水胶炸药生产线供热自动控制系统的分析与设计

侯 陆，汪美琼

（淮南舜泰化工有限责任公司，安徽淮南 232000）

0 引言

过去国内工业炸药生产线多以燃煤蒸汽锅炉为供热设备，其供热能力强、经济性高、适合集中供热，但污染巨大。按照2013 年9 月国务院发布的《大气污染防治行动计划》中“到2017 年，除必要保留的以外，地级及以上城市建成区基本淘汰每小时10 蒸吨及以下的燃煤锅炉”的要求[1]，民用爆炸物品生产企业开始全面淘汰燃煤锅炉。由于民爆企业的厂区位置偏僻、厂房离散布局、单工房供热量小、天然气建设成本高等原因，因此民爆企业多采用电力设备供热，工房就近设置供热设备，人工进行操作，虽可满足生产，但人工、能耗成本高，设备损耗快。在各类炸药生产线中，水胶炸药因原材料的特殊理化性质，加热和保温工序相对复杂，实现集中控制的难度较大。为解决上述问题，确保水胶炸药生产加热与保温工作的安全性、经济性，设计一套水胶炸药生产线供热自动控制系统，可有效解决水胶炸药生产线供热及保温的自动化运作问题，降低设备损耗、节约电能热能。

1 水胶炸药生产线供热工序工艺特点与分析

1.1 水胶炸药生产线工艺流程和供热工序

水胶炸药生产线工艺流程如图1 所示，其中共有3 个工序需要供热：一甲胺储存工序（加热设备：一甲胺储罐），硝酸甲胺溶液制备工序（保温设备：硝酸甲胺储罐及其循环管道），硝酸铵溶液制备工序（保温设备：硝酸铵溶液储罐、硝酸铵溶解罐、硝酸铵储存罐）。因安全管理需要，3 个工序所处的厂房间有50 m 以上的间距，蒸汽需求总量少，并不适合大型电力蒸汽发生器集中供热。

图1 水胶炸药生产线工艺流程

1.2 相关原材料的工艺特点

（1）一甲胺储存工序。原材料为一甲胺，为气液混合状态（主要为液体），有毒有害、易燃易爆、具有腐蚀性。

（2）硝酸甲胺溶液制备工序。原材料为硝酸甲胺溶液，为液体，溶液温度高于95 ℃易爆，储存于硝酸甲胺储罐及循环管道。溶质硝酸甲胺又称甲胺硝酸盐，是一种单质炸药，常温下纯品呈棱状白色晶体，无色、无臭，吸湿性很强。熔点-66 ℃，爆发点256 ℃，密度1.27 g/cm3（66 ℃），易溶于水[2]。硝酸甲胺溶液结晶温度为45 ℃，析出的硝酸甲胺晶体爆炸感度极高，因此任何阶段均需保温。硝酸甲胺储罐和循环管道的生产工艺温度为50 ℃以上即可，但严格低于82 ℃。

（3）硝酸铵溶液制备工序。原材料为硝酸铵溶液（液体），储存于硝酸铵溶液储罐、硝酸铵溶解罐、硝酸铵储罐及相关管道中。硝酸铵溶液接近饱和，工艺温度为60～90 ℃：低于工艺温度会引起管道及泵体结晶、溶质浓度下降，造成质量事故、生产延误和设备损坏；高于工艺温度会造成能源浪费和工艺质量事故。因常压下硝酸铵溶液沸点远低于其爆炸温度，故此处不考虑溶液爆炸性风险。

2 水胶炸药生产线供热自动控制系统设计

2.1 总体控制系统设计

水胶炸药生产线供热自动控制系统根据工艺和设备特点可分为中控室、胺场、中和、混包4 个区域，其结构如图2 所示。

图2 水胶炸药生产线供热自动控制系统

控制系统由工控机、现场PLC 控制柜、信号采集元件、执行动作元件组成，采用西门子S7-300 控制系统，通过各站点PLC实现现场自动化控制功能，即设备和仪表工况数据的采集、报警、联锁控制等，再由交换机、光纤收发器等网络设备连接到中控室，使工控机可对生产线各处供热设备及工艺管道进行监控、故障报警、参数设定等操作。

2.2 供热设备的选择

目前主流的电力供热设备主要有空气能热泵、电蒸汽发生器、电热水器3 种。电热水器的加热能力、能效比、安全性均不及其他设备，故本方案不采用。

（1）空气能热泵以空气为热源，利用少量的电能驱动空气压缩机使管路里的冷媒循环流动，通过管路里冷媒的蒸发和冷凝过程，将环境空气中的热量转移到水中，从而实现供热的功能[3]，能效比一般为4.0 左右，其加热温度可达60～85 ℃，可在-26～46 ℃的环境下工作。

（2）电蒸汽发生器，即采用电能对水进行加热，产生大量蒸汽，以蒸汽为介质传导热量，能效比约等于1.0，其加热温度可达171 ℃。其中水容量小于30 L，且额定出水压力小于0.1 MPa或额定热功率小于0.1 MW 的电蒸汽发生器（锅炉）不属于特种设备[4]。考虑到生产维护成本和供热总量较小的原因，本方案均采用非特种设备的小型电蒸汽发生器作为供热设备。

2.3.胺场供热加压方案设计

胺场设置有一套PLC 控制系统，采集现场工艺参数、实现报警及联锁功能、控制现场设备的运行，并可执行上位机相关命令。在离线状态下，胺场PLC 控制系统可独立运行保持胺场供热系统的稳定运行，并可实现相关的安全联锁功能。

