SCR炉铸区CO检测分析系统故障分析及控制改进

SCR炉铸区CO检测分析系统故障分析及控制改进张伟旗【摘要】针对SCR炉铸区CO检测分析系统故障进行分析及控制改进,系统检测分析响应速度快,准确度、精度及稳定性高,故障率低,有利于及时调整与监控铜液的氧含量,铸锭质量好,铜杆线氧含量波动小,完全能满足国内外客户对高端铜细线及超微线的特殊需求.期刊名称】《有色设备》年(卷),期】2016(000)006【总页数】6页(P34-39)【关键词】CO检测分析系统;故障率;控制改进【作者】张伟旗【作者单位】江西铜业集团铜材有限公司,江西贵溪335424【正文语种】中文【中图分类】TG23;TG291烟气分析在冶金、石油化工、火力发电、水泥及化肥等行业占有重要地位。行业不同，其烟气成分也不尽相同，主要包括CO、CO2、SO2、O2及氮氧化物等气体江铜引进美国南线铜业公司SCR3000/4500二条铜杆连铸连轧生产线，分别于2003、2006年建成投产，而作为该生产线自动化控制的重要组成部分，其SCR炉铸区CO监测分析系统能实时、精确、高效地采集燃烧样气中CO的相关数据，分析工艺流程中的介质组成，能为铜杆连铸连轧生产提供相关的控制依据，实现该自动化生产线的连铸过程控制，将直接影响到铜液铸造、锭坯结晶的质量好坏及铜杆后序加工质量，甚至最终产品质量［1］。然而，尽管罗斯蒙特RosemountCO监测分析技术在世界上领先，但其设计过程监控和数据采集存在一些缺陷，应用技术尚有不足之处，在使用过程中存在问题也不少，且随着该公司产能的不断攀升及生产组织模式的变化，SCR炉铸区烟气含尘和含水增加，导致CO监测分析系统故障率过高，铜液温度难以控制，氧含量变化大，铸锭夹杂缺陷率高，导致铜杆线产品氧含量超标，客户意见大、投诉率高，严重影响企业的形象及社会经济效益，使企业发展陷入窘境。因而对SCR炉铸区CO检测分析系统故障进行分析、研究，且作针对性的控制改进，对改善和提高SCR铜杆连铸连轧生产线的工艺装备技术水平，至关重要。SCR熔炼作业过程采用逆流方式。其炉铸区主要包括Ajax竖炉、空燃比控制系统CO监测分析系统、上下溜槽、回转式保持炉、中间包、五轮浇注机及PLC自控系统等部分。其中CO检测分析系统长期稳定、精确及可靠地工作是保证SCR铜杆连铸连轧生产线正常运行的重要前提，其工作方式可分为自动、手动两种，常设定为自动工作状态；其工作状态可分为三种，即取样、反吹、排水三个周期反复循环。在线检测分析时，隔膜泵将燃烧样气由采样管泵至传感器的气室，通过样气流量计控制进入分析仪器主机进行分析CO,传感器的输出电信号经电子线路放大模拟信号，会转换成被测气体的浓度，由显示面板显示出来。燃料与空气燃烧后的混合气体中，CO的量与空气、燃气混合气体过剩燃气（富集度）的量成直接的线性比例关系。这意味着燃烧混合气体中燃料比例增加，燃烧后气体中的CO比例也会随之增加。从冶金学上来说，需用过量的燃料来加工铜，即使铜处于还原性气氛之下。燃烧后的样气中，CO、CO2、H20、SO2等成份及未燃烧的燃料中，仅CO、CO2、H2O及燃料会吸收红外线能量，正是基于该特性，红外线分析系统能迅速地反应出一氧化碳的试样燃烧后混合气体中CO的含量，并进一步平衡燃气与空气在混合后气体中的成份，因而红外线分析系统可用于测量空气与燃气的混合物。二套燃烧样气CO检测分析系统由美国罗斯蒙特Rosemount测控设计制造，应用于SCR铜杆连铸连轧生产线燃烧样气的CO监测分析工艺中，对安全生产、节能降耗不可或缺。它能适应现场各种复杂工况，结构合理、性能稳定、响应时间快、分析精度高、操作简便、维护量小。该系统控制设计采用自动/手动方式，其软件包中提供了简单易用的人机界面环境，可实时对比监控铜液的氧含量及设备作业时的工况，实现故障信息的及时报警，其安全装置会在燃气压力异常、燃烧故障或电气设备故障时自动切断燃气供应。