35
Так как объектом автоматизации был выбран именно электролизный цех
медного завода группы компаний ПАО «ГМК «Норильский никель»,
сосредоточим внимание именно на его производственном процессе получения
катодной меди. После процесса отливки медных анодов в плавильном цеху и
доставки их в электролизный цех, рельсовым мостовым краном, с помощью
специального приспособления "лягуша" их погружают в электролизные ванны
по 36 штук, одна серия состоит из 28 электролизных ванн (28 ванн по 36 анодов
в итоге в одну серию загружается 1008 анодов), они в свою очередь делятся на
2 блока (1 блок = 14 ванн), и 4 четверти (1 четверть = 7 ванн). После полной
загрузки серии медными анодами, электролизники водных растворов
выравнивают каждый анод соблюдая шаблонное электролизное расстояние и
параллельное положение друг к другу, с помощью титановых ломиков (за годы
работы цеха, только этот материал прижился в качестве рабочего инструмента)
далее на каждую четверть устанавливается предварительно наклепанный
стеллаж с медной основой (основа - тонкий лист катодной меди с
приклепанными двумя "ушками" в которые продета медная штанга) в каждом
стеллаже должен находится не менее 252 листа медной основы, так как по
технологическому процессу электролиза меди на каждый медный анод должен
приходится 1 медный катод.
Далее после завешивания и выравнивания всей медной основы, через
дегазационный бак стоящий на серии заливают разогретый до 65 градусов
Цельсия электролит, поток электролита регулируется запорной арматурой на
дегазационном баке, а уровень электролита специальными титановыми
стаканами, в карманах самой серии. Стоит отметить что с этого момента и до
конца срабатывания всех анодов в серии циркуляция электролита не
прекращается, и поступает непрерывно через бак, излишки электролита через
"карманы" серии и сливные трубопроводы сливаются обратно в сборники
электролита. После полной заливки электролита в серию, замеряют
температуру электролита на выходе, то есть на сливном кармане серии, после
36
установления минимальной температуры в 55 градусов (обычно после 1 часа
непрерывной циркуляции), докладывают начальнику смены и уже он дает
команду дежурным электрикам сбросить напряжение во всей цепочке серии и
снять замыкающий шунт с рабочей шины пускающейся в работу серии.
Следует отметить что электролиз — это электрохимический процесс, и
поэтому каждый рабочий элемент полностью изолирован от другого.
Например, даже катод с анодом не должны иметь прямого контакта друг с
другом, иначе произойдет замыкание и процесс электролиза в этом месте
производится не будет. Для изоляции элементов между друг другом
используются текстолитовые и резиновые прокладки, а также керамические
изоляторы, для изоляции самой многотонной серии от утечки подаваемого на
нее напряжения, через рабочую шину. Вернемся к процессу работы серии:
после пуска серии в работу, технологический персонал круглосуточно (5 смен
по 7 человек, с графиком 3 -2) проверяет и устраняет электрические замыкания
между анодами и катодами, чтобы выявить замыкания каждый катод после
завески в контактной части красится температурно-чувствительным пигментом.
После 7 дней работы серии и набора веса катодами, запускают процесс
выгрузки, серию снова ставят под шунт и извлекают все катоды из серии и
завешивают новые листы медной основы, этот процесс производится с
помощью крана со специальной бороной, так как вес катодов составляет от 60
до 120 кг, далее катоды промываются в специальной машине и отправляются на
склад готовой продукции. Этот процесс производится чтобы избежать
замыкания катода с анодом, из-за разрастания толщины катода в процессе
электролиза. Эта процедура проводится всего 3 раза за всю работу серии, на 21
день в последнюю выгрузку катодов, новую основу уже не завешивают и после
их выгрузки, выгружают с серии уже сработанные аноды и прекращают
циркуляцию электролита. Весь оставшийся в серии электролит высасывают с
помощью вакуумных насосных установок и отправляют на фильтрацию. Вся
серия замывается водой и очищается от шлама обслуживающим персоналом.
37
После чего процесс загрузки новыми анодами повторяется. Может показаться
что процесс электролиза довольно простой и требует только грубой силы для
его производства, но для его работы также требуется непрерывный контроль
над состоянием каждого аспекта технологического процесса, для этих целей и
производится разработка автоматизации производства. Фотографии цеха для
лучшего понимания общей картины производства показаны в приложении А.
