焚燒爐爐溫控制系統設計

孫浩文

(陜西國防工業職業技術學院,陜西 西安 710302)

在人們環保意識逐漸增強的背景下,化工生產垃圾處理成為重要的問題。我國大多數城市都面臨著環境污染問題,這些污染問題對人類的身體健康產生極大的影響。焚燒爐作為垃圾處理的重要設備之一,其可以進行廢氣、廢物處理,在減少對環境造成污染的同時,回收利用焚燒余熱再次投入生產,不僅具有環境效益還具有重要的經濟效益。但由于我國焚燒處理技術的起步較晚,在工業化逐步實現的同時,焚燒自動化系統控制有所改進仍不夠完善,存在明顯的效率低、穩定性差的問題。因此針對焚燒技術,提出一套切實可行的焚燒爐爐溫控制系統極為重要。通過系統的開發能夠提升焚燒效率,解決污染問題的同時推動工業的可持續發展。

1 焚燒爐概述

1.1 焚燒爐結構

焚燒爐是通過燃燒來處理廢料的設備,可用于處理危險廢物、醫療廢物或城市固體廢物以及廢氣。焚燒爐的基本結構包括燃燒室、送風系統、垃圾進料系統和排氣系統[1],如圖1所示。

圖1 焚燒爐工作流程

焚燒爐在高溫環境下控制廢棄物的燃燒。廢物通過進料系統被引入燃燒室,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系,由供氣系統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]。廢物燃燒時會產生大量的熱量,這些熱量可以回收并用于能源生產或其他目的。排氣系統主要為煙囪,用于排出燃燒副產物,例如氣體和顆粒物?，F代焚化爐多配備有先進的排放控制系統如包括洗滌器、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確,則很難有效地控制溫度,進而會導致焚燒爐出現過熱或欠熱的現象,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確反映焚化爐整體溫度的位置,則很難有效監控焚燒爐內整體的溫度情況,導致出現錯誤判斷[6]。

2)溫控系統設計

焚燒爐溫度控制系統具有嚴格的運行程序以及運行條件,如果溫控系統設計沒有考慮到焚燒爐的燃燒情況以及燃燒問題,極易出現溫度變化響應過慢的問題,造成焚燒爐出現明顯的溫度波動,從而對焚燒過程產生負面影響[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中沒有適當考慮,可能會導致溫度降低。除此之外還包括助燃氣流以及燃料流量等[8]。

4)人為操作失誤及維修

如果操作員沒有經過適當的培訓或不遵守既定程序會導致系統出現操作問題,同時設備是否進行定期檢查和維修通用影響著溫控系統的正常運行。一般情況下,溫度傳感器或控制系統故障會導致溫度測量不準確以及對空氣和燃料流量的調整不正確[9]。設備維護,包括清潔和修理燃燒室和空氣污染控制系統,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,而損壞的設備會導致溫度測量不準確或對空氣和燃料流量的調整不當。

2 焚燒爐爐溫控制系統設計方案

2.1 系統設計原則

(1)穩定可靠性原則:控制系統應保持穩定的工作狀態,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定性。同時控制系統應具有良好的可靠性,確保系統長時間運行的穩定性和高效性。硬件和軟件設計要確保設備的可靠性和系統的魯棒性[10]。

(2)精確性原則:溫度控制的精度是至關重要的?？刂葡到y應該能夠精確地監測和控制溫度,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)可調性原則:根據具體情況,控制系統應能夠方便地進行調整和優化。例如,可以通過調整系統設計參數來改善系統的控制效果,并且在必要時可以對系統進行升級和改造,以使其適應新的要求和環境[11]。

(4)安全性原則:在控制系統的設計中,必須考慮到設備和工作環境的安全性,及時做出危險預警。確保人員的安全。

2.2 硬件設計

(1)溫度傳感裝置。測溫元件是監控焚燒爐動態燃燒過程的主要設備,本系統測溫元件選擇電阻溫度檢測器,分別放置在爐膛頂部、煙氣出口以及預熱器位置進行溫度監測。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備具有高敏感性,不需冷端溫度補償的特點,電阻信號傳輸較遠[12]。

(2)控制閥?？刂崎y用于調節進入焚燒爐的空氣和燃料流量。閥門可以手動調整或由軟件控制。

(3)助燃風機。助燃風機提供燃燒所需的空氣。風機具有變速性,能夠根據爐膛內燃燒情況隨時調整輸送到焚化爐的空氣量。

(4)燃料輸送系統。燃料輸送系統將燃料輸送到焚化爐。包括泵、管道等。

(5)控制面板?？刂泼姘灏刂葡到y組件,并為操作員提供監控和調整溫度控制系統的界面。

2.3 軟件設計

焚燒爐軟件設計結構如圖3所示。

圖3 焚燒爐軟件設計結構

1)溫度控制算法

焚燒爐溫度控制算法是整個溫度控制系統的關鍵組成部分,旨在通過調節空氣和燃料的流量來調節焚燒爐的溫度,將溫度保持在所需范圍內。本系統采用PLC平臺進行焚燒爐溫度控制。該算法調整進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、模糊邏輯或模型預測控制[13]。溫度傳感器放置在焚燒爐爐膛內,測量當前溫度。傳感器將溫度讀數發送到控制系統。控制系統將傳感器的溫度讀數與所需的溫度設定值進行比較。如果實際溫度超出所需范圍,控制系統會激活算法來調節空氣和燃料流量。算法進行實時反饋,持續性監測爐內的溫度狀況,并進行調節。PLC 使用通信協議(如 Modbus、Profibus 或以太網)與其他設備和系統進行通信。這些協議允許 PLC 從溫度傳感器接收數據,并將數據發送到控制系統[14]。

2)人機交互模塊

人機界面(HMI)是向操作員顯示焚燒爐溫度和控制系統狀態的用戶界面。HMI 包括焚燒爐的圖形表示、溫度讀數和其他關鍵信息。用戶界面允許操作員監控溫度并根據需要調整溫度控制設置。焚燒爐溫度控制用戶界面是允許操作員監視和控制焚化爐溫度的圖形界面。用戶界面設計應該具有直觀、用戶友好的特點,并為操作員提供所有必要的控制信息[15]。用戶界面的設計方法如下:

(1)布局簡潔明了:用戶界面應該簡單易懂,布局清晰,一目了然地顯示基本信息。溫度讀數、設定點和其他關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)實時數據顯示:用戶界面應顯示來自焚燒爐傳感器的實時溫度數據,為操作員提供最新的溫度狀態視圖。數據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)警報通知:用戶界面應包括警報通知功能,提醒操作員注意系統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,允許操作員設置其顯示偏好,改善用戶體驗。

(6)數據記錄和分析:用戶界面隨時間記錄溫度數據,并為操作員提供分析工具,以識別趨勢并根據需要對溫度控制系統進行調整。

3)安全警報模塊

安全警報模塊是確保焚燒爐正?；\行的重要保障,設計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出現故障時提醒操作員及時采取手段進行調整。作為基本安全功能模塊。安全警報模塊包括以下組件:視覺和聽覺警報(閃光燈、警報器等),提醒操作員注意溫度控制問題。除此之外還包括關閉按鍵。如果溫度超過某個閾值,系統會自動關閉焚燒爐。從而避免高溫對焚燒爐的損害性,保護工作人員生命安全。

3 結 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的慣性以及滯后性。在設計溫度控制系統之前,需要進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設計原則,采取有效的措施精準測定焚燒爐內部溫度變化情況,做出及時性的控制反饋,提升系統運行的自動化水平。