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1、0工藝技術(shù)說(shuō)明1、吸附制氫裝置工藝技術(shù)說(shuō)明1 ) 工藝原理吸附是指:當(dāng)兩種相態(tài)不同的物質(zhì)接觸時(shí),其中密度較低物質(zhì)的分子在密度較高 的物質(zhì)表面被富集的現(xiàn)象和過(guò)程。具有吸附作用的物質(zhì)(一般為密度相對(duì)較大的多孔 固體)被稱(chēng)為吸附劑,被吸附的物質(zhì)(一般為密度相對(duì)較小的氣體或液體)稱(chēng)為吸附 質(zhì)。吸附按其性質(zhì)的不同可分為四大類(lèi),即:化學(xué)吸附、活性吸附、毛細(xì)管凝縮和物 理吸附。變壓吸附(PSA)氣體分離裝置中的吸附主要為物理吸附。物理吸附是指依靠吸附劑與吸附質(zhì)分子間的分子力(包括范德華力和電磁力)進(jìn) 行的吸附。其特點(diǎn)是:吸附過(guò)程中沒(méi)有化學(xué)反應(yīng),吸附過(guò)程進(jìn)行的極快,參與吸附的 各相物質(zhì)間的動(dòng)態(tài)平衡在瞬間即可完

2、成,并且這種吸附是完全可逆的。變壓吸附氣體分離工藝過(guò)程之所以得以實(shí)現(xiàn)是由于吸附劑在這種物理吸附中所具 有的兩個(gè)基本性質(zhì):一是對(duì)不同組分的吸附能力不同,二是吸附質(zhì)在吸附劑上的吸附 容量隨吸附質(zhì)的分壓上升而增加,隨吸附溫度的上升而下降。利用吸附劑的第一個(gè)性 質(zhì),可實(shí)現(xiàn)對(duì)混合氣體中某些組分的優(yōu)先吸附而使其它組分得以提純;利用吸附劑的 第二個(gè)性質(zhì),可實(shí)現(xiàn)吸附劑在低溫、高壓下吸附而在高溫、低壓下解吸再生,從而構(gòu) 成吸附劑的吸附與再生循環(huán),達(dá)到連續(xù)分離氣體的目的。吸附劑:工業(yè)PSA-H2裝置所選用的吸附劑都是具有較大比表面積的固體顆粒,主要有:活性氧化鋁類(lèi)、活性炭類(lèi)、硅膠類(lèi)和分子篩類(lèi)吸附劑;另外還有針對(duì)某

3、種組分選擇性吸 附而研制的特殊吸附材料,如 CO專(zhuān)用吸附劑和碳分子篩等。吸附劑最重要的物理特 征包括孔容積、孔徑分布、表面積和表面性質(zhì)等。不同的吸附劑由于有不同的孔隙大 小分布、不同的比表面積和不同的表面性質(zhì),因而對(duì)混合氣體中的各組分具有不同的 吸附能力和吸附容量。吸附劑對(duì)各種氣體的吸附性能主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的吸附等溫線和動(dòng)態(tài)下的穿透 曲線來(lái)評(píng)價(jià)的。優(yōu)良的吸附性能和較大的吸附容量是實(shí)現(xiàn)吸附分離的基本條件。同時(shí),要在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)有效的分離,還必須考慮吸附劑對(duì)各組分的分離系數(shù)應(yīng)盡 可能大。所謂分離系數(shù)是指:在達(dá)到吸附平衡時(shí),(弱吸附組分在吸附床死空間中殘余 量/弱吸附組分在吸附床中的總量)與(強(qiáng)吸附

4、組分在吸附床死空間中殘余量/強(qiáng)吸附組 13分在吸附床中的總量)之比。分離系數(shù)越大,分離越容易。一般而言,變壓吸附氣體 分離裝置中的吸附劑分離系數(shù)不宜小于 3。另外,在工業(yè)變壓吸附過(guò)程中還應(yīng)考慮吸附與解吸間的矛盾。一般而言,吸附越 容易則解吸越困難。如對(duì)于 C5、C6等強(qiáng)吸附質(zhì),就應(yīng)選擇吸附能力相對(duì)較弱的吸附劑 如硅膠等,以使吸附容量適當(dāng)而解吸較容易;而對(duì)于N2、02、CO等弱吸附質(zhì),就應(yīng)選擇吸附能力相對(duì)較強(qiáng)的吸附劑如分子篩等,以使吸附容量更大、分離系數(shù)更高。此外,在吸附過(guò)程中,由于吸附床內(nèi)壓力是周期性變化的,吸附劑要經(jīng)受氣流的頻繁沖刷,因而吸附劑還應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和抗磨性。在變壓吸附氣體分離裝置

5、常用的幾種吸附劑中,活性氧化鋁類(lèi)屬于對(duì)水有強(qiáng)親和力的固體,一般采用三水合鋁或三水鋁礦的熱脫水或熱活化法制備,主要用于氣體的 干燥。硅膠類(lèi)吸附劑屬于一種合成的無(wú)定形二氧化硅,它是膠態(tài)二氧化硅球形粒子的剛 性連續(xù)網(wǎng)絡(luò),一般是由硅酸鈉溶液和無(wú)機(jī)酸混合來(lái)制備的,硅膠不僅對(duì)水有極強(qiáng)的親 和力,而且對(duì)烴類(lèi)和C02等組分也有較強(qiáng)的吸附能力。活性炭類(lèi)吸附劑的特點(diǎn)是:其表面所具有的氧化物基團(tuán)和無(wú)機(jī)物雜質(zhì)使表面性質(zhì)表現(xiàn)為弱極性或無(wú)極性,加上活性炭所具有的特別大的內(nèi)表面積,使得活性炭成為一種能大量吸附多種弱極性和非極性有機(jī)分子的廣譜耐水型吸附劑。沸石分子篩類(lèi)吸附劑是一種含堿土元素的結(jié)晶態(tài)偏硅鋁酸鹽, 屬于強(qiáng)極性吸附

