流化床生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

◇蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 李柏隆 謝 駿 張俊豪 崔 勇

為了提高流化床生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線的自動化水平和控制精度，本文利用西門子S7-1200 PLC和傳感器，設(shè)計了生產(chǎn)線監(jiān)控程序和界面，并通過PID控制算法實現(xiàn)了流化床反應(yīng)器熱解溫度的自動控制。

隨著人類社會工業(yè)化進程的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)化石能源正在面臨枯竭的局面。生物質(zhì)資源具有分布廣泛、存儲量大、再生周期短、綠色環(huán)保以及利用方式多樣等諸多優(yōu)點，被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉础Ａ骰部焖贌崃呀饩哂袀鳠嵝阅芎谩⒖蛇B續(xù)運行、處理量大等突出優(yōu)勢，被公認為是極具發(fā)展?jié)摿Φ纳镔|(zhì)能源轉(zhuǎn)化利用技術(shù)。本文以生物質(zhì)處理量150kg/h為對象，對流化床生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，力圖為流化床生物質(zhì)快速熱解的工業(yè)化生產(chǎn)提供切實可靠的參考依據(jù)。

1 流化床生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線總體方案

流化床生物質(zhì)快速熱解是在中等反應(yīng)溫度（500℃～600℃）、高升溫速率（103℃/s～105℃/s）和極短氣相停留時間（小于2s）等條件下進行的熱裂解反應(yīng)。反應(yīng)溫度條件要求反應(yīng)器內(nèi)溫度分布均衡，控制準確；升溫速率條件要求反應(yīng)器內(nèi)高溫載氣流場均勻，床料種類及粒徑選擇合理，生物質(zhì)原料粒徑均勻且不宜過大（0.5mm～1.2mm），同時要求加熱系統(tǒng)能夠提供充足的熱量；停留時間條件要求反應(yīng)器內(nèi)流化載氣流速快，能夠滿足生物質(zhì)顆粒熱裂解產(chǎn)生熱解氣后，迅速從反應(yīng)器排出進入冷凝系統(tǒng)進行冷凝生成液態(tài)產(chǎn)物-生物油，最大程度地避免二次熱解反應(yīng)的發(fā)生，有效提高生物油的產(chǎn)率。

圖1 流化床生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線工藝流程

2 流化床生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線監(jiān)控方案設(shè)計

生物質(zhì)快速熱解工藝中，溫度、壓力、流量是維持系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行的關(guān)鍵參數(shù)，會直接影響生物質(zhì)快速熱解產(chǎn)物的組成和特性。在生產(chǎn)線運行過程中，隨時通過溫度、壓力、流量的數(shù)值顯示，能夠分析推斷出反應(yīng)器內(nèi)部流化狀態(tài)是否良好、冷凝塔內(nèi)氣液流動是否順暢、風機工作溫度是否安全、系統(tǒng)內(nèi)是否存在堵塞位置、混燃爐內(nèi)部燃燒效果是否良好、熱解尾氣及液化氣流量是否滿足加熱需求等。

針對以上監(jiān)控的特點和需求，與企業(yè)合作開發(fā)了一臺控制柜及其系統(tǒng)軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)混燃爐的自動化控制，生產(chǎn)線其他設(shè)備的半自動化控制。總體監(jiān)控方案如圖2所示。

圖2 流化床生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線總體監(jiān)控方案

在生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線中，除了需要對溫度、壓力、流量等參數(shù)進行監(jiān)測和控制外，還需要對生產(chǎn)線中的多個電機的啟動和停止進行控制。因此，將生產(chǎn)線的每一臺電機的啟停開關(guān)融入合作開發(fā)的控制柜當中。根據(jù)生物質(zhì)快速熱解工藝的特點和控制要點，本論文對需要進行監(jiān)控的位置進行了分析和總結(jié)。具體監(jiān)控位置見表1。

表1 流化床生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線監(jiān)控位置

3 流化床生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)硬件選取

3.1 可編程邏輯控制器（PLC）

流化床生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線對加熱控制精度要求較高，因此加熱控制系統(tǒng)的信號接收及數(shù)據(jù)處理通過可編程邏輯控制器（PLC）實現(xiàn)。本論文選擇了西門子公司的SIMATIC S7-1200型PLC，其是西門子公司新近研發(fā)的一款緊湊型PLC，引入了模塊化的設(shè)計概念，擴展能力強，自帶以太網(wǎng)口，通訊能力強，能夠?qū)崿F(xiàn)簡單而高精度的自動化控制。

3.2 電動調(diào)節(jié)閥

電動調(diào)節(jié)閥含有圓筒形薄壁窗口型閥芯，由直行程電子式電動執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動，可以調(diào)節(jié)管道中氣體的流量大小。流化床載氣的溫度隨著液化氣調(diào)節(jié)閥和助燃空氣調(diào)節(jié)閥開度的增大而逐漸升高。電動調(diào)節(jié)閥可直接由電流信號控制閥門開度，如4～20mA、0～10mA 或1～5V信號，無需額外元件。

