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一、 概述：

    1、 炭黑是一種黑色粉末壯或顆粒狀的物質，廣泛應用于工業制造的各個領域，大到航空航天設備，小到日常用品，都要以炭黑為原料或添加劑進行生產或制造。由于炭黑的廣泛應用，如何生產高效優質炭黑顯得尤為重要。炭黑的生成既有物理作用，也有化學作用，其結構主要取決于原料油的品質和性質，其次還有工藝設備的質量、控制策略的高低、控制手段的先進等因素。炭黑生產線屬中壓短周期連續生產線，易對環境造成污染。

    2、 太原伸華化工有限公司采用北京和利時公司DCS系統對1.5萬噸/年炭黑生產線進行監視和控制。系統包括2臺操作站1臺控制站；系統配置點數319點，其中模入127點，模出32點，開入96點，開出64點；控制策略采用PID、串級、比值調節系統、故障強制操作、聯鎖保護等，該系統于2000年10月16日一次開車成功，并全部投入自動控制。

二、 炭黑生產工藝流程簡述，

    炭黑生產是將原料油、燃料油和預熱空氣噴入反應爐內燃燒，溫度至1900℃生成炭黑煙氣，經一次急冷水降至800℃，經二次急冷水降至280℃經過煙道進入炭黑收集主袋部分；炭黑因不能經過主袋微孔而被主袋濾器收集，經反吹后由風送系統送入炭黑收集排袋部分；炭黑在熱煙氣的輸送下經粉碎機粉碎至325目、再經旋風分離器分離，然后進入濕法造粒系統；粉料儲罐中的炭黑經攪拌機加水攪拌后，由供料輸送機送入濕法造粒機進行造粒；從造粒機出來的濕炭黑粒子經干燥系統干燥后送入產品存儲包裝系統；干燥機送出的顆粒狀炭黑經篩選機篩選出合格品,由儲存提升機送至產品儲罐，待包裝機包裝成品。

    炭黑生產工藝分為七大系統：
  1、炭黑反應及預熱系統
  2、炭黑收集主袋部分及風送系統
  3、炭黑收集排袋部分及風送系統
  4、炭黑濕法造粒系統
  5、炭黑干燥系統
  6、產品存儲包裝及不合格品回收系統
  7、公用及輔助系統

三、 分系統流程及控制策略的實現

1、 炭黑反應及預熱系統
    炭黑的生成是在反應爐內進行的,其反應既有物理作用，也有化學作用其結構主要取決于原料油的品種和性質，當選用30%的蒽油和70%的 煤焦油為原料時,在風量降低的情況下能生產出結構較好的N539炭黑。
    炭黑反應及預熱系統分為四部分：燃料油部分、原料油部分、供風部分、急冷水部分。

    <1>、燃料油部分：炭黑生產中燃料油使用煤焦油，經燃料油加熱器加熱至120℃加空氣霧化后由噴槍噴入反應爐燃燒段。燃燒段溫度的高低直接影響炭黑的生成量且能達到節能降耗。
    燃料油調節系統：燃料油調節系統包括霧化空氣流量（FI-111）的檢測、添加劑流量（FIC-109）的調節控制、燃料油流量（FIC-102）的調節、燃料油壓力（PI-102）的檢測及燃料油加熱器溫度（TIC-102）的控制等。其中添加劑流量、燃料油溫度控制均為單回路PID控制，控制目標值是根據生產炭黑的工藝決定。燃料油流量的控制是該系統的重點，是通過模型選擇及串級控制的，生產炭黑理論上為兩種模型，不同的模型經過不同的計算公式獲得一個燃料油流量設定值經模型后輸入給PID控制CS端，在信號采集方面，考慮到流量信號有時會波動很大，管道口徑在20―30mm，為控制信號波動對系統的影響，采集信號經一階慣性之后參與控制，且適當增加比例度、延長積分時間，使系統控制穩定。
    風油比：燃料油入爐時必須加入空氣霧化，以控制反應爐爐溫，霧化空氣流量與燃料油流量之比為1：1.5-2.0，此系統未設計比值調節系統，由操作工操作控制來完成的。

