超临界水处理系统反应器温度控制装置及其控制方法 技术领域 本发明涉及超临界水处理设备技术领域， 具体的说是一种超临界水处理系统反应 器温度控制装置及其控制方法。
背景技术 超临界水是指温度和压力均高于其临界点 (T ＝ 374.15℃， P ＝ 22.12MPa) 的特殊 状态的水。 超临界水处理技术是利用超临界水对有机物和氧化剂都是良好的溶剂的特殊性 质， 在提供不同数量氧化剂的前提下， 有机物在超临界水环境中进行均相反应， 迅速、 完全、 彻底地将有机物结构深度破坏， 转化成无害的 CO2、 H2( 不加入或少量加入氧化剂的条件下 ) 和 H2O 等无害的小分子化合物， 无机盐容易分离出来。超临界水处理技术包括超临界水氧 化技术、 超临界水部分氧化技术和超临界水气化技术， 后两者可以用来制取氢气。 超临界水 处理技术具有处理彻底、 反应速率快、 应用范围广、 环境友好等特性， 具有良好发展前景。
超临界水处理技术需要苛刻的反应条件， 温度一般要高于 450℃， 压力一般稳定在 25MPa 左右。 废有机物在超临界水中发生复杂的反应过程， 在超临界氧化过程中会放出大量 的热量， 而在超临界水气化和部分氧化过程中需要补充热量， 因此维持反应器中反应温度 的控制困难。维持稳定的反应温度对废有机物的无害化处理和资源化转化非常重要， 同时 也是超临界水处理反应器的正常和安全运行的前提。 现有的维持超临界水处理反应器温度 的方式是在辅助加热的前提下， 通过固定物料和氧化剂的进料量。使现有超临界水处理反 应器对物料的特性要求高， 适用范围窄， 自身自动调节性能较差， 影响了反应器的可靠持久 运行。发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处， 本发明要解决的技术问题是提供一种实现 反应器顶部温度的实时调节、 自动控制及反应器的安全可靠持久运行的超临界水处理系统 反应器温度控制装置及其控制方法。
为解决上述技术问题， 本发明采用的技术方案是 ：
本发明超临界水处理系统反应器温度控制装置包括控制单元、 温度变送器、 冷却 泵、 电动调节阀及加热器， 其中控制单元的采集信号输入端与设于临界水处理系统中反应 器顶部的温度变送器相连， 输出端接至冷却泵、 电动调节阀及加热器的控制回路 ； 所述电动 调节阀设于冷却泵的出口处。
所述控制单元包括中央处理器、 模拟量输入单元、 模拟量输出单元及数字量输出 单元， 其中中央处理器通过模拟量输入单元接有温度变送器， 中央处理器的输出端通过模 拟量输出单元接至加热器控制回路、 电动调节阀、 电动执行器以及冷却泵转速控制回路， 通 过数字量输出单元与冷却泵的启停控制回路以及电动调节阀的电动执行器相连。
所述加热器控制回路具有三相电力调整器， 其接收模拟量输出单元输出的控制信 号， 对加热器进行调功。所述控制单元以冗余对的形式组态， 单一运行， 自动切换。
本发明超临界水处理系统反应器温度控制方法包括以下步骤 ：
开始， 装置初始化， 设定反应器的温度控制值及电动调节阀的 PID 参数 ；
控制单元通过温度变送器采集反应器的温度 ；
判断反应器的温度是否高于设定值 ；
如果不高于设定值， 则控制单元进行 PID 运算并输出控制信号， 减小反应器冷却 水的进水流量 ；
判断反应器的温度是否低于设定值， 且反应器冷却水的进水流量是否为 0 ；
如果反应器的温度低于设定值， 且反应器冷却水的进水流量为 0， 则 PID 运算并输 出控制信号， 增大加热器的加热功率 ；
返回判断反应器的温度是否高于设定值步骤 ；
如果反应器的温度低于设定值， 反应器冷却水的进水流量为 0 中有一个条件未满 足， 则返回判断与设定值的大小步骤。
如果反应器的温度高于设定值， 则控制单元进行 PID 运算并输出控制信号， 降低 加热器的加热功率 ；
接续判断反应器的温度是否高于设定值， 且加热器是否停止 ；
