SO2煙氣回收制酸儀控系統設計與儀表選型

王更生，邱繼寧

（漢中鋅業有限責任公司，陜西勉縣724204）

0 前言

漢中鋅業公司10萬t/a高純新技改項目，利用鋅精礦焙燒后的SO2煙氣制酸，采用余熱鍋爐、旋風除塵、電除塵進行降溫除塵，動力波－冷卻塔－動力波－電除霧酸洗凈化煙氣，兩轉兩吸轉化吸收的接觸法制酸工藝，有效地回收了鋅精礦中的硫，避免了對環境的污染，實現了冶煉煙氣的無污染排放，使工廠綠色環保。其中儀控系統采用計算機監控系統，主要由現場一次儀表及常規智能儀表檢測上傳數據，監控系統分析處理，實現對各種工藝參數進行實時采集、監視、報警、記錄、控制等功能，現就我公司SO2煙氣制酸儀控系統的設計及儀表選型介紹如下。

1 計算機監控系統的設計選型

1.1 設計思想

根據高純鋅技改項目制酸系統相關工藝、機電設備要求，基于“集中管理，分散控制”的模式，數字化、信息化、標準化工程的思想，建立一個先進、可靠、高效、安全、實用且便于進一步擴充的集過程控制、監視、管理于一體并且具備良好開放性的集散式監控系統（DCS系統），完成對整個工藝過程及生產設備的監測和控制，系統設計首先強調可靠性和實用性，在此前提下考慮系統的先進性。

1.2 系統功能

計算機監控系統實時采集由生產現場一次儀表及常規智能控制儀表提供的焙燒、除塵、凈化、干吸、轉化等各工序相關工藝、機電設備的溫度、壓力、液位、分析、流量信號，各種設備動作和工作狀態等數據，在顯示器上用流程模擬圖、數據模擬光柱表、開關量表、模擬數據表、實時趨勢圖、報警及事件記錄等形式將工業現場的各種狀況真實反映，指導操作人員對現場狀況進行調整，當出現過程參數和設備故障報警或聯鎖時，系統及時準確給出報警提示或進行相關聯鎖，避免事故發生和事故進一步擴大，保證生產過程安全運行，系統重要安全報警設計為隱藏畫面，當出現嚴重報警時，畫面彈出，提醒操作人員；系統可實現歷史趨勢短期回顧（記錄存儲時間不小于30 d），幫助操作人員了解近期生產、工藝、設備情況，通過嚴格的口令級別管理排除非操作人員的非法操作。利用該系統對當前生產情況和重要儀表參數進行查詢，報表生成及打印，實現對生產過程的規范化、標準化管理；系統網絡具備分層分布式拓撲結構，使整個系統安全可靠，通訊協議選用標準協議，方便系統擴展。系統設計為10個主要畫面：沸騰爐工序畫面、凈化工序畫面、轉化工序畫面、干吸工序畫面、SO2風機畫面、記錄歸檔畫面、系統報警畫面、系統棒圖畫面、系統檢修畫面、系統退出選擇畫面等。

1.3 系統原理

系統分為基礎級自動化設備（PLC）、過程級自動化設備（工控機）、管理級自動化設備（服務器）三級自動化控制管理系統：基礎級自動化設備采用標準工業總線Profibus網，使用西門子ET200M遠程I/O冗余組。Profibus網的傳輸介質選擇屏蔽雙絞線和光纜，最大傳輸距離為1 200 m，最大傳輸速率為1.5 Mbps。本系統Profibus網設計帶寬為1.5 Mbps，雙路通訊網將各I/O站點連接起來，可實現其中的A網絡在故障狀態下的無擾動的切換到B網絡，確保采集信號的連續性。過程級自動化設備的數據通訊采用西門子工業以太網，使用西門子SCALANCE環型以太網通訊交換機，通訊速率為10/100 Mbps，以太網環網通訊是目前冗余通訊中最為可靠的一種方式。以太網交換機上預留以太網接口，與上級管理級計算機通訊，將制酸生產納入公司的計算機管理系統，進行統一管理、統一調度，實現生產過程管理自動化。

圖1 計算機監控系統網絡圖

基礎級自動化設備通過I/O模塊采集制酸生產現場的開關量、模擬量信號，經過運算處理對現場設備進行連鎖控制，同時，通過工業現場總線Profibus網將采樣信號、設備動作信號、故障信號等現場狀況實時傳遞給雙冗余中央處理器，中央處理器所在機架的雙路以太網模塊與配備的兩臺以太網交換機時實交換數據。系統設置4臺過程級計算機，過程級計算機將制酸生產現場的重要生產、工藝、設備狀況，在顯示器上用模擬圖、數據表、趨勢圖等形式真實反映，指導操作人員對生產狀況進行調整、控制，保證生產正常運行。

