一、 概述：

    1、 炭黑是一種黑色粉末壯或顆粒狀的物質(zhì)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造的各個(gè)領(lǐng)域，大到航空航天設(shè)備，小到日常用品，都要以炭黑為原料或添加劑進(jìn)行生產(chǎn)或制造。由于炭黑的廣泛應(yīng)用，如何生產(chǎn)高效優(yōu)質(zhì)炭黑顯得尤為重要。炭黑的生成既有物理作用，也有化學(xué)作用，其結(jié)構(gòu)主要取決于原料油的品質(zhì)和性質(zhì)，其次還有工藝設(shè)備的質(zhì)量、控制策略的高低、控制手段的先進(jìn)等因素。炭黑生產(chǎn)線屬中壓短周期連續(xù)生產(chǎn)線，易對(duì)環(huán)境造成污染。

    2、 太原伸華化工有限公司采用北京和利時(shí)公司DCS系統(tǒng)對(duì)1.5萬噸/年炭黑生產(chǎn)線進(jìn)行監(jiān)視和控制。系統(tǒng)包括2臺(tái)操作站1臺(tái)控制站；系統(tǒng)配置點(diǎn)數(shù)319點(diǎn)，其中模入127點(diǎn)，模出32點(diǎn)，開入96點(diǎn)，開出64點(diǎn)；控制策略采用PID、串級(jí)、比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)、故障強(qiáng)制操作、聯(lián)鎖保護(hù)等，該系統(tǒng)于2000年10月16日一次開車成功，并全部投入自動(dòng)控制。

二、 炭黑生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)述，

    炭黑生產(chǎn)是將原料油、燃料油和預(yù)熱空氣噴入反應(yīng)爐內(nèi)燃燒，溫度至1900℃生成炭黑煙氣，經(jīng)一次急冷水降至800℃，經(jīng)二次急冷水降至280℃經(jīng)過煙道進(jìn)入炭黑收集主袋部分；炭黑因不能經(jīng)過主袋微孔而被主袋濾器收集，經(jīng)反吹后由風(fēng)送系統(tǒng)送入炭黑收集排袋部分；炭黑在熱煙氣的輸送下經(jīng)粉碎機(jī)粉碎至325目、再經(jīng)旋風(fēng)分離器分離，然后進(jìn)入濕法造粒系統(tǒng)；粉料儲(chǔ)罐中的炭黑經(jīng)攪拌機(jī)加水?dāng)嚢韬螅晒┝陷斔蜋C(jī)送入濕法造粒機(jī)進(jìn)行造粒；從造粒機(jī)出來的濕炭黑粒子經(jīng)干燥系統(tǒng)干燥后送入產(chǎn)品存儲(chǔ)包裝系統(tǒng)；干燥機(jī)送出的顆粒狀炭黑經(jīng)篩選機(jī)篩選出合格品,由儲(chǔ)存提升機(jī)送至產(chǎn)品儲(chǔ)罐，待包裝機(jī)包裝成品。

    炭黑生產(chǎn)工藝分為七大系統(tǒng)：
  1、炭黑反應(yīng)及預(yù)熱系統(tǒng)
  2、炭黑收集主袋部分及風(fēng)送系統(tǒng)
  3、炭黑收集排袋部分及風(fēng)送系統(tǒng)
  4、炭黑濕法造粒系統(tǒng)
  5、炭黑干燥系統(tǒng)
  6、產(chǎn)品存儲(chǔ)包裝及不合格品回收系統(tǒng)
  7、公用及輔助系統(tǒng)

三、 分系統(tǒng)流程及控制策略的實(shí)現(xiàn)

1、 炭黑反應(yīng)及預(yù)熱系統(tǒng)
    炭黑的生成是在反應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行的,其反應(yīng)既有物理作用，也有化學(xué)作用其結(jié)構(gòu)主要取決于原料油的品種和性質(zhì)，當(dāng)選用30%的蒽油和70%的 煤焦油為原料時(shí),在風(fēng)量降低的情況下能生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)較好的N539炭黑。
    炭黑反應(yīng)及預(yù)熱系統(tǒng)分為四部分：燃料油部分、原料油部分、供風(fēng)部分、急冷水部分。