ZG-ECM系列冷凝器基本工作原理与冰箱类似，整个冷凝系统连接在一个导热性能良好的铝制冷凝块上，利用铝块的平均热分散物理特性，支持热交换器的高效运作。在压缩机不停止运转的情况下，微电脑温控系统实现露点温度的自动调节。一般露点可自由设定为3~5。6具有状态报警功能。该冷凝器性能稳定、工作可靠、脱水高效。气体传感器是烟气分析仪检测气体的核心，通常可进行选择性配置，能测定一种或多种气体。传感器标定与校准时，输出电流的测量端子在传感器标定与校准板上，标示为“4~20mA”，“+”接电流表“+”，“-”接电流表“-”，电流表显示值为传感器输出电流值。传感器输出电流计算公式为：式中Icos—传感器输出电流，mA;CS—标准气标称值（百分含量）；常数5—传感器量程（固定量程，5%）。零点校正和量程校正。零点气：纯氮气，含量为99.99%；量程气：含3.8%一氧化碳的氮气。先按显示屏菜单键，再按F3标定校正，输入000000或111111或123456密码，密码正确即可进入零点、量程校正界面，可按提示逐步进行。竖炉开机前，炉区人员要负责CO分析仪的校正，并将结果记入“竖炉开机前点检表”和CO分析仪校正记录表中。由于采用了PLC电子控制系统，实现了该分析仪成套系统的全自动化控制，因而其综合性能可很好地适应SCR连铸连轧铜杆生产线的特殊工艺条件，从而保证了该生产线燃烧系统的长期安全、稳定运行。该CO检测分析系统按在线分析的要求设计，结合美国可编程逻辑控制器PLC形成的智能仪器，能提供测量、量程设置、标定校准及维护功能，以方便用户使用。其主要功用是可分别检测炉铸区各燃烧混合气的CO含量，再根据CO电脑屏上设定值输出至PLC，控制LPG/CNG阀门开和关及混合气的比率，最终达到控制铜液氧含量、提高铜杆线质量之目的。该CO检测分析系统主要由CO分析仪、显示系统、真空隔膜泵、管式燃烧炉、热电冷凝器、油水分离器、电磁阀、过滤网及采样铜管等部分组成。其中CO分析仪由气路系统和电路系统组成，它是燃烧样气成分测定的核心组成部分，可充当竖炉控制系统的眼睛，实时控制、调整铜液的氧含量，提高铜杆产品质量，有效地降低能耗及延长竖炉炉龄。其样气路径是在预混总管上探头和过滤器；螺线管选择总管；泵；压力开关（检测泵是否处于运行状态，用于比例控制）。CO分析仪工作方框图，如图1所示。真空隔膜泵。因需检测的现场各混合气的自身压力较低，而装在竖炉操作室内PLC柜上的CO分析仪又无法检测到，需隔膜泵将燃气与空气的混合气抽取至CO检测分析系统中。显示系统。通过将样气所吸收的红外线能量与参照样进行比较，分析仪可测定出CO浓度，且系统运行状态全中文显示，界面友好，功能强大，可实时查询历史数据并进行可视化分析，绘制实时曲线图、历史曲线图，及时提供报警画面、打印报表等，使用操作极为便利。采样探头。适用于燃烧过程后样气的连续采集，抗高温腐蚀能力很强，更换过滤器滤芯时不必使用工具，且勿需拆除采样管和采样线，因而避免了杂质渗入至洁净样气系统中的可能，采样管可单独清洗，操作维护简单便利，劳动强度低。气体传感器。通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分。它是—种将CO气体体积分数转化成对应电信号的转换器。采样探头通过该气体敏感元件对燃烧样气进行调理，其输出电流也会随着CO气体浓度的变化而成正比变化。其恒温点为47OC,其温度值可实时测量及显示。流量控制阀。大多数通往试样燃烧装置的试样，经旁通系统走了旁通，仅—小部分样气流经分析仪。使用流量控制阀可将送去分析的部分样气从主样气流中分流出来；接着送去分析的部分样气从该控制阀出发，继续流向试样燃烧装置的其它部件；系统末端旁通的气体流经流量表后，再排出去。管式燃烧炉。可将隔膜泵抽取过来的混合气加热燃烧至950C,使混合气里的氧气、燃气充分燃烧，将氧气消耗殆尽；使用样气炉温度控制器(samplefurnacetemperaturecontroller)可调节样气炉的温度，该控制按钮设在控制盘的正面。