CN106371480A - 一种催化氧化处理含氨废气用电加热温度控制***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种催化氧化处理含氨废气用电加热温度控制***及方法。在加热炉和催化反应炉中均安装有所述温度传感器，分别用于检测加热炉中的加热温度以及催化反应炉中的反应温度；三相电参数采集器与电力调压器输出端连接，用于采集加热炉中电加热管的电压、电流值和功率；控制模块根据温度信号以及电压、电流、功率值，生成控制命令，控制补风阀门、风机变频器以及电力调压器的工作状态；补风阀门通过调整其阀门大小来调控废气中的氨气浓度；风机变频器用于调节加热炉的变频风机的风量大小；电力调压器用于控制加热炉内电加热管的加热功率。本发明响应速度快、自动化程度高、控制精度高、稳定性好，可将稳态误差控制在±1℃内。
Description
技术领域
本发明属于本发明属于含氨废气净化处理技术领域，具体涉及一种用于催化氧化法处理含氨废气的电加热温度控制***及方法。
背景技术
氨气是一种常见的工业废气，催化氧化法处理含氨废气是指氨气在催化剂的作用下，当温度超过350℃时，与氧气反应生成水和氮气，从而被有效去除的过程。由于氨气的氧化反应属于放热反应，反应过程会进一步升高催化剂周围的温度(即反应温度)，当反应温度为400℃时，氨气转化效率为90％，当反应温度超过450℃时，催化剂有一定概率失效。为保证氨气能够被有效处理，同时控制***功耗和保护催化剂活性，需要采用温度控制技术将反应温度控制在400℃。
目前，电加热温度控制***通常采用温度控制仪表作为二次仪表来控制加热温度，但常见的温度控制仪表仅能接收和控制单点的温度，不适用于催化氧化法处理含氨废气的电加热温度控制，在该***中，需要分别对加热炉中气体温度(即加热温度)和催化反应炉中多个催化剂温度(即反应温度)进行检测，并通过控制电力调压器输出功率和补风阀门的大小综合控制加热炉中气体温度和催化反应炉中催化剂温度。同时，反应温度受电加热管功率和反应释放的能量影响，反应释放的能量又与参与反应的氨气量有关，也即与氨气浓度相关。在实际的催化氧化法处理含氨废气***中，废气中氨气的浓度具有不确定性，对反应温度的干扰较大。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种催化氧化处理含氨废气用电加热温度控制***及方法，其响应速度快、自动化程度高、控制精度高、稳定性好，可将稳态误差控制在±1℃内。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种催化氧化处理含氨废气用电加热温度控制***，包括：温度传感器、三相电参数采集器、控制模块、补风阀门、风机变频器、电力调压器；其中，加热炉和催化反应炉中均安装有所述温度传感器，分别用于检测加热炉中的加热温度以及催化反应炉中的反应温度，并将检测到的温度信号传送至所述控制模块；所述三相电参数采集器与电力调压器输出端连接，用于采集加热炉中电加热管的电压和电流值，经运算获得电加热管的加热功率，并将电加热管的电压、电流和功率值传输给控制模块；所述控制模块根据温度变送器提供的所述温度信号以及三相电参数采集器提供所述电压、电流、功率值，生成控制命令，用于控制补风阀门、风机变频器以及电力调压器的工作状态；所述补风阀门通过调整其阀门大小来调控废气中的氨气浓度；所述风机变频器用于调节加热炉的变频风机的风量大小；所述电力调压器用于控制加热炉内电加热管的加热功率。
作为本发明的一种优选方案，可以在所述温度传感器和控制模块之间连接一个温度变送器，所述温度变送器将来自温度传感器的温度信号调理成便于远距离传输的温度信号，这样可以方便地根据本发明的具体使用环境安装相应的设备，尤其是控制模块和温度传感器可以不受空间距离的限制。
