PL207110B1

PL207110B1 - Regeneracyjny utleniacz termiczny i sposób działania regeneracyjnego utleniacza termicznego

Info

Publication number: PL207110B1
Application number: PL361747A
Authority: PL
Inventors: Michael G. Tesar; Andreas C.H. Ruhl; Steven J. Zagar
Original assignee: Megtec Systems
Priority date: 2000-12-13
Filing date: 2001-12-07
Publication date: 2010-11-30
Also published as: CA2429023C; JP3987797B2; CZ20031920A3; US20050260103A1; NO20032359L; AU3081902A; JP2004516442A; DE60143953D1; EP1342142B1; ATE497199T1; EP1342142A1; MXPA03005172A; NO20032359D0; EP1342142A4; WO2002048814A1; CA2429023A1; AU2002230819B2; US7033544B2; PL361747A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest regeneracyjny utleniacz termiczny i sposób działania regeneracyjnego utleniacza termicznego.

Znana i stosowana jest kontrola i/lub eliminacja niepożądanych zanieczyszczeń i produktów ubocznych pochodzenia technologicznego. Jedynym z tradycyjnych sposobów eliminacji lub przynajmniej zmniejszenia ilości substancji zanieczyszczających środowisko jest utlenianie ich poprzez spopielanie. Spopielanie następuje wtedy, gdy zanieczyszczone powietrze zawierające wystarczającą ilość tlenu zostanie ogrzane do wystarczająco wysokiej temperatury na wystarczająco długi czas dla przekształcenia niepożądanych składników w nieszkodliwie gazy, na przykład dwutlenek węgla i parę wodną.

Wobec wysokiego kosztu paliwa potrzebnego do wytworzenia żądanego ciepła dla spopielenia korzystny jest maksymalnie możliwy odzysk ciepła. Z opisu patentowego USA Nr 3,870,474 pisano regeneracyjny utleniacz termiczny zawierający trzy regeneratory, z których dwa pracują przez określony czas, podczas gdy do trzeciego doprowadza się małą ilość czyszczonego powietrza płuczącego w celu usunię cia nie uzdatnionego lub zanieczyszczonego powietrza i odprowadza je do komory spalania, gdzie następuje utlenienie zanieczyszczeń. Po wykonaniu pierwszego cyklu następuje odwrócenie przepływu zanieczyszczonego powietrza przez regenerator, przy czym z regeneratora uprzednio usunięto oczyszczone powietrze w celu wstępnego ogrzania zanieczyszczonego powietrza podczas przejścia poprzez regenerator przed spopieleniem w komorze spalania. W ten sposób następuje odzysk ciepła.

W opisie patentowym USA Nr 4,302,426 ujawniono termo regeneracyjny system ograniczający ilość zanieczyszczeń powstających w procesach przemysłowych, który reguluje nadmierne temperatury w wysokotemperaturowym spopielaniu lub w strefie spalania. W układzie mierzy się temperaturę w strefie spalania i po dojś ciu do ustalonej wysokiej temperatury gazy normalnie przechodzą ce poprzez złoże wymiennika ciepła bocznikuje się wokół tego złoża, po czym łączy z innymi gazami wcześniej ochłodzonymi w wyniku ich normalnego przejścia poprzez złoże wymiennika ciepła, i odprowadza się do atmosfery.

Regeneracyjne utlenianie termiczne stosuje się wtedy, gdy stężenie lotnych związków organicznych (VOC's) w zanieczyszczonych gazach procesowych pozostaje poza granicami wybuchowości VOC's w przetwarzanym gazie. Jeżeli równocześnie stężenie lotnych związków VOC's, nazywane również parametrem gęstości energii, występuje poniżej poziomu samo podtrzymania, dla zachowania ich termicznego utleniania dodatkową energię może dostarczyć palnik lub inne urządzenie grzewcze. Do ogrzania zanieczyszczonego gazu procesowego w większości zużywa się kontrolowaną zawartość energii. W rezultacie, poprzez wyeliminowanie działania palnika lub innych urządzeń grzewczych uzyskano dwie korzyści: wzrasta sprawność energetyczna układu, ponieważ nie jest wymagane dodawanie powietrza spalania i jego ogrzewanie; oraz zmniejszono lub wyeliminowano potencjał generowania szkodliwych gazów (N0x), jakie mogą powstawać wewnątrz płomienia palników.

