本發(fā)明屬于化學(xué)工程流化床催化燃燒行業(yè)領(lǐng)域與工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)交叉領(lǐng)域，具體涉及一種流化床催化燃燒電加熱爐PLC多段自動(dòng)溫升控制。

背景技術(shù)：

有機(jī)廢氣(揮發(fā)性有機(jī)化合物Volatile Organic Compound簡(jiǎn)稱VOC)既是有毒物質(zhì)，又易燃易爆，是污染大氣環(huán)境，危害人體健康的罪魁禍?zhǔn)?。催化燃燒某種意義上可以看作是代替熱力燃燒的一種化學(xué)熱反應(yīng)，利用催化劑的深度催化氧化活性將有機(jī)組分在燃點(diǎn)以下的溫度與氧氣化合生成無(wú)毒的CO₂和H₂O，達(dá)到凈化目的。因此，工藝上采用流化床和固定床將有機(jī)廢氣和廢液通過(guò)催化燃燒進(jìn)行凈化處理。流化床內(nèi)部溫度快速上升并穩(wěn)定在催化燃燒所需溫度是反應(yīng)成功的關(guān)鍵。

本發(fā)明在流化床濃相段與稀相段分別外置電加熱爐進(jìn)行升溫控制。由于電加熱爐具有大慣性、大滯后特性，溫度很難實(shí)現(xiàn)快速無(wú)超調(diào)控制。本發(fā)明針對(duì)上述問(wèn)題，給出一種可編程控制器(PLC)多段升溫自動(dòng)控制方法，實(shí)現(xiàn)流化床催化燃燒電加熱爐的溫度能夠最短時(shí)間無(wú)超調(diào)達(dá)到反應(yīng)所需，并能夠在催化燃燒反應(yīng)進(jìn)行階段保持反應(yīng)器溫度恒定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是在流化床對(duì)VOC尾氣進(jìn)行催化燃燒處理的初始階段，將流化床床層分為濃相段、稀相段和擴(kuò)散段，并在流化床外部位置設(shè)有電加熱裝置，進(jìn)行升溫，使溫度快速達(dá)到催化燃燒所需初始溫度，同時(shí)在反應(yīng)的整個(gè)過(guò)程中對(duì)流化床進(jìn)行保溫作用，維持流化床溫度恒定，使反應(yīng)能夠平穩(wěn)進(jìn)行。

本發(fā)明提供以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)過(guò)程：

本發(fā)明提供了一種流化床催化燃燒電加熱爐PLC多段溫控方法，其特征在于：針對(duì)催化燃燒反應(yīng)的濃相段與稀相段，分別給出PLC多段自動(dòng)溫升控制方法。該方法將整個(gè)過(guò)程分為升溫段溫控和恒溫段溫控，升溫段的控制采用不同速率共六段溫升區(qū)間控制，實(shí)現(xiàn)任意起始溫度點(diǎn)的快速升溫，恒溫段溫控采用多參數(shù)整定的PID控制。本發(fā)明目的是使流化床催化燃燒電加熱爐的溫度能夠最短時(shí)間無(wú)超調(diào)達(dá)到反應(yīng)所需溫度，并在流化床反應(yīng)階段保持反應(yīng)器溫度恒定。

由于加熱爐具有大慣性大滯后的特點(diǎn)，采用單純的PID作用會(huì)產(chǎn)生很大的超調(diào)量，導(dǎo)致溫度難以回到設(shè)定值，從而造成反應(yīng)效果下降，甚至發(fā)生爐體損壞的危險(xiǎn)。升溫段分為六個(gè)升溫區(qū)間，每個(gè)子區(qū)間對(duì)應(yīng)不同的升溫速率，從而保證流化床外設(shè)電加熱爐在任意起始溫度處都能做到快速升溫。第一區(qū)間全壓?jiǎn)?dòng)，由常溫快速升至區(qū)間最大值T₀；第二區(qū)間以每分鐘ΔT₁的升溫速率由T₀升至T₁；第三區(qū)間以ΔT₂每分鐘的速率由T₁升至T₂，第四區(qū)間以ΔT₃每分鐘的速率由T₂升至T₃；第五區(qū)間以ΔT₄每分鐘的速率由T₃升至T₄，在第六區(qū)間當(dāng)溫度達(dá)到T₄時(shí)，切換到PID自動(dòng)控制。

當(dāng)加熱爐溫度低于T₄時(shí)設(shè)置PID設(shè)定值跟蹤溫度反饋值，從而保證在溫度達(dá)到T₄投入PID自動(dòng)控制時(shí)實(shí)現(xiàn)手自動(dòng)的無(wú)擾動(dòng)切換，切換完成后更改溫度設(shè)定值為反應(yīng)所需的T_set，通過(guò)PID自動(dòng)調(diào)節(jié)作用使電加熱爐溫度始終維持穩(wěn)定。投入自動(dòng)后，給PID設(shè)置兩組不同參數(shù)，溫度實(shí)際值與設(shè)定值偏差的絕對(duì)值大于T_div、溫度實(shí)際值與設(shè)定值偏差的絕對(duì)值小于T_div兩種情況對(duì)應(yīng)不同PID參數(shù)，優(yōu)化PID溫控系統(tǒng)性能。同時(shí)對(duì)爐溫設(shè)置到達(dá)溫度上限斷電程序，防止發(fā)生生產(chǎn)事故。

