1.5万吨炭黑生产DCS控制系统

1.5万吨炭黑生产DCS控制系统 徐永久 一、 概述： 1、 炭黑是一种黑色粉末壮或颗粒状的物质，广泛应用于工业制造的各个领域，大到航空航天设备，小到日常用品，都要以炭黑为原料或添加剂进行生产或制造。由于炭黑的广泛应用，如何生产高效优质炭黑显得尤为重要。炭黑的生成既有物理作用，也有化学作用，其结构主要取决于原料油的品质和性质，其次还有工艺设备的质量、控制策略的高低、控制手段的先进等因素。炭黑生产线属中压短周期连续生产线，易对环境造成污染。 2、 太原伸华化工有限公司采用北京和利时公司DCS系统对1.5万吨/年炭黑生产线进行监视和控制。系统包括2台操作站1台控制站；系统配置点数319点，其中模入127点，模出32点，开入96点，开出64点；控制策略采用PID、串级、比值调节系统、故障强制操作、联锁保护等， 该系统于2000年10月16日一次开车成功，并全部投入自动控制。 二、 炭黑生产工艺流程简述， 炭黑生产是将原料油、燃料油和预热空气喷入反应炉内燃烧，温度至1900℃生成炭黑烟气，经一次急冷水降至800℃，经二次急冷水降至280℃经过烟道进入炭黑收集主袋部分；炭黑因不能经过主袋微孔而被主袋滤器收集，经反吹后由风送系统送入炭黑收集排袋部分；炭黑在热烟气的输送下经粉碎机粉碎至325目、再经旋风分离器分离，然后进入湿法造粒系统；粉料储罐中的炭黑经搅拌机加水搅拌后，由供料输送机送入湿法造粒机进行造粒；从造粒机出来的湿炭黑粒子经干燥系统干燥后送入产品存储包装系统；干燥机送出的颗粒状炭黑经筛选机筛选出合格品,由储存提升机送至产品储罐，待包装机包装成品。 图1、炭黑生产工艺流程简图 炭黑生产工艺分为七大系统： 1、炭黑反应及预热系统 2、炭黑收集主袋部分及风送系统 3、炭黑收集排袋部分及风送系统 4、炭黑湿法造粒系统 5、炭黑干燥系统 6、产品存储包装及不合格品回收系统 7、公用及辅助系统 三、 分系统流程及控制策略的实现 1、 炭黑反应及预热系统 炭黑的生成是在反应炉内进行的,其反应既有物理作用，也有化学作用其结构主要取决于原料油的品种和性质，当选用30%的蒽油和70%的 煤焦油为原料时,在风量降低的情况下能生产出结构较好的N539炭黑。 炭黑反应及预热系统分为四部分：燃料油部分、原料油部分、供风部分、急冷水部分。 <1>、燃料油部分：炭黑生产中燃料油使用煤焦油，经燃料油加热器加热至120℃加空气雾化后由喷枪喷入反应炉燃烧段。燃烧段温度的高低直接影响炭黑的生成量且能达到节能降耗。 燃料油调节系统：燃料油调节系统包括雾化空气流量（FI-111）的检测、添加剂流量（FIC-109）的调节控制、燃料油流量（FIC-102）的调节、燃料油压力（PI-102）的检测及燃料油加热器温度（TIC-102）的控制等。其中添加剂流量、燃料油温度控制均为单回路PID控制，控制目标值是根据生产炭黑的工艺决定。燃料油流量的控制是该系统的重点，是通过模型选择及串级控制的，生产炭黑理论上为两种模型，不同的模型经过不同的计算公式获得一个燃料油流量设定值经模型后输入给PID控制CS端，在信号采集方面，考虑到流量信号有时会波动很大，管道口径在20—30mm，为控制信号波动对系统的影响，采集信号经一阶惯性之后参与控制，且适当增加比例度、延长积分时间，使系统控制稳定。 风油比：燃料油入炉时必须加入空气雾化，以控制反应炉炉温，雾化空气流量与燃料油流量之比为1：1.5-2.0，此系统未设计比值调节系统，由操作工操作控制来完成的。 <2>、原料油部分：原料贮罐中的原料油经原料油过滤器由泵送入原料油预热器（E202），预热到260℃左右，再经过原料油喷嘴喷入反应炉的喉管段，在这里原料油与来自燃烧段的高温高速气流混合原料油迅速汽化并裂解生成炭黑。 原料油调节系统：原料油调节系统包括入炉原料油压力（PI-101A）检测，入炉原料油压力（PIC-101）调节，入炉原料油温度（TIC-104）调节，入炉原料油流量（FIC-101）调节，原料油预热器温度（TIC-105）调节等，原料油调节系统的调节方式与燃料油调节系统大致相同，均采用单回路调节，加一阶惯性、数字滤波等手段对信号进行处理，保证在系统有干扰的情况下也能投入自动。 <3>、供风部分：大气进入主供风机（355KW，10000V），经升压后进入空气预热器，升至650℃左右，再进入反应炉燃烧段夹套，进一步加热至700℃左右进入反应炉燃烧室。 供风系统控制：供风系统控制包括主供风机的电流、轴温检测，入口、放空遥控，连锁保护等。空气温度、压力的检测，空气流量（FIC-103）的控制，因空气流量一般为8000M3/H，采用单回路PID控制，要求参数整定中尽可能数据适中，避免控制滞后又要克服扰动。  <4>、急冷水部分：在反应炉（E201）后部，将急冷水直接喷入含有炭黑的高温气流（烟气）中，使烟气冷却到800℃（设定为760℃）以下以终止炭黑的反应，气流流经烟道再进行二次急冷水冷却到280℃左右，进入炭黑收集系统。 急冷水系统控制：急冷水系统控制包括水罐液位（LIC-600）调节，一次急冷水流量（FIC-104）调节、内冷却水总流量（FIC-104A）调节、冷却水温度（TIC-104）调节等。因冷却水流量控制的准确与否，关系到炭黑的品质，故该系统参数整定中也采取比例度、积分时间适中的方式，且对采集信号进行滤波处理。 2、 炭黑收集主袋部分及风送系统 <1>、炭黑收集主袋部分：冷却烟气进入下进气反吹风主袋滤器，在流经主袋滤器的过程中，烟气中的炭黑因不能通过滤袋的微孔而附着在滤袋上被收集下来，附着在滤袋上的炭黑用主袋反吹风机定期轮流进行吹扫，使炭黑落入袋滤漏斗。主袋滤器收集的炭黑经主袋滤器气密阀进入风送系统。 炭黑收集主袋部分控制：炭黑收集主袋部分包括主袋压差的检测，主袋入口烟气压力的检测，尾气风机进口压力（PIC-131）的调节等；主袋滤器分为六个箱体，每个箱体有一个排气阀和一个反吹阀，共12个电磁阀，分别用（NKV-130A~F）和（NKV-131A~F）表示，电磁阀顺控是该系统的重点，利用梯形图来完成。 主袋滤器顺控：主袋滤器排气阀和反吹阀的切换顺序为打开排气阀，20 秒钟之后关闭排气阀，5秒钟之后反吹阀，10秒钟之后关闭反吹阀， 5秒钟之后打开下一组排气阀，依次循环进行，此功能采用梯形图中的定时器及线圈即时器及线圈即可完成。对每个电磁阀设置了强制手动开关，当主袋滤器中的排气阀和反吹阀出现故障时，可进行强制手动来操作，此时梯形图自动输出无效。 <2>、风送系统部分：风送系统是将主袋滤器收集的炭黑用230~250℃的热烟气输送，最终送至旋风分离器的过程。 