三槽式廢氣蓄熱焚燒爐自動控制設計

王玉華

（上海交通大學，上海 200240）

三槽式廢氣蓄熱焚燒爐自動控制設計

王玉華

（上海交通大學，上海 200240）

三槽式蓄熱焚燒爐是處理有機廢氣的環保設備，由于其造價成本合理，廢氣處理效率高，在行業內被逐步推廣應用。本文從熱交換效率，廢氣處理效率及安全三方面考慮，介紹了三槽式廢氣焚燒爐自動控制系統的設計。

廢氣焚燒 控制系統 安全聯鎖

前言

三槽式蓄熱焚燒爐較其他類型的廢氣熱力凈化裝置而言，由于其造價成本合理，在熱回收效率與廢氣處理效率等性能指標方面又有較好的表現，因此，其被廣泛應用于有機廢氣處理行業。但是，三槽式蓄熱焚燒爐由于本身結構復雜，閥門較多，再加上來源廢氣條件隨生產工藝不斷變化，難以預估，若信號采集與控制系統設計不好，一方面會造成不必要的設備停運，或保護系統起不到應有作用；另一方面，三槽式RTO也將失去其在工藝上高效節能的設計優點。為了使該環保設備的節能減排達到預期效果，且兼顧設備運行的安全性，設計一套適應性強，具有較好的魯棒性的控制系統尤為重要。

1 工藝過程描述

M1風閥是機械上互鎖的兩個開關閥，即一個風閥開，另一個風閥關。三槽式RTO在設備啟動時，外氣風門打開，廢氣風門關閉，通過風機FN-102引入新鮮空氣對爐體進行吹掃，并進行預熱升溫，三槽RTO的九個風閥的動作簡單描述如表1所示。

表1 三槽 RTO 九個風閥的動作描述

三槽式RTO一個工作周期需要經過6個階段，每兩個工作階段間進行切換時，至少有2個閥門在同時動作，實現氣流換向。雖然從閥門動作時序表上看，換向動作復雜，但每次氣流換向的目的只有2個：（1）使RTO進氣或處理完畢的氣體與蓄熱材進行熱交換，利用尾氣的余熱對來源的廢氣進行預熱，達到降低能耗的目的；（2）對殘余在蓄熱陶瓷上的廢氣進行熱吹除，避免交叉污染，提高廢氣處理效率。

燃料供給系統由三部分組成，由上往下分別是天然氣主火管道、母火管道、助燃空氣管道。燃氣供給管道上配置有流量計、高低壓開關、高低壓關斷閥、流量調節閥、壓力表等控制元器件。由于天燃氣是可燃氣體，因此，燃燒控制系統的設計重點要考慮運行的安全性及發生故障后的聯鎖保護措施。燃燒控制系統主要的安全監控儀表有火焰偵測器、溫度傳感器及壓力檢測開關。

2 自動控制系統的結構

圖1 系統控制架構

根據該設備常年不停機運行的苛刻要求，控制系統選用西門子S7-400系列的412-5H高性能的冗余CPU作為主控器，IO模塊選用高度靈活可擴展的分布式ET 200SP，通過工業以太網PROFINET總線，將過程信號傳送至中央控制器（CPU）。CPU通過計算分析，發出指令，同樣通過PROFINET下達至遠程輸出模塊，執行相關操作。為方便設備現場檢修及監視，設備附近設置有西門子12吋人機界面觸摸屏。同時，為了數據的歸檔與分析，整控制系統的上位機軟件采用intouch2014 R2進行編程組態，設計有歷史趨勢圖、實時警報、歷史警報及查詢等頁面，并能生成數據報表，提高了設備故障的追溯與排查。整個系統的控制架構如圖所示。