作为本发明的一种优选方案，控制模块还可以连接一个显示界面，用于接收操作者的控制信号，并对***运行的相关参数进行显示，这样操作者可以直观查看***各项参数，从而提高人机交互性能和体验。
作为本发明的一种优选方案，加热炉和催化反应炉中均安装多个温度传感器，控制模块分别将多个加热温度信号和多个反应温度信号处理后作为实际的加热温度和反应温度，处理方法为：
步骤4.1，将温度数据按照从小到大的顺序排列成数组，剔除数组中的最大值和最小值；
步骤4.2，取数组中的最小值xi进行t准则判断，计算除该最小值xi以外的所有数组元素的平均值和标准差σ；若若认为该值为粗大误差，则从数组中剔除该最小值xi，然后重复本步骤；否则进行步骤4.3；其中，K(n,α)为t分布的检验系数；
步骤4.3，取数组中的最大值xj进行t准则判断，计算除该最大值xj以外的所有数组元素的平均值和标准差σ；若|若认为该值为粗大误差，则从数组中剔除该最大值xj，然后重复本步骤；否则进行步骤4.4；其中，K(n,α)为t分布的检验系数；
步骤4.4，对剩余的数组元素取平均值，将该平均值作为实际温度值。
通过多个温度传感器采集温度数据，并通过本发明优化后的t准则判断算法可以获得真实可靠的温度数据，从而提高温度控制精度。
作为本发明的一种优选方案，所述控制模块控制补风阀门、风机变频器以及电力调压器的工作状态的方法为：
步骤5.1，根据***所需风速，控制风机变频器的工作频率，从而控制风机转速；
步骤5.2，若催化反应炉中实际的反应温度超过设定的反应温度上限，或者加热炉中的加热温度超过设定的加热温度上限，并持续10分钟以上，则关闭加热炉输出，同时输出故障报警信号；否则进行步骤5.3；
步骤5.3，若催化反应炉中设定的反应温度与实际的反应温度的偏差大于10％，则进行步骤5.4；若该偏差在2％～10％之间，则进行步骤5.5，若偏差小于2％，则进行步骤S5.6；
步骤5.4，根据加热温度和电力调压器输出功率对应值表输出电力调压器的控制电压，控制电力调压器的输出功率，进行步骤5.2；
步骤5.5，根据设计的二输入二输出模糊控制器，分别控制电力调压器和补风阀门，进行步骤5.2；
步骤5.6，采取模糊自整定PID控制，控制电力调压器的输出功率，进行步骤5.2。
本发明还提出一种催化氧化处理含氨废气用电加热温度控制方法，使用温度传感器测量加热温度以及反应温度，并将测到的温度信号传递给控制模块；使用三相电参数采集器通过电力调压器采集加热炉中电加热管的电压和电流值，经运算获得电加热管的加热功率，并将电加热管的电压、电流和功率值传输给控制模块；控制模块根据温度变送器提供的所述温度信号以及三相电参数采集器提供所述电压、电流、功率值，生成控制命令，用于控制补风阀门、风机变频器以及电力调压器的工作状态；其中，所述补风阀门通过调整其阀门大小来调控废气中的氨气浓度；所述风机变频器用于调节加热炉的变频风机的风量大小；所述电力调压器用于控制加热炉内电加热管的加热功率。
进一步，温度传感器先将加热温度以及反应温度信号发送给温度变送器，所述温度变送器将温度信号调理成便于远距离传输的温度信号在传递给控制模块。
进一步，控制模块还连接有显示界面，操作者通过显示界面设定***控制信号，并对***运行的相关参数进行显示。
进一步，在加热炉和催化反应炉中均安装多个温度传感器，控制模块分别将多个加热温度信号和多个反应温度信号处理后作为实际的加热温度和反应温度，处理方法为：
步骤4.1，将温度数据按照从小到大的顺序排列成数组，剔除数组中的最大值和最小值；
步骤4.2，取数组中的最小值xi进行t准则判断，计算除该最小值xi以外的所有数组元素的平均值和标准差σ；若则从数组中剔除该最小值xi，然后重复本步骤；否则进行步骤4.3；其中，K(n,α)为t分布的检验系数；