6、劑, 有著非常一致的孔徑結(jié)構(gòu)和極強(qiáng)的吸附選擇性,對(duì) CO、CH4、N2、Ar、02等均具有 較高的吸附能力。碳分子篩是一種以碳為原料,經(jīng)特殊的碳沉積工藝加工而成的專(zhuān)門(mén)用于提純空氣 中的氮?dú)獾膶?zhuān)用吸附劑,使其孔徑分布非常集中,只比氧分子直徑略大,因此非常有 利于對(duì)空氣中氮氧的分離。對(duì)于組成復(fù)雜的氣源,在實(shí)際應(yīng)用中常常需要多種吸附劑,按吸附性能依次分層 裝填組成復(fù)合吸附床,才能達(dá)到分離所需產(chǎn)品組分的目的。吸附平衡:吸附平衡是指在一定的溫度和壓力下,吸附劑與吸附質(zhì)充分接觸,最后吸附質(zhì)在兩相中的分布達(dá)到平衡的過(guò)程,吸附分離過(guò)程實(shí)際上都是一個(gè)平衡吸附過(guò)程。在實(shí)際 的吸附過(guò)程中,吸附質(zhì)分子會(huì)不斷地碰撞吸附

7、劑表面并被吸附劑表面的分子引力束縛 在吸附相中;同時(shí)吸附相中的吸附質(zhì)分子又會(huì)不斷地從吸附劑分子或其它吸附質(zhì)分子 得到能量,從而克服分子引力離開(kāi)吸附相;當(dāng)一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)入吸附相的分子數(shù)和離開(kāi) 吸附相的分子數(shù)相等時(shí),吸附過(guò)程就達(dá)到了平衡。在一定的溫度和壓力下,對(duì)于相同 的吸附劑和吸附質(zhì),該動(dòng)態(tài)平衡吸附量是一個(gè)定值。在壓力高時(shí),由于單位時(shí)間內(nèi)撞擊到吸附劑表面的氣體分子數(shù)多,因而壓力越高 動(dòng)態(tài)平衡吸附容量也就越大;在溫度高時(shí),由于氣體分子的動(dòng)能大,能被吸附劑表面 分子引力束縛的分子就少,因而溫度越高平衡吸附容量也就越小。我們用不同溫度下的吸附等溫線來(lái)描述這一關(guān)系,吸附等溫線就是在一定的溫度 下,測(cè)定出各

8、氣體組份在吸附劑上的平衡吸附量,將不同壓力下得到的平衡吸附量用 曲線連接而成的曲線。不同溫度下的吸附等溫線示意圖:漸減小。實(shí)際上,變溫吸附過(guò)程正是利用上圖中吸附劑在A-D段的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)吸附與解吸的。吸附劑在常溫(即A點(diǎn))下大量吸附原料氣中的某些雜質(zhì)組分,然后升高溫度(到D點(diǎn))使雜質(zhì)得以解吸。從上圖的B-A可以看出:在溫度一定時(shí),隨著雜質(zhì)分壓的升高吸附容量逐漸增 大;變壓吸附過(guò)程正是利用吸附劑在 A-B段的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)吸附與解吸的。吸附劑在常溫高壓(即A點(diǎn))下大量吸附原料氣中除的某些雜質(zhì)組分,然后降低雜質(zhì)的分壓(到B點(diǎn)) 使雜質(zhì)得以解吸。吸附劑的這一特性也可以用 Langmuir吸附等溫方程來(lái)描述

9、:Ai K1 Xi P(人匚吸附質(zhì)i的平衡吸附量,Ki、K2:吸附常數(shù),P:1 + K2 Xi P吸附壓力,Xi :吸附質(zhì)i的摩爾組成)。在通常的工業(yè)變壓吸附過(guò)程中,由于吸附-解吸循環(huán)的周期短(一般只有數(shù)分鐘), 吸附熱來(lái)不及散失,恰好可供解吸之用,所以吸附熱和解吸熱引起的吸附床溫度變化 一般不大,吸附過(guò)程可近似看做等溫過(guò)程,其特性基本符合Langmuir吸附等溫方程。在實(shí)際應(yīng)用中一般依據(jù)氣源的組成、壓力及產(chǎn)品要求的不同來(lái)選擇PSA、TSA或PSA+TSA 工藝。變溫吸附(TSA )法的循環(huán)周期長(zhǎng)、投資較大,但再生徹底,通常用于微量雜質(zhì)或 難解吸雜質(zhì)的脫除;變壓吸附(PSA)的循環(huán)周期短,吸附

10、劑利用率高,吸附劑用量相對(duì)較少,不需要 外加換熱設(shè)備,被廣泛用于大氣量多組分氣體的分離與純化。在變壓吸附(PSA)工藝中,通常吸附劑床層壓力即使降至常壓,被吸附的組分也不能完全解吸,因此根據(jù)降壓解吸方式的不同又可分為兩種工藝:一種是用產(chǎn)品氣或其他不易吸附的組分對(duì)床層進(jìn)行“沖洗”,使被吸附組分的分壓 大大降低,將較難解吸的雜質(zhì)沖洗出來(lái),其優(yōu)點(diǎn)是在常壓下即可完成,不再增加任何 設(shè)備,但缺點(diǎn)是會(huì)損失產(chǎn)品氣體,降低產(chǎn)品氣的收率。另一種是利用抽真空的辦法降低被吸附組分的分壓,使吸附的組分在負(fù)壓下解吸出來(lái),這就是通常所說(shuō)的真空變壓吸附(Vacuum Pressure Swi ng Absorptio n,

11、縮寫(xiě)為VPSA)。VPSA工藝的優(yōu)點(diǎn)是再生效果好,產(chǎn)品收率高,但缺點(diǎn)是需要增加真空泵。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,究竟采用以上何種工藝,主要視原料氣的組成性質(zhì)、原料 氣壓力、流量、產(chǎn)品的要求以及工廠的資金和場(chǎng)地等情況而決定。由于焦?fàn)t煤氣提純氫氣的特點(diǎn)是:原料壓力低,原料組分復(fù)雜并含有焦油、萘等難以解吸的重組分,產(chǎn)品純度要求高。因而裝置需采用“加壓+TSA預(yù)處理+PSA氫提純+脫氧+TSA干燥”流程。2)裝置流程框圖3) 裝置工藝流程描述本裝置中焦?fàn)t煤氣組成復(fù)雜且產(chǎn)品氫純度要求高,因而本裝置工藝流程由壓縮工序、預(yù)處理工序、變壓吸附工序和凈化工序組成。由于原料氣中的硫萘及焦油含量很低,所以在考慮工藝流程設(shè)計(jì)

