汽車自動(dòng)定量高效充裝硫酸技術(shù)研究與應(yīng)用

劉 歡，柴瑾瑜，遲棧洋，賈 苗，楊 會(huì)

（金川集團(tuán)股份有限公司鎳冶煉廠，甘肅金昌737100）

金川集團(tuán)股份有限公司鎳冶煉廠（以下簡(jiǎn)稱鎳冶煉廠）現(xiàn)有2套硫酸系統(tǒng)，產(chǎn)能分別為480 kt/a和700 kt/a，主要生產(chǎn)w(H2SO4)為93%、98%和104.5% 3種硫酸產(chǎn)品。硫酸產(chǎn)品主要通過(guò)汽車手動(dòng)充裝銷往外地。近年來(lái)，政府各級(jí)管理部門(mén)對(duì)?；饭愤\(yùn)輸管控更加嚴(yán)格，相繼出臺(tái)了《關(guān)于深入開(kāi)展平安交通專項(xiàng)整治行動(dòng)的通知》、《超限運(yùn)輸車輛行駛公路管理規(guī)定》、《公路貨運(yùn)車輛超限超載認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)》、《甘肅省交通運(yùn)輸廳、公安廳關(guān)于聯(lián)合開(kāi)展貨車非法改裝和非法超限超載治理工作的通告》等法律法規(guī)，明確了公路貨運(yùn)車輛超限超載認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)，并制定了相應(yīng)的處罰和整治措施。

鎳冶煉廠現(xiàn)有480 kt/a和700 kt/a 2個(gè)硫酸庫(kù)區(qū)，共22個(gè)儲(chǔ)罐、15個(gè)充裝貨位，其中，480 kt/a硫酸庫(kù)區(qū)10個(gè)儲(chǔ)罐、11個(gè)充裝貨位[w(H2SO4)為98%硫 酸2個(gè)，w(H2SO4)為93%硫 酸7個(gè)，w(H2SO4)為104.5%發(fā)煙硫酸2個(gè)]；700 kt/a硫酸庫(kù)區(qū)12個(gè)儲(chǔ)罐、4個(gè)充裝貨位。汽車充裝是采用大庫(kù)液位自壓充裝，裝酸嘴處由人工操作手動(dòng)閥門(mén)進(jìn)行裝酸，滿罐充裝量約50～90 t/車，裝車速率45 min/臺(tái)。對(duì)照相關(guān)規(guī)定，現(xiàn)有規(guī)格的汽車槽車充裝量?jī)H為滿罐的一半。

1 存在的問(wèn)題分析

要實(shí)現(xiàn)120 kt/a的硫酸標(biāo)噸充裝，主要存在如下問(wèn)題：

1）統(tǒng)計(jì)近幾年的充裝量，w(H2SO4)為98%硫酸最大充裝量1 000 t/d，目前的2個(gè)充裝貨位能夠滿足要求，但手動(dòng)裝酸無(wú)法滿足標(biāo)噸充裝的精度要求。w(H2SO4)為104.5%發(fā)煙硫酸最大充裝量500 t/d，也能滿足充裝量的要求，但充裝精度無(wú)法保證。

2）w(H2SO4)為93%硫酸最大充裝量6 kt/d，480 kt/a硫酸庫(kù)區(qū)7個(gè)w(H2SO4)93%硫酸貨位，基本能夠滿足充裝量的要求，但手動(dòng)裝酸無(wú)法滿足標(biāo)噸充裝量的要求。

3）700 kt/a硫酸庫(kù)區(qū)僅有4個(gè)硫酸貨位，且用酸大戶甕?；使煞萦邢薰镜难b酸基本上均在700 kt/a硫酸庫(kù)區(qū)裝酸，目前的手動(dòng)裝酸存在壓車的情況，依據(jù)標(biāo)噸充裝的要求，同等裝車量的情況下，裝車臺(tái)數(shù)將提高近1倍，根本滿足不了充裝要求，需新增充裝貨位，并提高充裝效率和精度。

4）裝酸過(guò)程為手動(dòng)作業(yè)，采用人員目測(cè)與自制標(biāo)尺進(jìn)行計(jì)量，極易發(fā)生少裝和超裝現(xiàn)象，少裝增加了運(yùn)輸成本，且客戶會(huì)要求進(jìn)行補(bǔ)裝，影響效率；超裝則必須將多裝的酸放入地下槽，人員勞動(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)危險(xiǎn)性均會(huì)增加。

2 解決措施

2.1 汽車定量裝酸計(jì)量技術(shù)的研究與應(yīng)用

針對(duì)目前手動(dòng)裝酸存在的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)汽車定量裝酸計(jì)量技術(shù)。