步骤4.3，取数组中的最大值xj进行t准则判断，计算除该最大值xj以外的所有数组元素的平均值和标准差σ；若|则从数组中剔除该最大值xj，然后重复本步骤；否则进行步骤4.4；其中，K(n,α)为t分布的检验系数；
步骤4.4，对剩余的数组元素取平均值，将该平均值作为实际温度值。
10、如权利要求6所述电加热温度控制方法，其特征在于，所述控制模块控制补风阀门、风机变频器以及电力调压器的工作状态的方法为：
步骤5.1，根据***所需风速，控制风机变频器的工作频率，从而控制风机转速；
步骤5.2，若催化反应炉中实际的反应温度超过设定的反应温度上限，或者加热炉中的加热温度超过设定的加热温度上限，并持续10分钟以上，则关闭加热炉输出，同时输出故障报警信号；否则进行步骤5.3；
步骤5.3，若催化反应炉中设定的反应温度与实际的反应温度的偏差大于10％，则进行步骤5.4；若该偏差在2％～10％之间，则进行步骤5.5，若偏差小于2％，则进行步骤S5.6；
步骤5.4，根据加热温度和电力调压器输出功率对应值表输出电力调压器的控制电压，控制电力调压器的输出功率，进行步骤5.2；
步骤5.5，根据设计的二输入二输出模糊控制器，分别控制电力调压器和补风阀门，进行步骤5.2；
步骤5.6，采取模糊自整定PID控制，控制电力调压器的输出功率，进行步骤5.2。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于，本发明的电加热温度控制***及方法，通过对加热功率、氨气浓度以及风量大小进行控制，能够有效控制氨气在催化氧化反应过程中的工作温度值；使用本发明的温度控制***及方法，通过控制补风阀门大小可以提高降温的响应速度；综合使用分段控制、模糊控制和模糊自整定PID控制方法具有***响应速度快、控制精度高、稳定性好的优点，可将稳态误差控制在±1℃内，显示界面使得***操作更具人性化。
附图说明
图1为本发明电加热温度控制***的组成示意图；
图2为本发明电加热温度控制方法流程图；
图3为本发明中优化后的t检验准则流程图；
图4为本发明中分段控制温度的流程图。
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明催化氧化处理含氨废气用电加热温度控制***及方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
用于催化氧化处理含氨废气的电加热温度控制***，如图1所示，包括以下部分：温度传感器1、温度变送器2、三相电参数采集器3、控制模块4、补风阀门5、风机变频器6、电力调压器7、显示界面8和计算机9。
其中，多个温度传感器1，分别用于检测加热炉中的含氨废气的温度以及催化反应炉中催化剂的工作温度，并将检测到的温度电压信号传送至温度变送器，温度传感器1为K型铠装热电偶，可以测量高达1300℃的温度，保护套管采用316L不锈钢，具有耐高温、耐酸碱腐蚀的优点；
温度变送器2，安装在温度传感器的保护盒内，将来自温度传感器1的温度电压信号调理成便于远距离传输的4～20mA电流信号，同时对测量点温度进行补偿和线性校正，温度变送器2精度为0.2％FS、温度范围为0～800℃，温度变送器2将温度电流信号传送给控制模块4；
三相电参数采集器3，与电力调压器7输出端采用三相四线制方式连接，哪来的什么电流信号通过电流互感器接入三相电参数采集器3，采集加热炉中电加热管的电压和电流值，经运算获得电加热管的加热功率，并通过通讯接口RS485将电加热管的电压、电流和功率参数传输给控制模块4；