正常作业温度为950C左右。冷凝器。该热电装置可将燃烧后的混合气冷却至5C,混合气里的水份会冷凝、析出，再经水分离器分离开通过管路外排。其独特设计可有效地减少组分浓度流失，保证进入分析仪的气体是纯净、干燥的。其燃烧过程的产物即冷凝水由蠕动泵排出，冷凝器工作温度为4±2C,决不允许气流冻结。电磁阀控制器。通过预定的程序对电磁阀实现开关。因CO分析仪只能检测一路混合气体，而实际需同时检测11路混合气，故需用电磁阀来控制11路混合气且按顺序一路一路地进入CO分析仪中来进行分析。过滤器。它可分为探头、探头后及预处理系统三级过滤，可过滤燃气与空气混合气内的粉尘、杂质、焦油及少量的水分等，以防止污染CO分析仪内的分析池元件。采样管和排气管。采样管选用内径为06mm的铜管，用来传输生产现场至竖炉操作室内燃气柜上CO分析仪燃气与空气的混合气体。排气管则采用内径为06mm的塑料管。PLC控制系统。核心控制部件，由它来完成对气体的采样、反吹、滤尘和滤水等控制。CO分析值不准、误差较大CO分析仪长期未标定时，易导致分析数据的误差越来越大，需定期对CO分析仪进行标定；所用标准气体不合格或超过有效期时，会改变标准气体的浓度，无法准确标定分析仪器，必须更换合格的标准气体；传感器室内脏污时，易检测不准、误差较大，可打开传感器室，使用洗涤剂、无水乙醇溶剂、擦镜纸或脱脂棉等擦拭干净气室和镜片，但不得使用会损坏光学表面的腐蚀性清洗化合物；采样探头或管路泄漏时，必须尽快查找出泄漏点并进行处理。CO分析值波动大时，必须立即校准零点和量程点；CO分析仪故障无法校准时，需将检测点切换至手动控制状态，记录炉铸区各水平连杆的位置，以便连杆变动时有调整依据，且仪器故障期间，应禁止调节各复合管的主调节螺钉；必要时，则更换分析仪，处理原分析仪故障。正常生产过程中，氧含量的控制只能调节下溜槽和中间包复合管的主调节螺钉或调节下溜槽风管的风量，为确保铜杆氧含量的稳定，必须制订CO检测分析系统故障应急预案。采样管路或膜式泵膜片损坏造成泄漏；样气探头过滤器泄漏，两端密封件损坏；蠕动泵泄漏等，皆会导致CO分析值长期偏低或为零，必须及时找出泄漏处并排除。零点标定、量程校准异常零点漂移CO分析仪正常运行一段时间之后，由于受环境温度及其它因素的影响，特别是南方梅雨季节，极易导致仪器自动零点校准时各测量气的零点或跨度逐渐产生漂移，且零点漂移的大小会随空气湿度的变化而改变。可改进标定系统，在采样空气前端新增电子制冷器，对燃烧样气进行干燥处理，且定期校正各测量的零点或跨度。据经验，一般1~2个月必须校正1次，在特殊情况下需要缩短校正周期；为确保仪器正常使用，还需每天校正一次，以免影响测量值。零点、量程无法标定或误差超限安装使用双通道CO分析仪后，零点和量程都无法标定，检测值皆在百分之几万，需恢复CO分析仪出厂设置，即通过断主板电池、取出主板芯片、调整红外光栅及调节检测池侧边的两个调节螺母，将初始信号“RawsignaI”调整至正常范围±500(±50mv)。零点或量程误差超限时，可考虑调整零点Zero电位器或调整量程Span电位器，再校正传感器输出特性。零点、量程校正数值正常，但正常检测时的数值皆为零根据零点、量程校正数值正常，可基本排除CO分析仪本身的故障，正常检测时的数值皆为零，经分析应该是公共部分损坏，重点宜放在隔膜泵上，可解体、检查隔膜泵，发现其中隔膜片破损时，更换新的隔膜片后试机，CO分析仪即可恢复正常使用；校正CO分析仪时，若发现PUMP抽气不好，应及时检查、修复管路；校正完毕，需关好标准气体的阀门，以免发生“跑气”现象。