    <2>、原料油部分：原料貯罐中的原料油經原料油過濾器由泵送入原料油預熱器（E202），預熱到260℃左右，再經過原料油噴嘴噴入反應爐的喉管段，在這里原料油與來自燃燒段的高溫高速氣流混合原料油迅速汽化并裂解生成炭黑。
    原料油調節系統：原料油調節系統包括入爐原料油壓力（PI-101A）檢測，入爐原料油壓力（PIC-101）調節，入爐原料油溫度（TIC-104）調節，入爐原料油流量（FIC-101）調節，原料油預熱器溫度（TIC-105）調節等，原料油調節系統的調節方式與燃料油調節系統大致相同，均采用單回路調節，加一階慣性、數字濾波等手段對信號進行處理，保證在系統有干擾的情況下也能投入自動。

    <3>、供風部分：大氣進入主供風機（355KW，10000V），經升壓后進入空氣預熱器，升至650℃左右，再進入反應爐燃燒段夾套，進一步加熱至700℃左右進入反應爐燃燒室。
    供風系統控制：供風系統控制包括主供風機的電流、軸溫檢測，入口、放空遙控，連鎖保護等。空氣溫度、壓力的檢測，空氣流量（FIC-103）的控制，因空氣流量一般為8000M3/H，采用單回路PID控制，要求參數整定中盡可能數據適中，避免控制滯后又要克服擾動。 

    <4>、急冷水部分：在反應爐（E201）后部，將急冷水直接噴入含有炭黑的高溫氣流（煙氣）中，使煙氣冷卻到800℃（設定為760℃）以下以終止炭黑的反應，氣流流經煙道再進行二次急冷水冷卻到280℃左右，進入炭黑收集系統。
    急冷水系統控制：急冷水系統控制包括水罐液位（LIC-600）調節，一次急冷水流量（FIC-104）調節、內冷卻水總流量（FIC-104A）調節、冷卻水溫度（TIC-104）調節等。因冷卻水流量控制的準確與否，關系到炭黑的品質，故該系統參數整定中也采取比例度、積分時間適中的方式，且對采集信號進行濾波處理。

2、 炭黑收集主袋部分及風送系統

    <1>、炭黑收集主袋部分：冷卻煙氣進入下進氣反吹風主袋濾器，在流經主袋濾器的過程中，煙氣中的炭黑因不能通過濾袋的微孔而附著在濾袋上被收集下來，附著在濾袋上的炭黑用主袋反吹風機定期輪流進行吹掃，使炭黑落入袋濾漏斗。主袋濾器收集的炭黑經主袋濾器氣密閥進入風送系統。
    炭黑收集主袋部分控制：炭黑收集主袋部分包括主袋壓差的檢測，主袋入口煙氣壓力的檢測，尾氣風機進口壓力（PIC-131）的調節等；主袋濾器分為六個箱體，每個箱體有一個排氣閥和一個反吹閥，共12個電磁閥，分別用（NKV-130A~F）和（NKV-131A~F）表示，電磁閥順控是該系統的重點，利用梯形圖來完成。
    主袋濾器順控：主袋濾器排氣閥和反吹閥的切換順序為打開排氣閥，20 秒鐘之后關閉排氣閥，5秒鐘之后反吹閥，10秒鐘之后關閉反吹閥， 5秒鐘之后打開下一組排氣閥，依次循環進行，此功能采用梯形圖中的定時器及線圈即時器及線圈即可完成。對每個電磁閥設置了強制手動開關，當主袋濾器中的排氣閥和反吹閥出現故障時，可進行強制手動來操作，此時梯形圖自動輸出無效。

    <2>、風送系統部分：風送系統是將主袋濾器收集的炭黑用230~250℃的熱煙氣輸送，最終送至旋風分離器的過程。
風送系統調節：風送系統包括煙氣的溫度、壓力檢測，尾氣風機進口壓力（PIC-131）的調節，此調節回路為一典型的隨動系統，因尾氣風機進氣量來自排氣管道，當排氣閥打開時，主袋濾器壓差增大至10KPa，尾氣風機進口壓力也增大；當排氣閥關閉，反吹閥打開時，主袋濾器壓差減小至-10KPa，尾氣風機進口壓力也減小；主袋濾器的排氣閥和反吹閥在10秒和20秒之間循環切換，導致尾氣風機進口壓力也在0~1000Pa之間波動，對于規律性波動的隨動系統，目前只將閥位限制在一定范圍之內，使被控量在允許的范圍內波動，在自動方式時，采用輸出帶滯后的穩定調節方法。