12、時(shí),為節(jié)省用戶(hù)的投資額同時(shí)又能保證裝置的正常運(yùn)行, 將工藝流程設(shè)定為如下流程:分別簡(jiǎn)述其流程如下:(1) 壓縮工序壓縮工序由2臺(tái)(1開(kāi)1備)三級(jí)往復(fù)式壓縮機(jī)組成。由于本裝置的原料氣中的 萘含量非常低(僅為5mg/Nm3),所以,即使到了壓縮三段也不會(huì)在三級(jí)冷卻器中出現(xiàn) 萘結(jié)晶堵塞管道的問(wèn)題。因此,來(lái)自界區(qū)外的焦?fàn)t煤氣首先經(jīng)壓縮機(jī)的一級(jí)加壓至 0.22MPa(G),然后進(jìn)入壓縮機(jī)第二和第三級(jí)壓縮至1.7MPa(G)后進(jìn)入后續(xù)預(yù)處理系統(tǒng)。(2) 預(yù)處理工序預(yù)處理系統(tǒng)主要由2臺(tái)除油塔、2臺(tái)預(yù)處理塔、1臺(tái)解吸氣加熱器、1臺(tái)解吸氣緩 沖罐組成。來(lái)自壓縮三段,壓力為1.7MPa(G)的焦?fàn)t煤氣進(jìn)入預(yù)處理工

13、序后,首先經(jīng)過(guò)除 油塔分離掉其中夾帶的油滴,然后自塔底進(jìn)入預(yù)處理塔,其中一臺(tái)處于吸附脫油、脫 硫萘狀態(tài)、一臺(tái)處于再生狀態(tài)。當(dāng)預(yù)處理塔吸附焦油、硫和萘飽和后即轉(zhuǎn)入再生過(guò)程。 預(yù)處理塔的再生過(guò)程包括:a降壓過(guò)程預(yù)處理塔逆著吸附方向,即朝著入口端卸壓,氣體排至煤氣管網(wǎng)。b加熱脫附雜質(zhì)用PSA工序副產(chǎn)的解吸氣經(jīng)加熱至140160C后逆著吸附方向吹掃吸附層,使 萘、焦油、NH3、H2S及其它芳香族化合物在加溫下得以完全脫附,再生后的解 吸氣送回焦?fàn)t煤氣管網(wǎng)。c冷卻吸附劑脫附完畢后,停止加熱再生氣,繼續(xù)用常溫解吸氣逆著進(jìn)氣方向吹掃吸附床層, 使之冷卻至吸附溫度。吹冷后的解吸氣也送回焦?fàn)t煤氣管網(wǎng)。d升壓過(guò)程

14、 用處理后的煤氣逆著吸附方向?qū)㈩A(yù)處理塔加壓至吸附壓力,至此預(yù)處理塔就又 可以進(jìn)行下一次吸附了。(3)變壓吸附工序本裝置變壓吸附(PSA)工序采用5-1-3 PSA工藝,即裝置由五個(gè)吸附塔組成, 其中一個(gè)吸附塔始終處于進(jìn)料吸附狀態(tài),其工藝過(guò)程由吸附、三次均壓降壓、順?lè)拧?逆放、沖洗、三次均壓升壓和產(chǎn)品最終升壓等步驟組成,具體工藝過(guò)程如下:經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的焦?fàn)t煤氣自塔底進(jìn)入吸附塔中正處于吸附工況的吸附塔,在吸附劑選擇吸附的條件下一次性除去氫以外的絕大部分雜質(zhì),獲得純度大于99.9%的粗氫氣,從塔頂排出送凈化工序。當(dāng)被吸附雜質(zhì)的傳質(zhì)區(qū)前沿(稱(chēng)為吸附前沿)到達(dá)床層出口預(yù)留段某一位置時(shí), 停止吸附,轉(zhuǎn)入再

15、生過(guò)程。吸附劑的再生過(guò)程依次如下:a. 均壓降壓過(guò)程這是在吸附過(guò)程結(jié)束后,順著吸附方向?qū)⑺?nèi)的較高壓力的氫氣放入其它已完 成再生的較低壓力吸附塔的過(guò)程,這一過(guò)程不僅是降壓過(guò)程,更是回收床層死 空間氫氣的過(guò)程,本流程共包括了三次連續(xù)的均壓降壓過(guò)程,以保證氫氣的充 分回收。b. 順?lè)胚^(guò)程在均壓回收氫氣過(guò)程結(jié)束后,繼續(xù)順著吸附方向進(jìn)行減壓,順?lè)懦鰜?lái)的氫氣放 入順?lè)艢饩彌_罐中混合并儲(chǔ)存起來(lái),用作吸附塔沖洗的再生氣源。c. 逆放過(guò)程在順?lè)沤Y(jié)束、吸附前沿已達(dá)到床層出口后,逆著吸附方向?qū)⑽剿毫抵两?近常壓,此時(shí)被吸附的雜質(zhì)開(kāi)始從吸附劑中大量解吸出來(lái),解吸氣送至解吸氣 緩沖罐用作預(yù)處理系統(tǒng)的再生氣源。d

