閆金銀 寧彥初 王 琨 王 亮
(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所)
煉化生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較多的有機(jī)廢氣,按照國(guó)家環(huán)保排放要求,有機(jī)廢氣不能直接排入大氣。 蓄熱式氧化爐(Regenerative Thermal Oxidation,RTO) 是一項(xiàng)十分成熟的廢氣處理設(shè)備,通過(guò)將有機(jī)廢氣在蓄熱體中預(yù)熱并補(bǔ)燃少量燃料氣, 使廢氣在760~870 ℃產(chǎn)生燃燒熱解形成無(wú)毒的CO2和H2O,達(dá)到廢氣清潔排放目標(biāo)。
RTO以其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、去除效率高等優(yōu)勢(shì)在有機(jī)廢氣處理領(lǐng)域有著其他環(huán)保設(shè)備無(wú)法企及的效果。 RTO在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中由于生產(chǎn)工藝廢氣VOCs濃度高且波動(dòng)大,存在燃爆的可能性。 2015年3月, 江蘇某化工企業(yè)RTO系統(tǒng)連續(xù)兩次發(fā)生爆炸,經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)百萬(wàn)元;2019年6月,安徽某化工企業(yè)RTO系統(tǒng)短時(shí)間兩次發(fā)生爆炸,系統(tǒng)損毀嚴(yán)重;2020年8月,浙江某化工企業(yè)RTO裝置廢氣管道爆裂,導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。 另外,當(dāng)RTO在廢氣較大波動(dòng)的工況長(zhǎng)期控制在870 ℃的溫度下將造成燃料氣浪費(fèi),為了在安全的前提下節(jié)約燃料氣用量,需根據(jù)廢氣VOCs濃度的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)爐膛溫度設(shè)定值,當(dāng)濃度低于環(huán)保排放要求時(shí)降低爐膛溫度使?fàn)t膛溫度處于備用狀態(tài),當(dāng)濃度超過(guò)環(huán)保排放要求時(shí)快速提高爐膛溫度至最佳燃燒值,以減少燃?xì)庥昧俊?但在爐膛溫度設(shè)定值切換時(shí),常規(guī)單回路或串級(jí)控制系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大干擾,調(diào)節(jié)不及時(shí)會(huì)出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象。 同時(shí),由于流量測(cè)量在閥門(mén)急轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)會(huì)造成測(cè)量波動(dòng)大,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使溫度控制崩潰產(chǎn)生超調(diào)風(fēng)險(xiǎn),影響爐子運(yùn)行安全。
筆者采用單交叉限幅比值控制方法對(duì)蓄熱爐RTO的爐溫進(jìn)行控制, 在沒(méi)有廢氣或低濃度時(shí), 使RTO的爐溫處于備用狀態(tài), 溫度控制在800~820 ℃, 在廢氣濃度較高時(shí)使?fàn)t膛溫度快速提高到870 ℃。在負(fù)荷提高時(shí)高選、負(fù)荷降低時(shí)低選,保證燃?xì)馀c空氣在安全的前提下達(dá)到最優(yōu)燃燒效果并能夠應(yīng)對(duì)物料變化的擾動(dòng)。 通過(guò)S7-300采用單交叉限幅比值控制方法進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。
單交叉限幅控制是在串級(jí)比值控制的基礎(chǔ)上增加交叉限幅功能,以保持空燃比合理,使燃燒處于最佳狀態(tài)。