Zazwyczaj, w wyniku pomiarów temperatury wewnątrz złóż wymiennika ciepła i ponadto przez porównanie zmierzonej temperatury z wartością zadaną następuje detekcja zapotrzebowania dodatkowego paliwa. Następnie, stosownie do różnicy temperatur układ kontrolny ustawia wielkość wytrysku potrzebnego paliwa dla zwiększenia gęstości energii strumienia powietrza do utleniacza.

Takie podejście będzie możliwe, dopóki egzotermiczna energia dodatkowego paliwa służy wyłącznie do podtrzymania termicznego utleniania. Jednakże sposób ten wymaga udoskonalenia, jeśli zachodzi potrzeba zwiększenia ilości paliwa dla utrzymania termicznego utleniania bez dostarczenia dodatkowego źródła ciepła, na przykład palnika. Może to mieć miejsce, gdy przykładowo wtryskuje się nadmiar paliwa dla odgałęzienia wysokokalorycznych strumieni entalpi w celu wykorzystania ich energii w innych procesach, na przykład dla drugiego wymiennika ciepła jako źródła ciepła suszarki. Przyczyną modyfikacji jest to, że złoża medium wymiennika ciepła typowo zawierają medium ceramiczne lub inne, które cechuje duża pojemność ciepła właściwego.

W związku z tym złoża wymiennika ciepła wykazują zdolność magazynowania obfitej ilości energii i mogą przekazywać chwilowo więcej ciepła do gazu procesowego, niż odbierają. Taka nierównowaga może mieć miejsce bez detekcji, ponieważ początkowo nie występuje zauważalna zmiana temperatury. Tym niemniej, po detekcji zwłoczna zmiana temperatury włącza ustawienie dla wtrysku paliwa, w którym temperatura może wzrastać lub nie, w zależności od intensywności nierównowagi energii. W najgorszych przypadkach następuje załamanie rozkładu temperatur a dodatkowy wtrysk

PL 207 110 B1 paliwa nie może skompensować braku równowagi cieplnej, ponieważ czas reakcji utleniania paliwa wzrasta wraz ze spadkiem temperatury, pozostawiając częściowo nie uwolnioną energię paliw związaną chemicznie.

Dla zapobieżenia załamaniu się rozkładu temperatur w wymienniku ciepła pożądany jest ulepszony i szybko reagujący układ sterowania paliwa.

Regeneracyjny utleniacz termiczny, według wynalazku, zawierający co najmniej dwie kolumny regeneratora, przy czym każda kolumna ma medium wymiany ciepła, zaś z każdą kolumną regeneratora są połączone elementy wlotu i wylotu gazu oraz strefa spalania, a ponadto urządzenie zawiera elementy zaworowe przemiennego kierowania gazu do elementów wlotowych jednej z kolumn w jednym kierunku i poprzez drugą kolumnę w drugim kierunku, charakteryzuje się tym, że zawiera liczne elementy detekcji temperatury, wykrywające temperaturę gazu w licznych wstępnie określonych położeniach każdej kolumny oraz elementy kalkulacji energii do obliczania pierwszej wartości wskazującej energię termiczną magazynowaną w medium wymiennika ciepła pierwszej kolumny regeneratora i drugą wartość wskazującą energię termiczną magazynowaną w medium wymiennika ciepła w drugiej kolumnie regeneratora, a ponadto urządzenie zawiera elementy do określenia różnicy pomiędzy pierwszą i drugą wartością wskazująca energię termiczną oraz elementy porównawcze, porównujące wspomnianą różnicę z wartością zadaną i elementy przełączające, reagujące na elementy porównawcze dla sterowania rozrządem elementów zaworowych.

Korzystnie regeneracyjny utleniacz ponadto zawiera elementy do obliczania gęstości energii gazu procesowego w oparciu o wykryte temperatury gazu oraz elementy pomiarowe, rzeczywistej gęstości energii gazu procesowego oraz środki do porównywania obliczonej gęstości energii z rzeczywistą gęstością energii i elementy do regulacji ilości dodatkowego paliwa dodawanego do utleniacza na podstawie porównania.

