焚燒爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫浩文

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 西安 710302)

在人們環(huán)保意識逐漸增強(qiáng)的背景下,化工生產(chǎn)垃圾處理成為重要的問題。我國大多數(shù)城市都面臨著環(huán)境污染問題,這些污染問題對人類的身體健康產(chǎn)生極大的影響。焚燒爐作為垃圾處理的重要設(shè)備之一,其可以進(jìn)行廢氣、廢物處理,在減少對環(huán)境造成污染的同時(shí),回收利用焚燒余熱再次投入生產(chǎn),不僅具有環(huán)境效益還具有重要的經(jīng)濟(jì)效益。但由于我國焚燒處理技術(shù)的起步較晚,在工業(yè)化逐步實(shí)現(xiàn)的同時(shí),焚燒自動化系統(tǒng)控制有所改進(jìn)仍不夠完善,存在明顯的效率低、穩(wěn)定性差的問題。因此針對焚燒技術(shù),提出一套切實(shí)可行的焚燒爐爐溫控制系統(tǒng)極為重要。通過系統(tǒng)的開發(fā)能夠提升焚燒效率,解決污染問題的同時(shí)推動工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 焚燒爐概述

1.1 焚燒爐結(jié)構(gòu)

焚燒爐是通過燃燒來處理廢料的設(shè)備,可用于處理危險(xiǎn)廢物、醫(yī)療廢物或城市固體廢物以及廢氣。焚燒爐的基本結(jié)構(gòu)包括燃燒室、送風(fēng)系統(tǒng)、垃圾進(jìn)料系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)[1],如圖1所示。

圖1 焚燒爐工作流程

焚燒爐在高溫環(huán)境下控制廢棄物的燃燒。廢物通過進(jìn)料系統(tǒng)被引入燃燒室,并在800～1 200 ℃燃燒。在燃燒的過程中保持燃料與氧氣之間的平衡關(guān)系,由供氣系統(tǒng)為燃燒室提供氧氣量,確保廢物完全燃燒并最大限度地減少污染物排放[2]。廢物燃燒時(shí)會產(chǎn)生大量的熱量,這些熱量可以回收并用于能源生產(chǎn)或其他目的。排氣系統(tǒng)主要為煙囪,用于排出燃燒副產(chǎn)物,例如氣體和顆粒物。現(xiàn)代焚化爐多配備有先進(jìn)的排放控制系統(tǒng)如包括洗滌器、過濾器和靜電除塵器等,用于減少二英、呋喃和重金屬等污染物的排放[3-4]。

1.2 焚燒爐溫度控制存在的問題

1)溫度測量精度

焚化爐溫度控制的一個(gè)潛在問題是測量精度。一方面,如果用于測量焚化爐溫度的溫度傳感器不準(zhǔn)確,則很難有效地控制溫度,進(jìn)而會導(dǎo)致焚燒爐出現(xiàn)過熱或欠熱的現(xiàn)象,影響焚燒爐的燃燒效率[5]。另一方面,溫度傳感器在焚化爐中的放置位置也會影響溫度控制。如果傳感器放置在不能準(zhǔn)確反映焚化爐整體溫度的位置,則很難有效監(jiān)控焚燒爐內(nèi)整體的溫度情況,導(dǎo)致出現(xiàn)錯(cuò)誤判斷[6]。

2)溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

焚燒爐溫度控制系統(tǒng)具有嚴(yán)格的運(yùn)行程序以及運(yùn)行條件,如果溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒有考慮到焚燒爐的燃燒情況以及燃燒問題,極易出現(xiàn)溫度變化響應(yīng)過慢的問題,造成焚燒爐出現(xiàn)明顯的溫度波動,從而對焚燒過程產(chǎn)生負(fù)面影響[7]。

3)焚燒過程可變性

焚燒過程涉及多因素,因此更具可變性。例如被焚化的廢物類型會影響焚化爐的溫度控制。不同類型的廢物具有不同的熱值,可能需要不同數(shù)量的空氣和燃料來維持所需的溫度范圍。垃圾的水分含量也會影響焚燒爐的溫度控制。濕垃圾可能需要更多的能量來焚燒,如果在溫度控制系統(tǒng)中沒有適當(dāng)考慮,可能會導(dǎo)致溫度降低。除此之外還包括助燃?xì)饬饕约叭剂狭髁康萚8]。