3、炭黑收集排袋部分及風送系統

    <1>、炭黑收集排袋部分：從回轉干燥機前部排出的炭黑熱氣體（約232℃）經排氣風機送到排氣袋濾器進行收集，附著在濾袋上炭黑被用排氣袋濾器反吹風機定期輪流進行吹掃，使炭黑落入袋濾漏斗再經排氣袋濾器氣密閥進入風送系統。
    炭黑收集排袋部分控制：炭黑收集排袋部分包括排袋壓差的檢測，排袋入口煙氣壓力，反吹風機壓力的檢測，流風機進口壓力（PIC-127）的調節等。排袋濾器分為三個箱體，每個箱體有一個排氣閥和一個反吹閥，共6個電磁閥，分別用（NKV-210A~C）和（NKV-211A~C）表示，電磁閥順控是該系統的重點，利用梯形圖來完成。
    排袋濾器順控：排袋濾器排氣閥和反吹閥的切換順序與主袋濾器相同，每個電磁閥設置了強制手動開關，當排袋濾器中的排氣閥和反吹閥出現故障時，可進行強制手動來操作，此時梯形圖自動輸出無效。

    <2>、排袋風送系統部分：排袋風送系統是將排袋濾器收集的炭黑用230~250℃的熱煙氣輸送，通過粉末粉碎機將炭黑粉成小于325目的粒子，再經風送風機送到收集旋風分離器中，從收集旋風分離器中出來的煙氣經回流風機送回煙氣系統，與反應爐出來的煙氣一道進入主袋濾器。
    風送系統控制：風送系統包括煙氣的溫度檢測，風送風機的電流檢測，回流風機的電流檢測，來自干燥機的氣體壓力檢測等。

4、濕法造粒系統

    從收集旋風分離器（V401）收集下來的炭黑落入儲罐（V402）中，粉狀炭黑經儲斗攪拌器攪拌，容重增加后供料輸送機（L401）送入濕法造粒機（M402）中造粒。
    濕法造粒系統控制：濕法造粒系統包括粉狀儲罐的溫度（TI-200A）、底部重量（WI-200）的檢測，收集旋風分離器壓力（PI-127）的檢測；造粒機功率（JIC-208）和造粒水流量（FIC-208）構成串級調節系統，造粒機功率為主回路，造粒水流量為付回路進行調節，在信號采集輸入上加一階慣性、數字濾波等手段對信號進行處理后送調節器，以克服信號波動對控制系統的影響。

5、炭黑干燥系統

    從濕法造粒機（M402）出來的濕炭黑粒子進入回轉干燥機（M403）進行干燥，尾氣燃燒爐產生的熱量進入回轉干燥機干燥濕炭黑粒子。
    炭黑干燥系統控制：炭黑干燥系統包括干燥機火箱排氣壓力（PI-222）、溫度（TI-222）的檢測、遙控（HV-222）、尾氣燃燒爐溫度（TI-207）等相關參數。 流量（FIC-201）與空氣流量（FIC-203）構成比值調節系統。
             空氣：尾氣 = 1：1.5~2.0
             比值可以根據工藝要求由操作工設定。
    功能塊圖實施：用尾氣流量FIC-201除以比值設定數，獲得值輸入至空氣流量（FIC-203）調節器的CS端，以控制空氣量的大小。因燃燒系統屬滯后較大的調節系統，在調節器投入自動后，需在線整定參數，取消微分對系統的擾動，增大比例度（200）及積分時間（100），使輸出作用減小，達到系統控制穩定的目的。

6、產品存儲包裝及不合格品回收系統

    產品存儲包裝及不合格品回收主要是將來自干燥機的成品炭黑合格品進行存儲包裝，不合格品存入回收漏斗送往再處理袋濾器的過程。
    控制過程主要包括提升機的炭黑粒子溫度檢測，產品儲罐液位檢測等。

7、公用及輔助系統

    公用及輔助系統主要包括壓縮空氣系統（儀表空氣）、鍋爐蒸汽系統、冷卻水系統等。
    控制過程主要包括儀表空氣壓力檢測；鍋爐蒸汽的壓力溫度檢測；冷卻水系統的壓力檢測，水罐液位（LIC-600）和自來水流量（FIC-600）的調節。此調節均為單回路PID控制。
    該系統自投入以來，所有自動投入均正常，控制很穩定，對各種擾動起到了及時的響應。