淺析電解鋁煙氣凈化自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

解安偉 吳生杰

青海北捷新材料科技有限公司，青海西寧 810021

國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與工程建設(shè)需求逐漸增多，我國電解鋁行業(yè)投產(chǎn)量大，項(xiàng)目建設(shè)多。但電解鋁過程所產(chǎn)生的有害電解煙氣對(duì)作業(yè)人員的身心健康和環(huán)境的影響不可忽視，我國對(duì)電解鋁所產(chǎn)生的有害煙氣治理力度逐漸嚴(yán)格細(xì)化。目前，以干法凈化技術(shù)進(jìn)行煙氣治理被多數(shù)國內(nèi)電解鋁企業(yè)所采用，可以達(dá)到煙氣排放國家標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)以青海某企業(yè)的電解車間建設(shè)工程的煙氣凈化為設(shè)計(jì)背景，設(shè)計(jì)一套煙氣凈化控制系統(tǒng)，這樣可以提高煙氣凈化過程中的自動(dòng)化水平，為環(huán)境治理和企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供一定的基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)采用集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以“集中管理，分散控制，數(shù)據(jù)共享”原則，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)控制、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)凋節(jié)，對(duì)鋁電解廠內(nèi)各系統(tǒng)工藝流程中的重要參數(shù)、重要設(shè)備進(jìn)行計(jì)算機(jī)在線集中實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而確保電解鋁煙氣排放達(dá)到國家允許排放標(biāo)準(zhǔn)。

1 電解鋁煙氣凈化工藝流程

煙氣凈化主要靠主排煙機(jī)抽吸到凈化系統(tǒng)，使整個(gè)系統(tǒng)處于負(fù)壓狀態(tài)，煙氣經(jīng)過排煙總管、地下煙道，進(jìn)入除塵器的入口立管與來自VRI反應(yīng)器均勻溢流出來的新鮮氧化鋁發(fā)生表面吸附生成的載氟氧化鋁，再由袋式除塵器進(jìn)行氣固分離，分離后的載氟氧化鋁經(jīng)風(fēng)動(dòng)溜槽與氣力提升機(jī)將其提升到貯槽供電解使用。分離后的煙氣由主排煙機(jī)送至煙囪排入大氣中。煙氣干法凈化工藝流程如圖1所示。

圖1 煙氣干法凈化工藝流程

2 整體控制方案設(shè)計(jì)

煙氣凈化自動(dòng)控制系統(tǒng)是由排煙機(jī)控制系統(tǒng)、氧化鋁投料控制系統(tǒng)、布袋除塵器監(jiān)測控制系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)組成，根據(jù)煙氣凈化工藝要求，選擇各類系統(tǒng)中過程檢測級(jí)設(shè)備以及壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器等。

2.1 布袋除塵器監(jiān)測控制系統(tǒng)

布袋除塵器監(jiān)測控制系統(tǒng)主要進(jìn)行壓差監(jiān)測與脈沖控制。利用纖維織物過濾作用的布袋除塵器實(shí)現(xiàn)對(duì)載氟氧化鋁的煙氣與顆粒過濾分離，因顆粒大、比重大的粉塵無法穿過濾料而落入灰斗，細(xì)小粉塵的氣體則通過，達(dá)到煙氣與顆粒過濾分離效果。但長時(shí)間使用后，粉塵在濾料表面積聚成一層灰層，導(dǎo)致過濾效率低和分離阻力大，造成濾料兩側(cè)壓差有較大變化，影響布袋除塵器的除塵效果?？赏ㄟ^監(jiān)測濾料兩側(cè)的壓差值輸入給PLC與上位機(jī)軟件實(shí)施監(jiān)控，再利用脈沖控制，改變壓差，保證布袋除塵器的過濾分離效果。

2.2 排煙機(jī)控制系統(tǒng)

排煙機(jī)是煙氣凈化自動(dòng)控制系統(tǒng)的主動(dòng)力源。煙氣輸送、凈化后排放等都在負(fù)壓狀態(tài)下控制操作，系統(tǒng)采用變頻器——異步電機(jī)拖動(dòng)控制，其優(yōu)勢為可實(shí)現(xiàn)就地控制和控制室的遠(yuǎn)程控制，再者變頻器控制能節(jié)約電能、控制可靠性。此外，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行應(yīng)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，即2臺(tái)變頻器和2臺(tái)異步電機(jī)，一用一備。

2.3 氧化鋁投料控制系統(tǒng)

氧化鋁粉能吸收電解鋁煙氣中的氟化氫氣體，再生成載氟氧化鋁固體顆粒。為充分吸收與接觸煙氣中的氟化氫氣體，需在煙氣凈化自動(dòng)控制系統(tǒng)中加入新鮮的氧化鋁粉。但氧化鋁投料量的多少，決定了氟化氫凈化指標(biāo)和凈化節(jié)能效果。合理設(shè)計(jì)新鮮氧化鋁投料控制系統(tǒng)和匹配的載氟氧化鋁過濾控制系統(tǒng)，是設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)。

3 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)煙氣凈化工藝控制要求應(yīng)采用集散控制（DCS）系統(tǒng)，由過程檢測與執(zhí)行級(jí)、過程控制級(jí)、現(xiàn)場監(jiān)控級(jí)組成。各級(jí)采用的硬件設(shè)備類型說明如下：

