閆金銀 寧彥初 王 琨 王 亮

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所）

煉化生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生較多的有機(jī)廢氣，按照國家環(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)勢在有機(jī)廢氣處理領(lǐng)域有著其他環(huán)保設(shè)備無法企及的效果。 RTO在實(shí)際運(yùn)行過程中由于生產(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)，由于流量測量在閥門急轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)會(huì)造成測量波動(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蓄熱爐RTO的爐溫進(jìn)行控制， 在沒有廢氣或低濃度時(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)對物料變化的擾動(dòng)。 通過S7-300采用單交叉限幅比值控制方法進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

1 系統(tǒng)模型與原理

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)主要涉及通過燃燒過程中溫度、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為空氣流量測量值。

燃?xì)饬髁縋ID回路將接收負(fù)荷降低帶來的燃?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量一直處于變化過程中， 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)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

在系統(tǒng)模型搭建過程中，需將本模型中的測量與控制進(jìn)行拆解分析，大致分為儀表測量、PID控制設(shè)計(jì)、參數(shù)整定與優(yōu)化。

2.1 儀表

爐膛溫度控制涉及溫度測量、流量測量及執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型等。 對于溫度測量，需在爐膛上安裝熱電偶測溫元件，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量采用渦街流量計(jì)，其測量精度±1%，PID死區(qū)設(shè)定值在1%及以上；空氣流量測量采用阿牛巴流量計(jì)， 測量精度為±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)作存在精度問題，實(shí)際燃?xì)馀c空氣PID回路死區(qū)需考慮裕量。

2.2 PID控制設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要涉及溫度與流量兩種對象的測量，溫度測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；流量測量一般影響時(shí)間較快，滯后時(shí)間較短，對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)定值與測量值的誤差。

可將測量值與設(shè)定值直接寫入算法內(nèi)進(jìn)行PID運(yùn)算，用測量值直接運(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^大發(fā)生爆燃的可能性。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測試

3.1 硬件設(shè)計(jì)思路和編程方法

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在切換過程中的操作風(fēng)險(xiǎn)，選用故障安全型CPU能夠有效應(yīng)對PID計(jì)算與頻繁切換過程帶來的錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)，并能夠在異常情況實(shí)現(xiàn)安全停車。

單交叉限幅控制是一種相對較復(fù)雜的控制方法， 對于編程要求較高， 常規(guī)PLC使用的梯形圖、語句表等需考慮較大切換與計(jì)算過程，對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） 作為專門針對復(fù)雜控制回路設(shè)計(jì)的編程語言，對于實(shí)現(xiàn)單交叉限幅控制非常適合，CFC通過繪制功能圖表來自動(dòng)生成程序，可以方便地修改與維護(hù)。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)流程

根據(jù)上述分析過程，按照圖3流程進(jìn)行編寫，并在Step7編程環(huán)境中編寫CFC程序仿真測試（圖4）。

圖3 單交叉限幅比值控制軟件編寫測試流程

圖4 單交叉限幅比值控制CFC程序

4 工程應(yīng)用

根據(jù)前期軟件編寫與仿真測試，將本方法在某工程項(xiàng)目中實(shí)際應(yīng)用， 經(jīng)過一段時(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

5 結(jié)束語

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，對節(jié)約能源、減少污染和改善環(huán)境起到了積極的作用。