基于S7-300的單交叉限幅比值控制在蓄熱式氧化爐中的研究與實現(xiàn)

閆金銀 寧彥初 王 琨 王 亮

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所）

煉化生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生較多的有機廢氣，按照國家環(huán)保排放要求，有機廢氣不能直接排入大氣。 蓄熱式氧化爐（Regenerative Thermal Oxidation，RTO） 是一項十分成熟的廢氣處理設(shè)備，通過將有機廢氣在蓄熱體中預(yù)熱并補燃少量燃料氣， 使廢氣在760～870 ℃產(chǎn)生燃燒熱解形成無毒的CO2和H2O，達到廢氣清潔排放目標。

RTO以其運行經(jīng)濟、去除效率高等優(yōu)勢在有機廢氣處理領(lǐng)域有著其他環(huán)保設(shè)備無法企及的效果。 RTO在實際運行過程中由于生產(chǎn)工藝廢氣VOCs濃度高且波動大，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)濟損失達數(shù)百萬元；2019年6月，安徽某化工企業(yè)RTO系統(tǒng)短時間兩次發(fā)生爆炸，系統(tǒng)損毀嚴重；2020年8月，浙江某化工企業(yè)RTO裝置廢氣管道爆裂，導致生產(chǎn)中斷。 另外，當RTO在廢氣較大波動的工況長期控制在870 ℃的溫度下將造成燃料氣浪費，為了在安全的前提下節(jié)約燃料氣用量，需根據(jù)廢氣VOCs濃度的變化自動調(diào)節(jié)爐膛溫度設(shè)定值，當濃度低于環(huán)保排放要求時降低爐膛溫度使爐膛溫度處于備用狀態(tài)，當濃度超過環(huán)保排放要求時快速提高爐膛溫度至最佳燃燒值，以減少燃氣用量。 但在爐膛溫度設(shè)定值切換時，常規(guī)單回路或串級控制系統(tǒng)會產(chǎn)生較大干擾，調(diào)節(jié)不及時會出現(xiàn)冒黑煙現(xiàn)象。 同時，由于流量測量在閥門急轉(zhuǎn)動作時會造成測量波動大，嚴重時會使溫度控制崩潰產(chǎn)生超調(diào)風險，影響爐子運行安全。

筆者采用單交叉限幅比值控制方法對蓄熱爐RTO的爐溫進行控制， 在沒有廢氣或低濃度時， 使RTO的爐溫處于備用狀態(tài)， 溫度控制在800～820 ℃， 在廢氣濃度較高時使爐膛溫度快速提高到870 ℃。在負荷提高時高選、負荷降低時低選，保證燃氣與空氣在安全的前提下達到最優(yōu)燃燒效果并能夠應(yīng)對物料變化的擾動。 通過S7-300采用單交叉限幅比值控制方法進行實際應(yīng)用。

1 系統(tǒng)模型與原理

單交叉限幅控制是在串級比值控制的基礎(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)， 實現(xiàn)在高、低負荷變化時自動調(diào)節(jié)燃料氣調(diào)節(jié)閥與空氣調(diào)節(jié)閥開度，實現(xiàn)燃燒優(yōu)化與安全。 其控制模型如圖1所示。

圖1 串級單交叉限幅比值控制模型

RTO爐膛溫度負荷變化時， 根據(jù)ΔSP的大小實現(xiàn)高、低選回路的選擇，即有：

其中，SPT為爐膛當前爐膛溫度設(shè)定值；PVT為當前爐膛溫度測量值。

當時ΔSP＞0，爐膛溫度進入提負荷工況，溫度PID回路先進入空氣流量的串級回路，此時，空氣流量設(shè)定值SPA的計算式為：

其中，SPT′為負荷變動前爐膛溫度設(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回路將接收負荷提高帶來的空氣量提高值與當前燃料氣流量乘以空燃比，計算出消耗空氣量中的較大值作為其新的設(shè)定值。

反之，當ΔSP<0時，爐膛溫度進入降負荷工況時，燃料氣流量設(shè)定值SPF的計算式為：

其中，β為溫度與消耗燃氣的比例系數(shù)；PVA為空氣流量測量值。

燃氣流量PID回路將接收負荷降低帶來的燃氣量減少值與當前空氣流量除以空燃比，計算出配比的燃氣量中的較小值作為其新的設(shè)定值。 由于空氣流量與燃氣流量測量一直處于變化過程中， 而爐膛溫度作為主控變量控制負荷變化，所以此交叉控制回路一直處于動態(tài)高、低選狀態(tài)。

2 系統(tǒng)設(shè)計與優(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行拆解分析，大致分為儀表測量、PID控制設(shè)計、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標準，S型熱電偶在高溫870 ℃時的絕對允差溫度為±1 ℃，這樣的PID死區(qū)設(shè)定值在1 ℃及以上；燃氣流量測量采用渦街流量計，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， 測量精度為±1%及以上，PID死區(qū)設(shè)定值在1%及以上；考慮到燃氣與空氣調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)動作存在精度問題，實際燃氣與空氣PID回路死區(qū)需考慮裕量。

2.2 PID控制設(shè)計

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)置為實際測量的平均溫度滯后時間采用PI控制，本系統(tǒng)采用后者；流量測量一般影響時間較快，滯后時間較短，對于控制閥一般選用等百分比特性的流量特性，所以燃氣與空氣的流量調(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)時間；TD為PID算法微分響應(yīng)時間；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)進行PID運算，用測量值直接運算可方便PID算法在誤差出現(xiàn)時快速進行響應(yīng)。根據(jù)控制對象的不同，初步設(shè)計溫度回路的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)輸出動作的影響。

實際應(yīng)用時， 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，燃氣流量與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氣量突然過大發(fā)生爆燃的可能性。

3 系統(tǒng)設(shè)計與測試

3.1 硬件設(shè)計思路和編程方法

本項目選用的S7-300系列315F-2DP，是一款應(yīng)用于故障安全情況下的CPU， 其位操作時間為0.05，其浮點數(shù)運算能力為0.45 μs，可勝任單交叉限幅控制回路計算。 考慮RTO在切換過程中的操作風險，選用故障安全型CPU能夠有效應(yīng)對PID計算與頻繁切換過程帶來的錯誤風險，并能夠在異常情況實現(xiàn)安全停車。

單交叉限幅控制是一種相對較復雜的控制方法， 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算過程，對于初期編程與后期維護有較高要求。 連續(xù)功能圖表（Continuous Function Chart，CFC） 作為專門針對復雜控制回路設(shè)計的編程語言，對于實現(xiàn)單交叉限幅控制非常適合，CFC通過繪制功能圖表來自動生成程序，可以方便地修改與維護。

3.2 軟件實現(xiàn)流程

根據(jù)上述分析過程，按照圖3流程進行編寫，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目中實際應(yīng)用， 經(jīng)過一段時間運行，目前溫度控制穩(wěn)定（圖5），負荷升、降時能夠?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，實現(xiàn)穩(wěn)定安全運行，達到了預(yù)期效果。

圖5 某項目單交叉限幅比值控制運行截圖

5 結(jié)束語

單交叉限幅控制的優(yōu)點是在負荷變化時能夠有效克服其帶來的較大幅度干擾， 在升負荷（升溫）時，空氣先行，燃料跟隨；降負荷（降溫）時，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)時能保持空燃比合理，而且動態(tài)時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作用。 交叉限幅控制實現(xiàn)了RTO爐燃燒過程的經(jīng)濟性和安全性要求，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。