当判断反应器的温度高于设定值， 且加热器停止时， 启动冷却泵， 为反应器补入冷 却水， 控制单元同时进行 PID 运算并输出控制信号， 增加反应器冷却水的进水流量 ；
当反应器的温度高于反应器顶部临界温度时， 反应器超温报警 ；
如果反应器的温度没有达到反应器顶部临界温度， 则返回判断反应器的温度是否 高于设定值步骤。
如果反应器的温度高于设定值、 加热器停止中有一个条件未满足， 则返回判断反 应器的温度是否高于设定值步骤。
本发明具有以下有益效果及优点 ：
1. 本发明解决了响应缓慢的温度回路， 整定控制参数困难的问题。
2. 本发明不需要建立被控温度的数学模型， 有较强的灵活性和适应性。 附图说明
图 1 为本发明超临界水处理反应器顶部流体温度的控制思路图 ； 图 2 为本发明超临界水处理系统反应器温度控制装置结构框图 ； 图 3 为本发明装置采用的控制方法流程图。具体实施方式
如图 1 所示， 为超临界水处理反应器顶部流体温度的控制思路图。 1 为第 1 电动调 节阀， 2 为加热器， 3 为混合器， 4 为反应器， 5 为冷却器， 6 为背压阀， 7 为第 2 电动调节阀， 8 为手动调节阀， 9 为水箱， 10 为冷却泵， 11 为第 3 电动调节阀， 12 为蒸发壁水。
超临界水处理反应器的工作流程如下 ：
废有机物物料经过加热器 2 预热后， 与氧气在混合器 3 中充分混合后， 再进入反应 器 4 进行脱盐和反应。 洁净的蒸发壁水进入反应器 4， 在多孔蒸发壁的内表面处形成一层保护性水膜， 避免反应器的盐沉积和腐蚀问题。反应后的洁净流体从反应器 4 的顶部出口流 出， 分别经过冷却器 5 冷却和背压阀 6 降压后， 再进行后续的气液分离等处理过程。反应流 体在反应器 4 中利用超临界水的特性进行脱盐处理， 含盐流体通过反应器 4 的底部出口流 出， 再进行后续的处理过程。
启动冷却泵 10， 通过调节第 2 电动调节阀 7 的开度， 冷却水从水箱 9 进入反应器 4， 使反应器 4 顶部流体温度 TIC(1) 稳定在设定范围内。
本发明针对超临界水处理反应器提供一套过程控制系统 PCS7， 通过 PID 算法实现 反应器顶部温度的实时调节， 实现自动控制， 保证废有机物超临界水无害化处理和资源化 利用效果及反应器的安全可靠持久运行。
如图 2 所示， 本发明超临界水处理系统反应器温度控制装置包括控制单元、 温度 变送器 TIC(1)、 冷却泵 10、 第 2 电动调节阀 7 及加热器 2， 其中控制单元的采集信号输入端 与设于临界水处理系统中反应器 4 顶部的温度变送器 TIC(1) 相连， 输出端接有冷却泵 10、 各个电动阀及加热器 2 的控制回路。
所述控制单元采用包括中央处理器、 模拟量输入单元、 模拟量输出单元及数字量 输出单元， 其中中央处理器通过模拟量输入单元接有温度变送器 TIC(1)， 输出端通过模拟 量输出单元接至加热器控制回路、 各电动阀控制回路以及冷却泵 10 转速控制回路， 通过数 字量输出单元与冷却泵 10 的启停控制回路以及电动阀中截止阀的电动执行器控制回路相 连 ( 阀头控制回路为模拟量控制 )。 所述控制单元以冗余对的形式组态， 单一运行， 自动切换。
所述加热器控制回路具有三相电力调整器， 其接收模拟量输出单元输出的控制信 号， 对加热器进行调功。
所述第 2 电动调节阀 7 设于冷却泵 10 的出口处， 通过调节第 2 电动调节阀 7 的开 度调整进入反应器 4 中的冷却水的流量， 使反应器 4 顶部流体温度 TIC1 稳定在设定范围 内。
如图 3 所示， 本发明一种超临界水处理系统反应器温度控制装置的控制方法包括 以下步骤 ：
开始， 装置初始化设定反应器的温度控制值及电动调节阀的 PID 参数 ；
控制单元通过温度变送器 TIC(1) 采集反应器 4 温度 ；