4)人為操作失誤及維修

如果操作員沒有經(jīng)過適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)或不遵守既定程序會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)操作問題,同時(shí)設(shè)備是否進(jìn)行定期檢查和維修通用影響著溫控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。一般情況下,溫度傳感器或控制系統(tǒng)故障會導(dǎo)致溫度測量不準(zhǔn)確以及對空氣和燃料流量的調(diào)整不正確[9]。設(shè)備維護(hù),包括清潔和修理燃燒室和空氣污染控制系統(tǒng),也會影響焚燒爐的溫度控制。積灰或碎屑會影響氣流和溫度,而損壞的設(shè)備會導(dǎo)致溫度測量不準(zhǔn)確或?qū)諝夂腿剂狭髁康恼{(diào)整不當(dāng)。

2 焚燒爐爐溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

(1)穩(wěn)定可靠性原則:控制系統(tǒng)應(yīng)保持穩(wěn)定的工作狀態(tài),盡可能不受干擾、波動等因素的影響,確保溫度控制的精度和穩(wěn)定性。同時(shí)控制系統(tǒng)應(yīng)具有良好的可靠性,確保系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性和高效性。硬件和軟件設(shè)計(jì)要確保設(shè)備的可靠性和系統(tǒng)的魯棒性[10]。

(2)精確性原則:溫度控制的精度是至關(guān)重要的。控制系統(tǒng)應(yīng)該能夠精確地監(jiān)測和控制溫度,并且以最小的誤差維持溫度。為此,需要選用高精度的傳感器和控制器,并采用合理的控制算法。

(3)可調(diào)性原則:根據(jù)具體情況,控制系統(tǒng)應(yīng)能夠方便地進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。例如,可以通過調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)來改善系統(tǒng)的控制效果,并且在必要時(shí)可以對系統(tǒng)進(jìn)行升級和改造,以使其適應(yīng)新的要求和環(huán)境[11]。

(4)安全性原則:在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,必須考慮到設(shè)備和工作環(huán)境的安全性,及時(shí)做出危險(xiǎn)預(yù)警。確保人員的安全。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

(1)溫度傳感裝置。測溫元件是監(jiān)控焚燒爐動態(tài)燃燒過程的主要設(shè)備,本系統(tǒng)測溫元件選擇電阻溫度檢測器,分別放置在爐膛頂部、煙氣出口以及預(yù)熱器位置進(jìn)行溫度監(jiān)測。如圖2所示。

圖2 電阻溫度檢測器

電阻溫度檢測器相較于熱電偶等測溫設(shè)備具有高敏感性,不需冷端溫度補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn),電阻信號傳輸較遠(yuǎn)[12]。

(2)控制閥。控制閥用于調(diào)節(jié)進(jìn)入焚燒爐的空氣和燃料流量。閥門可以手動調(diào)整或由軟件控制。

(3)助燃風(fēng)機(jī)。助燃風(fēng)機(jī)提供燃燒所需的空氣。風(fēng)機(jī)具有變速性,能夠根據(jù)爐膛內(nèi)燃燒情況隨時(shí)調(diào)整輸送到焚化爐的空氣量。

(4)燃料輸送系統(tǒng)。燃料輸送系統(tǒng)將燃料輸送到焚化爐。包括泵、管道等。

(5)控制面板。控制面板包含控制系統(tǒng)組件,并為操作員提供監(jiān)控和調(diào)整溫度控制系統(tǒng)的界面。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

焚燒爐軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 焚燒爐軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