控制模块4，接收温度变送器2的温度信号和三相电参数采集器3的电加热电压、电流、功率参数，判断***的运行状态，结合***设置的初始参数：催化反应炉的反应温度即催化剂的工作温度、反应温度上限和加热温度上限即加热炉中的含氨废气的温度上限生成控制信号，将相应的控制信号传输给补风阀门5和电力调压器7，对反应温度进行调节，同时将当前运行状况包括各个温度值、电加热电压、电流、功率参数，变频器的输出频率实时传输给显示界面8和计算机9；
补风阀门5，接收来自控制模块4的控制信号，调节加热炉补风阀门5的大小，从而调节废气中氨气的浓度；
风机变频器6，通过RS485接口接收来自控制模块4的控制信号，调节加热炉的变频风机的风量大小；
电力调压器7，接收来自控制模块4的控制信号，控制加热炉内电加热管的加热功率；
显示界面8，接收操作者的控制信号，对相关参数进行设置，并对***运行状态进行显示；
计算机9，使用CAN接口连接到控制模块，以便计算机9对***进行控制；
如图2所示，基于上述温度控制***的控制方法步骤：
S1，使用温度传感器1测量加热温度即加热炉中含氨废气的温度以及反应温度即催化剂的工作温度，并将测到的温度电压信号传送给温度变送器2；
S2，温度变送器2对温度信号进行补偿、线性校正，并将温度电压信号转化为便于远距离传输的4～20mA电流信号，然后传递给控制模块4；
S3，控制模块4接收到来自温度变送器2的温度电流信号后，经信号调理转化为温度电压信号，控制模块4对该电压信号进行采样、解析和优化，获得反应温度和加热温度的实际值；
S4，控制模块4接收来自三相电参数采集器3发送的电加热管的加热电压、电流、功率参数，从而获得电加热管的实际运行状况；
S5，控制模块4根据加热炉和催化反应炉的设定温度值生成控制信号，并将相应的控制信号分别传送给补风阀门5、风机变频器6和电力调压器7；
S6，补风阀门5，接收来自控制模块4的控制信号，调节加热炉补风阀门5的大小，从而调节废气中氨气的浓度；风机变频器6，通过RS485接口接收来自控制模块4的控制信号，调节加热炉的变频风机的风量大小；电力调压器7，接收来自控制模块4的控制信号，控制加热炉内电加热管的加热功率。
由于工业现场存在着各种干扰，控制模块4获得的实际温度值会存在一定误差，因此，在控制模块4得到加热温度和反应温度的数据时，需要对其进行数字滤波。如图3所示，步骤S3进一步包括：
S3.1，控制模块4接收温度数据，将数字信号换算成等效的温度值；
S3.2，按照t检验准则方法分别对加热温度数组和反应温度数据进行处理，处理过程为：将温度数据从小到大的顺序排列组成数组，剔除数组中的最大值和最小值；
S3.3，取数组中的最小值xi进行t准则判断，计算除该最小值以外的所有数组元素的平均值和标准差σ；若|(可由表查得t分布的检验系数K(n,α))，则认为xi为粗大误差，从数组中剔除该值，然后重复步骤S3.3，否则进行步骤S3.4；
S3.4，取数组中的最大值xj进行t准则判断，计算除该最大值xj以外的所有数组元素的平均值和标准差σ；若|则从数组中剔除该最大值xj，然后重复本步骤；否则进行步骤4.4；其中，K(n,α)为t分布的检验系数；
S3.5，对剩余的数组元素取平均值，将数组的平均值作为反应温度和加热温度的实际值；
t检验准则的特点是首先剔除一个可疑的测得值，然后按t分布检验被剔除的测得值是否含有粗大误差。对于数组元素数量为n的数组，采用一般的t检验准则，为了计算标准差σ需要做(n-1)2次乘法运算，采用本发明中优化的t检验准则判断方法，最少仅需要做2(n-1)次乘法运算，减少了计算量。
图4是本发明的温度控制流程图。温度控制算法结合了分段控制、模糊控制和模糊自整定PID控制算法，步骤S5进一步包括：
S5.1，若设定反应温度和实际反应温度偏差大于10％，则进行步骤S5.2，若偏差在2％～10％，则进行步骤S5.3，若偏差小于2％，则进行步骤S5.4；
