【正文】 摘要 本文研究了電石爐的生產(chǎn)原理、工藝流程，并對(duì)電石生產(chǎn)的主要設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)介紹和說(shuō)明 。其次，設(shè)計(jì)了電石爐控制系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)的硬件設(shè)備進(jìn)行選型和安裝，并完成了下位機(jī) PLC 的程序設(shè)計(jì)和上位機(jī) Win CC 監(jiān)控軟件的畫面設(shè)計(jì) 。下位機(jī)采用具有模塊化結(jié)構(gòu)的可編程控制器 Siemens S7300 完成數(shù)據(jù)采集和對(duì)生產(chǎn)工藝的控制。 目前，該電石爐控制系統(tǒng)已投入運(yùn)行，系統(tǒng)的應(yīng)用降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了電極電流的穩(wěn)定性，提高了電石生產(chǎn)自動(dòng)化水平，并達(dá)到了節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率的最終目的。 第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 .............................. 5 電石爐生產(chǎn)原理 ................................... 5 碳化鈣反應(yīng)機(jī)理 .............................. 5 電石爐電極特性 .............................. 6 電石爐中的電熱過(guò)程 .......................... 7 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 ............................. 8 電石爐系統(tǒng)的高壓電路 ........ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。由于這種碳化鈣是在電爐中反應(yīng)生成，于是我們俗稱它為電石， 電石工業(yè)品是灰色、黃褐色或黑色的固體，它是有機(jī)合成工業(yè)的重要基本原料，利用電石與水反應(yīng)生成的乙炔可進(jìn)一步合成有關(guān)系列產(chǎn)品，如乙醛、醋酸、醋酸乙烯、聚乙烯醇、合成纖維、合成橡膠、合成樹脂及有機(jī)溶劑等，還可用于金屬的切割和焊接。在電弧高溫生產(chǎn)電石過(guò)程中，電石爐內(nèi)溫度值的改變是通過(guò)調(diào)節(jié)電極碳棒插入爐料的深度來(lái)控制的，并且其溫度值一般是利用三相原邊電流的大小來(lái)間接測(cè)算的，當(dāng)電極下降時(shí)電流值增加，反之則電流值減少，因此電極升降控制系統(tǒng)是電石生產(chǎn)的重要部位，電極電流值的大小和穩(wěn)定性是影響電石生產(chǎn)質(zhì)量及能耗大小的關(guān)鍵因素。 電石工業(yè)發(fā)展前景 根據(jù)統(tǒng)計(jì)， 2021 年，我國(guó)電石能 2400 萬(wàn)噸，分別是 2021 年的 倍和 倍。開(kāi)工率僅為 50%60%。大型密閉爐電爐電耗和綜合能耗分別為 3100 千瓦時(shí) /噸和 1 噸標(biāo)準(zhǔn)煤 /噸，而目前國(guó)內(nèi)大部分電石爐電耗和綜合能耗分貝為 3400 千瓦時(shí) /噸和 噸標(biāo)準(zhǔn)煤 /噸。 2021 年，碎葉節(jié)能減排政策的持續(xù)發(fā)力，國(guó)家對(duì)于電石行業(yè)的要求將更加嚴(yán)格。市場(chǎng)呈現(xiàn)出兩種不同的狀況：一方面，電石到貨較多庫(kù)存較大，排隊(duì)卸貨較為明顯的 PVC 企業(yè)，下壓電石接受價(jià)的現(xiàn) 象仍有出現(xiàn)；另一方面，遭遇限電的部分電石主產(chǎn)地區(qū)因產(chǎn)量減少貨源供應(yīng)不足，所以釋然性上調(diào)出廠價(jià)格，或者是前期接受偏低的 PVC 企業(yè)，在到貨明顯減少后重新上調(diào)電石收價(jià)，帶來(lái)價(jià)格反彈。 項(xiàng)目背景與研究意義 針對(duì)電石爐項(xiàng)目提出的具體設(shè)計(jì)要求，以節(jié)能降耗、降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度為目標(biāo)，本課題圍繞電石爐系統(tǒng)的控制部分展開(kāi)研究和設(shè)計(jì)。 項(xiàng)目背 景 我國(guó)電石生產(chǎn)設(shè)備整體技術(shù)水平較低，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程需要借助人工進(jìn)行手動(dòng)炒作，各項(xiàng)電氣參數(shù)均要通過(guò)觀察現(xiàn)場(chǎng)儀表才可獲得，由于人工操作缺乏規(guī)范性，電石產(chǎn)品的質(zhì)量和效率得不到有效的保障。 