Sposób działania regeneracyjnego utleniacza termicznego według wynalazku, posiadającego co najmniej dwie kolumny regeneratora, z których każda zawiera medium wymiany ciepła w którym mierzy się temperaturę wlotu i wylotu gazu połączonego z każdą kolumną regeneratora, który doprowadza się elementami wlotu i wylotu gazu, przy czym za pomocą elementów zaworowych przemiennie kieruje się gaz do elementów wlotu gazu jednej z kolumn w pierwszym kierunku i poprzez drugą kolumnę w drugim kierunku, charakteryzuje się tym że mierzy się temperaturę gazu w licznych, wstępnie ustalonych miejscach w każdej kolumnie, po czym oblicza się jedną wartość wskazującą energię termiczną zmagazynowaną w medium wymiany ciepła pierwszej kolumny regeneratora i drugą wartości wskazującą energię termiczną zmagazynowaną w medium wymiennika ciepła drugiej kolumnie regeneratora, a następnie określa się różnicę pomiędzy pierwszą i drugą wartością wskazującą energię termiczną i porównuje się różnicę z wartością zadaną, po czym uruchamia się elementy zaworowe, charakteryzuje się tym że mierzy się temperaturę gazu w licznych, wstępnie ustalonych miejscach w każdej kolumnie, po czym oblicza się jedną wartość wskazującą energię termiczną zmagazynowaną w medium wymiany ciepła pierwszej kolumny regeneratora i drugą wartości wskazującą energię termiczną zmagazynowaną w medium wymiennika ciepła drugiej kolumnie regeneratora, a następnie określa się różnicę pomiędzy pierwszą i drugą wartością wskazująca energię termiczną i porównuje się różnicę z wartością zadaną, po czym uruchamia się elementy zaworowe w odpowiedzi na porównanie. Korzystnie oblicza się gęstości energii gazu w oparciu o zmierzone temperatury gazu po czym mierzy się faktyczną gęstość energii gazu, a następnie porównuje się obliczoną gęstość energii i rzeczywistą gęstość energii, po czym reguluje się ilość dodatkowego paliwa dodawanego do utleniacza w oparciu o porównanie.

Proponowane urządzenie rozwiązuje problemy dotychczasowego stanu techniki, gdyż temperatury gazu procesowego mierzy się wewnątrz złóż wymiennika ciepła regeneracyjnego utleniacza. Zależnie od złożoności systemu mogą być wymagane dwa lub więcej punkty pomiaru temperatury, dla optymalnego sterowania. Zmierzoną temperaturę porównuje się następnie z wartością obliczeniową oraz wprowadza się odpowiednie stawienie wartości zadanej parametru żądanej gęstości energii w strumieniu powietrza do utleniacza.

Regeneracyjny utleniacz wprowadza regulowane czasy przełączenia w oparciu o przepływ spalin, które modyfikuje się poprzez wartości wskaźnika ogrzania dla każdego oddzielnego złoża medium, w celu utrzymania równych energii termicznych w każ dym złożu. W układzie sterowania gęstością energii na wylocie suszarki zastosowano unikalny sposób sterowania antycypacyjnego gęstością energii, aktywnie śledzący i reagujący na zapotrzebowanie energii w zintegrowanym układzie utleniacza i suszarki. Układ sterowania gęstością energii na wylocie suszarki w unikalny sposób wykorzystuje

PL 207 110 B1 instrument w postaci gęstości energii do pomiaru gęstości energii przepływu spalin suszarki, co stanowi szczególną zaletę dla termicznej stabilizacji wstęgi w druku offsetowym. Sposób ten nie uzależnia szybkości wylotu od szybkości prasy tak jak dotychczas, lecz umożliwia optymalizację poprzez regulację szybkości spalin dla utrzymania wartości zadanej gęstości energii. Ponieważ przepływ spalin ma bezpośredni wpływ na liczne pętle sterowania zintegrowanym regeneracyjnym utleniaczem termicznym i suszarką, w logice generowania wartości zadanej przepływu spalin zastosowano wiele innowacyjnych sposobów, jak na przykład relatywny zysk dla podziału zakresowego, obwody selekcji wysokiego poziomu sygnału i antycypację szybkości prasy. W rezultacie otrzymano wrażliwy, efektywny i adaptacyjny układ sterowania.

W jednym przykładzie wykonania wynalazku przeznaczony do uzdatnienia przemysłowy czynnik wypływający, na przykład zanieczyszczone powietrze, najpierw przechodzi poprzez gorące złoże wymiennika ciepła i do komory lub strefy utleniania (spalania) w wysokiej temperaturze, po czym przechodzi poprzez stosunkowo chłodne drugie złoże wymiennika ciepła. W urządzeniu korzystnie występują liczne, wewnętrznie izolowane kolumny z wymiennikiem ciepła, wypełnione medium wymiany ciepła, jak na przykład ceramicznym materiałem ogniotrwałym, kolumny wymiennika ciepła łączą się przepływem z wewnętrznie izolowaną komorą spalania, gdzie następuje ostateczne utlenianie pozostałości nie utlenionych lotnych związków VOC's. Zanieczyszczone powietrze podaje się do urządzenia poprzez kolektor wlotowy zawierający odpowiednie urządzenie zaworowe. Następnie powietrze kieruje się do medium wymiennika ciepła zawierającego „zmagazynowaną energię cieplną z poprzedniego cyklu odzyskowego.

