超臨界水處理系統中電加熱器出口溫度的控制方法

2023-06-02 14:21:56 1

專利名稱：超臨界水處理系統中電加熱器出口溫度的控制方法
技術領域：
本發明涉及利用超臨界水實現有機廢水/城市汙泥的無害化處理和資源化技術， 特別涉及一種超臨界水處理系統中電加熱器出口溫度的控制方法。
背景技術：
超臨界水(Supercritical Water，簡稱SCW)是指溫度和壓力均高於其臨界點(T =374. 15P = 22. 12MPa)的特殊狀態的水。超臨界水兼具液態和氣態水的性質，該狀態下只有少量的氫鍵存在，介電常數近似於有機溶劑，具有高的擴散係數和低的粘度。有機物、氧氣與SCW互溶，從而使非均相反應變為均相反應，大大減小了傳質、傳熱阻力，且無機物特別是鹽類在SCW中的溶解度極低，容易將其分離出來。有機物超臨界水處理技術是利用SCW對有機物和氧化劑都是良好溶劑的特殊性質，在提供不同數量氧化劑的前提下有機物在SCW中進行均相反應，迅速、徹底地將有機物結構深度破壞，轉化成無害的H2 (不添加氧化劑或添加少量氧化劑條件下)、(X)2和H2O等無害化的小分子化合物。超臨界水處理技術包括超臨界水氧化技術(簡稱SCW0)、超臨界水部分氧化技術(簡稱SWP0)和超臨界水氣化技術(簡稱SCWG)。SCWO是利用水在超臨界狀態下所具有的特殊性質，使有機物和氧化劑在SCW中迅速發生氧化反應來徹底分解有機物，是以有機物無害化處理為終極目標。 SffPO是利用SCW的獨特物理化學性質，在提供部分氧化劑的前提下，使有機物分解生成一種以氫氣為主的可燃性氣體。SCWG是利用SCW獨特的物理化學性質，在不加氧化劑的條件下，有機物在超臨界水中發生水解、熱解等反應，生成一種以氫氣為主的可燃性氣體。SWPO 和SCWG均是以有機物轉化產生氫氣為終極目標。在有機物超臨界水處理技術(具體超臨界水處理系統、操作方法、控制方法可參考申請人在先的中國專利申請文獻，申請號分別為200910022342. 2,200910022849.8, 200910024282. 8)中，物料需要在輸運管路中被預熱到一定溫度後(通常利用反應後的熱流體進行充分預熱)，再進入超臨界水處理反應器參與反應。因SWPO和SCWG總體上是吸熱過程，所以維持整個反應過程需要額外補充熱量。儘管SCWO總體上是放熱過程，但當進料中有機物濃度低於時，維持正常的反應過程仍需額外補充熱量。此外，在超臨界水處理系統啟動時，也需要向系統輸入額外的熱量以實現系統的正常啟動。一般熱量補充方式主要是向反應器中添加燃料，使用燃氣爐加熱進料或使用電加熱器加熱進料。因電加熱器結構簡單、功能高效，這種熱量補充方式在小型超臨界水處理系統應用較為廣泛。針對大中型超臨界水處理系統，需要根據工況及時調節和穩定反應器溫度，以便滿足反應條件和保證反應器安全性能。這特別需要實現電加熱器出口溫度的快速、穩定、準確控制，才能有效保證整個系統的熱量穩定和平衡。因此，電加熱器的出口溫度是系統中非常重要的變量，但是由於電加熱器自身的熱慣性和熱穩定性，尤其隨著工況的改變，電加熱器流體流量或者進口溫度發生了變化，會造成電加熱器功率負荷變化大，使準確控制電加熱器出口溫度難以實現。傳統電加熱器出口溫度的控制一般採用單迴路PID (比例-積分-微分)控制器，
3被控制的出口溫度作為控制器的反饋值，控制輸出信號送給執行機構即電加熱器的功率給定裝置。但是由於電加熱器的蓄熱特性(緩慢積蓄和釋放熱量)，會造成電加熱器出口溫度控制產生很大的滯後延遲。因此，此種控制方法會使電加熱器出口溫度的波動範圍較大，一般在設定值的上下40 50°C範圍波動，超調量過大，達到穩定調節時間很長。因此，大中型超臨界水處理系統中電加熱器出口溫度的控制必須要對滯後的環節加以補償處理，同時需要滿足電加熱器功率負荷變化大的特性。目前，高效控制大中型超臨界水處理系統中電加熱器出口溫度的方法還未見有報導。