過程檢測與執(zhí)行級(jí)是指煙氣檢測系統(tǒng)、布袋除塵器壓差檢測與脈沖控制系統(tǒng)、溫度檢測等所應(yīng)用的溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、料位傳感器等檢測元件和變頻器、電磁閥等控制元件。實(shí)現(xiàn)煙氣凈化自動(dòng)控制現(xiàn)場各類參數(shù)，實(shí)時(shí)檢測計(jì)量和控制。

過程控制級(jí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場參數(shù)與上位機(jī)通信、完成現(xiàn)場參數(shù)采集和預(yù)處理，為上位機(jī)提供數(shù)據(jù)，上位機(jī)控制信號(hào)的下達(dá)執(zhí)行、實(shí)現(xiàn)為上位機(jī)控制運(yùn)算提供輔助數(shù)據(jù)和信息，由3臺(tái)S7-300PLC組成。

現(xiàn)場監(jiān)控級(jí)即為上位機(jī)或者操作員站，實(shí)現(xiàn)過程監(jiān)視、過程控制操作，操作員站提供良好的人機(jī)交互界面，用以實(shí)現(xiàn)集中顯示、集中操作和集中管理等功能。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通信

電解鋁煙氣凈化控制系統(tǒng)以Profibus現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，Profibus現(xiàn)場總線以靈活多樣的分布式I/O接收現(xiàn)場傳感檢測信號(hào)，實(shí)現(xiàn)過程檢測中各類檢測元件間的通信，工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)子站間的數(shù)據(jù)通信，但上位機(jī)與PLC采用的是RS232串行通信接口，PLC與現(xiàn)場檢測點(diǎn)之間的通信是通過Profibus總線來完成的?，F(xiàn)場的所有監(jiān)測點(diǎn)都是掛在Profibus總線上，Profibus總線上面連接的是S7-300模塊，這樣可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的最快傳輸，使整套生產(chǎn)線達(dá)到最優(yōu)效果。

采用Profibus總線是因?yàn)槠鋬?yōu)勢：一是節(jié)省硬件數(shù)量與投資，分散在設(shè)備前端的多功能智能設(shè)備可以減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨(dú)的控制器、計(jì)算單元及DCS系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離等功能單元，減少接線，節(jié)省硬件投資，減少了控制室的占地面積；二是節(jié)省安裝費(fèi)用，現(xiàn)場總線系統(tǒng)的一對(duì)雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€(gè)設(shè)備，因此電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計(jì)與接頭校對(duì)的工作量也大大減少；三是用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)，不同產(chǎn)品的互可操作性與互用性使用戶可以自由選擇設(shè)備來集成系統(tǒng)，不會(huì)為選擇范圍的局限、協(xié)議接口的不兼容而，使系統(tǒng)集成過程中的主動(dòng)權(quán)完全掌握在用戶手中；四是提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性，數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)相比，測量精度高，傳送誤差減少，控制的準(zhǔn)確度也高。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強(qiáng)，信號(hào)往返傳輸少，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。

4 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

電解鋁煙氣凈化自動(dòng)控制系統(tǒng)的另一個(gè)設(shè)計(jì)重點(diǎn)就是控制系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)從幾個(gè)方面來提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性：一是電纜選型，多數(shù)選用屏蔽電纜，避免信號(hào)干擾或衰減；二是PLC應(yīng)單獨(dú)安裝，遠(yuǎn)離動(dòng)力電源避免強(qiáng)干擾源；三是信號(hào)線與電力電纜分別走線，不同類型的線分別裝入不同的電纜槽中，避免磁場干擾；四是冗余技術(shù)的應(yīng)用，包括變頻器、電機(jī)等設(shè)備或系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)，一旦工作單元發(fā)生故障，通過故障檢測控制機(jī)制，及時(shí)將處于待機(jī)狀態(tài)的單元投入運(yùn)行，保障生產(chǎn)設(shè)備能夠安全可靠運(yùn)行。

5 結(jié)語

煙氣凈化系統(tǒng)的建立可以有效地改善鋁電解作業(yè)環(huán)境和大氣環(huán)境，在煙氣凈化系統(tǒng)中加入自動(dòng)化控制可以提高煙氣凈化的效率，有效地改善排放到大氣中有害氣體。根據(jù)電解鋁的煙氣凈化控制過程，控制系統(tǒng)采用目前應(yīng)用廣泛的集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，發(fā)揮了“集中管理、分散控制”的優(yōu)點(diǎn)。工業(yè)以太網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)工廠管理級(jí)與過程控制級(jí)之間的通訊。而過程控制級(jí)與過程檢測及執(zhí)行級(jí)之間的通訊由西門子公司的Profibus總線進(jìn)行連接通訊，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)控制、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)凋節(jié)，對(duì)鋁電解廠內(nèi)各系統(tǒng)工藝流程中的重要參數(shù)、重要設(shè)備進(jìn)行計(jì)算機(jī)在線集中實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而確保鋁電解廠的煙氣排放達(dá)到國家的排放標(biāo)準(zhǔn)。