Вышеприведенное описание скрывает очень важную науку и
чрезвычайно упрощает систему. Фактический потенциал, требуемый в любом
положении внутри электролизера, определяется локальной концентрацией
реагентов и продуктов, включая локальный pH раствора, мгновенное
парциальное давление газа и эффективную потерю площади поверхности
электрода из-за прикрепленных пузырьков газа.
Потенциальное изменение по клетке не является равномерным, и есть
свидетельства формирования несколько кинетически стабильных
крупномасштабных зон зарядки. Кроме того, большая разность потенциалов
(называется перенапряжения) требуется на обоих электродах для преодоления
энергетических барьеров активации и покрытия изолирующих пузырьков, а
затем для обеспечения значительной скорости реакции. Как правило, на
хороших электродах, таких как те, которые сделаны из платины, которые могут
составлять примерно половину вольт к разности потенциалов между
электродами. Кроме того, необходима дополнительная разность потенциалов
для подачи тока через электрическое сопротивление электролизера и цепи; для
(типичных) сопротивлений цепи ячейки один Ома,Каждый ток тока усилителя
потребует еще один вольт и потеряет один ватт мощности. Это потери
мощности (и, как следствие, энергии) (≈ 20%) вызывает нагревание электролита
во время электролиза.
Проектирование системы должно учитывать, что для непрерывной
работы производства важно бесперебойное поступление и циркуляция
жидкостей, в цеху электролиза это: вода, кислота, электролит, пар.
38
Архитектурное строение цеха также имеет большое значение в циркуляции
жидкостей, рабочие элементы по высоте (в метрах) выстроены следующим
образом:
отметка +6 - мостовые краны, влагоулавливатели;
отметка +4.1 - фильтр пресса, напорные баки циркуляций;
отметка +3.6 - электролизные серии, клепальные и металлорежущие
станки;
отметка 0 – промывочные машины, теплообменники циркуляций;
отметка -3.6 - насосные установки, сборники запасного электролита
и кислоты, ресивера вакуумных насосов;
отметка -5 – сборники запасного фильтрованного электролита Ш-Я;
отметка -7 – зумпфовой приямок, защита от попадания сточных вод
цеха, в окружающую среду.
При проектировании должно быть учтено что компания придерживается
жестких норм поддержания экологичности производства, поэтому все
технические жидкости, используемые в цеху ни в коем случае не должны
попасть в окружающую среду. Весь электролит по ряду причин вылившийся из
циркуляций и серии выкачивается и снова после очистки снова попадает в
работу, отработанная промышленная вода проходит процедуру очистки и
попадает обратно в искусственный водоем запасной воды медного завода.
Поэтому в системе должны быть учтен мониторинг аварийных и
предупредительных порогов уровня и кислотности всех технологических
сборников.
Также компания заботится о внешнем виде своего готового продукта,
поэтому при промывании катодов от электролита в промывочных машинах,
также должны учитываться все их рабочие параметры и при выходе из нормы
хоть одного из них в системе должно срабатывать аварийное отключение
подачи энергии на весь механизм. При игнорировании этого требования на
этапе транспортировки катоды покрываются зеленым кислотным налетом и
39
возвращаются обратно в цех как бракованный продукт, что приводит к
многомиллионным убыткам, т.к. для реализации продукта будут затрачены
незапланированные трудовые и производственные ресурсы.
В цеху также существует иерархическое разделение по обязанностям
персонала на 3 группы
инженерно-технический работник (ИТР) – руководящий и
ответственный за производство персонал (начальники смен, инженеры по ТБ и
пр.)
технологический персонал – участвует непосредственно в течении
всех производственных процессов (электролизники, лаборанты, операторы и
пр.)
технический персонал – производит ремонтные и обслуживающие
работы всего технического оборудования в цеху (электрики, слесари,
монтажники и пр.)
Это также важно учесть при проектировании функций оповещения
системы, т.к. разные аварийные и предупреждающие сигналы предназначаются
для разных категорий работников.
В качестве главной особенности проектирования стоит учесть, что ЦЭМ
является опасным и вредным производством первого класса, так как
используемые в производстве вещества и процессы, вредны или вовсе
смертельно токсичны для человека. Соответственно любой сбой системы
может повлечь за собой человеческие жертвы, к примеру, любой
переливающийся сборник кислоты или электролита может облить проходящего
мимо работника и даже при соблюдении им безопасного периметра, брызги
стремительно выливающейся жидкости могут запросто попасть на его кожу и
привести к химическим ожогам. Поэтому одним из главных критериев при
подборе элементов системы стоит учитывать их качество и надежность при
бесперебойной эксплуатации, а в самой системе должны быть максимально
точно проработаны алгоритмы работы оборудования, таким образом, чтобы не
40
допустить подобную ситуацию, даже в самом худшем варианте течения
событий [26, 27].