S5.2，采取分段控制，根据温度和电力调压器输出功率对应值表输出电力调压器的1～5V控制电压；
S5.3，采取二阶***模糊控制，根据设计的二输入二输出模糊控制器，分别控制电力调压器和补风阀门；
S5.4，采取模糊自整定PID控制，控制电力调压器的输出功率。
加热初期催化反应炉实际温度和设定温度偏差很大，使用分段控制可以提高***的响应速度，又不产生过大超调；当温度偏差在2％～10％时，氨气在催化剂作用下分解放热，需要控制电力调压器输出功率和补风阀门大小，采用二阶***模糊控制算法，相较于PID算法动态性能更好；当温度偏差在2％内时，采用模糊自整定PID控制，进一步消除静态误差，提高控制精度。
Claims (10)
1.一种催化氧化处理含氨废气用电加热温度控制***，其特征在于，包括：温度传感器(1)、三相电参数采集器(3)、控制模块(4)、补风阀门(5)、风机变频器(6)、电力调压器(7)；其中，
加热炉和催化反应炉中均安装有所述温度传感器(1)，分别用于检测加热炉中的加热温度以及催化反应炉中的反应温度，并将检测到的温度信号传送至所述控制模块(4)；
所述三相电参数采集器(3)与电力调压器(7)输出端连接，用于采集加热炉中电加热管的电压和电流值，经运算获得电加热管的加热功率，并将电加热管的电压、电流和功率值传输给控制模块(4)；
所述控制模块(4)根据温度变送器(2)提供的所述温度信号以及三相电参数采集器(3)提供所述电压、电流、功率值，生成控制命令，用于控制补风阀门(5)、风机变频器(6)以及电力调压器(7)的工作状态；
所述补风阀门(5)通过调整其阀门大小来调控废气中的氨气浓度；
所述风机变频器(6)用于调节加热炉的变频风机的风量大小；
所述电力调压器(7)用于控制加热炉内电加热管的加热功率。
2.如权利要求1所述电加热温度控制***，其特征在于，在所述温度传感器(1)和控制模块(4)之间还连接有温度变送器(2)，所述温度变送器(2)将来自温度传感器(1)的温度信号调理成便于远距离传输的温度信号。
3.如权利要求1所述电加热温度控制***，其特征在于，控制模块(4)还连接有显示界面(8)用于接收操作者的控制信号，并对***运行的相关参数进行显示。
4.如权利要求1所述电加热温度控制***，其特征在于，加热炉和催化反应炉中均安装多个温度传感器(1)，控制模块(4)分别将多个加热温度信号和多个反应温度信号处理后作为实际的加热温度和反应温度，处理方法为：
步骤4.1，将温度数据按照从小到大的顺序排列成数组，剔除数组中的最大值和最小值；
步骤4.2，取数组中的最小值xi进行t准则判断，计算除该最小值xi以外的所有数组元素的平均值和标准差σ；若则从数组中剔除该最小值xi，然后重复本步骤；否则进行步骤4.3；其中，K(n,α)为t分布的检验系数；
步骤4.3，取数组中的最大值xj进行t准则判断，计算除该最大值xj以外的所有数组元素的平均值和标准差σ；若则从数组中剔除该最大值xj，然后重复本步骤；否则进行步骤4.4；其中，K(n,α)为t分布的检验系数；
步骤4.4，对剩余的数组元素取平均值，将该平均值作为实际温度值。
5.如权利要求1所述电加热温度控制***，其特征在于，所述控制模块(4)控制补风阀门(5)、风机变频器(6)以及电力调压器(7)的工作状态的方法为：
步骤5.1，根据***所需风速，控制风机变频器的工作频率，从而控制风机转速；
步骤5.2，若催化反应炉中实际的反应温度超过设定的反应温度上限，或者加热炉中的加热温度超过设定的加热温度上限，并持续10分钟以上，则关闭加热炉输出，同时输出故障报警信号；否则进行步骤5.3；
步骤5.3，若催化反应炉中设定的反应温度与实际的反应温度的偏差大于10％，则进行步骤5.4；若该偏差在2％～10％之间，则进行步骤5.5，若偏差小于2％，则进行步骤5.6；