判断反应器 4 顶部的温度是否高于设定值 ；
如果不高于设定值， 则控制单元进行 PID 运算并输出控制信号， 减小第 2 电动调节 阀 7 的开度， 以此来减少反应器冷却水的进水流量 ；
判断反应器 4 的温度是否低于设定值， 且第 2 电动调节阀 7 的开度 ( 反应器冷却 水的进水流量 ) 是否为 0 ；
如果反应器 4 的温度低于设定值， 且第 2 电动调节阀 7 的开度为 0， 则控制单元进 行 PID 运算并输出控制信号， 增大加热器 2 的加热功率 ；
返回判断反应器 4 的温度 (TIC(1) 值 ) 是否高于设定值步骤。
如果反应器 4 的温度低于设定值且第 2 电动调节阀 7 的开度不为 0 中有一个条件 未满足， 则返回判断反应器 4 的温度 (TIC(1) 值 ) 是否高于设定值步骤。
如果反应器 4 的温度高于设定值， 则控制单元进行 PID 运算并输出控制信号， 降低
加热器 9 的加热功率 ；
接续判断反应器 4 的温度是否高于设定值， 且加热器 2 是否停止 ；
当反应器 4 的温度高于设定值， 且加热器 2 停止时， 启动冷却泵 10， 为反应器 4 补 入冷却水， 控制单元同时进行 PID 运算并输出控制信号， 增加第 2 电动调节阀 7 的开度， 以 此来增大反应器冷却水的进水流量 ；
当反应器 4 的温度高于临界温度 ( 本实施例中工艺流程设定为 552℃ ) 时， 反应器 4 超温报警。
如果反应器 4 的温度没有达到临界温度， 则返回判断反应器 4 的温度是否高于设 定值步骤。
如果反应器 4 的温度高于设定值且加热器 9 停止中有一个条件未满足， 则返回判 断反应器 4 的温度是否高于设定值步骤。
本发明针对超临界水处理反应器提供一套过程控制系统 PCS7， 通过 PID 算法实现 反应器顶部温度的实时调节， 实现自动控制， 保证废有机物超临界水无害化处理和资源化 利用效果及反应器的安全可靠持久运行。
本实施例中控制单元采用西门子 S7-400H 冗余系统， 通过 SFB/FB″ CONT_C″ ( 连 续控制器 ) 在 SIMATIC S7 可编程逻辑控制器上使用， 通过持续的输入和输出变量来控制工 艺过程。在参数分配期间， 可以通过激活或取消激活 PID 控制器的子功能使控制器适应过 程的需要。 S7-400H 标准系统上可实施 “SIMATIC S7 软件冗余” 软件包， 以控制容许在出现故 障时经数秒延迟切换到替代系统的过程， 如供水工程、 水处理系统或运输流量控制过程。
S7-400H 是容错自动化系统， 只有在其它措施配合下控制安全相关过程时才需要 使用。两个 CPU 是冗余系统的核心组件， 以双通道结构进行操作， 冗余的实现方式为 “硬冗 余” ， 冗余的切换方式为 “热冗余” 。冗余状态下主备 CPU 具有相同的用户程序， 并通过西门 子的 “事件驱动的同步” 方法同步执行程序。一旦可能导致主备站的内部单元状态不同的 事件发生时， 例如对 I/O 直接访问的事件， 将由操作系统自动同步它们的数据。
冗余系统在正常状态下， 主备 CPU 同时参与程序处理和数据运算， 不同之处是备 用 CPU 不输出控制信号。 如果发生主站故障将进行无扰动主备 CPU 切换， 从中断点处由备用 CPU 接替生产过程的控制， 并处于单机工作状态。CPU 无切换时间， 系统切换时间主要取决 于网络的切换时间， 该段时间内输出保持切换前的输出状态， 切换期间无信息或报警 / 中 断丢失。对于其它公司的同类产品， 一般 CPU 切换时间达到毫秒级， 只要切换时间小于 I/O 延迟时间和报警 / 中断检测时间， 便可以保证在切换期间无信号丢失。
PCS7 过程控制系统能满足对一流自动化系统在可用性、 智能度和分布式输出方面 的较高要求。系统提供了过程数据采集和准备所需的所有功能， 其中包括装配和设备的开 环回路控制、 闭环回路控制及监视功能。