16、. 沖洗過(guò)程逆放結(jié)束后,為使吸附劑得到徹底的再生,用順?lè)艢饩彌_罐中儲(chǔ)存的氫氣逆著 吸附方向沖洗吸附床層,進(jìn)一步降低雜質(zhì)組分的分壓,并將雜質(zhì)沖洗出來(lái)。沖 洗再生氣也送至解吸氣緩沖罐用作預(yù)處理系統(tǒng)的再生氣源。e. 均壓升壓過(guò)程在沖洗再生過(guò)程完成后,用來(lái)自其它吸附塔的較高壓力氫氣依次對(duì)該吸附塔進(jìn)行升壓,這一過(guò)程與均壓降壓過(guò)程相對(duì)應(yīng),不僅是升壓過(guò)程,而且也是回收其它塔的床層死空間氫氣的過(guò)程,本流程共包括了連續(xù)三次均壓升壓過(guò)程。f.產(chǎn)品氣升壓過(guò)程在三次均壓升壓過(guò)程完成后,為了使吸附塔可以平穩(wěn)地切換至下一次吸附并保 證產(chǎn)品純度在這一過(guò)程中不發(fā)生波動(dòng),需要通過(guò)升壓調(diào)節(jié)閥緩慢而平穩(wěn)地用產(chǎn) 品氫氣將吸附塔壓力升

17、至吸附壓力。經(jīng)這一過(guò)程后吸附塔便完成了一個(gè)完整的“吸附-再生”循環(huán),又為下一次吸附 做好了準(zhǔn)備。五個(gè)吸附塔交替進(jìn)行以上的吸附、再生操作 (始終有一個(gè)吸附塔處于吸附狀態(tài)) 即可實(shí)現(xiàn)氣體的連續(xù)分離與提純。(4)凈化工序從變壓吸附(PSA)工序來(lái)的氫氣是含有少量氧氣的粗氫氣, 純度尚達(dá)不到要求, 需要凈化。粗氫氣首先進(jìn)入常溫脫氧塔,在其中裝填的新型常溫 Pd催化劑的催化下, 氧和氫反應(yīng)生成水,然后經(jīng)冷卻器冷卻至常溫,再進(jìn)入由兩個(gè)干燥塔、一個(gè)預(yù)干燥塔、 一臺(tái)分液罐、兩臺(tái)換熱器等組成的等壓TSA干燥系統(tǒng)。經(jīng)干燥后的產(chǎn)品氫即可達(dá)到純 度99.999%、氧含量小于1ppm、露點(diǎn)低于-65C的要求。等壓TSA

18、干燥系統(tǒng)的工藝過(guò)程如下:脫氧后的氫氣首先經(jīng)流量調(diào)節(jié)回路分成兩路。其中一路直接去干燥塔,其中裝填 的干燥劑將氫氣中的水分吸附下來(lái),使氫氣得以干燥。在一臺(tái)干燥塔處于干燥的狀態(tài) 下,另一臺(tái)干燥塔處于再生過(guò)程。干燥塔的再生過(guò)程包括加熱再生和吹冷兩個(gè)步驟。在加熱再生過(guò)程中,另一路再 生氫氣首先經(jīng)預(yù)干燥塔進(jìn)行干燥, 然后經(jīng)加熱器升溫至140160 C后沖洗需要再生的 干燥塔,使吸附劑升溫、其中的水分得以解吸出來(lái),解吸氣經(jīng)冷卻和分液后再與另一 路氫氣回合,然后去處于干燥狀態(tài)的干燥塔進(jìn)行干燥。在吹冷過(guò)程中,再生氫氣直接 去處于再生狀態(tài)的干燥塔,將干燥塔溫度降至常溫,然后再經(jīng)加熱器加熱后去預(yù)干燥 塔,對(duì)預(yù)干燥塔

19、中的干燥劑進(jìn)行加溫干燥, 然后經(jīng)冷卻和分液后再與另一路氫氣回合, 最后去處于干燥狀態(tài)的干燥塔進(jìn)行干燥。為提高裝置的可靠性和在線處理事故的能力,預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)旁路跨線,可以切除檢修工藝流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)附圖4)裝置的主要技術(shù)特點(diǎn)本裝置可靠的TSA預(yù)處理可有效脫除原料氣中的重組分雜質(zhì),保證了PSA吸附劑的長(zhǎng)期使用,提高了裝置的適應(yīng)能力,并且不會(huì)形成對(duì)環(huán)境的污染。本裝置預(yù)處理采用一段TSA凈化,并且安排在壓縮三段之后,因此投資省且不會(huì) 有萘堵塞問(wèn)題。再生過(guò)程也不產(chǎn)生二次污染。 PSA工序采用5-1-3流程,與經(jīng)典的5-1-2流程相比增加一次均壓次數(shù),可以最 少的吸附床實(shí)現(xiàn)了三次均壓,提高了氫氣回收率,降低了

20、裝置運(yùn)行成本。本裝置的順?lè)艢饩彌_技術(shù),可避免傳統(tǒng)沖洗再生流程中的二次污染問(wèn)題,使吸附 劑再生效果更好。凈化工序采用先進(jìn)的常溫脫氧新工藝,可降低裝置投資和運(yùn)行費(fèi)用。本裝置先進(jìn)的PSA專(zhuān)用軟件在某個(gè)吸附塔出現(xiàn)故障時(shí), 可自動(dòng)將故障塔切除,轉(zhuǎn) 入四塔操作,并且不影響處理能力,只是收率有少量下降。這一功能大大地提高 了裝置運(yùn)行的可靠性。5)裝置切塔后的運(yùn)行參數(shù)5-1-3PSA工藝操作靈活,可以組合多種運(yùn)行方式,在計(jì)算機(jī)程序控制下,可五塔運(yùn)行,需要時(shí)(如出現(xiàn)故障)也可自動(dòng)切換至實(shí)現(xiàn)四塔、三塔運(yùn)行,這樣就大 大地提高了裝置運(yùn)行的可靠性。切塔后的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)下表。運(yùn)行方式及相關(guān)運(yùn)行參數(shù)表吸附塔 總數(shù)流程在

21、線吸 附床數(shù)均壓 次數(shù)處理氣量3Nm /h氫氣回 收率%產(chǎn)氫量Nm3/h五塔5-1-3132700831344.6五塔5-1-2122700811312.2四塔4-1-2122700751215.06)公用工程消耗序號(hào)項(xiàng)目規(guī)格要求單位消耗指標(biāo)使用情況備注220V 50HZKWh/h10連續(xù)照明、儀表用1電380V 50HZKWh/h3.0連續(xù)壓縮機(jī)用10KV 50HZKWh/h450連續(xù)壓縮機(jī)用2循環(huán)水< 35 C 0.4 0.5MPa.Gt/h40連續(xù)3生活用水t/h1間斷4飽和蒸氣0.8 1.0Mpat/h0.5間斷加熱器用5儀表氮壓力 >0.4MPa3Nm3/h50連續(xù)儀表及

