申请日2010.04.09
公开(公告)日2011.10.12
IPC分类号C02F1/72; G05B19/418
摘要
本发明涉及一种超临界水处理控制系统及其控制方法，包括控制单元、模拟信号采集单元、数字信号采集单元以及现场执行装置，其中控制单元为系统的控制核心，其输入端接有模拟信号采集单元和数字信号采集单元的现场信号，控制单元的输出端与现场执行装置相连;控制单元以冗余对的形式组态，单一运行，自动切换;所述控制单元通过以太网与上位机进行通讯连接;方法包括超临界水处理系统的启动过程、停止过程、反应器顶部超压保护过程以及混合器承压壁、反应器顶盖和承压筒体的温度超温保护过程。本发明提高了自动化控制程度，极大地减少了人工劳动强度和人员数量，进一步降低了运行成本;软件中应用了数字信号处理技术，使其具有优良的抗干扰能力和零点稳定性。
权利要求书
1.一种超临界水处理控制系统，其特征在于：包括控制单元、模拟信号采集单元、数字信号采集单元以及现场执行装置，其中控制单元为系统的控制核心，其输入端接有模拟信号采集单元和数字信号采集单元的现场信号，控制单元的输出端与现场执行装置相连;控制单元以冗余对的形式组态，单一运行，自动切换;所述控制单元通过以太网与上位机进行通讯连接。
2.按权利要求1所述的超临界水处理控制系统，其特征在于：所述控制单元以冗余对的形式组态具体为：所有冗余组件的参数除MPI和通讯地址以外完全相同，只有编辑控制单元中的主CPU的参数，该参数自动分配给控制单元中的备用CPU，除CPU的MPI地址，CPU名、设备标识、位置ID外，CPU的设置不能更改;在I/O地址空间中组态被寻址的模块。
3.按权利要求1所述的超临界水处理控制系统，其特征在于：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、数字量输入单元以及数字量输出单元，其中中央处理器通过模拟量输入单元接有模拟信号采集单元，中央处理器通过数字量输入单元接有数字信号采集单元，中央处理器的输出端通过模拟量输出单元和数字信号采集单元接至现场执行装置。
4.按权利要求1所述的超临界水处理控制系统，其特征在于：所述模拟信号采集单元包括压力变送器、温度变送器、流量变送器、液位变送器以及压差变送器。
5.按权利要求1所述的超临界水处理控制系统，其特征在于：所述数字信号采集单元采集的信号包括检测各类泵的变频器的运行状态信号、急停信号、电源检测信号以及本地及远程控制切换信号。
6.按权利要求1所述的超临界水处理控制系统，其特征在于：所述现场执行装置包括与控制单元的模拟量输出单元相连的电动调节阀、电动截止阀、背压阀、变频器以及加热器控制装置;现场执行装置包括与控制单元的数字量输出单元相连的电动截止阀、变频器。
7.一种超临界水处理控制系统的控制方法，其特征在于：包括超临界水处理系统的启动过程、停止过程、反应器顶部超压保护过程以及混合器承压壁、反应器顶盖和承压筒体的温度超温保护过程，其中超临界水处理系统的启动过程包括以下步骤：
开始，系统初始化，设定各类控制参数;
打开第1、2、3、4、18、22、24电动截止阀及第1、2、3背压阀;
打开第21电动截止阀，注满集液箱后关闭第21电动截止阀;
将第2～4泵以最大频率启动;
启动第1、2加热器9、22;
启动控制系统进行充水排气;
设置第1、2低压气液分离器液位的设定值，自动控制第16、12电动调节阀开度;设定第3、4、5泵的流量，自动控制第3、4、5泵的转速;设定第1背压阀的前流量，自动控制第9电动调节阀的开度，然后关闭第12电动调节阀，维持第5、9电动调节阀开度不变;
设置反应器压力，自动控制第1、2背压阀的开度;
