方項(xiàng)林,周春虎,王煒博,呂鑫寬

(國投金城冶金有限責(zé)任公司,河南 靈寶 472500)

0 前言

隨著科技的進(jìn)步,大型化工企業(yè)規(guī)?；?、現(xiàn)代化的發(fā)展,PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣。運(yùn)用自動(dòng)化控制的技術(shù)措施手段提高設(shè)備使用壽命,提高自動(dòng)化程度,減少人員配置,優(yōu)化工藝指標(biāo)等是必然趨勢(shì)。

目前,大量依靠繼電器控制的各類設(shè)備設(shè)施仍在許多領(lǐng)域里廣為應(yīng)用,傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)必須使用大量的接觸器、中間繼電器、時(shí)間繼電器等電器元件,觸點(diǎn)頻繁動(dòng)作,也會(huì)因?yàn)樵睦匣瘜?dǎo)致繼電器接觸不良,頻繁出現(xiàn)故障,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)停產(chǎn)。傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)在實(shí)際使用和維護(hù)的成本也比較高；另外系統(tǒng)功能越多相對(duì)應(yīng)的線路也會(huì)越繁雜,在設(shè)備出現(xiàn)故障后,故障排查困難,無法第一時(shí)間內(nèi)消除故障,也會(huì)對(duì)正常生產(chǎn)造成不利影響。

隨著科技的發(fā)展,現(xiàn)在一般的可編程控制器(以下簡(jiǎn)稱PLC)不僅能夠靈活按需編程,也可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。它和相同功能的繼電器控制系統(tǒng)比較,具有以下優(yōu)良特點(diǎn)：①開發(fā)簡(jiǎn)單,調(diào)試容易,可以在線修改程序,改變控制方案；②具有一定的帶負(fù)載能力,可直接驅(qū)動(dòng)一般的電磁網(wǎng)和小型接觸器；因?yàn)檐浖δ苋〈死^電器控制系統(tǒng)中各類繼電器,因此控制柜的設(shè)計(jì)、安裝、接線乃至運(yùn)行維護(hù)工作量都會(huì)大大減少；③故障減少,排除故障簡(jiǎn)單,對(duì)生產(chǎn)的影響小,使生產(chǎn)效率得以提高；④PLC控制系統(tǒng)通過通信聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)分散控制,集中管理等。

因此,利用先進(jìn)成熟的PLC控制系統(tǒng)技術(shù)改進(jìn)由傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的技術(shù)具有廣泛應(yīng)用的空間。國投金城冶金有限責(zé)任公司吹煉電收塵將刮板機(jī)、溢流螺旋、灰斗防閉塞裝置、陰陽極振打裝置控制系統(tǒng)開展自動(dòng)化的研究與應(yīng)用實(shí)踐。

1 改造背景及需求

1.1 改造背景

國投金城冶金有限責(zé)任公司成立于2013年8月,是國家開發(fā)投資集團(tuán)有限公司全資子公司國投礦業(yè)投資有限公司控股投資企業(yè)。公司采用富氧底吹造锍捕金自熱熔煉技術(shù),主要由熔煉底吹爐、吹煉爐、陽極爐三聯(lián)爐,熔煉收塵、吹煉收塵、環(huán)保收塵、精煉收塵四套收塵系統(tǒng)以及硫酸工段、制氧站、電解車間、陽極泥等車間組成。因工藝需求不同,熔煉及吹煉收塵系統(tǒng)采用電除塵設(shè)備,環(huán)保及精煉收塵采用布袋除塵器。由于熔煉底吹爐處理的礦源雜、處理量大,產(chǎn)生的煙氣量比較多,熔煉電塵采用24小時(shí)不間斷進(jìn)行集中排灰打包,而吹煉爐所產(chǎn)生的灰量較少,吹煉電塵不需要24小時(shí)連續(xù)排灰。因此對(duì)吹煉排灰控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。

1.2 電除塵器的優(yōu)勢(shì)