2.2. Основные элементы автоматики и технологические процессы АСУ ТП
электролиза меди
Рассмотрим автоматизацию основных технологических процессов,
описанных в прошлом разделе:
Процесс непрерывной циркуляции электролита
Электролит находящийся в сборниках запасного электролита через
общий коллектор выкачивается центробежным насосом и подается на высоту
около 10 метров, к напорному баку. Напорный бак в свою очередь соединен с
каждой серией и процесс подачи электролита из него в серию осуществляется
за счет разной высоты сообщаемых сосудов. Мониторинг этого процесса
осуществляется за счет ультразвуковых датчиков уровня, за счет показаний с
этих датчиков оператор делает выводы о работе серии, если уровень в запасных
сборниках резко стал повышается, значит произошла остановка одного из
центробежных насосов, если уровень резко стал снижаться, произошел прорыв
трубопровода. Однако регулировка потока циркуляции каждой серии все равно
происходит вручную, по визуальной оценке, потока.
Нагрев электролита
По пути подачи электролита на напорный бак устанавливается
теплообменник, устройство с множеством полых трубок внутри, в который
непрерывно поступает нагретый до 150-200 градусов пар под давлением, а
через полые трубки поступает электролит, которые на выходе должен иметь
температуру 65 градусов. Отработанный конденсат из
теплообменника сливается в сборники конденсата, циркуляция пара таким
образом непрерывна, а излишки далее расходуются в других технологических
процессах. Этот процесс в силу его важности и сложности, пожалуй, самый
автоматизированный на производстве. Мониторинг температуры электролита
на выходе из теплообменника производится датчиками термопары. Давление
41
пара измеряется электронным манометром. Поток поступающего пара
регулируется автоматической задвижкой с пневмоприводном. Таким образом
алгоритм считывая показания этих трёх датчиков просчитывает оптимальное
положение вентиля, при котором температура будет точно соответствовать
назначенной, этот процесс происходит непрерывно в режиме реального
времени.
Процесс работы вакуумной линии
Вакуумный насос включают в работу только при чистке серии (последняя
выгрузка серии с уже сработанными анодами). Вакуумный насос через систему
трубопроводом выкачивает воздух из двух ресиверов (специальные емкости
для откачки электролита) создавая в них вакуум (разряженное давление),
давление в емкостях пытается компенсироваться и выкачивает жидкость из
заведенной в серию вакуумной линии. Важный момент для исключения забора
жидкости вакуумным насосом, по пути следования устанавливают специальные
влаг улавливатели (ловушки, не пропускающие жидкость). Процесс
регулируется датчиками давления на ресиверах и ультразвуковыми
уровнемерами чтобы исключить переполнение емкости и потерю давления
соответственно.
Процесс подачи воды
Главным образом техническая вода используется в работе промывочных
машин (специальные устройства для промывки катодов от электролита после
их из серии). Где важно поддержание уровня давления, нейтральный уровень
pH (ни щелочной и не кислый) и поддержания температуры воды в 85 градусов
Цельсия, что делает его самым "капризным" технологическим процессом в
цеху, не соблюдение хотя бы одного параметра ведет к автоматической
остановке всего механизма. Вода, подаваемая на промывочные машины, имеет
две стадии первая и вторая, каждая из стадий имеет свой сборник воды. Первая
самая "грязная" с точки зрения pH для первичной промывки и вторая
для окончательной чистовой промывки.
42
Давление каждой стадии также поддерживается центробежными
насосами, берущими воду из соответствующего своей стадии сборника.
Поддержание температуры происходит путем заведения трубопровода пара
напрямую в сборник, также с применением автоматического запорного
вентиля. Мониторинг процесса производится датчиками давления на каждой
стадии, ультразвуковыми уровнемерами на сборниках каждой стадии,
датчиками температуры и pH-метрами на выходе каждой стадии. Подача же
воды в сам цех не имеет никаких особенностей и регулируется обычной
запорной арматурой вручную в зависимости от нужд цеха.
Процесс подачи коллоидов и кислоты
Также для нормального течения технологического процесса требуется
постоянный мониторинг состава электролита, основные его составляющие это
медь, серная кислота и коллоиды (тио мочевина, технический клей и др.).