鑒于人工操作和繼電器系統(tǒng)存在的種種問(wèn)題，本課題以密閉電石爐工藝和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，選取西門子 PLC、工控機(jī)以現(xiàn)場(chǎng)儀表等設(shè)備來(lái)設(shè)計(jì)電石爐控制系統(tǒng)。 研究意義 該項(xiàng)目結(jié)合先進(jìn)生產(chǎn)工藝和自動(dòng)化控制設(shè)備，研究電石爐相關(guān)工藝參數(shù)和運(yùn)行控制模式。 電石爐控制系統(tǒng)投入運(yùn)行后，可視化的計(jì)算機(jī)操作界面和報(bào)警保護(hù)能是人員勞動(dòng)強(qiáng)度降低，并能實(shí)時(shí)有效的掌握現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況，從而提高生產(chǎn)的安全性和可靠性。 研究?jī)?nèi)容 研究?jī)?nèi)容 （ 1）研究電石爐的生產(chǎn)原理、工藝流程，詳細(xì)介紹電石爐的主要設(shè)備。 （ 3）研究電石爐中的電極壓放控制系統(tǒng) PLC 編程設(shè)計(jì)。 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 5 第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 電石爐俗稱卡石，其化學(xué)名稱叫碳化鈣。電石中除含大部分碳化鈣外，還含有少部分其他雜志。以電石乙炔為原料可制取乙烯、氯丁橡膠、氰胺化鈣、乙酸、三氯乙烯等，電石也可做鋼鐵的脫硫劑和用于金屬的切割和焊接。只有在 Ca 蒸汽壓力較高，而 CO 壓力較低的情況下， 2CaO 才可 能在較低溫度下生成。當(dāng)2CaC 含量約為 20%，溫度在 20210 ℃左右時(shí)，發(fā)生如下反應(yīng)： 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 6 COC a CCC a O ??? 23 () 伴隨沸騰現(xiàn)象的發(fā)生，反應(yīng)急劇進(jìn)行，熔融體 2CaC 成份迅速增加形成電爐中電極下端的反應(yīng)區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)，根據(jù)原配料比完成其最終反應(yīng)， 2CaC 流至爐底而被釋放。 電石爐電極特性 電石爐的電能是由變壓器通過(guò)爐子的短路向電爐輸送的，因此在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中存在有變壓器 及短路網(wǎng)的阻抗，影響著電石爐的特性。 副邊電流：? ? ? ? ? ? 2222 LRR ULR UZUI nv ?? ????? ? 副邊視在功率： IUP ?? 爐料和熔體總功率 ： nn RIP ?? 2 電路電阻總功率： ? ?nv RRI ??? 2rP 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 7 效率：nvnnnn RR RRRRI RIP ????? 22rP? 電石爐中的電熱過(guò)程 由于電石爐中爐料及熔體的高電阻性，電極的工作不分深入到料層中，在電極端頭與熔體間形成氣體空間的電弧區(qū)，是電石爐具有電阻電弧爐的特性。 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 8 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 電石爐形式主要分為三種：開(kāi)放型、半密閉型和全密閉型。半密閉爐是在開(kāi)放型爐的基礎(chǔ)上加上一個(gè)集氣罩，把爐內(nèi)產(chǎn)生的一氧化碳抽出一部分，另一部分仍在料面燃燒。 由于爐子的構(gòu)造機(jī)構(gòu)不同，往往工藝流程和相關(guān)設(shè)備也各有差異，圖 所示為電石爐電石生產(chǎn)。石灰和焦炭用自動(dòng)秤按規(guī)定比例稱量后，經(jīng)鏈斗輸送機(jī)（ 3）將爐料送至皮帶輸送機(jī)（ 4），載運(yùn)到 環(huán)斗加料機(jī)（ 5）向環(huán)形料倉(cāng)（ 6）加料。電流由電爐變壓器（ 8），經(jīng)短網(wǎng)（ 9）、集電環(huán)、軟銅帶和到點(diǎn)顎板導(dǎo)入電極（ 10）。加熱到 1900~2021 攝氏度而生成電石和一氧化碳。投料管直接插入爐蓋內(nèi)，當(dāng)爐料下沉?xí)r，可繼續(xù)補(bǔ)充爐料。 電極的升降用油壓升降機(jī)（ 17）帶動(dòng)。電石爐定時(shí)將熔融 電石放出來(lái)，沿著具有冷卻水管的流料槽流入冷卻管（ 11）中。筒尾通入氮?dú)?，以減少電石發(fā)氣量的損失，并可保證安全生產(chǎn)。