22、程控閥用6氮?dú)鈮毫?>0.4MPaNm3/ 次500間斷開(kāi)車(chē)置換用7)裝置的控制功能7.1基本控制功能7.1.1順序控制本裝置的順序控制功能要求對(duì)全部程控開(kāi)關(guān)閥進(jìn)行可靠的開(kāi)關(guān)控制,保證各程控 開(kāi)關(guān)閥按照工藝給定的條件和順序開(kāi)關(guān),實(shí)現(xiàn)PSA裝置的正常切換工作。所有程控開(kāi)關(guān)閥均由進(jìn)口防爆電磁閥驅(qū)動(dòng),所有程控閥均帶閥位傳感器。計(jì)算機(jī)可隨時(shí)監(jiān)控、顯示所有程控閥的動(dòng)作情況,并可對(duì)程控閥故障進(jìn)行自動(dòng)報(bào) 警和聯(lián)鎖處理。順序控制功能還可實(shí)現(xiàn)多種切塔和恢復(fù)的控制,運(yùn)行多套程序。7.1.2均壓速度調(diào)節(jié)PSA裝置在運(yùn)行過(guò)程中,吸附塔除在吸附狀態(tài)外,都處在某種降壓和升壓過(guò)程中, 這些過(guò)程中都要求氣流均衡、穩(wěn)定,

23、特別是均壓過(guò)程如果太快將嚴(yán)重影響吸附劑的使 用壽命,因而本裝置的程控閥門(mén)都具有開(kāi)啟速度調(diào)節(jié)功能,可控制均壓的速度,保證 吸附劑的長(zhǎng)期使用。7.1.3回路調(diào)節(jié)本裝置控制系統(tǒng)的回路調(diào)節(jié)功能可實(shí)現(xiàn)可靠的PID調(diào)節(jié)、串級(jí)調(diào)節(jié)、分程調(diào)節(jié)等多種控制功能,保證PSA系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行,所有控制回路均由計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控, 參數(shù)修改方便。并可自動(dòng)對(duì)各參數(shù)的異常進(jìn)行報(bào)警和聯(lián)鎖處理。7.1.4自適應(yīng)隨動(dòng)控制對(duì)于影響吸附效果的關(guān)鍵調(diào)節(jié)回路:產(chǎn)品氣升壓回路和沖洗控制回路采用自適應(yīng) 隨動(dòng)控制,可使產(chǎn)品氣升壓過(guò)程和沖洗過(guò)程能隨著其它吸附參數(shù)自動(dòng)調(diào)整,始終符合 工藝的理想調(diào)節(jié)曲線。7.1.5優(yōu)化控制控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制功能是可依

24、據(jù) PSA進(jìn)料量的大小,和產(chǎn)品氫氣的純度自動(dòng)地 調(diào)整影響吸附的最主要參數(shù):吸附循環(huán)時(shí)間參數(shù),在保證裝置產(chǎn)品的純度的同時(shí)保證 裝置的產(chǎn)量最大,使裝置自動(dòng)處于最佳運(yùn)行狀況。7.1.6聯(lián)鎖控制控制系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制可實(shí)現(xiàn):壓縮機(jī)故障時(shí)的自動(dòng)保護(hù),吸附塔故障時(shí)的自動(dòng)聯(lián) 鎖切除,壓縮機(jī)或系統(tǒng)超壓時(shí)自動(dòng)聯(lián)鎖放空與保護(hù),系統(tǒng)超溫或燃?xì)庑孤r(shí)的安全聯(lián) 鎖,產(chǎn)品質(zhì)量不合格時(shí)的聯(lián)鎖放空控制等。7.1.7壓縮機(jī)控制本裝置壓縮機(jī)的參數(shù)監(jiān)控與調(diào)節(jié)由控制系統(tǒng)PLC控制,監(jiān)控參數(shù)包括:各級(jí)壓力、溫度監(jiān)控、潤(rùn)滑油壓力、溫度監(jiān)控聯(lián)鎖,壓縮機(jī)出口壓力調(diào)節(jié),聯(lián)鎖放空調(diào)節(jié)等。7.1.8管理功能本裝置控制系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下的管理功能:可以進(jìn)行

25、完善直觀的工藝流程監(jiān)控與動(dòng) 態(tài)顯示,顯示畫(huà)面為漢化顯示,控制系統(tǒng)應(yīng)具有故障自診斷功能,歷史趨勢(shì)記錄功能, 事故記錄功能、各種操作記錄功能、自動(dòng)報(bào)表打印功能,本裝置還應(yīng)提供兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)和 三級(jí)管理功能,可與工廠管理系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。顯示與操作畫(huà)面:總貌圖工藝流程詳圖(多幅)報(bào)警畫(huà)面調(diào)節(jié)回路棒圖參數(shù)設(shè)定參數(shù)優(yōu)化閥門(mén)狀態(tài)閥門(mén)操作動(dòng)力設(shè)備監(jiān)控歷史趨勢(shì)(壓力、流量、溫度、液位、純度等)實(shí)時(shí)趨勢(shì)(壓力、流量、溫度、液位、純度等)打印:班報(bào)表日?qǐng)?bào)表月報(bào)表隨機(jī)打印故障記錄打印7.1.9故障診斷功能本控制系統(tǒng)可根據(jù)壓力、閥位檢測(cè)、產(chǎn)品純度、溫度、流量等參數(shù)自動(dòng)對(duì)工藝或設(shè)備故障進(jìn)行自動(dòng)診斷、報(bào)警和聯(lián)鎖處理。同時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)