電除塵器是以靜電除塵進(jìn)行收捕煙氣中粉塵的裝置,是凈化熔煉爐及吹煉爐冶煉產(chǎn)生煙氣的理想設(shè)備。它的凈化工作主要依靠放電極和沉淀極這兩個(gè)系統(tǒng)來完成。在電除塵器各電場(chǎng)中,利用高壓直流電(負(fù)高壓)使氣體電離,產(chǎn)生陰、陽離子。含塵的煙氣通過含有大量電子、正負(fù)離子的電場(chǎng),使煙塵顆粒荷電,在高壓電場(chǎng)作用下,根據(jù)同性相斥、異性相吸的原理,大量的帶負(fù)電荷的塵粒在收塵電極(陽極板)上沉積,放出電荷,而少量的帶正電荷的塵粒在電暈極(陰極線)上沉積,達(dá)到收塵目的。利用機(jī)械振打,振打錘周期性地敲打兩極裝置時(shí),粘附在其上的粉塵被抖落,落入下部灰斗經(jīng)排灰裝置排出機(jī)外,經(jīng)過倉式泵使用高壓氮?dú)廨斔椭涟谉焿m打包站灰倉,利用自動(dòng)包裝機(jī)進(jìn)行打包回收儲(chǔ)存。電除塵器具有除塵效率高；阻力損耗?。荒芴幚砀邷?zé)煔?；運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 吹煉電塵排灰原理

國投金城冶金有限責(zé)任公司吹煉電除塵器崗位的排灰系統(tǒng)由1臺(tái)熱埋刮板機(jī)、5臺(tái)溢流螺旋、10臺(tái)灰斗防閉塞裝置、4個(gè)陽極振打裝置以及8個(gè)陰極振打裝置組成。在運(yùn)行過程中,主要由4個(gè)陽極振打裝置將陽極板上吸附的煙灰震落至灰斗內(nèi),積存灰斗中的煙灰在自身的重力以及防閉塞裝置的作用下進(jìn)一步將煙灰抖落到溢流螺旋設(shè)備內(nèi),螺旋內(nèi)的煙塵在旋片轉(zhuǎn)動(dòng)的作用下進(jìn)入熱埋刮板機(jī)內(nèi),最終通過刮板機(jī)輸送到倉式泵設(shè)備后,由氮?dú)庾鳛閯?dòng)能,將煙灰打至白煙塵打包站內(nèi)進(jìn)行集中包裝。

1.4 吹煉電除塵器改造需求

企業(yè)的快速發(fā)展,使得設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行勢(shì)在必行。國投金城冶金有限責(zé)任公司吹煉電除塵器的刮板機(jī)、溢流螺旋、防閉塞裝置改造之前的控制及操作是：原控制方式為就地/遠(yuǎn)程一對(duì)一啟動(dòng)方式,運(yùn)行方式為連續(xù)運(yùn)行,現(xiàn)場(chǎng)必須安排人員進(jìn)行操作和巡檢。因吹煉電除塵器處理的煙氣量并不是太大,在灰量較小的情況時(shí),如果沒及時(shí)停止設(shè)備的運(yùn)行,會(huì)加大電能的消耗,溢流螺旋減速機(jī)與旋片連接處的盤根也會(huì)被磨碎變形,油杯中的潤滑油變質(zhì),導(dǎo)致含金物料灑落、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境變差、增加操作人員勞動(dòng)量、設(shè)備的使用壽命縮短,同時(shí)在沒灰的情況下溢流螺旋長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行,絞龍抽空,大量的冷空氣在負(fù)壓的作用下進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi),經(jīng)過與煙塵內(nèi)的二氧化硫氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生稀酸進(jìn)而腐蝕設(shè)備,同時(shí)倉式泵設(shè)備也需24小時(shí)不間斷進(jìn)行輸灰,浪費(fèi)大量的電能。結(jié)合本公司生產(chǎn)實(shí)際,吹煉系統(tǒng)的生產(chǎn)情況總結(jié),吹煉電除塵器收集的電塵灰每天產(chǎn)量2包計(jì)2 m3左右,平均產(chǎn)量0.08 m3/h,一、二電場(chǎng)的產(chǎn)量約為0.06 m3/h,三、四電場(chǎng)的產(chǎn)量約為0.02 m3/h,其排灰系統(tǒng)溢流螺旋的輸送能力為10 m3/h,刮板機(jī)的輸送能力為15～20 m3/h,在目前生產(chǎn)中1#溢流螺旋為間歇性開啟(每班開啟一次,運(yùn)行10分鐘),2～5#溢流螺旋及刮板機(jī)、電收塵器的陰陽極振打?yàn)槌ｉ_狀態(tài),灰斗防閉塞裝置運(yùn)行周期為4分鐘振5秒。