    <1>、燃料油部分：炭黑生產(chǎn)中燃料油使用煤焦油，經(jīng)燃料油加熱器加熱至120℃加空氣霧化后由噴槍噴入反應(yīng)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(dá)到節(jié)能降耗。
    燃料油調(diào)節(jié)系統(tǒng)：燃料油調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括霧化空氣流量（FI-111）的檢測(cè)、添加劑流量（FIC-109）的調(diào)節(jié)控制、燃料油流量（FIC-102）的調(diào)節(jié)、燃料油壓力（PI-102）的檢測(cè)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(biāo)值是根據(jù)生產(chǎn)炭黑的工藝決定。燃料油流量的控制是該系統(tǒng)的重點(diǎn)，是通過模型選擇及串級(jí)控制的，生產(chǎn)炭黑理論上為兩種模型，不同的模型經(jīng)過不同的計(jì)算公式獲得一個(gè)燃料油流量設(shè)定值經(jīng)模型后輸入給PID控制CS端，在信號(hào)采集方面，考慮到流量信號(hào)有時(shí)會(huì)波動(dòng)很大，管道口徑在20―30mm，為控制信號(hào)波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，采集信號(hào)經(jīng)一階慣性之后參與控制，且適當(dāng)增加比例度、延長(zhǎng)積分時(shí)間，使系統(tǒng)控制穩(wěn)定。
    風(fēng)油比：燃料油入爐時(shí)必須加入空氣霧化，以控制反應(yīng)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(tǒng)未設(shè)計(jì)比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，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(jīng)原料油過濾器由泵送入原料油預(yù)熱器（E202），預(yù)熱到260℃左右，再經(jīng)過原料油噴嘴噴入反應(yīng)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(diào)節(jié)系統(tǒng)：原料油調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括入爐原料油壓力（PI-101A）檢測(cè)，入爐原料油壓力（PIC-101）調(diào)節(jié)，入爐原料油溫度（TIC-104）調(diào)節(jié)，入爐原料油流量（FIC-101）調(diào)節(jié)，原料油預(yù)熱器溫度（TIC-105）調(diào)節(jié)等，原料油調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式與燃料油調(diào)節(jié)系統(tǒng)大致相同，均采用單回路調(diào)節(jié)，加一階慣性、數(shù)字濾波等手段對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，保證在系統(tǒng)有干擾的情況下也能投入自動(dòng)。

    <3>、供風(fēng)部分：大氣進(jìn)入主供風(fēng)機(jī)（355KW，10000V），經(jīng)升壓后進(jìn)入空氣預(yù)熱器，升至650℃左右，再進(jìn)入反應(yīng)爐燃燒段夾套，進(jìn)一步加熱至700℃左右進(jìn)入反應(yīng)爐燃燒室。
    供風(fēng)系統(tǒng)控制：供風(fēng)系統(tǒng)控制包括主供風(fēng)機(jī)的電流、軸溫檢測(cè)，入口、放空遙控，連鎖保護(hù)等。空氣溫度、壓力的檢測(cè)，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(shù)整定中盡可能數(shù)據(jù)適中，避免控制滯后又要克服擾動(dòng)。 

    <4>、急冷水部分：在反應(yīng)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(shè)定為760℃）以下以終止炭黑的反應(yīng)，氣流流經(jīng)煙道再進(jìn)行二次急冷水冷卻到280℃左右，進(jìn)入炭黑收集系統(tǒng)。
    急冷水系統(tǒng)控制：急冷水系統(tǒng)控制包括水罐液位（LIC-600）調(diào)節(jié)，一次急冷水流量（FIC-104）調(diào)節(jié)、內(nèi)冷卻水總流量（FIC-104A）調(diào)節(jié)、冷卻水溫度（TIC-104）調(diào)節(jié)等。因冷卻水流量控制的準(zhǔn)確與否，關(guān)系到炭黑的品質(zhì)，故該系統(tǒng)參數(shù)整定中也采取比例度、積分時(shí)間適中的方式，且對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

2、 炭黑收集主袋部分及風(fēng)送系統(tǒng)