26、自身的主要故障:如CPU故障、通訊故障也可進(jìn)行自診斷,并提出故障警告和安全處理。7.2控制軟件的功能7.2.1自適應(yīng)隨動(dòng)調(diào)節(jié)本裝置的關(guān)鍵調(diào)節(jié)回路:產(chǎn)品氣升壓回路和沖洗控制回路采用自適應(yīng)隨動(dòng)控制,其控制回路框圖如下:變壓吸附自適應(yīng)控制軟件,可根據(jù)變化中的工藝參數(shù)自動(dòng)生成控制操作曲線,按 此曲線自動(dòng)控制變壓吸附裝置的沖洗和升壓過(guò)程,可最大限度地接近于理想過(guò)程。7.2.2故障塔切除與恢復(fù)控制軟件故障塔切除在變壓吸附裝置運(yùn)行過(guò)程中,如因閥門(mén)、控制線路、電磁閥等問(wèn)題,使某塔不能正常工作時(shí),就需要切掉一個(gè)塔,讓其余的塔正常運(yùn)行,保證生產(chǎn)不間斷,以此類(lèi)推可切除多個(gè)塔,系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行,這是提高變壓吸附裝置可

27、靠性的一個(gè)關(guān)鍵,也是變 壓吸附控制技術(shù)的一個(gè)核心。本系統(tǒng)可作從五塔到四塔的任意切換運(yùn)行。切塔過(guò)程如下:a. 故障塔判斷(根據(jù)壓力、閥檢、雜質(zhì)超標(biāo)等檢測(cè)值進(jìn)行三選二判斷 );b. 自動(dòng)發(fā)出切除故障塔信號(hào),關(guān)斷該塔所有程控閥,開(kāi)始運(yùn)行切塔后程序,并產(chǎn)生 報(bào)警提示。c. 自動(dòng)建立切塔后的正常運(yùn)行條件并自動(dòng)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)修改;d. 進(jìn)入切塔后的正常運(yùn)行狀態(tài)。切除塔恢復(fù)當(dāng)被切除塔修復(fù)之后,需要將其投入正常運(yùn)行,但投入的時(shí)機(jī)不對(duì)將引起較大的 波動(dòng),甚至出現(xiàn)故障,本軟件能夠自動(dòng)找到最佳狀態(tài)恢復(fù),使系統(tǒng)波動(dòng)最小?;謴?fù)過(guò)程如下:a. 在故障處理完成后,操作人員發(fā)出塔恢復(fù)指令;b. 程序根據(jù)該塔狀態(tài),確定恢復(fù)的最佳

28、步序,自動(dòng)實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)恢復(fù)切換;c. 自動(dòng)建立切塔后的正常運(yùn)行條件并自動(dòng)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)修改;d. 進(jìn)入恢復(fù)塔后的正常運(yùn)行狀態(tài)。7.3控制系統(tǒng)配置本裝置控制主機(jī)按進(jìn)口德國(guó)西門(mén)子S7-400系列PLC配上位監(jiān)控站選型。 該過(guò)程控制系統(tǒng)采用“全集成自動(dòng)化”概念設(shè)計(jì),能使各種各樣不同的技術(shù)在一個(gè)用戶(hù)接 口下,用于一個(gè)有全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的總體系統(tǒng)中,其范圍從計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、過(guò)程 可視化直至過(guò)程儀表和控制??刂葡到y(tǒng)配置方案:本裝置控制系統(tǒng)采用 S7-400 PLC組成的冗余控制系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中,含有 兩個(gè)相同的中央控制器(包括 CPU模板、電源模板和通訊模板),兩個(gè)中央控制器通 過(guò)冗余的PROFIBUS-D

29、P網(wǎng)絡(luò)分別訪問(wèn)分布式I/O站模板。在無(wú)故障時(shí)兩個(gè)中央控制器 都處在運(yùn)行狀態(tài)并隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步交換,同時(shí)也不斷檢測(cè)各自與I/O站模板相連的PROFIBUS-DP總線電纜的通訊情況,一旦出現(xiàn)中央控制器故障或PROFIBUS-DP總線 電纜通訊故障,正常工作的中央控制器能無(wú)擾動(dòng)獨(dú)立地接替過(guò)程的控制,將排除因控 制系統(tǒng)偶然硬件故障而造成的裝置停機(jī),為裝置平穩(wěn)、安全、長(zhǎng)期的運(yùn)行打下基礎(chǔ)。 上位監(jiān)控與管理系統(tǒng)配置上位監(jiān)控與管理系統(tǒng)由2個(gè)操作員站組成,其中1個(gè)兼工程師站,它們包括計(jì)算 機(jī)、顯示器、打印機(jī)、聲光報(bào)警元件和操作臺(tái)等部分。在每個(gè)操作員站上都能顯示裝 置的全部流程圖畫(huà)面和進(jìn)行控制操作,在正常生產(chǎn)時(shí)2

30、個(gè)操作員站可互為熱備,這樣就形成了可靠、先進(jìn)的監(jiān)控、操作、管理系統(tǒng)。上位監(jiān)控站選擇美國(guó)DELL公司的PIV計(jì)算機(jī)。顯示器選用高性能的19 PHILIPS 純平彩顯,它能提供大的顯示窗口和很高的分辨率,使畫(huà)面顯示更加清晰、操作更加 準(zhǔn)確。打印機(jī)選用高性能的HP產(chǎn)A4激光黑白打印機(jī),它既能快速完成日常生產(chǎn)中的報(bào)表打印和報(bào)警打印,又能對(duì)流程圖和歷史趨勢(shì)記錄進(jìn)行打印,幫助分析故障。在采用冗余控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),上位機(jī)上還裝有冗余通訊軟件包 S7-REDC0NNECT,它可使上位監(jiān)控與管理系統(tǒng)和S7-400控制系統(tǒng)之間形成容錯(cuò)的S7通訊。S7-REDC0NNECT軟件在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)控制系統(tǒng)的兩根以太網(wǎng)通訊電

