专利名称：超临界水处理系统中电加热器出口温度的控制方法
技术领域：
本发明涉及利用超临界水实现有机废水/城市污泥的无害化处理和资源化技术， 特别涉及一种超临界水处理系统中电加热器出口温度的控制方法。
背景技术：
超临界水(Supercritical Water，简称SCW)是指温度和压力均高于其临界点(T =374. 15P = 22. 12MPa)的特殊状态的水。超临界水兼具液态和气态水的性质，该状态下只有少量的氢键存在，介电常数近似于有机溶剂，具有高的扩散系数和低的粘度。有机物、氧气与SCW互溶，从而使非均相反应变为均相反应，大大减小了传质、传热阻力，且无机物特别是盐类在SCW中的溶解度极低，容易将其分离出来。有机物超临界水处理技术是利用SCW对有机物和氧化剂都是良好溶剂的特殊性质，在提供不同数量氧化剂的前提下有机物在SCW中进行均相反应，迅速、彻底地将有机物结构深度破坏，转化成无害的H2 (不添加氧化剂或添加少量氧化剂条件下)、(X)2和H2O等无害化的小分子化合物。超临界水处理技术包括超临界水氧化技术(简称SCW0)、超临界水部分氧化技术(简称SWP0)和超临界水气化技术(简称SCWG)。SCWO是利用水在超临界状态下所具有的特殊性质，使有机物和氧化剂在SCW中迅速发生氧化反应来彻底分解有机物，是以有机物无害化处理为终极目标。 SffPO是利用SCW的独特物理化学性质，在提供部分氧化剂的前提下，使有机物分解生成一种以氢气为主的可燃性气体。SCWG是利用SCW独特的物理化学性质，在不加氧化剂的条件下，有机物在超临界水中发生水解、热解等反应，生成一种以氢气为主的可燃性气体。SWPO 和SCWG均是以有机物转化产生氢气为终极目标。在有机物超临界水处理技术(具体超临界水处理系统、操作方法、控制方法可参考申请人在先的中国专利申请文献，申请号分别为200910022342. 2,200910022849.8, 200910024282. 8)中，物料需要在输运管路中被预热到一定温度后(通常利用反应后的热流体进行充分预热)，再进入超临界水处理反应器参与反应。因SWPO和SCWG总体上是吸热过程，所以维持整个反应过程需要额外补充热量。尽管SCWO总体上是放热过程，但当进料中有机物浓度低于时，维持正常的反应过程仍需额外补充热量。此外，在超临界水处理系统启动时，也需要向系统输入额外的热量以实现系统的正常启动。一般热量补充方式主要是向反应器中添加燃料，使用燃气炉加热进料或使用电加热器加热进料。因电加热器结构简单、功能高效，这种热量补充方式在小型超临界水处理系统应用较为广泛。针对大中型超临界水处理系统，需要根据工况及时调节和稳定反应器温度，以便满足反应条件和保证反应器安全性能。这特别需要实现电加热器出口温度的快速、稳定、准确控制，才能有效保证整个系统的热量稳定和平衡。因此，电加热器的出口温度是系统中非常重要的变量，但是由于电加热器自身的热惯性和热稳定性，尤其随着工况的改变，电加热器流体流量或者进口温度发生了变化，会造成电加热器功率负荷变化大，使准确控制电加热器出口温度难以实现。传统电加热器出口温度的控制一般采用单回路PID (比例-积分-微分)控制器，
3被控制的出口温度作为控制器的反馈值，控制输出信号送给执行机构即电加热器的功率给定装置。但是由于电加热器的蓄热特性(缓慢积蓄和释放热量)，会造成电加热器出口温度控制产生很大的滞后延迟。因此，此种控制方法会使电加热器出口温度的波动范围较大，一般在设定值的上下40 50°C范围波动，超调量过大，达到稳定调节时间很长。因此，大中型超临界水处理系统中电加热器出口温度的控制必须要对滞后的环节加以补偿处理，同时需要满足电加热器功率负荷变化大的特性。目前，高效控制大中型超临界水处理系统中电加热器出口温度的方法还未见有报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超临界水处理系统中电加热器出口温度的控制方法。为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的超临界水处理系统中电加热器出口温度的控制方法，其特征在于，包括如下步骤4)采用串级控制方式，电加热器出口温度作为主控制器的反馈值，且引入副控制器来直接控制电加热器炉膛的温度，炉膛温度作为副控制器的反馈值，主控制器的输出值作为副控制器的设定值，通过副控制器来控制电加热器功率输出，炉膛温度作为一个内环的控制变量来补偿调节的滞后性；5)将流体流量作为一个前馈引入到串级控制中，当流体流量发生变化时，流体流量信号直接作用于电加热器功率输出上，而不是经过主、副两级控制器的调节后再作用于电加热器功率输出上，从而尽快去除流体流量的变化对电加热器出口温度的控制所产生的扰动；6)将电加热器出口温度设定值与进口温度进行差值比较，根据计算得到不同流体流量、同一出口温度设定值条件下，以及同一流体流量、不同出口温度设定值条件下的所需的电加热器功率输出，拟合出下列四种不同适用条件的功率输出计算公式对整个控制输出进行限幅Y =108-0. 208X(1)
