水膠炸藥生產(chǎn)線供熱自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

侯 陸，汪美瓊

（淮南舜泰化工有限責(zé)任公司，安徽淮南 232000）

0 引言

過去國內(nèi)工業(yè)炸藥生產(chǎn)線多以燃煤蒸汽鍋爐為供熱設(shè)備，其供熱能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性高、適合集中供熱，但污染巨大。按照2013 年9 月國務(wù)院發(fā)布的《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》中“到2017 年，除必要保留的以外，地級(jí)及以上城市建成區(qū)基本淘汰每小時(shí)10 蒸噸及以下的燃煤鍋爐”的要求[1]，民用爆炸物品生產(chǎn)企業(yè)開始全面淘汰燃煤鍋爐。由于民爆企業(yè)的廠區(qū)位置偏僻、廠房離散布局、單工房供熱量小、天然氣建設(shè)成本高等原因，因此民爆企業(yè)多采用電力設(shè)備供熱，工房就近設(shè)置供熱設(shè)備，人工進(jìn)行操作，雖可滿足生產(chǎn)，但人工、能耗成本高，設(shè)備損耗快。在各類炸藥生產(chǎn)線中，水膠炸藥因原材料的特殊理化性質(zhì)，加熱和保溫工序相對(duì)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)集中控制的難度較大。為解決上述問題，確保水膠炸藥生產(chǎn)加熱與保溫工作的安全性、經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)一套水膠炸藥生產(chǎn)線供熱自動(dòng)控制系統(tǒng)，可有效解決水膠炸藥生產(chǎn)線供熱及保溫的自動(dòng)化運(yùn)作問題，降低設(shè)備損耗、節(jié)約電能熱能。

1 水膠炸藥生產(chǎn)線供熱工序工藝特點(diǎn)與分析

1.1 水膠炸藥生產(chǎn)線工藝流程和供熱工序

水膠炸藥生產(chǎn)線工藝流程如圖1 所示，其中共有3 個(gè)工序需要供熱：一甲胺儲(chǔ)存工序（加熱設(shè)備：一甲胺儲(chǔ)罐），硝酸甲胺溶液制備工序（保溫設(shè)備：硝酸甲胺儲(chǔ)罐及其循環(huán)管道），硝酸銨溶液制備工序（保溫設(shè)備：硝酸銨溶液儲(chǔ)罐、硝酸銨溶解罐、硝酸銨儲(chǔ)存罐）。因安全管理需要，3 個(gè)工序所處的廠房間有50 m 以上的間距，蒸汽需求總量少，并不適合大型電力蒸汽發(fā)生器集中供熱。

圖1 水膠炸藥生產(chǎn)線工藝流程

1.2 相關(guān)原材料的工藝特點(diǎn)

（1）一甲胺儲(chǔ)存工序。原材料為一甲胺，為氣液混合狀態(tài)（主要為液體），有毒有害、易燃易爆、具有腐蝕性。

（2）硝酸甲胺溶液制備工序。原材料為硝酸甲胺溶液，為液體，溶液溫度高于95 ℃易爆，儲(chǔ)存于硝酸甲胺儲(chǔ)罐及循環(huán)管道。溶質(zhì)硝酸甲胺又稱甲胺硝酸鹽，是一種單質(zhì)炸藥，常溫下純品呈棱狀白色晶體，無色、無臭，吸濕性很強(qiáng)。熔點(diǎn)-66 ℃，爆發(fā)點(diǎn)256 ℃，密度1.27 g/cm3（66 ℃），易溶于水[2]。硝酸甲胺溶液結(jié)晶溫度為45 ℃，析出的硝酸甲胺晶體爆炸感度極高，因此任何階段均需保溫。硝酸甲胺儲(chǔ)罐和循環(huán)管道的生產(chǎn)工藝溫度為50 ℃以上即可，但嚴(yán)格低于82 ℃。