31、纜進(jìn)行 實(shí)時(shí)監(jiān)視,對(duì)故障電纜予以切換,保證顯示在操作員站上的信息是準(zhǔn)確的和及時(shí)的, 提高系統(tǒng)的安全性。在兼做工程師站的上位機(jī)上還裝有 SIMATIC WinCC V6.0 (完全版)和 STEP 7 V5.3 (有授權(quán))。儀表維護(hù)工程師可在工程師站上方便地進(jìn)行流程圖畫(huà)面修改、控制組 態(tài)修改、控制程序修改等操作,完成后通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)就能對(duì)各個(gè)操作員站和SIMATICS7-400控制系統(tǒng)進(jìn)行文件或程序更新,并能根據(jù)需要打印SIMATIC S7-400控制系統(tǒng)的程序清單。Windows 2000和SIMATIC WinCC V6.0的分級(jí)用戶(hù)管理可以避免無(wú)關(guān)人 員進(jìn)入工程師環(huán)境,保證系統(tǒng)的安全和完整

32、。系統(tǒng)配置圖如下:S7-400冗余控制系統(tǒng)示意圖工程師站 兼操作員站操作員站工業(yè)以太網(wǎng)I/O站I/O站I/O站#7.4控制點(diǎn)匯總23合計(jì)51點(diǎn)合計(jì)23點(diǎn)2占J八、2占J八、5占7八、1占> 八、1占>八、2占J八、1占> 八、6點(diǎn)2占J八、1占> 八、合計(jì)17點(diǎn)2占J八、1占> 八、1占> 八、2占J八、1占> 八、6點(diǎn)4占八、合計(jì)4點(diǎn)1占> 八、1占> 八、1占> 八、1占> 八、合計(jì)3點(diǎn)1占> 八、1占> 八、1占> 八、7.4.1 Al點(diǎn)匯總1)壓力檢測(cè)點(diǎn)(DC24V, 4-20mA信號(hào))制氫裝置預(yù)處理塔

33、壓力指示信號(hào):制氫裝置再生氣壓力調(diào)節(jié)信號(hào):PSA吸附塔壓力指示信號(hào):順?lè)艢饩彌_罐壓力指示信號(hào):PSA吸附壓力指示信號(hào):氫氣干燥塔壓力指示信號(hào):產(chǎn)品氫氣壓力指示信號(hào):壓縮機(jī)級(jí)間壓力指示:壓縮機(jī)潤(rùn)滑油壓力指示:球罐壓力指示:2)溫度檢測(cè)點(diǎn)(DC24V,4-20mA信號(hào))制氫裝置預(yù)處理塔溫度指示信號(hào): 制氫裝置再生氣出口溫度指示信號(hào): 制氫裝置脫氧塔溫度指示信號(hào):制氫裝置干燥塔溫度指示信號(hào):制氫裝置氫氣加熱器出口溫度指示信號(hào): 制氫裝置壓縮機(jī)級(jí)間溫度指示信號(hào): 制氫裝置壓縮機(jī)其它溫度指示信號(hào):3)流量檢測(cè)點(diǎn)(DC24V,4-20mA信號(hào))制氫裝置煤氣流量指示信號(hào):制氫裝置氫氣流量指示信號(hào):制氫裝置產(chǎn)

34、品流量指示信號(hào):制氫裝置解吸氣流量指示信號(hào):4)分析檢測(cè)點(diǎn)(DC24V,4-20mA信號(hào))制氫裝置氫氣純度指示信號(hào):制氫裝置氫氣微氧分析指示信號(hào):制氫裝置氫氣微水分析指示信號(hào):5)可燃?xì)怏w檢測(cè)點(diǎn)(DC24V, 4-20mA信號(hào))742 A0點(diǎn)匯總合計(jì)4點(diǎn)合計(jì)9點(diǎn)制氫裝置壓縮機(jī)三回一調(diào)節(jié):1點(diǎn)制氫裝置再生氣壓力調(diào)節(jié):2點(diǎn)PSA吸附塔產(chǎn)品壓力調(diào)節(jié):1點(diǎn)PSA吸附塔升壓調(diào)節(jié):1點(diǎn)PSA吸附塔沖洗調(diào)節(jié):1點(diǎn)精制干燥系統(tǒng)流量分程調(diào)節(jié):1點(diǎn)產(chǎn)品氫氣去球罐壓力調(diào)節(jié):1點(diǎn)7.4.3 DI點(diǎn)匯總合計(jì)53點(diǎn)制氫裝置程控閥門(mén)檢測(cè):53點(diǎn)7.4.4 DO點(diǎn)匯總合計(jì)62點(diǎn)制氫裝置程控閥門(mén)控制點(diǎn):53點(diǎn)動(dòng)力設(shè)備聯(lián)鎖控制點(diǎn)

35、:9點(diǎn)1.1、 非標(biāo)設(shè)備本裝置非標(biāo)設(shè)備中的吸附塔為疲勞容器,采用美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)JB4732-95設(shè)計(jì),所有設(shè)備設(shè)計(jì)壽命20年。序號(hào)名稱(chēng)主要規(guī)格材質(zhì)單重(噸)數(shù)量 (臺(tái))1除油塔3 1000 V=4.0m320R3.022預(yù)處理塔 1200 V=7.0m320R4.823吸附塔 1200 V=11.0m320R6.054順?lè)殴?1400 V=12.5m320R5.015脫氧塔 500 V=0.45m320R0.416氫氣冷卻器17.4m220R1.817氫氣緩沖罐 1000 V=4.1m320R3.518干燥塔 600 V=0.9m320R1.229預(yù)干燥塔400 V=0.35m320R

36、0.4110水分離器 400 V=0.3m320R0.3111循環(huán)氫氣加熱器14.4m220R1.6112循環(huán)氫氣冷卻器14.6m220R1.6113解吸氣緩沖罐 2000 V=20m320R12.0114解吸氣加熱器42m220R2.61合計(jì)44.2211、1300Nm'/h吸附制氫裝置技術(shù)指標(biāo) 產(chǎn)氫量:裝置操作彈性(對(duì)產(chǎn)品氣): 產(chǎn)品氫純度: 氫氣回收率: 產(chǎn)品氫氣壓力: 產(chǎn)品氫溫度: 解吸氣排氣壓力: 設(shè)計(jì)操作時(shí)數(shù): 控制系統(tǒng)可靠性指標(biāo): 程控閥門(mén)可靠性指標(biāo): 程控閥門(mén)壽命指標(biāo): 氫氣回收率31300Nm /h30 100%H2含量99.999%O2< 1 PPm露點(diǎn)w -