手动打开第15电动截止阀，关闭第11、13电动截止阀;
判断套管式换热器23内管出口流体温度是否大于规定温度;
当套管式换热器23内管出口流体温度大于规定温度时，启动高压气液分离器26进口流体的温度自动控制及第1泵的自动控制;
判断脱盐除渣装置11中的流体温度是否大于规定温度;
当脱盐除渣装置11中的流体温度大于规定温度时，打开第11、13电动截止阀，关闭第15电动截止阀;
启动混合器和反应器承压器壁、反应器底部流体、脱盐除渣装置内部流体的温度自动控制;
判断反应器顶部温度是否大于设定值或反应器顶部温度是否大于最高设定温度;
判断反应器顶部温度于设定值或反应器顶部温度大于最高设定温度时，打开第6、20电动截止阀，关闭第7电动截止阀;
启动反应器顶部流体温度、反应器压力的自动控制;
设定氧气总管路的流量，自动控制第1电动调节阀的开度;设定氧气分支管路的流量，自动控制第2电动调节阀的开度;
设置集液箱出口管道的PH值，自动控制第11电动调节阀的开度;
打开第13电动调节阀、第19电动截止阀。
8.按权利要求7所述的超临界水处理控制方法，其特征在于：所述超临界水处理系统的停止过程包括以下步骤：
打开第7电动截止阀，关闭第20、6电动截止阀;
系统正常运行规定时间;
关闭减压阀和第1电动调节阀及其自动控制功能，停止氧气流量控制，关闭第2电动调节阀;
停止第1、2加热器及其自动控制;
启动停机冷却降温控制，停止反应器顶部流体的温度和压力控制;
判断反应器顶部的流体温度TIC(11)是否小于最高设定温度;
当反应器顶部的流体温度低于最高设定温度时，停止混合器和的应器承压壁的温度控制、脱盐除渣装置内部流体的温度控制及反应器低部出口流量控制;
维持第5、6、7、8、3、14、15电动调节阀的开度不变，关闭第9电动调节阀和第12电动截止阀;
判断反应器底部的流体温度TlC(8)是否小于规定温度;
当反应器底部的流体温度TlC(8)小于规定温度时，停止混合器和反应器承压壁底部流体的温度控制，且第3泵的流量维持不变;
关闭第11、17、16、12电动调节阀及其自动控制;
判断反应器顶部的流体温度TlC(11)是否小于规定温度;
当反应器顶部的流体温度TIC(11)小于规定温度时，关闭第11、17、16、12电动调节阀及其自动控制;
判断反应器顶部压力PIC(6)是否小于规定压力;
当反应器顶部压力PIC(6)小于规定压力时，打开第17电动截止阀、关闭第23电动截止阀以及第11电动截止阀，保持规定时间后打开第16电动截止阀，关闭第17电动截止阀，保持规定时间后，打开第23、11电动截止阀，关闭第16电动截止阀;
停止第2、3、4泵。
9.按权利要求8所述的超临界水处理控制方法，其特征在于：
当反应器顶部压力不小于规定压力时，继续判断反应器顶部压力是否小于规定压力;
或者当反应器顶部的流体温度不小于规定温度时，继续判断反应器顶部的流体温度是否小于规定温度;
或者当反应器底部的流体温度不小于规定温度时，继续判断当反应器底部的流体温度是否小于规定温度;
或者当判断反应器顶部的流体温度不小于最高设定温度时，继续判断反应器顶部的流体温度是否小于规定温度。
10.按权利要求7所述的超临界水处理控制方法，其特征在于：反应器顶端超压保护过程如下：
当反应器顶部压力PIC(6)大于规定压力时，打开第7电动截止阀64，关闭第20、6电动截止阀;
停止第2泵且维持第6、7、8电动调节阀开度不变，维持第3、4泵流量不变;
停止第1、2加热器及其自动控制;同时设置第1加热器出口压力的设定值，自动控制第4电动截止阀的开度，关闭第10电动截止阀，启动第2泵;
