新工艺炭黑生产装置自动控制系统的设计

王勤

摘 要：了解新工艺炭黑的自控系统，让先进的控制助力炭黑工艺的创新提升，是我们自控人的责任。文中阐明了新工艺炭黑生产工艺水平不断提高的过程中，自动控制的重要性。介绍了自动控制系统在新工艺炭黑生产中的设计要点，包括主要控制方案以及仪表的选型，提出了设计中需要注意的一些问题，同时分析了DCS采用“传统方式”传输信号与采用PROFIBUS PA方式传输信号，在炭黑生产中应用的优劣。文中指出，中等规模的炭黑装置，更适合采用“传统方式”。

关键词：新工艺炭黑 DCS PROFIBUS PA 报警 联锁 自动控制 仪表选型

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（a）-0104-02

Abstract：New technology of automatic control system for carbon black， carbon black were controlled by advanced technological innovation to improve， is controlled peoples responsibility.This paper shows new technology carbon black production technology has improved continuously in the course of， the importance of control. Automatic control system was introduced in the design of new technology carbon black production， including key control program and the selection of instruments， the need to pay attention to some problems in design and analysis of DCS using the “traditional approach” transmissions with PROFIBUS PA signal transmission application in the production of carbon black is good or bad.Pointed out in the article， medium-scale carbon black plant， suitable for using “traditional approach”.

Key Words：New technology carbon black；DCS；PROFIBUS PA；Alarm；Interlocks；Automatic control； Instrument selection

新工艺炭黑生产技术引入我国已有二十几个年头了，这期间，国内“炭黑人”在其基础上，进行了大量的技术改进与提升工作。生产工艺、自动控制、动静设备得到了全面优化，涉及到炭黑生产的反应、收集、造粒与干燥、成品储运与包装四大部分。单条生产线的年产量，也由1.5万吨增加到4万吨。

1 主要控制回路的设置及仪表选型

1.1 反应部分

在炭黑生产的反应部分，进反应炉的燃烧空气、燃料油、原料油及添加剂的流量、压力等都有自动控制。这里介绍几个重要的控制回路。

1.1.1 反应炉燃烧空气流量调节

准确测量空气量是这个调节回路的关键点。通过孔板测得的流量还要进行温压补偿，同时，还需要引入空气湿度值（露点）。再由DCS进行计算，从而得出准确的空气量，并以此为依据，来控制空气进空气预热器的流量。由于这里的管道口径较大，所以，控制阀选用气动调节蝶阀。

1.1.2 进反应炉原料油流量调节

由于原料油温度较高（280℃），故需采用高温型质量流量计，以获得准确流量值，确保调节信号的精准，达到流量稳定的目的。

1.1.3 添加剂流量调节

由于添加剂的流量很小，且精度要求高，所以，采用质量流量计。控制阀为小口径气动调节阀，过去是靠进口，现在国内也有生产，使用效果尚可！

1.1.4 反应炉急冷温度调节

新工艺炭黑的最大特点，是采用双高温技术，即入炉燃烧空气高温（800℃），入炉原料油高温（280℃），而炉内的最高温度达1900℃以上，一急冷后为1050℃，对此点温度的调节关乎产品的品质，所以温度的准确测量与给水量的准确控制是关键。

1.2 收集部分

收集部分主要控制对象是主袋滤器、排气袋滤器和再处理袋滤器。

1.2.1 主袋滤器及排气袋滤器尾气出口反吹阀门顺控

主袋滤器和排气袋滤器各箱体都需要定时轮流吹扫。轮流定时关闭各箱体之一的出口蝶阀，打开反吹蝶阀，吹扫一定时间后，关闭反吹风阀，打开出口蝶阀。接着，再进行下一个箱体的吹扫，其时间间隔可用DCS设定。反吹时间一般为20～30s，几个主袋滤器箱体中，总有且只有一个在反吹，由DCS安排轮换的次序。在DCS画面上可用颜色显示阀门的开闭状态。

1.2.2 再处理袋滤器阀门反吹脉冲控制

它是由设置在造粒厂房控制室内的脉冲控制仪来完成的。

另外，主、排袋滤器各箱体袋子的压降情况，可通过差压变送器测得，DCS将根据差压值的变化，调整反吹的时长，当差压值过大时，更换过滤袋子。为防止引压管堵塞，测量管线应考虑加装吹扫装置。