步骤5.4，根据加热温度和电力调压器输出功率对应值表输出电力调压器的控制电压，控制电力调压器的输出功率，进行步骤5.2；
步骤5.5，根据二输入二输出模糊控制器，分别控制电力调压器和补风阀门，进行步骤5.2；
步骤5.6，采取模糊自整定PID控制，控制电力调压器的输出功率，进行步骤5.2。
6.一种催化氧化处理含氨废气用电加热温度控制方法，其特征在于，
使用温度传感器(1)测量加热温度以及反应温度，并将测到的温度信号传递给控制模块(4)；
使用三相电参数采集器(3)通过电力调压器(7)采集加热炉中电加热管的电压和电流值，经运算获得电加热管的加热功率，并将电加热管的电压、电流和功率值传输给控制模块(4)；
控制模块(4)根据温度变送器(2)提供的所述温度信号以及三相电参数采集器(3)提供所述电压、电流、功率值，生成控制命令，用于控制补风阀门(5)、风机变频器(6)以及电力调压器(7)的工作状态；其中，所述补风阀门(5)通过调整其阀门大小来调控废气中的氨气浓度；所述风机变频器(6)用于调节加热炉的变频风机的风量大小；所述电力调压器(7)用于控制加热炉内电加热管的加热功率。
7.如权利要求6所述电加热温度控制方法，其特征在于，温度传感器(1)先将加热温度以及反应温度信号发送给温度变送器(2)，所述温度变送器(2)将温度信号调理成便于远距离传输的温度信号在传递给控制模块(4)。
8.如权利要求6所述电加热温度控制方法，其特征在于，控制模块(4)还连接有显示界面(8)，操作者通过显示界面(8)设定***控制信号，并对***运行的相关参数进行显示。
9.如权利要求6所述电加热温度控制方法，其特征在于，在加热炉和催化反应炉中均安装多个温度传感器(1)，控制模块(4)分别将多个加热温度信号和多个反应温度信号处理后作为实际的加热温度和反应温度，处理方法为：
步骤4.1，将温度数据按照从小到大的顺序排列成数组，剔除数组中的最大值和最小值；
步骤4.2，取数组中的最小值xi进行t准则判断，计算除该最小值xi以外的所有数组元素的平均值和标准差σ；若则从数组中剔除该最小值xi，然后重复本步骤；否则进行步骤4.3；其中，K(n,α)为t分布的检验系数；
步骤4.3，取数组中的最大值xj进行t准则判断，计算除该最大值xj以外的所有数组元素的平均值和标准差σ；若则从数组中剔除该最大值xj，然后重复本步骤；否则进行步骤4.4；其中，K(n,α)为t分布的检验系数；
步骤4.4，对剩余的数组元素取平均值，将该平均值作为实际温度值。
10.如权利要求6所述电加热温度控制方法，其特征在于，所述控制模块(4)控制补风阀门(5)、风机变频器(6)以及电力调压器(7)的工作状态的方法为：
步骤5.1，根据***所需风速，控制风机变频器的工作频率，从而控制风机转速；
步骤5.2，若催化反应炉中实际的反应温度超过设定的反应温度上限，或者加热炉中的加热温度超过设定的加热温度上限，并持续10分钟以上，则关闭加热炉输出，同时输出故障报警信号；否则进行步骤5.3；
步骤5.3，若催化反应炉中设定的反应温度与实际的反应温度的偏差大于10％，则进行步骤5.4；若该偏差在2％～10％之间，则进行步骤5.5，若偏差小于2％，则进行步骤S5.6；
步骤5.4，根据加热温度和电力调压器输出功率对应值表输出电力调压器的控制电压，控制电力调压器的输出功率，进行步骤5.2；
步骤5.5，根据二输入二输出模糊控制器，分别控制电力调压器和补风阀门，进行步骤5.2；
步骤5.6，采取模糊自整定PID控制，控制电力调压器的输出功率，进行步骤5.2。
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