    <1>、炭黑收集主袋部分：冷卻煙氣進(jìn)入下進(jìn)氣反吹風(fēng)主袋濾器，在流經(jīng)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(fēng)機(jī)定期輪流進(jìn)行吹掃，使炭黑落入袋濾漏斗。主袋濾器收集的炭黑經(jīng)主袋濾器氣密閥進(jìn)入風(fēng)送系統(tǒng)。
    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(cè)，主袋入口煙氣壓力的檢測(cè)，尾氣風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力（PIC-131）的調(diào)節(jié)等；主袋濾器分為六個(gè)箱體，每個(gè)箱體有一個(gè)排氣閥和一個(gè)反吹閥，共12個(gè)電磁閥，分別用（NKV-130A~F）和（NKV-131A~F）表示，電磁閥順控是該系統(tǒng)的重點(diǎn)，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?yàn)榇蜷_排氣閥，20 秒鐘之后關(guān)閉排氣閥，5秒鐘之后反吹閥，10秒鐘之后關(guān)閉反吹閥， 5秒鐘之后打開下一組排氣閥，依次循環(huán)進(jìn)行，此功能采用梯形圖中的定時(shí)器及線圈即時(shí)器及線圈即可完成。對(duì)每個(gè)電磁閥設(shè)置了強(qiáng)制手動(dòng)開關(guān)，當(dāng)主袋濾器中的排氣閥和反吹閥出現(xiàn)故障時(shí)，可進(jìn)行強(qiáng)制手動(dòng)來操作，此時(shí)梯形圖自動(dòng)輸出無效。

    <2>、風(fēng)送系統(tǒng)部分：風(fēng)送系統(tǒng)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(fēng)分離器的過程。
風(fēng)送系統(tǒng)調(diào)節(jié)：風(fēng)送系統(tǒng)包括煙氣的溫度、壓力檢測(cè)，尾氣風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力（PIC-131）的調(diào)節(jié)，此調(diào)節(jié)回路為一典型的隨動(dòng)系統(tǒng)，因尾氣風(fēng)機(jī)進(jìn)氣量來自排氣管道，當(dāng)排氣閥打開時(shí)，主袋濾器壓差增大至10KPa，尾氣風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力也增大；當(dāng)排氣閥關(guān)閉，反吹閥打開時(shí)，主袋濾器壓差減小至-10KPa，尾氣風(fēng)機(jī)進(jìn)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(huán)切換，導(dǎo)致尾氣風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力也在0~1000Pa之間波動(dòng)，對(duì)于規(guī)律性波動(dòng)的隨動(dòng)系統(tǒng)，目前只將閥位限制在一定范圍之內(nèi)，使被控量在允許的范圍內(nèi)波動(dòng)，在自動(dòng)方式時(shí)，采用輸出帶滯后的穩(wěn)定調(diào)節(jié)方法。

3、炭黑收集排袋部分及風(fēng)送系統(tǒng)

    <1>、炭黑收集排袋部分：從回轉(zhuǎn)干燥機(jī)前部排出的炭黑熱氣體（約232℃）經(jīng)排氣風(fēng)機(jī)送到排氣袋濾器進(jìn)行收集，附著在濾袋上炭黑被用排氣袋濾器反吹風(fēng)機(jī)定期輪流進(jìn)行吹掃，使炭黑落入袋濾漏斗再經(jīng)排氣袋濾器氣密閥進(jìn)入風(fēng)送系統(tǒng)。
    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(cè)，排袋入口煙氣壓力，反吹風(fēng)機(jī)壓力的檢測(cè)，流風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力（PIC-127）的調(diào)節(jié)等。排袋濾器分為三個(gè)箱體，每個(gè)箱體有一個(gè)排氣閥和一個(gè)反吹閥，共6個(gè)電磁閥，分別用（NKV-210A~C）和（NKV-211A~C）表示，電磁閥順控是該系統(tǒng)的重點(diǎn)，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(gè)電磁閥設(shè)置了強(qiáng)制手動(dòng)開關(guān)，當(dāng)排袋濾器中的排氣閥和反吹閥出現(xiàn)故障時(shí)，可進(jìn)行強(qiáng)制手動(dòng)來操作，此時(shí)梯形圖自動(dòng)輸出無效。