2.1.1 定量裝車控制原理

定量裝車控制系統(tǒng)的設(shè)備組成：每個(gè)鶴位安裝1臺(tái)電磁流量計(jì)用來(lái)測(cè)量流量，1個(gè)高位防溢液位開(kāi)關(guān)用來(lái)控制液位，1臺(tái)控制裝車量的兩段式氣動(dòng)球閥，1臺(tái)定量裝車控制儀及現(xiàn)場(chǎng)控制箱。該系統(tǒng)能有效地完成裝車作業(yè)過(guò)程中的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、定量控制、程序操作、防溢聯(lián)鎖控制、運(yùn)行監(jiān)視、報(bào)表打印等各項(xiàng)工作。系統(tǒng)還具備與上位管理計(jì)算機(jī)的通信接口，可與系統(tǒng)外計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)。自動(dòng)定量裝車系統(tǒng)控制原理見(jiàn)圖1。

圖1 自動(dòng)定量裝車系統(tǒng)控制原理

2.1.2 定量裝車設(shè)備

1）定量裝車控制儀。定量控制儀可實(shí)現(xiàn)下列功能：①參數(shù)設(shè)置功能，控制儀可以根據(jù)裝車需要通過(guò)控制儀設(shè)定灌裝參數(shù)，包括預(yù)置灌裝量、流量系數(shù)、報(bào)警量、開(kāi)閥延遲時(shí)間、流體密度等；②定量灌裝控制，確定灌裝儀的工作參數(shù)之后，灌裝儀就會(huì)按照指定的程序完成自動(dòng)灌裝過(guò)程，當(dāng)灌裝量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)控制閥門(mén)關(guān)閉；③數(shù)據(jù)采集功能，灌裝控制儀可采集流量計(jì)脈沖信號(hào)，接入汽車防溢開(kāi)關(guān)信號(hào)；④遠(yuǎn)程和就地實(shí)時(shí)監(jiān)視功能，灌裝儀配有高亮度液晶顯示屏，實(shí)時(shí)顯示灌裝進(jìn)程，遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)與灌裝儀同步實(shí)時(shí)顯示灌裝進(jìn)程和相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)；⑤通訊聯(lián)網(wǎng)功能，控制儀具有通訊和聯(lián)網(wǎng)能力，可以以RS-485、MODBUS RTU 等形式與上位機(jī)（DCS系統(tǒng)）相連，傳輸流量累積信息和閥位信息給上位系統(tǒng)，能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的灌裝情況；⑥設(shè)備自檢功能，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)灌裝控制儀工作狀態(tài)，控制儀發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示。

由于下位機(jī)安裝使用于半露天的場(chǎng)合，從設(shè)備安全考慮，在電路設(shè)計(jì)上采用三級(jí)抗雷電和防靜電處理措施，在遇到瞬間強(qiáng)電流爬升的過(guò)程中，電路的放電、阻流、降壓和瞬態(tài)抑制將使機(jī)器得到最大保護(hù)。此外，處于防爆殼內(nèi)的供電電路增加了抗電磁干擾的模塊，大大提高了機(jī)器的工作穩(wěn)定性。

2）電磁流量計(jì)。電磁流量計(jì)在整個(gè)定量裝車控制系統(tǒng)中屬關(guān)鍵設(shè)備，它的主要功能是依據(jù)電磁感應(yīng)效應(yīng)測(cè)量導(dǎo)電液體流速值，通過(guò)介質(zhì)的密度、濃度等計(jì)算過(guò)流量，并進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的上傳。由于其工作原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，測(cè)量結(jié)果與流速分布、流體壓力、溫度、密度、黏度等物理參數(shù)無(wú)關(guān)，所以采集的數(shù)據(jù)誤差值較小，適用于定量裝車系統(tǒng)。

3）氣動(dòng)兩段式防腐調(diào)節(jié)閥。氣動(dòng)兩段式防腐調(diào)節(jié)閥是一種閥板為部分球面的偏心角行程切斷閥，與球形調(diào)節(jié)閥相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、流通能力大、可調(diào)比高等特點(diǎn)。采用氣動(dòng)兩段式防腐調(diào)節(jié)閥的主要原因是其適用于低壓差大流量控制的環(huán)境，帶V形切口球面的閥板在小開(kāi)度時(shí)，仍能精確地控制流體，大大增加了可調(diào)比性，同時(shí)V形切口與閥座間還有剪切作用，適用于含纖維質(zhì)的流體、料漿類流體、高黏度流體及含聚合物、顆粒物、結(jié)晶體等流體的控制，不會(huì)因閥板的增大或減小調(diào)節(jié)引起管道劇烈震動(dòng)。此外，利用三位式執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)流量的大小控制，可避免充裝過(guò)程中液面起伏過(guò)大導(dǎo)致防溢液位開(kāi)關(guān)的基本功能失效的問(wèn)題。