风送系统调节：风送系统包括烟气的温度、压力检测，尾气风机进口压力（PIC-131）的调节，此调节回路为一典型的随动系统，因尾气风机进气量来自排气管道，当排气阀打开时，主袋滤器压差增大至10KPa，尾气风机进口压力也增大；当排气阀关闭，反吹阀打开时，主袋滤器压差减小至-10KPa，尾气风机进口压力也减小；主袋滤器的排气阀和反吹阀在10秒和20秒之间循环切换，导致尾气风机进口压力也在0~1000Pa之间波动，对于规律性波动的随动系统，目前只将阀位限制在一定范围之内，使被控量在允许的范围内波动，在自动方式时，采用输出带滞后的稳定调节方法。 3、炭黑收集排袋部分及风送系统 <1>、炭黑收集排袋部分：从回转干燥机前部排出的炭黑热气体（约232℃）经排气风机送到排气袋滤器进行收集，附着在滤袋上炭黑被用排气袋滤器反吹风机定期轮流进行吹扫，使炭黑落入袋滤漏斗再经排气袋滤器气密阀进入风送系统。 炭黑收集排袋部分控制：炭黑收集排袋部分包括排袋压差的检测，排袋入口烟气压力，反吹风机压力的检测，流风机进口压力（PIC-127）的调节等。排袋滤器分为三个箱体，每个箱体有一个排气阀和一个反吹阀，共6个电磁阀，分别用（NKV-210A~C）和（NKV-211A~C）表示，电磁阀顺控是该系统的重点，利用梯形图来完成。 排袋滤器顺控：排袋滤器排气阀和反吹阀的切换顺序与主袋滤器相同，每个电磁阀设置了强制手动开关，当排袋滤器中的排气阀和反吹阀出现故障时，可进行强制手动来操作，此时梯形图自动输出无效。 <2>、排袋风送系统部分：排袋风送系统是将排袋滤器收集的炭黑用230~250℃的热烟气输送，通过粉末粉碎机将炭黑粉成小于325目的粒子，再经风送风机送到收集旋风分离器中，从收集旋风分离器中出来的烟气经回流风机送回烟气系统，与反应炉出来的烟气一道进入主袋滤器。 风送系统控制：风送系统包括烟气的温度检测，风送风机的电流检测，回流风机的电流检测，来自干燥机的气体压力检测等。 4、湿法造粒系统 从收集旋风分离器（V401）收集下来的炭黑落入储罐（V402）中，粉状炭黑经储斗搅拌器搅拌，容重增加后供料输送机（L401）送入湿法造粒机（M402）中造粒。 湿法造粒系统控制：湿法造粒系统包括粉状储罐的温度（TI-200A）、底部重量（WI-200）的检测，收集旋风分离器压力（PI-127）的检测；造粒机功率（JIC-208）和造粒水流量（FIC-208）构成串级调节系统，造粒机功率为主回路，造粒水流量为付回路进行调节，在信号采集输入上加一阶惯性、数字滤波等手段对信号进行处理后送调节器，以克服信号波动对控制系统的影响。 5、炭黑干燥系统 从湿法造粒机（M402）出来的湿炭黑粒子进入回转干燥机（M403）进行干燥，尾气燃烧炉产生的热量进入回转干燥机干燥湿炭黑粒子。 炭黑干燥系统控制：炭黑干燥系统包括干燥机火箱排气压力（PI-222）、温度（TI-222）的检测、遥控（HV-222）、尾气燃烧炉温度（TI-207）等相关参数。 流量（FIC-201）与空气流量（FIC-203）构成比值调节系统。 空气：尾气 = 1：1.5~2.0 比值可以根据工艺要求由操作工设定。 功能块图实施：用尾气流量FIC-201除以比值设定数，获得值输入至空气流量（FIC-203）调节器的CS端，以控制空气量的大小。因燃烧系统属滞后较大的调节系统，在调节器投入自动后，需在线整定参数，取消微分对系统的扰动，增大比例度（200）及积分时间（100），使输出作用减小，达到系统控制稳定的目的。 6、产品存储包装及不合格品回收系统 产品存储包装及不合格品回收主要是将来自干燥机的成品炭黑合格品进行存储包装，不合格品存入回收漏斗送往再处理袋滤器的过程。 控制过程主要包括提升机的炭黑粒子温度检测，产品储罐液位检测等。 继续阅读