    <2>、排袋風(fēng)送系統(tǒng)部分：排袋風(fēng)送系統(tǒng)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(jī)將炭黑粉成小于325目的粒子，再經(jīng)風(fēng)送風(fēng)機(jī)送到收集旋風(fēng)分離器中，從收集旋風(fēng)分離器中出來的煙氣經(jīng)回流風(fēng)機(jī)送回?zé)煔庀到y(tǒng)，與反應(yīng)爐出來的煙氣一道進(jìn)入主袋濾器。
    風(fēng)送系統(tǒng)控制：風(fēng)送系統(tǒng)包括煙氣的溫度檢測(cè)，風(fēng)送風(fēng)機(jī)的電流檢測(cè)，回流風(fēng)機(jī)的電流檢測(cè)，來自干燥機(jī)的氣體壓力檢測(cè)等。

4、濕法造粒系統(tǒng)

    從收集旋風(fēng)分離器（V401）收集下來的炭黑落入儲(chǔ)罐（V402）中，粉狀炭黑經(jīng)儲(chǔ)斗攪拌器攪拌，容重增加后供料輸送機(jī)（L401）送入濕法造粒機(jī)（M402）中造粒。
    濕法造粒系統(tǒng)控制：濕法造粒系統(tǒng)包括粉狀儲(chǔ)罐的溫度（TI-200A）、底部重量（WI-200）的檢測(cè)，收集旋風(fēng)分離器壓力（PI-127）的檢測(cè)；造粒機(jī)功率（JIC-208）和造粒水流量（FIC-208）構(gòu)成串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，造粒機(jī)功率為主回路，造粒水流量為付回路進(jìn)行調(diào)節(jié)，在信號(hào)采集輸入上加一階慣性、數(shù)字濾波等手段對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后送調(diào)節(jié)器，以克服信號(hào)波動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)的影響。

5、炭黑干燥系統(tǒng)

    從濕法造粒機(jī)（M402）出來的濕炭黑粒子進(jìn)入回轉(zhuǎn)干燥機(jī)（M403）進(jìn)行干燥，尾氣燃燒爐產(chǎn)生的熱量進(jìn)入回轉(zhuǎn)干燥機(jī)干燥濕炭黑粒子。
    炭黑干燥系統(tǒng)控制：炭黑干燥系統(tǒng)包括干燥機(jī)火箱排氣壓力（PI-222）、溫度（TI-222）的檢測(cè)、遙控（HV-222）、尾氣燃燒爐溫度（TI-207）等相關(guān)參數(shù)。 流量（FIC-201）與空氣流量（FIC-203）構(gòu)成比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
             空氣：尾氣 = 1：1.5~2.0
             比值可以根據(jù)工藝要求由操作工設(shè)定。
    功能塊圖實(shí)施：用尾氣流量FIC-201除以比值設(shè)定數(shù)，獲得值輸入至空氣流量（FIC-203）調(diào)節(jié)器的CS端，以控制空氣量的大小。因燃燒系統(tǒng)屬滯后較大的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在調(diào)節(jié)器投入自動(dòng)后，需在線整定參數(shù)，取消微分對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)，增大比例度（200）及積分時(shí)間（100），使輸出作用減小，達(dá)到系統(tǒng)控制穩(wěn)定的目的。

6、產(chǎn)品存儲(chǔ)包裝及不合格品回收系統(tǒng)

    產(chǎn)品存儲(chǔ)包裝及不合格品回收主要是將來自干燥機(jī)的成品炭黑合格品進(jìn)行存儲(chǔ)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(jī)的炭黑粒子溫度檢測(cè)，產(chǎn)品儲(chǔ)罐液位檢測(cè)等。

7、公用及輔助系統(tǒng)

    公用及輔助系統(tǒng)主要包括壓縮空氣系統(tǒng)（儀表空氣）、鍋爐蒸汽系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)等。
    控制過程主要包括儀表空氣壓力檢測(cè)；鍋爐蒸汽的壓力溫度檢測(cè)；冷卻水系統(tǒng)的壓力檢測(cè)，水罐液位（LIC-600）和自來水流量（FIC-600）的調(diào)節(jié)。此調(diào)節(jié)均為單回路PID控制。
    該系統(tǒng)自投入以來，所有自動(dòng)投入均正常，控制很穩(wěn)定，對(duì)各種擾動(dòng)起到了及時(shí)的響應(yīng)。