2.1.3 定量裝車實(shí)施流程

鎳冶煉廠硫酸車間對(duì)所有裝酸貨位安裝成套自動(dòng)裝酸裝置，并詳細(xì)統(tǒng)計(jì)、記錄所有硫酸拉運(yùn)車輛的車牌、限裝噸位等信息，根據(jù)車輛噸位設(shè)定充裝噸位，具體過(guò)程如下：

1）硫酸充裝崗位人員檢查硫酸庫(kù)大庫(kù)放酸閥、管道及裝酸閥是否良好，充裝站房?jī)?nèi)開(kāi)啟通風(fēng)機(jī)，通風(fēng)5 min后進(jìn)入充裝站房[適用于w(H2SO4)98%和w(H2SO4)104.5%硫酸站房]。

2）由客戶押運(yùn)人員確認(rèn)，充裝崗位人員復(fù)查，確認(rèn)內(nèi)容包括：罐車是否泄漏、底排口閥門(mén)是否關(guān)緊、罐車裝酸口是否對(duì)準(zhǔn)裝酸嘴、裝酸橡膠套筒是否懸掛穩(wěn)當(dāng)?shù)葍?nèi)容，簽字確認(rèn)?？蛻暨M(jìn)行檢查確認(rèn)時(shí)必須穿戴好防酸衣、防酸手套等勞動(dòng)保護(hù)用品，勞保用品穿戴不齊全者裝酸人員可制止其作業(yè)或拒絕為其裝車。

3）裝車前，由客戶押運(yùn)人員檢查汽車罐車內(nèi)是否清空，不允許有剩余液體，否則充裝崗位人員可拒絕裝車。

4）根據(jù)客戶需要，崗位人員安排車輛至相應(yīng)硫酸貨位裝車。

5）客戶押運(yùn)人員將鶴咀準(zhǔn)確對(duì)入汽車槽罐裝酸口，綁扎好接酸管。

6）崗位人員開(kāi)啟自動(dòng)充裝操作電源，閉合所有貨位電閘。

7）崗位人員將操作箱開(kāi)關(guān)打至“合”位置，顯示操作界面，按“停止/修改”鍵，光標(biāo)閃爍后，進(jìn)入主界面。

8）崗位人員聯(lián)系中控室確定可裝酸的硫酸庫(kù)號(hào)，打開(kāi)相應(yīng)大庫(kù)的手動(dòng)放酸閥。

9）崗位人員按下自動(dòng)裝酸控制儀主畫(huà)面，進(jìn)入裝車操作界面，根據(jù)車輛最大允許充裝量，設(shè)定裝車噸數(shù)。操作自動(dòng)裝酸控制儀主畫(huà)面進(jìn)入狀態(tài)查詢界面，確定裝置狀態(tài)是否正常。確認(rèn)無(wú)誤后根據(jù)狀態(tài)欄提示操作，充裝自動(dòng)閥自動(dòng)打開(kāi)進(jìn)行裝車，充裝結(jié)束后，充裝自動(dòng)閥自動(dòng)關(guān)閉。充裝結(jié)束后報(bào)警燈提示充裝完畢。

10）所有充裝完畢后，崗位人員關(guān)閉硫酸庫(kù)手動(dòng)放酸閥。

11）崗位人員將各槽車裝酸噸位分別記錄到相應(yīng)臺(tái)帳，同時(shí)告之主控室汽車罐車的裝車數(shù)量。

2.2 高效兌車技術(shù)的研究與應(yīng)用

分析硫酸汽車充裝過(guò)車兌車過(guò)程，發(fā)現(xiàn)存在效率低的情況，主要原因有：反復(fù)倒車、斜坡地面易打滑、直角拐彎等。針對(duì)以上問(wèn)題，一一進(jìn)行了改進(jìn)。

2.2.1 大跨度-近充裝-車棧垂直裝酸棧橋

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，原汽車裝酸棧橋與馬路方向平行布置，每個(gè)裝酸咀對(duì)應(yīng)1個(gè)立柱支撐，通道支柱間距長(zhǎng)4 m，間距較窄，裝酸車輛時(shí)常發(fā)生擦碰。通過(guò)精確的車輛尺寸統(tǒng)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)位置勘察、裝酸噸位及數(shù)量計(jì)算，將原棧橋鋼結(jié)構(gòu)和彩板房整體移位成橫跨馬路方向，棧橋支柱間距由原來(lái)的4 m變更為8 m，裝酸咀設(shè)置在車輛行駛方向的車尾部位，并進(jìn)行工藝配管。合理規(guī)劃裝酸嘴布置方向，根據(jù)罐車行駛方向設(shè)立裝酸口，沿罐車行駛方向罐車無(wú)需進(jìn)行倒車操作即可開(kāi)始裝酸。改裝后罐車沿地面黃色警示漆標(biāo)識(shí)進(jìn)入裝酸入口。

