一种流化床催化燃烧电加热炉PLC多段温控方法与流程

本发明属于化学工程流化床催化燃烧行业领域与工业自动化技术交叉领域，具体涉及一种流化床催化燃烧电加热炉PLC多段自动温升控制。

背景技术：

有机废气(挥发性有机化合物Volatile Organic Compound简称VOC)既是有毒物质，又易燃易爆，是污染大气环境，危害人体健康的罪魁祸首。催化燃烧某种意义上可以看作是代替热力燃烧的一种化学热反应，利用催化剂的深度催化氧化活性将有机组分在燃点以下的温度与氧气化合生成无毒的CO₂和H₂O，达到净化目的。因此，工艺上采用流化床和固定床将有机废气和废液通过催化燃烧进行净化处理。流化床内部温度快速上升并稳定在催化燃烧所需温度是反应成功的关键。

本发明在流化床浓相段与稀相段分别外置电加热炉进行升温控制。由于电加热炉具有大惯性、大滞后特性，温度很难实现快速无超调控制。本发明针对上述问题，给出一种可编程控制器(PLC)多段升温自动控制方法，实现流化床催化燃烧电加热炉的温度能够最短时间无超调达到反应所需，并能够在催化燃烧反应进行阶段保持反应器温度恒定。

技术实现要素：

本发明的目的是在流化床对VOC尾气进行催化燃烧处理的初始阶段，将流化床床层分为浓相段、稀相段和扩散段，并在流化床外部位置设有电加热装置，进行升温，使温度快速达到催化燃烧所需初始温度，同时在反应的整个过程中对流化床进行保温作用，维持流化床温度恒定，使反应能够平稳进行。

本发明提供以下技术方案实现过程：

本发明提供了一种流化床催化燃烧电加热炉PLC多段温控方法，其特征在于：针对催化燃烧反应的浓相段与稀相段，分别给出PLC多段自动温升控制方法。该方法将整个过程分为升温段温控和恒温段温控，升温段的控制采用不同速率共六段温升区间控制，实现任意起始温度点的快速升温，恒温段温控采用多参数整定的PID控制。本发明目的是使流化床催化燃烧电加热炉的温度能够最短时间无超调达到反应所需温度，并在流化床反应阶段保持反应器温度恒定。

由于加热炉具有大惯性大滞后的特点，采用单纯的PID作用会产生很大的超调量，导致温度难以回到设定值，从而造成反应效果下降，甚至发生炉体损坏的危险。升温段分为六个升温区间，每个子区间对应不同的升温速率，从而保证流化床外设电加热炉在任意起始温度处都能做到快速升温。第一区间全压启动，由常温快速升至区间最大值T₀；第二区间以每分钟ΔT₁的升温速率由T₀升至T₁；第三区间以ΔT₂每分钟的速率由T₁升至T₂，第四区间以ΔT₃每分钟的速率由T₂升至T₃；第五区间以ΔT₄每分钟的速率由T₃升至T₄，在第六区间当温度达到T₄时，切换到PID自动控制。

当加热炉温度低于T₄时设置PID设定值跟踪温度反馈值，从而保证在温度达到T₄投入PID自动控制时实现手自动的无扰动切换，切换完成后更改温度设定值为反应所需的T_set，通过PID自动调节作用使电加热炉温度始终维持稳定。投入自动后，给PID设置两组不同参数，温度实际值与设定值偏差的绝对值大于T_div、温度实际值与设定值偏差的绝对值小于T_div两种情况对应不同PID参数，优化PID温控系统性能。同时对炉温设置到达温度上限断电程序，防止发生生产事故。

在PLC实现过程中，采用固态调压器调节加热炉给定电压，本发明根据固态调压器特性将PLC输出值与实际电压值进行分段函数拟合，在V₀-V₁区间采用二次函数拟合，V₁-V₂区间满足线性关系采用线性函数拟合。

附图说明

图1为本发明的具体温升方案流程图。

图2为本发明的固态调压器低压段电压(0-60V)与PLC输出拟合曲线图。

图3为本发明的固态调压器高压段电压(60V-220V)与PLC输出拟合曲线图。

图4为本发明的升温区间与速率人机界面图。

图5为本发明的具体实施温升曲线图

具体实施方式

实施案例：流化床催化燃烧电加热炉PLC多段温控方法，在一种有机废气液净化处理过程中的应用。

整体实施方案如图1所示，在该工艺过程中采用两台流化床和一台固定床对废气液进行净化处理，其中流化床外部设置两段单相220V，15KW电加热炉，整个工艺过程要求流化床在常温或任意点温度快速启动，用时两个小时升温到催化燃烧的初始温度350℃，并在接下来的两小时内将温度稳定到350℃，维持反应温度恒定直至反应结束。

在升温前对PLC输出信号与固态调压器输出电压进行曲线拟合，得出拟合曲线，在0V-60V区间采用二次函数拟合，具体函数关系式为：y＝3E-07x²+0.000x-22.37(图2)，60V-220V区间满足线性关系采用线性函数拟合，具体函数关系式为y＝0.011x-104.3(图3)，其中y为固态继电器响应给定电压值，x为PLC输出值。通过曲线拟合得出调压器动态特性。

加热炉的升温采用分区间的升方法。第一区间220V全压启动，在20分钟内由常温快速升至100℃，使加热炉快速暖炉；第二区间以每分钟7℃的升温速率由100℃升至150℃，升温7分钟后切换到第三区间；第三区间以6℃每分钟的速率升温8分钟，由150℃升至200℃；第四区间以5℃每分钟的速率升温10分钟由200℃升至250℃，逐步减缓升温速率；第五区间以2℃每分钟的速率升温25分钟由250℃升至300℃，进一步减缓升温趋势并使加热炉前期的预热释放；在第六区间当温度达到300℃时，切换到PID自动控制，设置合适的PID控制器参数，在50分钟内升至350℃。

将上述温升方案编写成PLC控制程序，将每个升温区间和对应的升温速率设为默认参数写入PLC程序，保证每次重新升温时都会默认将上述参数初始化给控制程序。根据工艺要求，设定控制流程图中的T₀为300℃，当加热炉温达到300摄氏度，切换到PID自动控制，此时会对温度当前值与设定值的偏差e_t进行判断，是否小于15℃，为防止温度过高，设置炉温最高值为400℃，当炉温达到400℃时，PLC控制调压器的输出为0V停止加热。当用户需要对参数进行修改时，通过人机界面管理员登录进入参数界面修改(图4)。

当加热炉温度低于300℃时设置PID设定值跟踪温度反馈值，从而保证在温度达到300℃投入PID自动控制时实现手自动的无扰动切换，切换完成后更改温度设定值为反应所需的350℃，通过PID自动调节作用使电加热炉温度始终维持稳定。投入自动后，给PID设置两组不同参数，温度实际值与设定值350偏差的绝对值大于15℃、温度实际值与设定值偏差的绝对值小于15℃两种情况对应不同PID参数，优化PID温控系统性能。

将人机界面中的温度数据导出并作图，根据温控曲线图可以很好的反映出本温升方法快速升温特点以及反应过程维持温度稳定的有效性(图5)。