（3）硝酸銨溶液制備工序。原材料為硝酸銨溶液（液體），儲(chǔ)存于硝酸銨溶液儲(chǔ)罐、硝酸銨溶解罐、硝酸銨儲(chǔ)罐及相關(guān)管道中。硝酸銨溶液接近飽和，工藝溫度為60～90 ℃：低于工藝溫度會(huì)引起管道及泵體結(jié)晶、溶質(zhì)濃度下降，造成質(zhì)量事故、生產(chǎn)延誤和設(shè)備損壞；高于工藝溫度會(huì)造成能源浪費(fèi)和工藝質(zhì)量事故。因常壓下硝酸銨溶液沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于其爆炸溫度，故此處不考慮溶液爆炸性風(fēng)險(xiǎn)。

2 水膠炸藥生產(chǎn)線供熱自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水膠炸藥生產(chǎn)線供熱自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)工藝和設(shè)備特點(diǎn)可分為中控室、胺場、中和、混包4 個(gè)區(qū)域，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 水膠炸藥生產(chǎn)線供熱自動(dòng)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由工控機(jī)、現(xiàn)場PLC 控制柜、信號(hào)采集元件、執(zhí)行動(dòng)作元件組成，采用西門子S7-300 控制系統(tǒng)，通過各站點(diǎn)PLC實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場自動(dòng)化控制功能，即設(shè)備和儀表工況數(shù)據(jù)的采集、報(bào)警、聯(lián)鎖控制等，再由交換機(jī)、光纖收發(fā)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接到中控室，使工控機(jī)可對(duì)生產(chǎn)線各處供熱設(shè)備及工藝管道進(jìn)行監(jiān)控、故障報(bào)警、參數(shù)設(shè)定等操作。

2.2 供熱設(shè)備的選擇

目前主流的電力供熱設(shè)備主要有空氣能熱泵、電蒸汽發(fā)生器、電熱水器3 種。電熱水器的加熱能力、能效比、安全性均不及其他設(shè)備，故本方案不采用。

（1）空氣能熱泵以空氣為熱源，利用少量的電能驅(qū)動(dòng)空氣壓縮機(jī)使管路里的冷媒循環(huán)流動(dòng)，通過管路里冷媒的蒸發(fā)和冷凝過程，將環(huán)境空氣中的熱量轉(zhuǎn)移到水中，從而實(shí)現(xiàn)供熱的功能[3]，能效比一般為4.0 左右，其加熱溫度可達(dá)60～85 ℃，可在-26～46 ℃的環(huán)境下工作。

（2）電蒸汽發(fā)生器，即采用電能對(duì)水進(jìn)行加熱，產(chǎn)生大量蒸汽，以蒸汽為介質(zhì)傳導(dǎo)熱量，能效比約等于1.0，其加熱溫度可達(dá)171 ℃。其中水容量小于30 L，且額定出水壓力小于0.1 MPa或額定熱功率小于0.1 MW 的電蒸汽發(fā)生器（鍋爐）不屬于特種設(shè)備[4]?？紤]到生產(chǎn)維護(hù)成本和供熱總量較小的原因，本方案均采用非特種設(shè)備的小型電蒸汽發(fā)生器作為供熱設(shè)備。

2.3.胺場供熱加壓方案設(shè)計(jì)

胺場設(shè)置有一套PLC 控制系統(tǒng)，采集現(xiàn)場工藝參數(shù)、實(shí)現(xiàn)報(bào)警及聯(lián)鎖功能、控制現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行，并可執(zhí)行上位機(jī)相關(guān)命令。在離線狀態(tài)下，胺場PLC 控制系統(tǒng)可獨(dú)立運(yùn)行保持胺場供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并可實(shí)現(xiàn)相關(guān)的安全聯(lián)鎖功能。

一甲胺儲(chǔ)罐內(nèi)的一甲胺為氣液混合狀態(tài)，可調(diào)整罐內(nèi)壓力通過管道輸送一甲胺，因此生產(chǎn)企業(yè)一甲胺儲(chǔ)罐一般設(shè)置為復(fù)數(shù)，以便安全、穩(wěn)定地進(jìn)行一甲胺的裝卸、倒轉(zhuǎn)、儲(chǔ)存和輸送。生產(chǎn)企業(yè)一般會(huì)在生產(chǎn)前1～2 h 內(nèi)，通過熱交換提高一甲胺溫度，使其氣化增大罐內(nèi)壓力。生產(chǎn)過程中，一甲胺儲(chǔ)罐內(nèi)壓力需要控制在0.25～0.55 MPa，當(dāng)壓力偏低時(shí)，通過罐內(nèi)加熱提高其壓力；當(dāng)壓力偏高時(shí)，通過罐體外壁的冷水噴淋降溫降壓。停產(chǎn)期間，一甲胺罐體無需加熱及保溫。