停止减压阀、第1电动调节阀，停止第1泵及其自动控制，停止氧气流量自动控制，关闭第2电动调节阀;
启动停机冷却降温控制，停止反应器顶部流体的温度和压力控制;
判断反应器顶部的流体温度TlC(11)是否小于最高设定温度;
当反应器顶部的流体温度TIC(11)小于最高设定温度时，停止混合器和反应器承压壁的温度自动控制、脱盐除渣装置内部流体的温度自动控制以及反应器底部出口流量自动控制;
维持第5、6、7、8、3、14、15电动调节阀的开度不变，关闭第9电动调节阀和第12电动截止阀;
判断反应器底部的流体温度TIC(8)是否小于规定温度;
当反应器底部的流体温度TIC(8)小于规定温度时，停止混合器和反应器承压壁底部流体的温度控制，且第3泵的流量维持不变;
判断反应器顶部的流体温度TIC(11)是否小于规定温度;
当反应器顶部的流体温度TIC(11)小于规定温度时，关闭第11、17、16、12电动调节阀及其自动控制;
判断反应器顶部压力PIC(6)是否小于规定压力，同时判断第1加热器出口处壁温TIC(1)是否小于规定温度;
当反应器顶部压力PIC(6)小于规定压力且第1加热器出口处壁温TIC(1)小于规定温度时，停止第2泵，打开第10电动截止阀，关闭第4电动截止阀;
打开第17电动截止阀、关闭第23电动截止阀，保持规定时间后打开第16电动截止阀，关闭第17电动截止阀，保持规定时间后，打开第23、11电动截止阀，关闭第16电动截止阀;
在上位机上提示系统故障，需手动排除。
11.按权利要求7所述的超临界水处理控制方法，其特征在于：混合器承压壁、反应器顶盖和承压筒体的温度超温保护过程如下：
判断混合器承压壁、反应器顶盖和承压筒体的温度TIC(2)、TIC(3)或TIC(4)中是否至少有一个温度大于规定温度;
当上述判断结果为是时，打开第7电动截止阀，关闭第20、6电动截止阀;
停止第1、2加热器及其自动控制;
关闭减压阀和第1电动调节阀及其自动控制功能，停止第1泵及其控制，停止氧气流量控制，关闭第2电动调节阀;
启动停机冷却降温控制，停止反应器顶部流体的温度和压力控制;同时设置第1加热器9出口压力的设定值，自动控制第4电动调节阀43的开度，关闭第17电动截止阀74;
判断反应器顶部的流体温度TIC(11)是否小于最高设定温度;
当反应器顶部的流体温度TIC(11)小于最高设定温度时，停止混合器和反应器承压壁的温度自动控制、脱盐除渣装置11内部流体的温度自动控制以及反应器底部出口流量自动控制;
维持第5、6、7、8、3、14、15电动调节阀的开度不变，关闭第9电动调节阀和第12电动截止阀;
判断反应器底部的流体温度TIC(8)是否小于规定温度;
当反应器底部的流体温度TIC(8)小于规定温度时，停止混合器和反应器承压壁底部流体的温度控制，且第3泵的流量维持不变;
判断反应器顶部的流体温度TIC(11)是否小于规定温度;
当反应器顶部的流体温度TIC(11)小于规定温度时，关闭第11、17、16、12电动调节阀及其自动控制;
判断反应器顶部压力PIC(6)是否小于规定压力且第1加热器9出口处壁温TIC(1)是否小于规定温度;
当反应器顶部压力PIC(6)小于规定压力且第1加热器出口处壁温TIC(1)小于规定温度时，停止第2泵，打开第10电动截止阀，关闭第4电动截止阀61;
打开第17电动截止阀、关闭第23电动截止阀，保持规定时间后打开第16电动截止阀，关闭第17电动截止阀，保持规定时间后，打开第11、23电动截止阀，关闭第16电动截止阀;
关闭第3、4泵。
说明书
超临界水处理控制系统及其控制方法
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控制系统及其控制方法。