經(jīng)冷卻破碎后的電石粒度減小，自筒尾卸出，再經(jīng)斗式提升機(jī)（ 12）進(jìn)入中間貯斗（ 15）內(nèi)貯存。 電石爐系統(tǒng)的高低壓電路是自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)控的主要內(nèi)容之一，其主電路如圖 所示。在高壓側(cè)，一般要加上電力電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。短網(wǎng)由很多種不同形狀的導(dǎo)線組成，主要包括銅排、軟電纜、銅管三部分。短網(wǎng)中要通過(guò)數(shù)千至幾萬(wàn)安的大電流。 電爐變壓器，是專門用于電爐冶 煉的特種變壓器。 電爐變壓器一般具有 20%～ 30%的過(guò)載容量。低壓側(cè)配有電壓調(diào)節(jié)裝置，以供在不同熔煉階段調(diào)節(jié)電弧爐的輸入功率之用。在電石生產(chǎn)的過(guò)程中電弧比較穩(wěn)定，可通過(guò)電抗器短路開(kāi)關(guān)將電抗器切除。 斷路器供保護(hù)之用。 圖 1—— 高壓供電網(wǎng)； 2—— 電力電容器； 3—— 隔離開(kāi)關(guān)； 4—— 電壓互感器； 5—— 電流互感器； 6—— 監(jiān)測(cè)儀表； 7—— 斷路器； 8—— 電抗器； 9—— 電抗器短路開(kāi)關(guān)； 10—— 電爐變壓器； 11—— 短網(wǎng)； 12—— 電爐本體 在電石生產(chǎn)過(guò)程中，由于電極同爐料的接觸性短路、爐料的崩塌、爐料成分的氣化、劇烈的化學(xué)反應(yīng)等原因，會(huì)引起電弧電流發(fā)生很大波動(dòng)。 爐料熔化和溫度的控制主要沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 電石爐生產(chǎn)工藝及設(shè)備 11 靠電弧。如果電弧電流過(guò)小，則輸入爐內(nèi)的電功率減少，生產(chǎn)時(shí)間 延長(zhǎng) :電弧電流過(guò)大，就會(huì)增加 線路上的能量損耗，電效率降低。 電極自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是具有上述功能的裝置。執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為機(jī)電式電極升降裝置和液壓式電極升降裝置。 圖 液壓式電極升降裝置總圖 在大型密閉爐上常采用較高 壓力的液體作動(dòng)力來(lái)升降電極、壓放電極和夾緊導(dǎo)電顆板。左側(cè)為閥系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)輸出信號(hào)有很大一部分都是用來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁閥的，這些閥集中安裝在閥站用液壓系統(tǒng)控制電極的移動(dòng)有兩個(gè)目的，為了達(dá)到這兩個(gè)目的，采用了兩個(gè)不同的方式。第二種方式是一套固定的工序，通過(guò)上摩擦帶松開(kāi)、提升、夾緊，下摩擦帶松開(kāi)、上摩擦帶壓下來(lái)、下摩擦帶緊固共 6 個(gè)動(dòng)作來(lái)使得電極下壓，這時(shí)電極與上下摩擦帶產(chǎn)生相對(duì) 位移。為了區(qū)別兩種工作方式，我們稱第一種控制電極移動(dòng)的方式為“升降”，第二種控制電極移動(dòng)的方式為“壓放”。所以在電石生產(chǎn)過(guò)程中“升降”操作是主要的調(diào)節(jié)方式，但每間隔一段時(shí)間需要“壓放”一次以彌補(bǔ)石墨電極的消耗。 在摩擦帶夾緊和完 全放松位置裝有限位開(kāi)關(guān)提供反饋信號(hào)。壓放電極時(shí)， 6 個(gè)順序動(dòng)作每一個(gè)動(dòng)作的結(jié)束是后一個(gè)動(dòng)作的開(kāi)始，直到全部動(dòng)作結(jié)束為止。油泵將油從油箱經(jīng)過(guò)過(guò)濾網(wǎng)、罐閥送到儲(chǔ)壓罐或閥站，或經(jīng)安全溢流閥回油箱。當(dāng)電磁閥得電后將安全溢流閥中控制油路中的油放掉，使油經(jīng)安全溢流閥回到油箱，泵卸荷。 在壓放過(guò)程中， 摩擦帶的松緊是 2 個(gè) 3 通閥通過(guò)電控制而動(dòng)作的，送電時(shí)摩擦帶松開(kāi)，斷電時(shí)摩擦帶夾緊 .油路中節(jié)流閥用來(lái)調(diào)節(jié)摩擦帶松緊的速度，電磁閥左邊壓力表是觀察電磁閥接通油路的情況之用。缸的上腔油路中，當(dāng)丙上部電磁閥動(dòng)作時(shí)，油路在閥內(nèi)按平行方向接通，油進(jìn)入油缸上腔。為控制摩擦帶運(yùn)動(dòng)速度，在下腔油路中裝有相反的單向減壓閥，以便在運(yùn)動(dòng)中動(dòng)作平穩(wěn)。而下腔油路中具有單向節(jié)流閥和減壓閥。 在自動(dòng)化改造過(guò)程中，為測(cè)量電極壓放油壓、電極升降油壓、電極錐形環(huán)油壓添加了壓力奪送器并且更換了部分老式儀表。