37、65 C> 83%> 1.6MPa.Gw 40 C>10kpa全年連續(xù)操作(大于8000小時(shí)) 平均無(wú)故障工作時(shí)間大于2年 平均無(wú)故障工作時(shí)間大于2年 閥體大于20年,主密封大于5年1.2、PSA吸附劑一覽表序號(hào)名稱(chēng)規(guī)格用途重量(噸)1二級(jí)冶金焦碳20-40 不定型脫焦油2.02活性氧化鋁3-5球狀白色脫水2.03SM-30D專(zhuān)用吸附劑3-5條狀黑色脫萘、焦油、硫3.04SM-30B專(zhuān)用吸附劑62-4柱狀黑色脫重?zé)N、H2S4.05SM-15B專(zhuān)用吸附劑1.5柱狀黑色脫 C1、C2、CO212.065A-98H分子篩2-3球狀灰白色脫 N2、02、CO、N224.07HC-01

38、鈀催化劑2-3球狀黑色脫氧0.28硅膠2-3球狀白色干燥1.5=(產(chǎn)品氫氣流量x產(chǎn)品氫氣純度)/ (原料氣流量x原料氣氫純度)X100%附件十二:相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范第一節(jié)工藝標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范GB50187-1993工業(yè)企業(yè)總平面設(shè)計(jì)規(guī)范HG/T20561-1994總圖運(yùn)輸施工圖設(shè)計(jì)文件編制深度規(guī)定HG/T20695-1987化工管道設(shè)計(jì)規(guī)范HG20519-1992化工工藝設(shè)計(jì)施工圖內(nèi)容和深度統(tǒng)一規(guī)定HG20546-1992化工裝置設(shè)備布置設(shè)計(jì)規(guī)定HG/T20549-1998化工裝置管道布置設(shè)計(jì)規(guī)定HG20553-1993化工配管用無(wú)縫及焊接鋼管尺寸選用系統(tǒng)HG20558-1993工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)文件內(nèi)容的規(guī)

39、定HG20559-1993管道儀表流程圖設(shè)計(jì)規(guī)定HG/T20570.1-24-1995工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定HG/T20670-1989化工廠管架設(shè)計(jì)規(guī)定HG/T20572-1995化工企業(yè)給排水設(shè)計(jì)施工圖內(nèi)容和深度統(tǒng)一規(guī)定HG/T20645-1998化工裝置管道機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)定HG/T20679-1990化工設(shè)備、管道外防腐設(shè)計(jì)規(guī)定等。GB50235-97工業(yè)金屬管道施工及驗(yàn)收規(guī)范第二節(jié)配管標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范GB/T3091-1993低壓流體輸送用鍍鋅焊接鋼管GB/T3092-1993低壓流體輸送用焊接鋼管HG20553-1993化工配管用無(wú)縫及焊接鋼管尺寸選用系列GB12459-1990鋼制對(duì)焊無(wú)縫

40、管件GB/T14383-1993鍛鋼制承插焊管件GB/T14626-1993鍛鋼管螺紋管件HG20592-1997鋼制管法蘭型式、參數(shù)HG20594-1997帶頸平焊鋼制管法蘭HG20595-1997帶頸對(duì)焊鋼制管法蘭HG20596-1997整體鋼制管法蘭HG20597-1997承插焊鋼制管法蘭HG20598-1997螺紋鋼制管法蘭HG20601-1997鋼制管法蘭蓋HG20603-1997鋼制管法蘭技術(shù)條件HG20604-1997鋼制管法蘭壓力-溫度等級(jí)HG20605-1997鋼制管法蘭焊接頭和坡口尺寸HG20606-1997鋼制管法蘭用非金屬平墊片HG20607-1997鋼制管法蘭用聚四佛

41、乙烯包覆墊片HG20608-1997鋼制管法蘭用柔性石墨復(fù)合墊片HG20609-1997鋼制管法蘭用金屬包覆墊片HG20610-1997鋼制管法蘭用纏繞墊片HG20611-1997鋼制管法蘭用金屬環(huán)墊片GB901-1988精致等長(zhǎng)雙頭螺柱GB5782-1986六角頭螺栓-A和B級(jí)GB6170-1986I型六角頭螺母-A和B級(jí)HG20613-1997鋼制管法蘭用緊固件GB12221-1989法蘭連接金屬閥門(mén)、結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度GB12222-1989多回轉(zhuǎn)閥門(mén)驅(qū)動(dòng)裝置的連接GB12224-1989鋼制閘閥一般要求GB12225-12230-1989通用閥門(mén)、材質(zhì)技術(shù)條件GB12234-1989通用閥門(mén)、法

42、蘭或?qū)高B接鋼制閘閥GB12235-1989通用閥門(mén)、法蘭鋼制截止閥和升降式止回閥GB12236-1989通用閥門(mén)、鋼制旋啟式止回閥ZBJ16006-1990閥門(mén)試驗(yàn)和檢驗(yàn)第三節(jié)電氣標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范GB50052-1995供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50057-1994建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范GB50058-1992爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范HG/T21507-1992化工企業(yè)電力設(shè)計(jì)施工圖內(nèi)容深度統(tǒng)一規(guī)定HG/T20664-1999化工企業(yè)供電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定HG/T20675-1990化工企業(yè)靜電接地設(shè)計(jì)規(guī)程HG/T20586-1996化工企業(yè)照明設(shè)計(jì)規(guī)定HG/T20686-1990化工企業(yè)電力設(shè)計(jì)圖形和文字符號(hào)統(tǒng)一規(guī)定HG/T20687-1989化工企業(yè)爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力設(shè)計(jì)規(guī)程等 第四節(jié) 自控標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范HG20505-2000過(guò)程檢測(cè)和控制系統(tǒng)用文字代號(hào)和圖形符號(hào)HG20507-2000自動(dòng)化儀表選型規(guī)定HG20509-2000儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)定HG20510-2

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