1)溫度控制算法

焚燒爐溫度控制算法是整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分,旨在通過調(diào)節(jié)空氣和燃料的流量來調(diào)節(jié)焚燒爐的溫度,將溫度保持在所需范圍內(nèi)。本系統(tǒng)采用PLC平臺進(jìn)行焚燒爐溫度控制。該算法調(diào)整進(jìn)入焚燒爐的空氣和燃料流量。編程可以使用各種控制策略,例如 PID、模糊邏輯或模型預(yù)測控制[13]。溫度傳感器放置在焚燒爐爐膛內(nèi),測量當(dāng)前溫度。傳感器將溫度讀數(shù)發(fā)送到控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)將傳感器的溫度讀數(shù)與所需的溫度設(shè)定值進(jìn)行比較。如果實(shí)際溫度超出所需范圍,控制系統(tǒng)會激活算法來調(diào)節(jié)空氣和燃料流量。算法進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋,持續(xù)性監(jiān)測爐內(nèi)的溫度狀況,并進(jìn)行調(diào)節(jié)。PLC 使用通信協(xié)議(如 Modbus、Profibus 或以太網(wǎng))與其他設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行通信。這些協(xié)議允許 PLC 從溫度傳感器接收數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制系統(tǒng)[14]。

2)人機(jī)交互模塊

人機(jī)界面(HMI)是向操作員顯示焚燒爐溫度和控制系統(tǒng)狀態(tài)的用戶界面。HMI 包括焚燒爐的圖形表示、溫度讀數(shù)和其他關(guān)鍵信息。用戶界面允許操作員監(jiān)控溫度并根據(jù)需要調(diào)整溫度控制設(shè)置。焚燒爐溫度控制用戶界面是允許操作員監(jiān)視和控制焚化爐溫度的圖形界面。用戶界面設(shè)計(jì)應(yīng)該具有直觀、用戶友好的特點(diǎn),并為操作員提供所有必要的控制信息[15]。用戶界面的設(shè)計(jì)方法如下:

(1)布局簡潔明了:用戶界面應(yīng)該簡單易懂,布局清晰,一目了然地顯示基本信息。溫度讀數(shù)、設(shè)定點(diǎn)和其他關(guān)鍵信息顯示在界面上。

(2)圖形模塊表示:用戶界面包括焚燒爐的圖形模塊,以便操作員清楚地了解焚燒爐的狀態(tài)和溫度。圖形模塊表示可以用顏色編碼以指示溫度范圍。

(3)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示:用戶界面應(yīng)顯示來自焚燒爐傳感器的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù),為操作員提供最新的溫度狀態(tài)視圖。數(shù)據(jù)可以以圖形或表格格式顯示,使操作員能夠快速輕松地識別溫度趨勢和變化。

(4)警報(bào)通知:用戶界面應(yīng)包括警報(bào)通知功能,提醒操作員注意系統(tǒng)中的任何溫度控制問題或故障。

(5)用戶定制:用戶界面可定制化,允許操作員設(shè)置其顯示偏好,改善用戶體驗(yàn)。

(6)數(shù)據(jù)記錄和分析:用戶界面隨時(shí)間記錄溫度數(shù)據(jù),并為操作員提供分析工具,以識別趨勢并根據(jù)需要對溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。

3)安全警報(bào)模塊

安全警報(bào)模塊是確保焚燒爐正常化運(yùn)行的重要保障,設(shè)計(jì)用于在焚燒爐中的溫度超出所需溫度范圍或溫度控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)提醒操作員及時(shí)采取手段進(jìn)行調(diào)整。作為基本安全功能模塊。安全警報(bào)模塊包括以下組件:視覺和聽覺警報(bào)(閃光燈、警報(bào)器等),提醒操作員注意溫度控制問題。除此之外還包括關(guān)閉按鍵。如果溫度超過某個(gè)閾值,系統(tǒng)會自動關(guān)閉焚燒爐。從而避免高溫對焚燒爐的損害性,保護(hù)工作人員生命安全。

3 結(jié) 語

焚燒爐作為廢氣、廢物處理的重要裝置,受到多因素的影響,其溫度變化具有較強(qiáng)的慣性以及滯后性。在設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)之前,需要進(jìn)一步了解焚燒爐的工作流程以及溫度影響因素,定性分析焚燒爐的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則,采取有效的措施精準(zhǔn)測定焚燒爐內(nèi)部溫度變化情況,做出及時(shí)性的控制反饋,提升系統(tǒng)運(yùn)行的自動化水平。