單交叉限幅控制系統(tǒng)主要涉及通過(guò)燃燒過(guò)程中溫度、空氣流量、空氣調(diào)節(jié)閥、燃料氣流量、燃料氣調(diào)節(jié)閥及空燃比系數(shù)等參數(shù), 實(shí)現(xiàn)在高、低負(fù)荷變化時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)燃料氣調(diào)節(jié)閥與空氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度,實(shí)現(xiàn)燃燒優(yōu)化與安全。 其控制模型如圖1所示。
圖1 串級(jí)單交叉限幅比值控制模型
RTO爐膛溫度負(fù)荷變化時(shí), 根據(jù)ΔSP的大小實(shí)現(xiàn)高、低選回路的選擇,即有:
其中,SPT為爐膛當(dāng)前爐膛溫度設(shè)定值;PVT為當(dāng)前爐膛溫度測(cè)量值。
當(dāng)時(shí)ΔSP>0,爐膛溫度進(jìn)入提負(fù)荷工況,溫度PID回路先進(jìn)入空氣流量的串級(jí)回路,此時(shí),空氣流量設(shè)定值SPA的計(jì)算式為:
其中,SPT′為負(fù)荷變動(dòng)前爐膛溫度設(shè)定值,α為溫度與消耗空氣的比例系數(shù);PVF為燃料氣流量測(cè)量值;R為空氣與燃料氣的配比。
空氣流量PID回路將接收負(fù)荷提高帶來(lái)的空氣量提高值與當(dāng)前燃料氣流量乘以空燃比,計(jì)算出消耗空氣量中的較大值作為其新的設(shè)定值。
反之,當(dāng)ΔSP<0時(shí),爐膛溫度進(jìn)入降負(fù)荷工況時(shí),燃料氣流量設(shè)定值SPF的計(jì)算式為:
其中,β為溫度與消耗燃?xì)獾谋壤禂?shù);PVA為空氣流量測(cè)量值。
燃?xì)饬髁縋ID回路將接收負(fù)荷降低帶來(lái)的燃?xì)饬繙p少值與當(dāng)前空氣流量除以空燃比,計(jì)算出配比的燃?xì)饬恐械妮^小值作為其新的設(shè)定值。 由于空氣流量與燃?xì)饬髁繙y(cè)量一直處于變化過(guò)程中, 而爐膛溫度作為主控變量控制負(fù)荷變化,所以此交叉控制回路一直處于動(dòng)態(tài)高、低選狀態(tài)。
在系統(tǒng)模型搭建過(guò)程中,需將本模型中的測(cè)量與控制進(jìn)行拆解分析,大致分為儀表測(cè)量、PID控制設(shè)計(jì)、參數(shù)整定與優(yōu)化。
爐膛溫度控制涉及溫度測(cè)量、流量測(cè)量及執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型等。 對(duì)于溫度測(cè)量,需在爐膛上安裝熱電偶測(cè)溫元件,熱電偶一般選用S型熱電偶,根據(jù)IEC-60584標(biāo)準(zhǔn),S型熱電偶在高溫870 ℃時(shí)的絕對(duì)允差溫度為±1 ℃,這樣的PID死區(qū)設(shè)定值在1 ℃及以上;燃?xì)饬髁繙y(cè)量采用渦街流量計(jì),其測(cè)量精度±1%,PID死區(qū)設(shè)定值在1%及以上;空氣流量測(cè)量采用阿牛巴流量計(jì), 測(cè)量精度為±1%及以上,PID死區(qū)設(shè)定值在1%及以上;考慮到燃?xì)馀c空氣調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作存在精度問(wèn)題,實(shí)際燃?xì)馀c空氣PID回路死區(qū)需考慮裕量。
控制系統(tǒng)主要涉及溫度與流量?jī)煞N對(duì)象的測(cè)量,溫度測(cè)量一般具有滯后特性,可以考慮PID控制或?qū)⒉蓸又芷谠O(shè)置為實(shí)際測(cè)量的平均溫度滯后時(shí)間采用PI控制,本系統(tǒng)采用后者;流量測(cè)量一般影響時(shí)間較快,滯后時(shí)間較短,對(duì)于控制閥一般選用等百分比特性的流量特性,所以燃?xì)馀c空氣的流量調(diào)節(jié)采用PI控制。
參數(shù)整定與優(yōu)化, 根據(jù)圖2所示的S7-300內(nèi)PID算法框圖可知,其基本算法為:
圖2 S7-300的PID算法框圖
其中,LMN為PID算法輸出操作值;Gain為PID算法比例增益;TI為PID算法積分響應(yīng)時(shí)間;TD為PID算法微分響應(yīng)時(shí)間;er(t)為設(shè)定值與測(cè)量值的誤差。