Процесс подачи коллоидов непрерывен и происходит в результате настройки
триммингов открытия и закрытия автоматических клапанов. Процесс
добавления кислоты раньше производился с также непрерывно с помощью
автоматических клапанов, но так как серная кислота очень агрессивна ко
многим видам материалов, подающие клапаны быстро изнашивались и
приходили в негодность. Сейчас процесс производится вручную с помощью
открытия на определенный период времени запорного вентиля, также
происходит и процесс уменьшения содержания меди, в электролит напрямую
добавляют воду (обычно это отработанная вода с промывочных машин из 1
стадии). Стоит отметить что все эти операции проводятся только с указания
оператора-технолога, после проведения им ручного химического анализа в
лаборатории. Контроль этих операций осуществляется с помощью
ультразвуковых уровнемеров на каждом сборнике добавляемого вещества и
автоматическими клапанами с повторяющимся алгоритмом закрытия-открытия
через настраиваемые промежутки времени. Более подробно в процесс подачи и
43
состава коллоидов вникнуть не удалось, за это отвечает отдельная независимая
служба и требует более обширных знания в области химии.
Откачивание сточных вод.
Вся система сточных вод объединена в общую систему, и расположена
под наклоном в одну общую точку, таким образом сточные воды одного цеха
никогда не смешаются со стоками другого цеха. В этой точке стоят
центробежные насосы откачивающие промышленные воды на очистную
установку, по пути следования на которую стоят pH-метры, что позволяет
вовремя реагировать на аварийные проливы электролита из серий в подвал, в
обычном режиме промводы проходят через фильтр-пресса, гасятся содовым
раствором при необходимости и обратно поступают в технические водоемы
медного завода. При аварийном проливе электролита, сточные воды также
фильтруются, но переводятся обратно в сборники запасного электролита, таким
образом даже самые серьезные аварии в цеху удается устранить без вреда для
окружающей среды. Контроль над сточными водами производится датчиками
уровня и pH-метрами, также выведенными на экран монитора оператора-
технолога. Процесс производится только при достижении определенного
уровня вод, дабы избежать работы вхолостую очистных установок и подающих
насосов.
Процесс отсекания излишнего электролита и фильтрация.
Процесс электролиза имеет также и побочные эффекты, влияющие на
состав электролита. Например, содержание меди в электролите постоянно
повышается, так как электролит является катализатором в процессе обмена
медью между анодом и катодом, в процессе электролиза медь остается и в нем.
Для этого в электролит по указанию оператора-технолога добавляется вода. Так
как процесс добавления коллоидом происходит регулярно, происходит
разбавление электролита без ущерба и остановки технологического процесса. В
результате непрерывного увеличения объема электролита, возникает
потребность в его отсекании, для этого в соседнем цеху установлены
44
специальные серии для обезземеливания электролита. Это серии со
свинцовыми анодами, в которые также завешена медная основа, электролит
циркулирует там непрерывно до полного обезземеливания, а затем
утилизируется. Для отсечки также используется циркуляционный насос.
Процесс строго контролируется расходомерами и непрерывно отсекает
излишки электролита поочередно у каждого из цехов. Также периодично
возникает потребность в фильтрации электролита из-за его зашламления
твердыми частицами меди и благородных металлов, процесс производится тем
же насосом что и отсечка электролита, только напор электролита направляют
на фильтр-пресса (на тонкие листы титана, натянута диафрагма из твердого
матерчатого материала) откуда уже отфильтрованный от твердых частиц
электролит возвращается обратно в сборники запасного электролита. Также
через фильтр-пресса проходят все сточные воды цеха, для удержания частиц
благородных металлов и не растворяемых частиц если требуется вернуть
электролит обратно в сборники при утечке.
Устройства применяемые в автоматизации производства ЦЭМ подобраны
с учётом всех особенностей химического производства, рассмотрев все
возможные открытые варианты рынка на текущий момент можно выделить
максимально подходящие требованиям агрессивной среды, вот их список:
Пневматический запорный клапан серии «МИУФ»
Это трубопроводная запорная арматура, предназначенная для работы в
агрессивной химической среде. Область применения устройства практически
не ограничена, может монтироваться в большинство видов технологических
трубопроводов, транспортирующих агрессивные летучие и стерильные
вещества (кислоты, щелочи, растворители, газообразные среды). Обладает
высокими параметрами герметичности и точности регулировки за счет
установки мембранных исполнительных механизмов. Также имеет небольшой
вес и габариты, прост в установке и эксплуатации. Скорость срабатывания
рабочего механизма составляет от 5 до 8 секунд. В особых случаях