背景技术
超临界水是指在温度和压力分别超过临界状态温度374℃和临界压力22MPa时水处于超临界状态。由于超临界水对有机物和氧气都是极好的溶剂，临界水氧化法可用于各种有毒有害废水、废物的处理，对于大多数难降解有机物均能有很高去除率。有试验表明，有机碳含量在27000～33000mg/L之间的有机废水经超临界水氧化法处理，有机碳的破坏率超过99.97%，并且所有有机物都转化为二氧化碳和无机物。
现有的超临界水处理装置为，由人工控制，自动化程度低，控制系统的安全性、可靠性不高，系统性能不稳定，并且需要大量的操作人员，停机率比较高，无论停机原因是出错/故障还是实施维护，生产停机时间越长，停机时间的成本越高，因此有必要对超临界水处理装置进行改进，使用容错系统，以降低其停机时间。而目前可对超临界水处理装置实施自动控制的具有容错功能的控制系统尚未见报道。
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可对超临界水处理装置实施自动控制的具有容错功能的超临界水处理控制系统及其控制方法。
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控制系统包括控制单元、模拟信号采集单元、数字信号采集单元以及现场执行装置，其中控制单元为系统的控制核心，其输入端接有模拟信号采集单元和数字信号采集单元的现场信号，控制单元的输出端与现场执行装置相连;控制单元以冗余对的形式组态，单一运行，自动切换;所述控制单元通过以太网与上位机进行通讯连接。
所述控制单元以冗余对的形式组态具体为：所有冗余组件的参数除MPI和通讯地址以外完全相同，只有编辑控制单元中的主CPU的参数，该参数自动分配给控制单元中的备用CPU，除CPU的MPI地址，CPU名、设备标识、位置ID外，CPU的设置不能更改;在I/O地址空间中组态被寻址的模块。
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、数字量输入单元以及数字量输出单元，其中中央处理器通过模拟量输入单元接有模拟信号采集单元，中央处理器通过数字量输入单元接有数字信号采集单元，中央处理器的输出端通过模拟量输出单元和数字信号采集单元接至现场执行装置。
所述模拟信号采集单元包括压力变送器、温度变送器、流量变送器、液位变送器以及压差变送器。
所述数字信号采集单元采集的信号包括检测各类泵的变频器的运行状态信号、急停信号、电源检测信号以及本地及远程控制切换信号。
所述现场执行装置包括与控制单元的模拟量输出单元相连的电动调节阀、电动截止阀、背压阀、变频器以及加热器控制装置;现场执行装置包括与控制单元的数字量输出单元相连的电动截止阀、变频器。
本发明超临界水处理控制系统的控制方法包括超临界水处理系统的启动过程、停止过程、反应器顶部超压保护过程以及混合器承压壁、反应器顶盖和承压筒体的温度超温保护过程，其中超临界水处理系统的启动过程包括以下步骤：
开始，系统初始化，设定各类控制参数;
打开第1、2、3、4、18、22、24电动截止阀及第1、2、3背压阀;
打开第21电动截止阀，注满集液箱后关闭第21电动截止阀;
将第2～4泵以最大频率启动;
启动第1、2加热器9、22;
启动控制系统进行充水排气;
设置第1、2低压气液分离器液位的设定值，自动控制第16、12电动调节阀开度;设定第3、4、5泵的流量，自动控制第3、4、5泵的转速;设定第1背压阀的前流量，自动控制第9电动调节阀的开度，然后关闭第12电动调节阀，维持第5、9电动调节阀开度不变;