3 控制方案說明

在控制系統的設計上，我們要考慮設備檢修調試與正常啟動運行兩方面的操作需求，將控制系統設計成手動控制與自動控制兩種模式。手動控制時，可單獨操作任一設備，比如，風門的開啟與關閉，風機的啟動停止。在自動模式下，操作人員只要按下啟動按鈕，接下來的啟動流程由控制程序自動執行，包括對外部的儀表自檢、風機啟動、對爐膛吹掃、燃料系統點火、爐膛升溫及溫度控制、廢氣自動切入焚燒、閥門換向等，啟動過程中無需人員參與操作，全部自動化完成。正常停機時，先將廢氣切出，導入新鮮空氣，燃燒機持續運行一個閥門換向周期的時間，對爐膛進行熱凈化，熱凈化完畢后停止燃燒機，等待爐膛降溫，直至爐膛溫度降至安全溫度下，再停止RTO FAN2風機與助燃風機。

3.1 爐溫控制

焚燒爐的溫度控制分為兩部分：第一部分，爐膛烘爐時的溫度控制。當設備初次投入運行時，或冷爐啟爐時，根據選用蓄熱材及隔熱保溫棉的特性，爐膛的升溫一般分為三階段，升溫曲線圖如圖2所示。爐溫低于300°時，按每15s升1°的升溫速率進行加熱；當溫度達到300°時，維持1個小時，對蓄熱材及隔熱保溫棉進行烘干；持溫結束后，以每10s升1°的升溫速率繼續升溫，直至升溫至780°有機廢氣可以裂解的溫度。

圖2 爐膛的溫升曲線圖

第二部分，廢氣導入后的溫度控制。為達到廢氣裂解溫度，以往工業現場用的最多的是PID調節法，但實際應用中由于廢氣來源溫度及濃度變化幅度大，控制系統往往存在嚴重的滯后性或控制作用過大等缺點，逐漸被淘汰。在該案中，我們結合大慣性和純滯后的特點，采用Smith預估補償控制，較好實現了溫度的調節，降低了燃料的消耗的同時，達到凈化廢氣的目的。

表2 故障列表

3.2 換向控制（熱吹掃換向，進氣排氣換向）

由上述的換向目的可以看出，廢氣的換向分為兩種類型，即熱吹掃換向與熱交換換向。

由第一階段轉變成第二階段的換向條件是：吹掃管道上的濃度分析儀表AT-02讀值是否達到換向的設定值，若達到，則吹掃塔改變為排氣，換向結束。

由第二階段轉變成第三階段的換向條件是：由煙氣出口的溫度或蓄熱材的溫度作為換向條件，若煙氣的出口溫度或蓄熱材中的溫度大于設定值時，氣體進行換向。其他槽位的換向動作亦同，其他階段的換向類似。

3.3 燃燒控制

爐膛的焚燒點火控制采用Honeywell燃燒控制器，燃料供給管道上的用于安全聯鎖的閥門開關等信號串入燃燒控制器，作為燃燒的必要的條件，任一燃燒條件不成立時，燃燒系統將不執行點火流程或直接中斷燃燒。

當燃燒控制器得到啟動命令后，燃燒控制器輸出風機啟動命令，對爐膛進行一次吹掃，吹掃時間按爐膛3倍的置換風量計算。吹掃結束后，點火變壓器受電10s，電極開始打火，同時，母火電磁閥開啟15s，稱該過程為點母火過程。待點火變壓器動作完畢后，燃燒控制器輸出開啟主燃料電磁閥命令，并檢查火焰信號是否建立起來，若主燃料電磁閥開啟15s后仍未檢測到火焰信號，則燃燒器停止工作，切斷瓦斯。燃燒控制器工作時序圖如圖3所示。

圖3 燃燒控制器工作時序圖

3.4 異常情況停機流程

由于有機廢氣絕大部分是易燃易爆、有毒有害的化合物，廢氣處理過程存在明火，運行中任意異常情況的發生，將有可能引起安全問題。為了保證人員及設備的安全，三槽式RTO一旦出現警報或故障，（如表2）控制系統將執行異常停機程序。異常停機流程如圖4所示。