綜上，胺場加熱系統(tǒng)選擇蒸汽作為加熱介質(zhì)，以電蒸汽發(fā)生器為供熱設(shè)備。電蒸汽發(fā)生器能效比為95%～99%，能耗較高。本系統(tǒng)引入能效比4.0 左右的高溫型空氣能熱泵為電蒸汽發(fā)生器預(yù)加熱水，可節(jié)約電能25%～40%，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。高溫型空氣能熱泵24 h 持續(xù)運(yùn)行，將儲(chǔ)水罐內(nèi)水加熱至60～80 ℃，再由熱水泵將熱水泵送至電蒸汽發(fā)生器。電蒸汽發(fā)生器和噴淋系統(tǒng)根據(jù)PLC 的控制啟停，實(shí)現(xiàn)加壓、降壓及保溫操作。

圖3 胺場供熱系統(tǒng)

2.4 中和及混包工房加熱及保溫方案的設(shè)計(jì)

混合工房和中和工房距離較遠(yuǎn)，本方案在兩處工房現(xiàn)場各設(shè)置一套PLC 控制設(shè)備，控制現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行、采集現(xiàn)場工藝參數(shù)、執(zhí)行上位機(jī)命令、實(shí)現(xiàn)報(bào)警及聯(lián)鎖功能，并均可離線狀態(tài)下繼續(xù)執(zhí)行保溫操作，確保維持現(xiàn)場保溫和加熱工作的安全性和穩(wěn)定性。

中和及混包工房供熱系統(tǒng)按照設(shè)備及管道所涉及的原材料、工藝溫度要求、最優(yōu)溫度區(qū)間，可將設(shè)備及管道分為4 組（表1）。A、B 組硝酸甲胺溶液的保溫要求穩(wěn)定性極高，A、B、C 是3 組的最優(yōu)溫度區(qū)間較為接近，D 組對(duì)溫度區(qū)間和加熱速度的要求遠(yuǎn)高于A、B、C 組。綜上，A 組、B 組、C 組應(yīng)選擇熱水供熱，且因常壓熱水溫度上限為100 ℃，其安全性也最高；D 組則應(yīng)采用蒸汽供熱。A 組硝酸甲胺儲(chǔ)罐通過B 組硝酸甲胺循環(huán)管道與混合器聯(lián)通，D 組硝酸銨溶液儲(chǔ)罐通過硝酸銨溶液管道與C 組相連，因此將中和工房、混合工房的兩道工序的加熱和保溫集中控制，其總體加熱及保溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

表1 中和及混包工房原材料保溫特性表

圖4 中和及混包工房供熱系統(tǒng)

中和工房硝酸甲胺儲(chǔ)罐內(nèi)的硝酸甲胺溶液需要24 h 不間斷保持相對(duì)穩(wěn)定的溫度，保溫溫度嚴(yán)格低于90 ℃，其供熱保溫設(shè)備應(yīng)選擇穩(wěn)定性高、能效比高的高溫型空氣能熱泵。高溫型空氣能熱泵的加溫上限在60～85 ℃，既可滿足硝酸甲胺溶液保溫的下限溫度，又可避免溫度超高的隱患?？紤]到硝酸甲胺溶液保溫的重要性，本方案在中和工房設(shè)置冗余的空氣能熱泵機(jī)組，確?？諝饽軣岜脝螜C(jī)組運(yùn)行的情況下，可滿足當(dāng)?shù)囟酒骄鶜鉁貤l件下維持硝酸甲胺儲(chǔ)罐溫度在55 ℃以上的供熱需求。