设置反应器压力，自动控制第1、2背压阀的开度;
手动打开第15电动截止阀，关闭第11、13电动截止阀;
判断套管式换热器23内管出口流体温度是否大于规定温度;
当套管式换热器23内管出口流体温度大于规定温度时，启动高压气液分离器26进口流体的温度自动控制及第1泵的自动控制;
判断脱盐除渣装置11中的流体温度是否大于规定温度;
当脱盐除渣装置11中的流体温度大于规定温度时，打开第11、13电动截止阀，关闭第15电动截止阀;
启动混合器和反应器承压器壁、反应器底部流体、脱盐除渣装置内部流体的温度自动控制;
判断反应器顶部温度是否大于设定值或反应器顶部温度是否大于最高设定温度;
判断反应器顶部温度于设定值或反应器顶部温度大于最高设定温度时，打开第6、20电动截止阀，关闭第7电动截止阀;
启动反应器顶部流体温度、反应器压力的自动控制;
设定氧气总管路的流量，自动控制第1电动调节阀的开度;设定氧气分支管路的流量，自动控制第2电动调节阀的开度;
设置集液箱出口管道的PH值，自动控制第11电动调节阀的开度;
打开第13电动调节阀、第19电动截止阀。
所述超临界水处理系统的停止过程包括以下步骤：
打开第7电动截止阀，关闭第20、6电动截止阀;
系统正常运行规定时间;
关闭减压阀和第1电动调节阀及其自动控制功能，停止氧气流量控制，关闭第2电动调节阀;
停止第1、2加热器及其自动控制;
启动停机冷却降温控制，停止反应器顶部流体的温度和压力控制;
判断反应器顶部的流体温度TIC(11)是否小于最高设定温度;
当反应器顶部的流体温度低于最高设定温度时，停止混合器和的应器承压壁的温度控制、脱盐除渣装置内部流体的温度控制及反应器低部出口流量控制;
维持第5、6、7、8、3、14、15电动调节阀的开度不变，关闭第9电动调节阀和第12电动截止阀;
判断反应器底部的流体温度TIC(8)是否小于规定温度;
当反应器底部的流体温度TIC(8)小于规定温度时，停止混合器和反应器承压壁底部流体的温度控制，且第3泵的流量维持不变;
关闭第11、17、16、12电动调节阀及其自动控制;
判断反应器顶部的流体温度TIC(11)是否小于规定温度;
当反应器顶部的流体温度TIC(11)小于规定温度时，关闭第11、17、16、12电动调节阀及其自动控制;
判断反应器顶部压力PIC(6)是否小于规定压力;
当反应器顶部压力PIC(6)小于规定压力时，打开第17电动截止阀、关闭第23电动截止阀以及第11电动截止阀，保持规定时间后打开第16电动截止阀，关闭第17电动截止阀，保持规定时间后，打开第23、11电动截止阀，关闭第16电动截止阀;
停止第2、3、4泵;
当反应器顶部压力不小于规定压力时，继续判断反应器顶部压力是否小于规定压力;
或者当反应器顶部的流体温度不小于规定温度时，继续判断反应器顶部的流体温度是否小于规定温度;
或者当反应器底部的流体温度不小于规定温度时，继续判断当反应器底部的流体温度是否小于规定温度;
或者当判断反应器顶部的流体温度不小于最高设定温度时，继续判断反应器顶部的流体温度是否小于规定温度。
反应器顶端超压保护过程如下：
当反应器顶部压力PIC(6)大于规定压力时，打开第7电动截止阀64，关闭第20、6电动截止阀;
停止第2泵且维持第6、7、8电动调节阀开度不变，维持第3、4泵流量不变;
停止第1、2加热器及其自动控制;同时设置第1加热器出口压力的设定值，自动控制第4电动截止阀的开度，关闭第10电动截止阀，启动第2泵;
停止减压阀、第1电动调节阀，停止第1泵及其自动控制，停止氧气流量自动控制，关闭第2电动调节阀;
启动停机冷却降温控制，停止反应器顶部流体的温度和压力控制;