Y =154. 36-0. 104X⑵
Y =98.42-0. 191X⑶
Y =66.38-0. 160X⑷式中X是指电加热器进口温度，Y是指所需要的电加热器功率输出。上述方法中，所述式(1)适用的条件为流体流量100kg/h，出口温度设定值 460°C，进口温度变化范围20 460°C;式( 适用的条件为流体流量50kg/h，出口温度设定值460°C，进口温度变化范围20 460°C;式(3)适用的条件为流体流量100kg/h，出口温度设定值420°C，进口温度变化范围20 420°C;式(4)适用的条件为流体流量IOOkg/ h,出口温度设定值380°C，进口温度变化范围20 380°C。本发明通过上述控制方法改善了整个控制的动态品质，增强了控制的抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量，最终使大中型超临界水处理系统中电加热器在运行过程中能够快速、准确地实现出口温度的控制，如可以将大中型超临界水处理系统中电加热器的出口温度快速控制在设定值士 5°C以内。本发明控制方法同样适用于超临界水处理系统中其它位置电加热器出口温度的控制。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步详细说明。图1为超临界水处理系统的简化流程图。图2为图1中电加热器的结构示意图。图中1，铠装热电偶；2，流体进口 ；3，热电偶；4，热电偶；5，流体出口 ；6，电加热元件；7，保温材料；8，换热盘管；9，壳体；10，底座；11，顶盖。图3为本发明超临界水处理系统中电加热器出口温度控制方法的原理示意图。图4为图3方法的具体控制示意图。图中的符号含义如表1所示表1图4中各符号的含义
权利要求
1. 一种超临界水处理系统中电加热器出口温度的控制方法，其特征在于，包括如下步骤1)采用串级控制方式，电加热器出口温度作为主控制器的反馈值，且引入副控制器来直接控制电加热器炉膛的温度，炉膛温度作为副控制器的反馈值，主控制器的输出值作为副控制器的设定值，通过副控制器来控制电加热器功率输出，炉膛温度作为一个内环的控制变量来补偿调节的滞后性；2)将流体流量作为一个前馈引入到串级控制中，当流体流量发生变化时，流体流量信号直接作用于电加热器功率输出上，而不是经过主、副两级控制器的调节后再作用于电加热器功率输出上，从而尽快去除流体流量的变化对电加热器出口温度的控制所产生的扰动；3)将电加热器出口温度设定值与进口温度进行差值比较，根据计算得到不同流体流量、同一出口温度设定值条件下，以及同一流体流量、不同出口温度设定值条件下的所需的电加热器功率输出，拟合出下列四种不同适用条件的功率输出计算公式对整个控制输出进行限幅Y =108-0. 208X(1)Y =154. 36-0. 104X⑵Y =98.42-0. 191X⑶Y =66.38-0. 160X⑷式中X是指电加热器进口温度，Y是指所需要的电加热器功率输出。
2.如权利要求1所述的超临界水处理系统中电加热器出口温度的控制方法，其特征在于，所述式(1)适用的条件为流体流量100kg/h，出口温度设定值460°C，进口温度变化范围 20 460°C ；式(2)适用的条件为流体流量50kg/h，出口温度设定值460°C，进口温度变化范围 20 460 ；式(3)适用的条件为流体流量100kg/h，出口温度设定值420°C，进口温度变化范围 20 420 ；式(4)适用的条件为流体流量100kg/h，出口温度设定值380°C，进口温度变化范围 20 380O。
全文摘要
本发明涉及超临界水处理系统中电加热器出口温度的控制方法，其特征在于，采用串级调节方式，引入炉膛温度控制器作为副控制器来控制电加热器功率输出；通过引入内环的控制变量，并利用它构成负反馈回路；把流体流量作为一个前馈引入控制中，直接作用于电加热器功率输出上；将加热器进口温度与出口温度设定值进行差值比较，根据所需的功率拟合计算公式对整个控制输出进行限幅。本发明可有效克服电加热器的自身热惯性、进口温度变化、流体流量变化对电加热器出口温度控制的扰动，可以实现电加热器出口温度的快速、准确控制。
文档编号G05D23/30GK102176178SQ201110006069
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月12日 优先权日2011年1月12日
发明者公彦猛, 宋学博, 张洁, 徐东海, 王树众, 王玉珍, 葛忠全 申请人:西安交通大学, 陕西森和环保科技有限公司