混合工房設(shè)置多組蒸汽發(fā)生器，其總功率應(yīng)保證當(dāng)75%的機(jī)組運(yùn)行時(shí)，可在當(dāng)?shù)囟酒骄鶜鉁貤l件下8 h 內(nèi)將各罐溶液從環(huán)境溫度加熱至70 ℃以上。為滿足節(jié)能需求，本方案在混合工房蒸汽發(fā)生器進(jìn)水側(cè)設(shè)置儲(chǔ)水箱，由空氣能熱泵對(duì)儲(chǔ)水箱內(nèi)介質(zhì)進(jìn)行預(yù)加熱，提高系統(tǒng)能效比，節(jié)約電能。蒸汽發(fā)生器的運(yùn)行由PLC 按照設(shè)定程序執(zhí)行，產(chǎn)出蒸汽分別用以加熱硝酸銨溶液儲(chǔ)罐及管道和熱水儲(chǔ)水箱。D 組設(shè)備（硝酸銨溶液儲(chǔ)罐及管道）直接使用蒸汽進(jìn)行加熱和保溫，溫度達(dá)到設(shè)置溫度時(shí)，關(guān)閉相應(yīng)閥門，停止保溫。混合熱水箱達(dá)到設(shè)置溫度時(shí)，關(guān)閉相應(yīng)閥門，停止保溫。當(dāng)2 路蒸汽閥門均關(guān)閉時(shí)，所有蒸汽發(fā)生器停止運(yùn)行，節(jié)約電能、減少設(shè)備損耗。

B 組設(shè)備（硝酸甲胺循環(huán)管道）和C 組設(shè)備（硝酸銨溶解罐、硝酸銨儲(chǔ)罐）使用混合工房熱水箱內(nèi)80～90 ℃的熱水進(jìn)行持續(xù)保溫。B 組設(shè)備和C 組設(shè)備并聯(lián)接入熱水箱熱水，分別通過混合熱水泵1、混合熱水泵3 供熱，兩路管道均設(shè)置有水流開關(guān)。當(dāng)流量異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換閥門并啟動(dòng)混合熱水泵2，替換故障熱水泵。停產(chǎn)狀態(tài)下，B 組設(shè)備無需保溫，熱水泵關(guān)閉

B 組硝酸甲胺循環(huán)管道的保溫伴管與A 組硝酸甲胺儲(chǔ)罐的保溫管道交匯位置，設(shè)置雙L 形電動(dòng)四通閥門。當(dāng)中和熱水箱溫度低于設(shè)置報(bào)警值、空氣能設(shè)備故障信號(hào)等情況下，電動(dòng)四通閥門同時(shí)動(dòng)作，硝酸甲胺儲(chǔ)罐內(nèi)盤管的保溫管道連接至B 組硝酸甲胺循環(huán)管道的保溫伴管，使用混合熱水箱內(nèi)熱水對(duì)硝酸甲胺儲(chǔ)罐進(jìn)行保溫。

3 結(jié)語

水膠炸藥生產(chǎn)線供熱自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)水膠炸藥生產(chǎn)線工藝特點(diǎn)，有效解決了水膠炸藥生產(chǎn)線一甲胺和硝酸甲胺溶液自動(dòng)供熱的難題。設(shè)計(jì)分布式控制系統(tǒng)，各站點(diǎn)均設(shè)置有監(jiān)控、報(bào)警、聯(lián)鎖、離線作業(yè)等功能，符合民爆行業(yè)的相關(guān)安全和技術(shù)要求，保證了水膠炸藥生產(chǎn)線的安全與穩(wěn)定。該系統(tǒng)還減少了工房現(xiàn)場操作人數(shù)，既節(jié)約了人力成本，更有利于危險(xiǎn)品生產(chǎn)工房的定員管理。同時(shí)本系統(tǒng)通過電蒸汽發(fā)生器與空氣能熱泵的聯(lián)用、供熱設(shè)備的合理選型和設(shè)備運(yùn)行的精確控制，降低設(shè)備的無效運(yùn)行時(shí)間、減少供熱設(shè)備損耗、極大節(jié)約電能和熱能。水膠炸藥生產(chǎn)線供熱自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了安全性、經(jīng)濟(jì)性、自動(dòng)化的3 個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)，可在實(shí)際應(yīng)用中為民用爆炸物品生產(chǎn)企業(yè)帶來較高的安全效益、環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益。