在700 kt/a硫酸庫(kù)區(qū)分別改造、新建了共2套大跨度-近充裝-車棧垂直裝酸棧橋。車輛在行進(jìn)庫(kù)區(qū)過(guò)程中即完成了兌車，徹底實(shí)現(xiàn)了裝酸車輛的無(wú)倒車、直接駛?cè)胙b酸嘴的便利條件，大幅度節(jié)省兌車時(shí)間，提高裝酸效率。

2.2.2 平地+地溝防滑技術(shù)

700 kt/a硫酸庫(kù)區(qū)裝酸現(xiàn)場(chǎng)呈斜坡?tīng)?，且無(wú)排水設(shè)施，冬天容易積雪結(jié)冰導(dǎo)致路面濕滑，極易在倒車時(shí)因?yàn)樗俣容^快碰撞庫(kù)區(qū)圍堰，不僅對(duì)客戶造成損失，對(duì)硫酸車間日常維護(hù)也存在一定影響，且原棧橋?qū)挾染嚯x圍堰距離也較短，司機(jī)在視角盲區(qū)大的情況下很容易碰撞后方圍堰，存在安全隱患。

針對(duì)存在的問(wèn)題，拆除了大斜坡路面，低部墊高、高處挖平，重新硬化，將原來(lái)微“凹”型地面改造成自圍堰向左方向5°的微斜路面，并在最左側(cè)，裝酸現(xiàn)場(chǎng)新、舊裝酸區(qū)域新建1條排水溝，采用防酸缸磚，引至酸水排放口。假設(shè)因自動(dòng)裝酸設(shè)備故障出現(xiàn)汽車冒槽現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)啟沖洗水沖洗路面積酸，沖洗后的液體直接進(jìn)入地溝收集處理，減少安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.3 弧形拐彎半徑

跟蹤車輛運(yùn)行軌跡，模擬弧形拐彎半徑尺寸，對(duì)700 kt/a硫酸庫(kù)區(qū)直角圍堰進(jìn)行改造，由直角改成弧形，便于車輛拐彎行駛。通常18～19 m3的罐車長(zhǎng)度在13～13.5 m，改造后可避免因車輛過(guò)長(zhǎng)路面不寬造成刮碰圍堰的現(xiàn)象。

2.2.4 技術(shù)成果應(yīng)用

該技術(shù)成果已于2019年5月全部成功應(yīng)用于700 kt/a硫酸系統(tǒng)，應(yīng)用后兌車效率明顯增加，兌車時(shí)間由5～10 min/輛縮短至1～2 min/輛。

3 實(shí)施效果

手動(dòng)硫酸裝車改為自動(dòng)裝車系統(tǒng)后，解決了目測(cè)裝酸誤差較大、裝酸效率低、員工勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了裝酸自動(dòng)化操作，確保了裝酸準(zhǔn)確計(jì)量，杜絕了因罐車裝酸槽口位置不當(dāng)需要二次對(duì)位的情況，提高了裝酸效率，操作簡(jiǎn)便，避免了裝酸過(guò)程存在的安全環(huán)保隱患，提高了安全性。自動(dòng)硫酸裝車系統(tǒng)應(yīng)用后，裝車準(zhǔn)確率達(dá)100%，裝酸效率大大提高，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，確保了裝酸安全。

700 kt/a硫酸系統(tǒng)采用大跨度-近充裝-車棧垂直裝酸棧橋后，充裝車輛直接駛?cè)雰盾?，提高了兌車效率；平?地溝防滑技術(shù)和弧形拐彎半徑，利于車輛行駛現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)一步提高了兌車的效率和安全性，兌車時(shí)間由5～10 min/輛縮短至1～2 min/輛。

4 結(jié)語(yǔ)

鎳冶煉廠將自動(dòng)化技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，對(duì)相關(guān)工藝、設(shè)備、設(shè)施進(jìn)行了研究和創(chuàng)新，形成了1套適應(yīng)汽車裝酸的自動(dòng)化系統(tǒng)，并根據(jù)實(shí)際需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行改造，保證了裝車準(zhǔn)確性，提高了裝車效率和安全性。

目前該技術(shù)已應(yīng)用于480 kt/a和700 kt/a硫酸系統(tǒng)，運(yùn)行安全、穩(wěn)定，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著，在液體充裝領(lǐng)域具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。