3.3 流量計

自熱式生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線設(shè)計了四處流量監(jiān)控點，分別用于監(jiān)控流化載氣的常溫狀態(tài)流量、用于燃燒的熱解尾氣的流量以及兩臺管殼式換熱器的冷卻水流量。綜合考慮測量范圍、測量精度以及購買成本后，選擇了金屬管浮子流量計，其具有4～20mA的標準模擬量信號輸出和現(xiàn)場指示。用于監(jiān)控循環(huán)冷卻水的流量計量程均為0～25m3/h，用于監(jiān)控流化載氣的流量計量程為0～160m3/h，用于監(jiān)控燃燒用熱解尾氣的流量計量程為0～40m3/h。

3.4 熱電偶傳感器

為了使溫度顯示更加準確，流化床生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線中各處測溫點均采用K型熱電偶，測量溫度范圍-200℃～1300℃，輸出4～20mA。

3.5 壓力表傳感器

壓力表則根據(jù)各個系統(tǒng)設(shè)計的理論壓力，確定各處壓力表的量程。本論文選擇壓力傳感器均為顯示直觀的壓力表式傳感器，輸出為4～20mA，其中位于緩沖罐上的壓力表量程為0～60kPa，流化床反應(yīng)器頂部與底部的壓力表均為耐高溫不銹鋼壓力表，量程為0-25kPa。

4 流化床生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 熱解溫度控制原理

流化床反應(yīng)器內(nèi)熱解溫度的控制是通過調(diào)節(jié)液化氣和助燃空氣流量來實現(xiàn)的。液化氣和助燃空氣分別通過單獨的管道流入混燃爐內(nèi)混合燃燒，通過調(diào)節(jié)液化氣調(diào)節(jié)閥和助燃空氣調(diào)節(jié)閥開度，可以調(diào)節(jié)進入混燃爐的氣體量以及燃燒熱量，進而改變流化床載氣出口溫度，最終影響熱裂解產(chǎn)物的組分和產(chǎn)量。液化氣調(diào)節(jié)閥和助燃空氣調(diào)節(jié)閥的開度增大，進入混燃爐內(nèi)的氣體量增多，燃燒產(chǎn)生的熱量增多，促使流化床載氣出口溫度升高；反之，調(diào)節(jié)閥的開度減小，進入混燃爐內(nèi)的氣體量減少，燃燒產(chǎn)生的熱量減少，導(dǎo)致流化床載氣出口溫度降低。

由上述分析可知，電動調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)節(jié)是熱解溫度控制的關(guān)鍵，為了實現(xiàn)精準控溫和快速響應(yīng)的目標，本論文選擇了工業(yè)應(yīng)用較多的PID控制算法。PID控制算法簡單，可靠性高，其由比例P、積分I和微分D三個單元組成，原理圖如圖3所示。

圖3 PID控制系統(tǒng)原理圖

PID控制器的輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為：

其中，e(t)是設(shè)定的輸入值r(t)與實際的輸出值y(t)之間的偏差，即：

（1）比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，一旦產(chǎn)生偏差，控制器立即產(chǎn)生作用以減少偏差。如果僅有比例控制，系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差。

（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，積分作用的強弱與積分時間常數(shù)成反比。

（3）微分環(huán)節(jié)：反映偏差的變化趨勢，能超前修正抑制誤差的作用，減少調(diào)節(jié)時間。

4.2 軟件結(jié)構(gòu)

流化床生物質(zhì)快速熱解生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計方法，對功能要求相似的任務(wù)進行歸類，可利用對應(yīng)的函數(shù)FC或函數(shù)塊FB表示。這些模塊化程序可以被主程序多次調(diào)用，有利于較低程序的復(fù)雜性，使得程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性好，可有效提高程序的執(zhí)行效率。

根據(jù)設(shè)備控制要求，結(jié)合西門子S7-1200的編程特點，將監(jiān)控軟件模塊劃分為如下：

（1）主循環(huán)模塊。組織塊OB1是系統(tǒng)與用戶程序的接口，CPU啟動完成后或者上一個循環(huán)周期結(jié)束后，系統(tǒng)會自動調(diào)用組織塊OB1，所以要執(zhí)行的程序塊都要在OB1中編寫或調(diào)用。

（2）信號輸入模塊。讀取數(shù)字量和模擬量輸入信號。

（3）邏輯控制模塊。調(diào)用執(zhí)行其他程序塊，執(zhí)行控制程序。

（4）熱解溫度控制模塊。根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)熱解溫度，實時控制電動調(diào)節(jié)閥的開度。

（5）報警模塊。檢測系統(tǒng)中的故障，然后給出對應(yīng)提示。

（6）信號輸出模塊。輸出數(shù)字量信號和模擬量信號，對執(zhí)行元件進行控制。

（7）A/D轉(zhuǎn)換模塊。將4-20mA信號所對應(yīng)的整型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實型數(shù)據(jù)，對應(yīng)溫度值或者閥開度值。

（8）D/A轉(zhuǎn)換模塊。將程序計算出的對應(yīng)閥開度值的實型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為對應(yīng)4-20mA信號的整型數(shù)據(jù)。軟件結(jié)構(gòu)框架圖，如圖4所示。

圖4 軟件結(jié)構(gòu)框圖