫燃料的工業(yè)化生產(chǎn)非常有利，對(duì)太陽(yáng)能風(fēng)能的充分而又安全平穩(wěn)的利用也很有用，將在未來(lái)的可再生能源系統(tǒng)中大有作為。

凱美特氣擬建電子特種氣體項(xiàng)目

凱美特氣2017年9月5日公告，公司擬設(shè)立湖南凱美特氣體股份有限公司電子特種氣體分公司。

該電子特種氣體項(xiàng)目采用深冷精餾、物理吸附和催化合成等先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)電子特種氣體和混配氣體，新建電子特種氣體和混配氣體專業(yè)生產(chǎn)基地，采用專業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化的運(yùn)作模式，建設(shè)25 套電子特種氣體和混配氣體生產(chǎn)加工裝置。

公告稱，項(xiàng)目總投資為 30975萬(wàn)元，建設(shè)期為三年。生產(chǎn)達(dá)到預(yù)估銷售量時(shí)，年均銷售收入預(yù)估為14395 萬(wàn)元(含稅)，年均利潤(rùn)總額 7390 萬(wàn)元。