在PLC實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，采用固態(tài)調(diào)壓器調(diào)節(jié)加熱爐給定電壓，本發(fā)明根據(jù)固態(tài)調(diào)壓器特性將PLC輸出值與實(shí)際電壓值進(jìn)行分段函數(shù)擬合，在V₀-V₁區(qū)間采用二次函數(shù)擬合，V₁-V₂區(qū)間滿足線性關(guān)系采用線性函數(shù)擬合。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的具體溫升方案流程圖。

圖2為本發(fā)明的固態(tài)調(diào)壓器低壓段電壓(0-60V)與PLC輸出擬合曲線圖。

圖3為本發(fā)明的固態(tài)調(diào)壓器高壓段電壓(60V-220V)與PLC輸出擬合曲線圖。

圖4為本發(fā)明的升溫區(qū)間與速率人機(jī)界面圖。

圖5為本發(fā)明的具體實(shí)施溫升曲線圖

具體實(shí)施方式

實(shí)施案例：流化床催化燃燒電加熱爐PLC多段溫控方法，在一種有機(jī)廢氣液凈化處理過(guò)程中的應(yīng)用。

整體實(shí)施方案如圖1所示，在該工藝過(guò)程中采用兩臺(tái)流化床和一臺(tái)固定床對(duì)廢氣液進(jìn)行凈化處理，其中流化床外部設(shè)置兩段單相220V，15KW電加熱爐，整個(gè)工藝過(guò)程要求流化床在常溫或任意點(diǎn)溫度快速啟動(dòng)，用時(shí)兩個(gè)小時(shí)升溫到催化燃燒的初始溫度350℃，并在接下來(lái)的兩小時(shí)內(nèi)將溫度穩(wěn)定到350℃，維持反應(yīng)溫度恒定直至反應(yīng)結(jié)束。

在升溫前對(duì)PLC輸出信號(hào)與固態(tài)調(diào)壓器輸出電壓進(jìn)行曲線擬合，得出擬合曲線，在0V-60V區(qū)間采用二次函數(shù)擬合，具體函數(shù)關(guān)系式為：y＝3E-07x²+0.000x-22.37(圖2)，60V-220V區(qū)間滿足線性關(guān)系采用線性函數(shù)擬合，具體函數(shù)關(guān)系式為y＝0.011x-104.3(圖3)，其中y為固態(tài)繼電器響應(yīng)給定電壓值，x為PLC輸出值。通過(guò)曲線擬合得出調(diào)壓器動(dòng)態(tài)特性。

加熱爐的升溫采用分區(qū)間的升方法。第一區(qū)間220V全壓?jiǎn)?dòng)，在20分鐘內(nèi)由常溫快速升至100℃，使加熱爐快速暖爐；第二區(qū)間以每分鐘7℃的升溫速率由100℃升至150℃，升溫7分鐘后切換到第三區(qū)間；第三區(qū)間以6℃每分鐘的速率升溫8分鐘，由150℃升至200℃；第四區(qū)間以5℃每分鐘的速率升溫10分鐘由200℃升至250℃，逐步減緩升溫速率；第五區(qū)間以2℃每分鐘的速率升溫25分鐘由250℃升至300℃，進(jìn)一步減緩升溫趨勢(shì)并使加熱爐前期的預(yù)熱釋放；在第六區(qū)間當(dāng)溫度達(dá)到300℃時(shí)，切換到PID自動(dòng)控制，設(shè)置合適的PID控制器參數(shù)，在50分鐘內(nèi)升至350℃。

將上述溫升方案編寫成PLC控制程序，將每個(gè)升溫區(qū)間和對(duì)應(yīng)的升溫速率設(shè)為默認(rèn)參數(shù)寫入PLC程序，保證每次重新升溫時(shí)都會(huì)默認(rèn)將上述參數(shù)初始化給控制程序。根據(jù)工藝要求，設(shè)定控制流程圖中的T₀為300℃，當(dāng)加熱爐溫達(dá)到300攝氏度，切換到PID自動(dòng)控制，此時(shí)會(huì)對(duì)溫度當(dāng)前值與設(shè)定值的偏差e_t進(jìn)行判斷，是否小于15℃，為防止溫度過(guò)高，設(shè)置爐溫最高值為400℃，當(dāng)爐溫達(dá)到400℃時(shí)，PLC控制調(diào)壓器的輸出為0V停止加熱。當(dāng)用戶需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改時(shí)，通過(guò)人機(jī)界面管理員登錄進(jìn)入?yún)?shù)界面修改(圖4)。

當(dāng)加熱爐溫度低于300℃時(shí)設(shè)置PID設(shè)定值跟蹤溫度反饋值，從而保證在溫度達(dá)到300℃投入PID自動(dòng)控制時(shí)實(shí)現(xiàn)手自動(dòng)的無(wú)擾動(dòng)切換，切換完成后更改溫度設(shè)定值為反應(yīng)所需的350℃，通過(guò)PID自動(dòng)調(diào)節(jié)作用使電加熱爐溫度始終維持穩(wěn)定。投入自動(dòng)后，給PID設(shè)置兩組不同參數(shù)，溫度實(shí)際值與設(shè)定值350偏差的絕對(duì)值大于15℃、溫度實(shí)際值與設(shè)定值偏差的絕對(duì)值小于15℃兩種情況對(duì)應(yīng)不同PID參數(shù)，優(yōu)化PID溫控系統(tǒng)性能。

將人機(jī)界面中的溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)出并作圖，根據(jù)溫控曲線圖可以很好的反映出本溫升方法快速升溫特點(diǎn)以及反應(yīng)過(guò)程維持溫度穩(wěn)定的有效性(圖5)。