可將測(cè)量值與設(shè)定值直接寫(xiě)入算法內(nèi)進(jìn)行PID運(yùn)算,用測(cè)量值直接運(yùn)算可方便PID算法在誤差出現(xiàn)時(shí)快速進(jìn)行響應(yīng)。根據(jù)控制對(duì)象的不同,初步設(shè)計(jì)溫度回路的PI參數(shù)為0.1和700 s,燃料氣流量回路PI的參數(shù)為0.5和400 s,空氣流量回路PI的參數(shù)為0.2和550 s;另外,將PID控制回路的采樣時(shí)間設(shè)定為2 s,以減少溫度測(cè)量滯后給控制回路調(diào)節(jié)輸出動(dòng)作的影響。
實(shí)際應(yīng)用時(shí), 考慮到測(cè)量元件出現(xiàn)故障的可能性,為了最大限度地保證控制安全性,本例中使用限幅控制,燃?xì)饬髁颗c控制流量始終處于相互制約的狀態(tài),可最大限度地減少了燃?xì)饬客蝗贿^(guò)大發(fā)生爆燃的可能性。
本項(xiàng)目選用的S7-300系列315F-2DP,是一款應(yīng)用于故障安全情況下的CPU, 其位操作時(shí)間為0.05,其浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算能力為0.45 μs,可勝任單交叉限幅控制回路計(jì)算。 考慮RTO在切換過(guò)程中的操作風(fēng)險(xiǎn),選用故障安全型CPU能夠有效應(yīng)對(duì)PID計(jì)算與頻繁切換過(guò)程帶來(lái)的錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn),并能夠在異常情況實(shí)現(xiàn)安全停車(chē)。
單交叉限幅控制是一種相對(duì)較復(fù)雜的控制方法, 對(duì)于編程要求較高, 常規(guī)PLC使用的梯形圖、語(yǔ)句表等需考慮較大切換與計(jì)算過(guò)程,對(duì)于初期編程與后期維護(hù)有較高要求。 連續(xù)功能圖表(Continuous Function Chart,CFC) 作為專(zhuān)門(mén)針對(duì)復(fù)雜控制回路設(shè)計(jì)的編程語(yǔ)言,對(duì)于實(shí)現(xiàn)單交叉限幅控制非常適合,CFC通過(guò)繪制功能圖表來(lái)自動(dòng)生成程序,可以方便地修改與維護(hù)。
根據(jù)上述分析過(guò)程,按照?qǐng)D3流程進(jìn)行編寫(xiě),并在Step7編程環(huán)境中編寫(xiě)CFC程序仿真測(cè)試(圖4)。
圖3 單交叉限幅比值控制軟件編寫(xiě)測(cè)試流程
圖4 單交叉限幅比值控制CFC程序
根據(jù)前期軟件編寫(xiě)與仿真測(cè)試,將本方法在某工程項(xiàng)目中實(shí)際應(yīng)用, 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行,目前溫度控制穩(wěn)定(圖5),負(fù)荷升、降時(shí)能夠?qū)Ω蓴_有較好的抵抗力,并能克服短期流量測(cè)量誤差與故障,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定安全運(yùn)行,達(dá)到了預(yù)期效果。
圖5 某項(xiàng)目單交叉限幅比值控制運(yùn)行截圖
單交叉限幅控制的優(yōu)點(diǎn)是在負(fù)荷變化時(shí)能夠有效克服其帶來(lái)的較大幅度干擾, 在升負(fù)荷(升溫)時(shí),空氣先行,燃料跟隨;降負(fù)荷(降溫)時(shí),燃料先行,空氣跟隨,防止冒黑煙污染環(huán)境,不僅在穩(wěn)態(tài)時(shí)能保持空燃比合理,而且動(dòng)態(tài)時(shí)也能保持空燃比合理, 防止出現(xiàn)不必要的安全影響,在“雙碳”大環(huán)境下能夠?qū)?jié)能環(huán)保的控制有較好的促進(jìn)作用。 交叉限幅控制實(shí)現(xiàn)了RTO爐燃燒過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性和安全性要求,使RTO爐的燃燒控制水平大幅提高,對(duì)節(jié)約能源、減少污染和改善環(huán)境起到了積極的作用。