1.4 系統選型

電源部分選用專用的UPS電源，在生產現場電源波動大、干擾大的情況下，使系統能穩定、可靠地工作，斷電時實現自動無擾切換，對系統控制電源進行30 min的斷電保護。低壓控制系統所有空氣斷路器選用施耐德產品；所有中間繼電器選用HF（合資）產品；PLC選用西門子S7－400和S7－300系列產品，遠程I/O站選用西門子ET200M；端子選用ABB產品；PLC選型時DI/DO點、AI/AO點按實際點數的110％考慮；PLC所有數字量輸出控制信號進行繼電器隔離后輸出。

4個操作站選用標準PC總線工業控制計算機，Intel公司Pentium IV系列CPU，內置Siemens公司10/100M以太網卡，19英寸寬平液晶顯示器，以太網通訊電纜、以太網通訊網絡附件、現場總線電纜、現場總線網絡附件，工控機與PLC之間采用西門子工業以太網交換機進行連接。

系統編程采用Windows XP操作系統，SIMATIC WINCC組態監控軟件，西門子以太網通訊軟件，輔助開發環境VB、VC++。

網絡通訊采用標準工業總線Profibus，網通訊速率為1.5 Mbps/S，采用雙路通訊冗余，以太網通訊速率為100 Mbps/S，以太網通訊采用熱備雙冗余。

1.5 主要設備配置

（1）操作控制臺 4臺計算得：Jα=1.1×10－4kg·m2。（2）PLC控制柜 1面主機架UR2－H 1塊存儲卡 2塊電源模塊PS407 10A 2塊CPU模塊CPU412H－3 2塊同步模塊 4塊通信模塊CP443－1 2塊DI模塊 16×24VDC 6ES7321－1BH02－0AA0 9塊DO模塊 16×24VDC 6ES7422－1BH01－0AA0 1塊AI模塊8×4～20 mA 6ES7331－7NF00－0AB0 18塊AO模塊4×4～20 mA 6ES73321－5HD01－0AB0 1塊接口模塊IM153－2冗余組 3塊現場總線模塊（熱插拔） 20個前連接器20針 11個40針 18個存儲器 2個機架 3塊以太網交換機SCALANCE 2臺交換機附件 2套計算得：Jα=1.1×10－4kg·m2。（3）電源柜 1面隔離變壓器220/220V/5KW AC 1個電源恒壓器220V AC 4KW 1個低通濾波器220V/20A AC 1個開關電源10A 24V DC 2個（4）后備電源山特UPS 4KW 1套（5）工控機 4臺機型標準PC總線工業控制計算機CPU INTEL P4 2.0G

硬盤80 G MAXTOR內存512 M KINGMAX西門子以太網卡10/100 MHZ CP1613光驅52xCD－ROM SONY鍵盤鼠標顯示器19″寬屏液晶SAMSUNG系統軟件Windows XP組態軟件WinCC6.0 SIEMENS通訊軟件S7－REDCONGNECT SIEMENS（6）以太網系統配置西門子以太網交換機SCALANCE 2臺以太網交換機附件 2套（7）電氣臺柜通用技術數據：額定電壓220 V AC 50 Hz交流控制電壓220 V AC 50 Hz直流控制電壓24 VDC電氣柜結構型式固定式安裝高度≯1 000 m（海撥）環境溫度≯40℃絕緣等級B級

2 一次儀表及常規智能控制儀表的設計選型

冶煉、化工系統生產條件通常較為惡劣，這對檢測儀表特別是一次儀表有較高的要求，為此，我們本著測量準確、可靠，經濟、實用，維護方便的原則，對其進行設計選型。

2.1 溫度檢測儀表

2.1.1 沸騰爐專用溫度檢測儀表

沸騰爐工序測溫儀表的選擇是重中之重，爐膛工況對于測溫裝置，要求同時滿足耐高溫、耐氧化腐蝕、耐磨、高機械強度等條件，選用高鉻鑄鋼（ZHCr28）套管作為熱電偶外保護套管，熱電偶本體保護管直徑φ20，熱電偶芯子直徑φ3.5，法蘭連接方式。