根據(jù)這些目標(biāo)和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)的分析，我們提出了控制系統(tǒng)的總體配置方案，并就系統(tǒng)設(shè)備的選配問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。利用先進(jìn)智能控制理論和技術(shù)，尋求生產(chǎn)過(guò)程中較佳的參數(shù)匹配，達(dá)到提高生產(chǎn)能力，降低能耗的目的。以所 測(cè)電氣參數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合其它工藝參數(shù)，采用先進(jìn)智能控制技術(shù)，合理動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電極插入深度，控制電爐電流、電壓級(jí)數(shù)等參數(shù)滿足生產(chǎn)要求。 2) 以原電極壓放設(shè)備為基礎(chǔ)，進(jìn)行適當(dāng)改造，實(shí)現(xiàn)電極不停電定時(shí)定長(zhǎng)自動(dòng)壓放。 4) 在上位計(jì)算機(jī)上以圖、曲線、表格等方式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示各項(xiàng)有關(guān)工藝參數(shù)。歷史記錄可隨時(shí)以報(bào)表形式調(diào)用顯示和打印，并且可對(duì)有關(guān)記錄進(jìn)行分類查詢和統(tǒng)計(jì)，供有關(guān)人員分析使用。然后結(jié)合計(jì)算機(jī)需要標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的輸入要求，逐項(xiàng)進(jìn)行分析，確定了需要增加的傳感變送器，從而便于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件配置。其它各項(xiàng) (序號(hào) 序號(hào) 12)均需增加電流、電壓、功率、電度、功率因數(shù)等電最變送器。 3) 電石爐爐壓 (序號(hào) 14)需增加壓力傳感和變送器。經(jīng)過(guò)分析記錄儀有 0~10mA 輸入接口，故此項(xiàng)不需增加。 6) 三相電極壓放量 (序號(hào) 19)原無(wú)測(cè)試手段，現(xiàn)設(shè)計(jì)了 3 套機(jī)械測(cè)量裝置，沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第三章 電石爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 采用光電旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量電極的相對(duì)移動(dòng)量，故增加了光電旋轉(zhuǎn)編碼器。 8) 爐蓋冷卻水壓力 (序號(hào) 21)、軟水壓力 (序號(hào) 23)采用的是機(jī)械壓力表測(cè)量顯示，故均需增加壓力傳感和變送器。 10) 煙道溫度 (序號(hào) 25 )測(cè)量現(xiàn)在采用的是熱電偶與數(shù)顯儀表方式 ,故此項(xiàng)僅需增加熱電偶 變送器。 輸出信號(hào)的技術(shù)方案 為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制目的，必須通過(guò)計(jì)算機(jī)輸出各類控制信號(hào)。 表 序號(hào) 項(xiàng)目 送出地點(diǎn) 控制信號(hào) 用途 路數(shù) 1 煙道翻板開(kāi)度（ 0100%） 3樓煙道 4～ 20mA 控制 1AO 2 電極升降電磁閥 3樓油壓室 AC220V 控制 3*2=6DO 3 電極壓放電磁閥 3樓油壓室 AC220V 控制 3*2=6DO 4 上摩擦片抱緊電磁閥 3樓油壓室 AC220V 控制 3*1=3DO 5 下摩擦片抱緊電磁閥 3樓油壓室 AC220V 控制 3*1=3DO 6 調(diào)壓開(kāi)關(guān) 變壓器房 待定 控制 2DO（正反） 1) 煙道翻板開(kāi)度 (序號(hào) 1)通過(guò)電機(jī)執(zhí)行器完成控制。 2) 所有電磁閥 (序號(hào) 2~序號(hào) 5)為 AC220V開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)。 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大類，其中硬件設(shè)計(jì) 是軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，硬 件的選配設(shè)計(jì)直接影響到自動(dòng)化控制系統(tǒng)的成本，以及系 統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性。為此，除一方面要設(shè)置防