样气流量低或无流量采样探头内滤芯、预处理机柜内滤芯长期未更换，滤芯会堵塞失效，易导致采样流量降低，严重时设备无法运行，应查看采样探头滤芯表面是否粉尘过大，机柜滤芯是否变形、变色，表面有无大量粉尘，通常每季度更换一次采样探头滤芯，定期更换机柜滤芯；采样管泄漏或故障时，需修理缝隙或更换管子；隔膜泵故障或采样管路上电磁阀不工作时，需立即修理或更换；冷凝器流量损失时，应排查温度或调整恒温器，以避免产生结冰现象；分离器中水体积损失时，应填充至溢出且监视流量，以便准确找出水流失的原因，排查冷凝器温度是否太高；流量控制阀门、过滤器脏污时，要及时清扫。无流量显示时，应先将流量计开关调至最大位置，若流量仍很小，切换至其它气体通道流量皆很小，据此分析属于公共部分问题，需拆卸、检查燃烧炉后面堵塞严重的过滤器，更换备用过滤器即可恢复正常。采样探头、管路泄漏或堵塞采样探头泄漏或堵塞采样探头直接关系到检测分析系统的正常稳定运行，极为关键。采样探头工况十分恶劣，需经受热气流的冲刷、烟气的腐蚀、烟尘的堵塞等，极易发生泄漏或堵塞，会引起检测分析数据的异常波动，CO分析仪会无流量显示或流量过低且无法调节。因而应定期检查采样探头是否漏气或堵塞，检查反吹气阀门关闭是否严密，必须保证采样探头的绝对密封性，严控泄漏或堵塞。可取下采样探头端盖，抽出滤芯；用一根钢筋先清理堵塞的采样管内部，再用压力空气吹扫；利用清水或中性洗涤剂浸泡取下的滤芯，并用小刷子刷干净，用干燥、无油的压力空气吹干；检查恢复探头后安装使用；若无法清洗时，则更换新滤芯。采样管路泄漏或堵塞采样管路漏气点出现在隔膜泵前易导致空气进入，直接影响CO测量参数的准确性;漏气点出现在隔膜泵后会影响CO流量的调整。CO测量值偏低，与采样管道泄漏不无关系，对正压管道，可燃混合气体外泄，不会影响其混合比例;但负压管道泄漏，将导致空气被吸入，使可燃混合气体混合比例变化。因空气的主要组分为N2、O2,不含C元素，空气的吸入会引起混合气体中C含量的降低，从而导致CO测量值偏低。采样管路泄漏时，可加标准气体至CO分析仪入口，若观察测量值与标示值相同，则表明采样管路泄漏。而判断采样管路是否泄漏可分两个步骤进行排查，首先断开样气阀入口，用手堵死，若此时分析仪面板上的浮子流量计标示为0，说明机柜内部无泄漏；再找出机柜外部泄漏处，如检查采样探头及滤芯堵头是否泄漏，及时排除泄漏［2］；采样管路有缝隙时，应及时紧固或更换管路。CO柜泄漏时，无法正常检测各点的CO值，可逐点排查各接点，若隔膜泵隔膜破裂，更换隔膜泵即可恢复正常。应重新优化整理原有管路的接头、三通等，更换密封不严的零件；定期检查采样管路接头是否腐蚀泄漏，试验采样管路的严密性，严控泄漏。水、灰尘、冷凝器温度低结冰等皆会使管路阻力增大，流量降低，导致采样管路堵塞。原设计采用5台罗斯蒙特880A红外传感元件且在其之前并未设置过滤器，极易混入杂物，而新设计则在传感元件前增设一道过滤器，且采用国际先进红外传感元件替代原传感元件，维护极为便利；采用了先进的三层复合高精度滤芯来替代原二级过滤器中的干燥棉，其过滤精度为0.3pm,疏水性更好［3］，具有过滤面积大、过滤精度高、压力损失小及安全可靠等特点，滤芯更换时间由原1次/班延长为1次/月。必须更新所有脏污的样气管线，定期排查、更换或清洗现场采样过滤器芯，以确保采样管路的通畅。CO分析仪进水由于连铸连轧生产工艺不稳定、冷凝器工作不正常或蠕动泵排水失效，且LPG含水率高、残液多及杂质多等腐蚀干扰严重，原设计样气处理单元难以适应检测的要求，致使燃烧样气含杂高，CO分析仪进水，易堵塞凝结水过滤器和管路，导致系统故障率居高不下，CO检测分析数据失真，铜液氧含量波动大，铜杆品质差等问题。必须查找出工艺波动原因，稳定工艺生产；应结合气体分析技术的发展，对原有CO分析仪进行升级改造，通过优化设计预处理部件，采用冷干法即通过蠕动泵强制排水，利用4套压缩机制冷的EG系列除湿器脱水，替代原设计半导体制冷器+二次凝结水过滤器脱水模式，脱水可靠性强，冷凝效果好，温控精度高；检测元件采用高灵敏度、高稳定性、高精确度的进口传感器，以提高仪器故障自诊断及自保护功能。