一甲胺储罐内的一甲胺为气液混合状态，可调整罐内压力通过管道输送一甲胺，因此生产企业一甲胺储罐一般设置为复数，以便安全、稳定地进行一甲胺的装卸、倒转、储存和输送。生产企业一般会在生产前1～2 h 内，通过热交换提高一甲胺温度，使其气化增大罐内压力。生产过程中，一甲胺储罐内压力需要控制在0.25～0.55 MPa，当压力偏低时，通过罐内加热提高其压力；当压力偏高时，通过罐体外壁的冷水喷淋降温降压。停产期间，一甲胺罐体无需加热及保温。

综上，胺场加热系统选择蒸汽作为加热介质，以电蒸汽发生器为供热设备。电蒸汽发生器能效比为95%～99%，能耗较高。本系统引入能效比4.0 左右的高温型空气能热泵为电蒸汽发生器预加热水，可节约电能25%～40%，系统结构如图3 所示。高温型空气能热泵24 h 持续运行，将储水罐内水加热至60～80 ℃，再由热水泵将热水泵送至电蒸汽发生器。电蒸汽发生器和喷淋系统根据PLC 的控制启停，实现加压、降压及保温操作。

图3 胺场供热系统

2.4 中和及混包工房加热及保温方案的设计

混合工房和中和工房距离较远，本方案在两处工房现场各设置一套PLC 控制设备，控制现场设备运行、采集现场工艺参数、执行上位机命令、实现报警及联锁功能，并均可离线状态下继续执行保温操作，确保维持现场保温和加热工作的安全性和稳定性。

中和及混包工房供热系统按照设备及管道所涉及的原材料、工艺温度要求、最优温度区间，可将设备及管道分为4 组（表1）。A、B 组硝酸甲胺溶液的保温要求稳定性极高，A、B、C 是3 组的最优温度区间较为接近，D 组对温度区间和加热速度的要求远高于A、B、C 组。综上，A 组、B 组、C 组应选择热水供热，且因常压热水温度上限为100 ℃，其安全性也最高；D 组则应采用蒸汽供热。A 组硝酸甲胺储罐通过B 组硝酸甲胺循环管道与混合器联通，D 组硝酸铵溶液储罐通过硝酸铵溶液管道与C 组相连，因此将中和工房、混合工房的两道工序的加热和保温集中控制，其总体加热及保温系统结构如图4 所示。

表1 中和及混包工房原材料保温特性表

图4 中和及混包工房供热系统

中和工房硝酸甲胺储罐内的硝酸甲胺溶液需要24 h 不间断保持相对稳定的温度，保温温度严格低于90 ℃，其供热保温设备应选择稳定性高、能效比高的高温型空气能热泵。高温型空气能热泵的加温上限在60～85 ℃，既可满足硝酸甲胺溶液保温的下限温度，又可避免温度超高的隐患。考虑到硝酸甲胺溶液保温的重要性，本方案在中和工房设置冗余的空气能热泵机组，确保空气能热泵单机组运行的情况下，可满足当地冬季平均气温条件下维持硝酸甲胺储罐温度在55 ℃以上的供热需求。

混合工房设置多组蒸汽发生器，其总功率应保证当75%的机组运行时，可在当地冬季平均气温条件下8 h 内将各罐溶液从环境温度加热至70 ℃以上。为满足节能需求，本方案在混合工房蒸汽发生器进水侧设置储水箱，由空气能热泵对储水箱内介质进行预加热，提高系统能效比，节约电能。蒸汽发生器的运行由PLC 按照设定程序执行，产出蒸汽分别用以加热硝酸铵溶液储罐及管道和热水储水箱。D 组设备（硝酸铵溶液储罐及管道）直接使用蒸汽进行加热和保温，温度达到设置温度时，关闭相应阀门，停止保温。混合热水箱达到设置温度时，关闭相应阀门，停止保温。当2 路蒸汽阀门均关闭时，所有蒸汽发生器停止运行，节约电能、减少设备损耗。

B 组设备（硝酸甲胺循环管道）和C 组设备（硝酸铵溶解罐、硝酸铵储罐）使用混合工房热水箱内80～90 ℃的热水进行持续保温。B 组设备和C 组设备并联接入热水箱热水，分别通过混合热水泵1、混合热水泵3 供热，两路管道均设置有水流开关。当流量异常时，系统自动切换阀门并启动混合热水泵2，替换故障热水泵。停产状态下，B 组设备无需保温，热水泵关闭

B 组硝酸甲胺循环管道的保温伴管与A 组硝酸甲胺储罐的保温管道交汇位置，设置双L 形电动四通阀门。当中和热水箱温度低于设置报警值、空气能设备故障信号等情况下，电动四通阀门同时动作，硝酸甲胺储罐内盘管的保温管道连接至B 组硝酸甲胺循环管道的保温伴管，使用混合热水箱内热水对硝酸甲胺储罐进行保温。

3 结语

水胶炸药生产线供热自动控制系统根据水胶炸药生产线工艺特点，有效解决了水胶炸药生产线一甲胺和硝酸甲胺溶液自动供热的难题。设计分布式控制系统，各站点均设置有监控、报警、联锁、离线作业等功能，符合民爆行业的相关安全和技术要求，保证了水胶炸药生产线的安全与稳定。该系统还减少了工房现场操作人数，既节约了人力成本，更有利于危险品生产工房的定员管理。同时本系统通过电蒸汽发生器与空气能热泵的联用、供热设备的合理选型和设备运行的精确控制，降低设备的无效运行时间、减少供热设备损耗、极大节约电能和热能。水胶炸药生产线供热自动控制系统的设计，实现了安全性、经济性、自动化的3 个设计目标，可在实际应用中为民用爆炸物品生产企业带来较高的安全效益、环保效益和经济效益。