發明內容
本發明的目的在於提供一種超臨界水處理系統中電加熱器出口溫度的控制方法。為達到以上目的，本發明是採取如下技術方案予以實現的超臨界水處理系統中電加熱器出口溫度的控制方法，其特徵在於，包括如下步驟4)採用串級控制方式，電加熱器出口溫度作為主控制器的反饋值，且引入副控制器來直接控制電加熱器爐膛的溫度，爐膛溫度作為副控制器的反饋值，主控制器的輸出值作為副控制器的設定值，通過副控制器來控制電加熱器功率輸出，爐膛溫度作為一個內環的控制變量來補償調節的滯後性；5)將流體流量作為一個前饋引入到串級控制中，當流體流量發生變化時，流體流量信號直接作用於電加熱器功率輸出上，而不是經過主、副兩級控制器的調節後再作用於電加熱器功率輸出上，從而儘快去除流體流量的變化對電加熱器出口溫度的控制所產生的擾動；6)將電加熱器出口溫度設定值與進口溫度進行差值比較，根據計算得到不同流體流量、同一出口溫度設定值條件下，以及同一流體流量、不同出口溫度設定值條件下的所需的電加熱器功率輸出，擬合出下列四種不同適用條件的功率輸出計算公式對整個控制輸出進行限幅Y =108-0. 208X(1)
Y =154. 36-0. 104X⑵
Y =98.42-0. 191X⑶
Y =66.38-0. 160X⑷式中X是指電加熱器進口溫度，Y是指所需要的電加熱器功率輸出。上述方法中，所述式(1)適用的條件為流體流量100kg/h，出口溫度設定值 460°C，進口溫度變化範圍20 460°C;式( 適用的條件為流體流量50kg/h，出口溫度設定值460°C，進口溫度變化範圍20 460°C;式(3)適用的條件為流體流量100kg/h，出口溫度設定值420°C，進口溫度變化範圍20 420°C;式(4)適用的條件為流體流量IOOkg/ h,出口溫度設定值380°C，進口溫度變化範圍20 380°C。本發明通過上述控制方法改善了整個控制的動態品質，增強了控制的抗幹擾能力、快速性、適應性和控制質量，最終使大中型超臨界水處理系統中電加熱器在運行過程中能夠快速、準確地實現出口溫度的控制，如可以將大中型超臨界水處理系統中電加熱器的出口溫度快速控制在設定值士 5°C以內。本發明控制方法同樣適用於超臨界水處理系統中其它位置電加熱器出口溫度的控制。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步詳細說明。圖1為超臨界水處理系統的簡化流程圖。圖2為圖1中電加熱器的結構示意圖。圖中1，鎧裝熱電偶；2，流體進口 ；3，熱電偶；4，熱電偶；5，流體出口 ；6，電加熱元件；7，保溫材料；8，換熱盤管；9，殼體；10，底座；11，頂蓋。圖3為本發明超臨界水處理系統中電加熱器出口溫度控制方法的原理示意圖。圖4為圖3方法的具體控制示意圖。圖中的符號含義如表1所示表1圖4中各符號的含義
權利要求
1. 一種超臨界水處理系統中電加熱器出口溫度的控制方法，其特徵在於，包括如下步驟1)採用串級控制方式，電加熱器出口溫度作為主控制器的反饋值，且引入副控制器來直接控制電加熱器爐膛的溫度，爐膛溫度作為副控制器的反饋值，主控制器的輸出值作為副控制器的設定值，通過副控制器來控制電加熱器功率輸出，爐膛溫度作為一個內環的控制變量來補償調節的滯後性；2)將流體流量作為一個前饋引入到串級控制中，當流體流量發生變化時，流體流量信號直接作用於電加熱器功率輸出上，而不是經過主、副兩級控制器的調節後再作用於電加熱器功率輸出上，從而儘快去除流體流量的變化對電加熱器出口溫度的控制所產生的擾動；3)將電加熱器出口溫度設定值與進口溫度進行差值比較，根據計算得到不同流體流量、同一出口溫度設定值條件下，以及同一流體流量、不同出口溫度設定值條件下的所需的電加熱器功率輸出，擬合出下列四種不同適用條件的功率輸出計算公式對整個控制輸出進行限幅Y =108-0. 208X(1)Y =154. 36-0. 104X⑵Y =98.42-0. 191X⑶Y =66.38-0. 160X⑷式中X是指電加熱器進口溫度，Y是指所需要的電加熱器功率輸出。
2.如權利要求1所述的超臨界水處理系統中電加熱器出口溫度的控制方法，其特徵在於，所述式(1)適用的條件為流體流量100kg/h，出口溫度設定值460°C，進口溫度變化範圍 20 460°C ；式(2)適用的條件為流體流量50kg/h，出口溫度設定值460°C，進口溫度變化範圍 20 460 ；式(3)適用的條件為流體流量100kg/h，出口溫度設定值420°C，進口溫度變化範圍 20 420 ；式(4)適用的條件為流體流量100kg/h，出口溫度設定值380°C，進口溫度變化範圍 20 380O。
全文摘要
本發明涉及超臨界水處理系統中電加熱器出口溫度的控制方法，其特徵在於，採用串級調節方式，引入爐膛溫度控制器作為副控制器來控制電加熱器功率輸出；通過引入內環的控制變量，並利用它構成負反饋迴路；把流體流量作為一個前饋引入控制中，直接作用於電加熱器功率輸出上；將加熱器進口溫度與出口溫度設定值進行差值比較，根據所需的功率擬合計算公式對整個控制輸出進行限幅。本發明可有效克服電加熱器的自身熱慣性、進口溫度變化、流體流量變化對電加熱器出口溫度控制的擾動，可以實現電加熱器出口溫度的快速、準確控制。
文檔編號G05D23/30GK102176178SQ201110006069
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月12日 優先權日2011年1月12日
發明者公彥猛, 宋學博, 張潔, 徐東海, 王樹眾, 王玉珍, 葛忠全 申請人:西安交通大學, 陝西森和環保科技有限公司