根據(jù)每天的產(chǎn)量來看,目前的排灰方式造成了極大的動(dòng)能資源浪費(fèi),降低了設(shè)備的使用壽命,增加了操作人員的勞動(dòng)量。為了使動(dòng)能資源有效利用,達(dá)到設(shè)備使用效率的最大化,降低設(shè)備使用壽命損耗,本著不影響電除塵器的工作效率及降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度制定以下整改建議及措施。

2 改造方案要求及引用

在原有抽屜柜控制線路的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造,改為：(1)保留原有的手動(dòng)就地模式開停,便于單臺(tái)設(shè)備的操作與維護(hù)；(2)在原有的基礎(chǔ)上將吹煉電除塵的排灰系統(tǒng)16臺(tái)電動(dòng)機(jī)控制方式改為PLC自動(dòng)控制、聯(lián)動(dòng)控制的運(yùn)行方式。具體改造如下：

改造材料：一臺(tái)S7-1200系列PLC控制器,型號(hào)為：1215DCDCRLY、7只直流中間繼電器、7只交流中間繼電器、3只微型斷路器、1臺(tái)220V/24v開關(guān)電源、控制電纜若干,現(xiàn)場(chǎng)配備一臺(tái)操作箱。

改造方案：將吹煉電除塵排灰系統(tǒng)的16臺(tái)設(shè)備運(yùn)行方式的時(shí)間進(jìn)行間斷性控制；其中包括1臺(tái)埋式刮板機(jī)、5臺(tái)溢流螺旋輸送機(jī)、10臺(tái)倉壁振動(dòng)器,現(xiàn)場(chǎng)操作箱配備系統(tǒng)運(yùn)行指示燈作為顯示,便于巡檢人員查看,紅色指示燈表示停止?fàn)顟B(tài),綠色指示燈表示運(yùn)行狀態(tài),操作方式分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。手動(dòng)模式：將現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備通過現(xiàn)場(chǎng)操作箱轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)至就地位置,自由按下各操作箱啟動(dòng)、停止按鈕進(jìn)行操作；自動(dòng)模式：將現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換開關(guān)包括(溢流螺旋、刮板機(jī)、防閉塞裝置)轉(zhuǎn)至遠(yuǎn)程位傳給PLC作為啟動(dòng)備妥條件,操作人員只需要按下啟動(dòng)按鈕,運(yùn)行指示燈亮起,溢流螺旋輸送機(jī)、埋式刮板機(jī)6臺(tái)設(shè)備將進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài),首次啟動(dòng)開機(jī)先運(yùn)行10分鐘,灰斗防閉塞裝置為每一分鐘從第56秒開啟振動(dòng)器,并持續(xù)振動(dòng)5秒,運(yùn)行10分鐘后停止16臺(tái)設(shè)備,休眠間隔30分鐘后,再次自動(dòng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài),運(yùn)行10分鐘,依次循環(huán),每天共運(yùn)行360分鐘。

同時(shí)將電除塵器的一、二電場(chǎng)陽極振打周期設(shè)置為運(yùn)行10分鐘停止20分鐘,三、四電場(chǎng)陽極振打周期設(shè)置為運(yùn)行10分鐘停止30分鐘,避免了在震動(dòng)清灰過程中的二次揚(yáng)塵,提高了收塵效率。

改造控制圖,如圖1所示。

改造后的優(yōu)勢(shì)：(1)按照?qǐng)D1所示各元件線路接好后,先用模擬軟件對(duì)程序模擬進(jìn)行測(cè)試,確認(rèn)無誤后下載至控制箱內(nèi)PLC加載運(yùn)行。從實(shí)際運(yùn)行情況來看本改造方案成本低廉、簡(jiǎn)便可行、效果良好、改造時(shí)間短,未對(duì)系統(tǒng)生產(chǎn)造成延誤影響；改造后的控制系統(tǒng)可靠性高。陰陽極振打間歇性運(yùn)行,保障了電塵阻力不影響系統(tǒng),使極板極線得以有效排灰,同時(shí)避免了二次揚(yáng)塵,使收塵效率由98%提高至99.5%。