判断反应器顶部的流体温度TIC(11)是否小于最高设定温度;
当反应器顶部的流体温度TIC(11)小于最高设定温度时，停止混合器和反应器承压壁的温度自动控制、脱盐除渣装置内部流体的温度自动控制以及反应器底部出口流量自动控制;
维持第5、6、7、8、3、14、15电动调节阀的开度不变，关闭第9电动调节阀和第12电动截止阀;
判断反应器底部的流体温度TIC(8)是否小于规定温度;
当反应器底部的流体温度TIC(8)小于规定温度时，停止混合器和反应器承压壁底部流体的温度控制，且第3泵的流量维持不变;
判断反应器顶部的流体温度TIC(11)是否小于规定温度;
当反应器顶部的流体温度TIC(11)小于规定温度时，关闭第11、17、16、12电动调节阀及其自动控制;
判断反应器顶部压力PIC(6)是否小于规定压力，同时判断第1加热器出口处壁温TIC(1)是否小于规定温度;
当反应器顶部压力PIC(6)小于规定压力且第1加热器出口处壁温TIC(1)小于规定温度时，停止第2泵，打开第10电动截止阀，关闭第4电动截止阀;
打开第17电动截止阀、关闭第23电动截止阀，保持规定时间后打开第16电动截止阀，关闭第17电动截止阀，保持规定时间后，打开第23、11电动截止阀，关闭第16电动截止阀;
在上位机上提示系统故障，需手动排除。
混合器承压壁、反应器顶盖和承压筒体的温度超温保护过程如下：
判断混合器承压壁、反应器顶盖和承压筒体的温度TIC(2)、TIC(3)或TIC(4)中是否至少有一个温度大于规定温度;
当上述判断结果为是时，打开第7电动截止阀，关闭第20、6电动截止阀;
停止第1、2加热器及其自动控制;
关闭减压阀和第1电动调节阀及其自动控制功能，停止第1泵及其控制，停止氧气流量控制，关闭第2电动调节阀;
启动停机冷却降温控制，停止反应器顶部流体的温度和压力控制;同时设置第1加热器9出口压力的设定值，自动控制第4电动调节阀43的开度，关闭第17电动截止阀74;
判断反应器顶部的流体温度TIC(11)是否小于最高设定温度;
当反应器顶部的流体温度TIC(11)小于最高设定温度时，停止混合器和反应器承压壁的温度自动控制、脱盐除渣装置11内部流体的温度自动控制以及反应器底部出口流量自动控制;
维持第5、6、7、8、3、14、15电动调节阀的开度不变，关闭第9电动调节阀和第12电动截止阀;
判断反应器底部的流体温度TIC(8)是否小于规定温度;
当反应器底部的流体温度TIC(8)小于规定温度时，停止混合器和反应器承压壁底部流体的温度控制，且第3泵的流量维持不变;
判断反应器顶部的流体温度TIC(11)是否小于规定温度;
当反应器顶部的流体温度TIC(11)小于规定温度时，关闭第11、17、16、12电动调节阀及其自动控制;
判断反应器顶部压力PIC(6)是否小于规定压力且第1加热器9出口处壁温TIC(1)是否小于规定温度;
当反应器顶部压力PIC(6)小于规定压力且第1加热器出口处壁温TIC(1)小于规定温度时，停止第2泵，打开第10电动截止阀，关闭第4电动截止阀61;
打开第17电动截止阀、关闭第23电动截止阀，保持规定时间后打开第16电动截止阀，关闭第17电动截止阀，保持规定时间后，打开第11、23电动截止阀，关闭第16电动截止阀;
关闭第3、4泵。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明整个设计框架着眼于可靠性、稳定性、高精度和智能化，满足工业现场应用之需求，提高了自动化控制程度，极大地减少了人工劳动强度和人员数量，进一步降低了运行成本;软件中应用了数字信号处理技术，使其具有优良的抗干扰能力和零点稳定性。