1.3 造粒干燥部分

湿法造粒干燥控制系统，是由诸多调节回路组成的调节系统。

1.3.1 复杂调节回路

（1）粘合剂流量和造粒水流量组成双闭环比值控制系统，以水流量为主回路，粘合剂流量为副回路。

（2）造粒水流量和造粒机功率组成串级调节系统，以造粒机功率为主参数，造粒水流量为副参数。

（3）尾气燃烧器的尾气流量和燃烧空气组成双闭环比值调节系统，以尾气流量为主回路，空气流量为副回路。

（4）尾气流量和造粒水组成双闭环变比值控制系统。

1.3.2 其他主要监控回路

（1）造粒机温度自动调节：通过调节加热蒸汽的流量来实现。

（2）尾气粉尘浓度检测：考虑到要满足环保的要求，近几年，在炭黑设计中，已增设了对脉冲袋滤器出口管的放空尾气，进行粉尘含量监测的仪表，即气体粉尘检测仪。需要注意的是，该仪表在使用时，应考虑配置吹扫装置。

1.4 包装部分

包装部分的监控，主要是炭黑贮罐的料位超限检测，包括不合格品贮罐和产品贮罐。当料位超高时，DCS将有声光报警。该料位开关选用射频导纳式或电极式料位开关均可。

新工艺炭黑装置的仪表均为隔爆型或本安型。其远传温度计，多为热电偶（K或B），控制阀中，口径≤150 mm的，选用Globe气动调节阀，口径>150 mm的，选用三偏心气动蝶阀。

2 主要的报警、联锁

2.1 主要的报警设置

仅在反应部分就有多个报警对象，详見表1。

2.2 主要的联锁设置

一急冷温度超高联锁停车（如温度大于1010℃时）。

空气预热器出口烟气温度超高联锁停车（如温度大于710℃时）。

当尾气加压风机（GB301）停机时，联锁打开主袋滤器放空蝶阀（FV-1131）。

作为最重要设备之一的主供风机，其振动、轴温、电机电流及故障等信号，也都是紧急停车的依据。

3 控制系统的选择

如今，选择DCS作为生产装置的控制系统已很普遍，只是DCS与现场仪表间的信号传输方式有所不同。“传统方式”是每台仪表与DCS系统，都有单独连线，信号为4～20 mADC、1～5VDC、脉冲频率等，信号通过DCS电缆，由现场仪表直接进出DCS的I/O卡。另一种方式是采用现场总线来进行现场仪表与DCS间的信号传输。以PROFIBUS总线为例，其信号为PA、DP，信号不能由现场仪表直接接DCS，而是中间还需设置PA/PA接线盒、DP/PA COUPLER耦合器（见图1）或在现场加装ET200信号转换单元。可见，“传统方式”的信号传输结构简单明了，接线简单，只是电缆用量较大。而“现场总线方式”的信号传输结构较复杂，现场接线及调试的工作量较大，但电缆（总线专用电缆）用量很少。就总体投资来说，“现场总线方式”的资金投入更大。所以，当监控点较多（如大于2000点）且现场仪表分散时，“现场总线方式”有优势，若反之，还是“传统方式”更好！

我们认为，对于中等规模的炭黑装置来说，更适合采用“传统方式”。

4 几点需要注意的问题

一急冷后烟气温度TICAS-1104与TIAS-1104A的热电偶插入深度应短些，一般为入反应炉内壁200～300 mm为宜。

在开车时，反应炉烤炉的前几天用TE-1114（分度号K）（470℃），后几天用TE-1114A（分度号B）（1800℃），入反应炉内壁10mm即可，主要是观察炉壁温度。

由于尾气中含有H2O、H2、N2、CO、CO2、H2S等多种成分，而主袋滤器中的尾气是有可能泄漏出来，而使其附近有少量CO和H2存在，根据《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》的规定，需要在主袋滤器附近，分别设置有毒气体探测器、可燃气体探测器。

干燥机出口附近，由于温度较高，所以仪表电缆需采用耐高温型电缆。

5 结语

自动控制系统的设计水平，是保证新工艺炭黑生产长期平稳可靠运行，产品质量达标创优的关键，只有不断提高自控设计水平，才能满足生产工艺不断创新的要求。只有以先进的控制方案以及合理的仪表选型进行设计，辅以正确的现场施工，才能使建成一条经济、高效、节能环保且产品品质一流的新工艺炭黑生产线成为可能！

参考文献

[1] 分散型控制系统工程设计规范[S].HG/T20573-2012.

[2] 自动化仪表选型设计的特点[S].HG/T20507-2014.

[3] 信号报警、安全联锁系统设计规定[S].HG/T20511-2014.

[4] 石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范[S].GB50493-2009.

[5] 刘东辉，基于DCS炭黑生产控制系统的设计与实现[D].青岛：山东科技大学，2013.

[6] 赵斌，湿法造粒生产炭黑新技术的开发[J].燃料与化工，2007，38（4）：35-37.