圖1 吹煉收塵除塵系統(tǒng)

(2)將灰斗倉壁防閉塞裝置與溢流螺旋、刮板機(jī)設(shè)置為連鎖狀態(tài),通過PLC自動(dòng)控制,設(shè)置為間斷運(yùn)行,有效地降低了人員操作頻率、勞動(dòng)強(qiáng)度及溢流螺旋漏風(fēng)率,同時(shí)降低了灰斗堵塞的概率,該項(xiàng)技術(shù)投入使用12個(gè)月,未出現(xiàn)灰斗堵塞等現(xiàn)象。

(3)設(shè)備的間斷運(yùn)行滿足電塵灰產(chǎn)量有效排灰的同時(shí),提高了動(dòng)能的有效利用,同時(shí)電能的消耗降低了一大部分。吹煉除塵器改造前與改造后電量對(duì)比：

吹煉刮板機(jī)：數(shù)量1臺(tái)、電動(dòng)機(jī)15 kW,運(yùn)行電流為12 A,運(yùn)行功率約7 kW。

溢流螺旋輸送機(jī)：數(shù)量5臺(tái)、電動(dòng)機(jī)單臺(tái)功率5.5 kW,單臺(tái)運(yùn)行功率約4.5 kW。

防閉塞裝置：數(shù)量10臺(tái)、振動(dòng)器單臺(tái)0.25 kW,共計(jì)2.5 kW。

陽極振打：數(shù)量4臺(tái),單臺(tái)運(yùn)行功率約0.55 kW,共計(jì)2.2 kW。

所有設(shè)備每小時(shí)總功率計(jì)算如下：7+(5×4.5)+2.5+2.2=34.2 kW·h。

全年按設(shè)備運(yùn)行330天計(jì)算：34.2×24×330=270 864 kW·h。

按市價(jià)0.67元/kW：計(jì)算270 864×0.67=181 478.88元。

改造后開10分鐘停30分鐘計(jì)算共計(jì)6 h。

運(yùn)行功率不變：34.2×6×330=67 716 kW·h。

按市價(jià)0.67元計(jì)算：67 116×0.67=45 369.72元。

結(jié)論：改造前與改造后全年(按330天)節(jié)約270 864-67 716=203 148 kW·h,節(jié)約電費(fèi)約203 148×0.67=136 109.16元。

表1 裝機(jī)功率明細(xì)表

(4)此項(xiàng)技術(shù)改造降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,之前需要4名人員完成的工作,現(xiàn)在僅需1人即可完成,減少人員3名,可節(jié)約人力成本20萬元/年。

(5)此項(xiàng)技術(shù)改造縮短了倉式泵設(shè)備的使用時(shí)間,將之前24小時(shí)不間斷輸灰變?yōu)槊刻靸H需1小時(shí)輸灰,延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命,同時(shí)在氮?dú)馐褂梅矫嬉补?jié)約一大筆開支(倉式泵工作的氣源動(dòng)力為氮?dú)?。

吹煉電除塵器自動(dòng)化控制的改造不僅在電耗方面節(jié)約了一大筆開支,同時(shí)也延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。由于設(shè)計(jì)合理,設(shè)備運(yùn)行周期可根據(jù)工藝需求進(jìn)行調(diào)整,優(yōu)化了生產(chǎn)工藝,因此本次吹煉電除塵器排灰系統(tǒng)的改造是可行的,可以在類似企業(yè)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

4 結(jié)語

實(shí)踐證明,大型銅冶煉電除塵設(shè)備全自動(dòng)化技術(shù)的研究與應(yīng)用完全可行,利用PLC在化工控制領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間,大力推廣對(duì)傳統(tǒng)控制方式的設(shè)備設(shè)施進(jìn)行類似技術(shù)的改造,對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的提升都有較好的作用,國投金城有限責(zé)任公司將會(huì)在其他崗位及設(shè)備上繼續(xù)探索。