2.1.2 凈化、干吸溫度檢測儀表

凈化工序采用酸洗凈化流程，其目的是去除焙燒煙氣中的多種有害雜質，因此凈化洗滌液的成分較為復雜，主要是：水和硫酸，微量的氰氟酸、高氯酸、鹽酸等，其對金屬的侵蝕尤為嚴重，工藝介質溫度較低。凈化工序測溫儀表選用防腐型Cu50熱電阻，保護管材質為1Cr18Ni9Ti外敷聚四氟乙烯，直徑φ16，法蘭連接方式。

干吸工序煙氣流程介質為凈化后較純凈的SO2煙氣，硫酸主要為93％、98％濃硫酸，測溫儀表選用Cu50熱電阻，保護管材質1Cr18Ni9Ti，直徑φ16，法蘭連接方式。

2.1.3 轉化工序溫度檢測儀表

轉化工序介質為凈化干燥后較純凈的SO2煙氣，溫度要求較高，測溫儀表主要選用K型熱電偶、保護管材質1Cr18Ni9Ti，直徑φ16；考慮到SO2風機振動較大，煙氣溫度較低，其進出口煙氣溫度的測量選用鎧裝抗振 Cu50熱電阻，保護管材質1Cr18Ni9Ti，直徑φ16；SO2風機及其電機的軸承溫度測量選用帶遠傳雙金屬溫度計，既可進行就地觀察，也可遠程傳送在集控室進行顯示、報警、連鎖。

2.2 壓力檢測儀表

SO2煙氣壓力檢測儀表選用EJA差壓變送器，膜片采用哈氏合金，其他接液部分為防腐材料，變送器安裝在保護箱內，以避免陽光直射以及灰塵和腐蝕液的侵害，延長其使用壽命；在壓力取樣裝置上采用鋼件與PVC軟管之間采用插拔式取樣方式，實用、簡單、可靠，維護方便。

對于凈化洗滌液的壓力測量，選用耐腐蝕隔膜壓力表，接液膜片為哈氏合金膜片，其他接液部分材質為聚四氟乙烯材料。

2.3 流量、分析、液位儀表

2.3.1 流量測量儀表

流量測量儀表選用一體化均速管流量計，主要用來測量沸騰爐爐前風機出口流量，需要指出的是在選型時一定要提供準確的儀表要求參數，安裝時要盡可能的保證儀表對直管段要求，保證儀表在管道上的垂直度和同心度。

2.3.2 成分分析儀表

選用熱導式SO2濃度分析儀測量主風機出口煙氣中SO2的含量，南京分析儀表廠生產的RD－1400熱導式SO2濃度分析儀測量精度高、性能穩定、使用壽命長，其二次智能儀表帶4～20 mA變送輸出，將送給計算機監控系統。在使用中應經常巡視預處理裝置，更換干燥劑，檢查轉子流量計是否在正常的流量范圍，清理積灰，對分析儀定期進行標定。在安裝SO2濃度分析儀時，導氣管應盡可能短，將預處理裝置安裝于室內。

選用硫酸濃度分析儀測量干燥塔循環酸濃度，南化集團研究院生產的UHC型超聲波93％硫酸濃度分析儀測量精度高、性能穩定、使用壽命長，其二次智能儀表帶4～20 mA變送輸出，將氣濃信號送給計算機監控系統。在使用中應經常巡視現場檢測器運行情況、有無滴漏、調節檢測器中酸的流量并保持穩定，以不產生氣泡為準。在安裝中應嚴格按照說明書和相關規范合理布局穩流管道，選擇合適的調節閥，保證流體流動形態穩定。

2.3.3 液位儀表

凈化工序液位儀表選型時須特別注意對金屬的侵蝕尤為嚴重的凈化洗滌液，洗滌液溫度一般在40～60℃之間，選用接液部分材質均為四氟材料的磁翻柱液位計，為增加其機械強度，除接液部分材料外，其他為1Cr18Ni9Ti材質。經長期使用，其性能穩定，經久耐用。干吸工序循環酸槽上的液位測量選用玻璃管浮子液位計，使用效果良好。

3 結束語

該系統自2009年7月投運以來，測量準確，運行平穩，故障率低，維護量小，從而為制酸系統的穩定運行提供了保障，有效地提高了生產效率。

［1］陳守仁.工程檢測技術［M］.北京：中央廣播電視大學出版社，1984.

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［4］梅光貴，王德潤，周敏元，等.濕法煉鋅學［M］.長沙：中南大學出版社，2001.