2015年底，二条SCR铜杆连铸连轧生产线LPG已改用CNG,有效地解决了燃料带水问题。管式燃烧炉故障管式燃烧炉主要由一台1kW功率的炉子、温度控制器及R型热电偶组成。炉温控制在950°C±15。炉子电阻丝熔断、温度控制器或热电偶损坏时，必须严格按使用说明书要求进行更换；炉子温度太低时，需检查设定点，及时修理热电偶或加热器；炉子升温过快时，其耐火材料内衬易爆裂，因此必须提前一天就进行缓慢升温方可；更换炉子时，一定要小心先取出热电偶，待安装好新的炉子后，再将热电偶放入炉子的插孔中。冷凝器故障由冷凝器气体除湿的基本原理得知，冷凝器长时间不制冷时，可能是压缩机损坏、冷媒漏掉，需修复冷凝器、补充冷媒；数显板显示----时，说明测温电路或PT-100故障，应及时排除故障；无显示时，应先检查电源及其插座下方的保险丝，拔下电源线，用小起子挑出塑料插板检查，经检查电源及保险丝无问题，再排查温控板与数显板之间的连线是否脱落；露点温度＜3C设定温度时，若露点温度直向下降或＜0C,则表明温控电路有故障或电伴热器损坏，必须及时修复温控电路，更换电伴热器。传感器故障CO分析仪检测过程需在恒定温度下进行，其内部设有温控装置和超温保护电路，CO传感器对温度敏感，＞恒温点会导致传感器输出电流增大，＜恒温点会导致传感器输出电流减小，影响传感器的准确度，故应设置传感器温度检测。传感器温度超过恒温点范围47±3C,表明传感器恒温电路故障，传感器输出电流值不可信，仪器输出温度异常信号（干接点，常闭），仪器则会根据用户保护输出设置执行相应的输出保护。环境温度的变化易直接影响红外辐射的强度、红外光源的稳定及气室连续流动的样气密度，导致检测器工作异常，以夏季影响最大。若无必要的话，不可轻易打开分析仪箱门，一旦恒温区域被破坏，恢复时间较长，对生产影响极大。标定与校准过程中出现“误差超限”，且检查标准气标定值正确无误时，可用电流表测量传感器输出电流，确定其准确性；若零点或量程误差超限，可考虑调整零点Zero电位器或调整量程Span电位器校正传感器输出特性。标定传感器时，若示值误差超过规定的技术指标，可校准程序或调整仪器内部电器的指标。若传感器反应滞后，产生无法调整的较大线性误差；或使用中检测数据异常偏低，反应极慢；或测量数值刚调整好又出现漂移，需立即更换传感器，且有必要适时对传感器或仪器进行标定和验证，经过反复调整准确后，方可使用。系统切换为手动且出现报警未正确设置量程或零点时，应清除报警声，设定校准点；燃气流量超出电动阀门的能力时，需调整主限制孔阀门；旁通电磁阀泄漏时，应更换电磁阀；调节器帽子或冲力管路泄漏时，需拧紧帽子，修理或更换管路；隔膜泄漏时，要更换隔膜；调整调节器隔膜弹簧错误时，应重新进行调整；校准燃气着火时，要步进至另一点（重新启动定时器且打开电磁阀）；无足够时间调整时，若实际与所需值差别很大，可人工进行调整；若阀门关闭了，可将装置置回自动方式。隔膜泵或电磁阀损坏隔膜泵膜片破损或腐蚀会造成泵能力下降，流量降低或规律性波动，而更换膜片后流量即正常。因连续受交变力的作用，隔膜泵膜片易损伤开裂，其损坏的主因有工艺流程不符合要求、维修保养不当、选用隔膜不正确、橡胶老化及膜片本身质量等问题，皆会严重影响隔膜的使用寿命，其中以维修保养不良所占比例最大；电磁阀阀片破损时，会导致阀片不能完全打开，需更换破损阀片。隔膜泵或电磁阀故障时，必须进行修理或更换。隔膜泵膜片的正确更换步骤是用内六角拆除两个缸的8个螺丝，小心撬开端盖，再拆下固定隔膜片中间的内六角螺丝，检查膈膜片是否破裂，若破裂则更换新的备件，且步骤正好相反。蠕动泵泵管破裂及排水异常蠕动泵使用一段时间后，其泵管会老化、变形或因转动摩擦引起破裂而漏气，而泵管破裂会造成流量有节奏的波动及参数的大幅变化，仅需紧固接头或更换泵管即可消除故障；蠕动泵泵轴严重磨损时，会降低其密封性能、真空度，发生排水时而正常、时而不正常的故障，且极易引起堵塞，无法及时排出冷凝水，导致出口样气带水量多，