W rezultacie zanieczyszczone powietrze ogrzewa się do temperatury zbliżonej do temperatury utleniania. Utlenianie kończy się podczas przechodzenia powietrza poprzez komorę spalania, gdzie zastosowano przynajmniej jeden palnik lub inne środki grzewcze. Zanieczyszczone powietrze pozostaje w temperaturze roboczej przez czas wystarczający dla pełnej destrukcji zanieczyszczeń. Z komory spalania czyste powietrze przepływa poprzez drugą kolumnę zawierającą medium wymiennika ciepła, gdzie oddaje zgromadzone ciepło do medium w celu wykorzystania w następnym cyklu wlotowym po przełączeniu zaworów sterowania przepływem. Uzyskane w rezultacie czyste powietrze kieruje się poprzez zawór wylotowy do kolektora wylotowego i odprowadza do atmosfery z nieco wyższą temperaturą niż na wlocie lub zawraca się do wlotu utleniacza bądź też kieruje do dodatkowego urządzenia, gdzie ciepło to może być wykorzystane.

Przedmiot wynalazku jest opisany w przykładach wykonania na podstawie rysunku na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy dla wartości wskaźnika ogrzania, według wynalazku, fig. 2 - schemat blokowy rozmieszczenia czujników temperatury w utleniaczu, zgodnie z jednym przykładem wykonania wynalazku, fig. 3 - schemat blokowy układu sterowania utleniacza zgodnie z jednym przykładem wykonania obecnego wynalazku, fig. 4 - schemat blokowy układu sterowania utleniacza, zgodnie z jednym przykładem wykonania obecnego wynalazku, fig. 5 przedstawia wykres zależ ności sygnału wyjścia regulatora ciśnienia suszarki skrzynkowej oraz powietrza technologicznego, z podaniem natężenia przepływu spalin fig. 6 - schemat blokowy układu sterowania utleniacza w jednym przykładzie wykonania obecnego wynalazku; fig. 7 - wykres zależności sygnału wyjścia temperatury powietrza zasilania strefy suszarki i powietrza zasilania, z podaniem natężeń przepływu, fig. 8 - wykres zależności pomiędzy wyjściem regulatora gęstości energii i przepływem spalin oraz sygnałem wyjściowym do zaworu sterowania wtryskiem paliwa, zgodnie z obecnym wynalazkiem, fig. 9 - schemat rozmieszczenia czujników temperatury zgodnie z jednym przykładem wykonania obecnego wynalazku.

Regeneracyjny utleniacz termiczny składa się z dwóch lub trzech kolumn regeneracyjnych, najkorzystniej dwóch kolumn, z których każdą połączono przepływem z komorą lub strefą paleniskową. W jednym szczególnie korzystnym przykładzie wykonania opisanym poniżej bardziej szczegółowo regeneracyjny utleniacz termiczny składa się z dwóch wzajemnie przeciwległych kolumn wymienników ciepła z centralnie umieszczoną pomiędzy kolumnami komorą lub strefą paleniskową. Każda z obu kolumn zawiera medium wymiany ciepła, korzystnie monolityczne bloki strukturalnego ceramicznego medium wymiennika ciepła. Posiada on poosiowe kanały przepływu gazu kierujące przepływ gazu procesowego do komory paleniskowej i z komory paleniskowej, w układzie poziomym lub zasadniczo poziomym. Strefa paleniskowa utleniacza łączy się z suszarką wstęgi, korzystnie flotacyjną suszarką wstęgi, przez co część gorącego gazu procesowego z komory paleniskowej kieruje się do flotacyjnych dysz powietrznych, które ogrzewają i unoszą wstęgę przechodząca poprzez suszarkę.

Wykorzystując pierwszą zasadę termodynamiki, dobrano odpowiednie miejsca punktów wykrywania lub pomiaru temperatury. Ponadto, bilans energetyczny układu można wyrazić równaniem

PL 207 110 B1 w taki sposób, aby „gę stość energii wystę pował a po jednej stronie równania, a wykrywane temperatury po drugiej. Użyte tu określenie „gęstość energii zdefiniowano jako zużycie paliwa dla całego układu, podzielone przez strumień przepływu zanieczyszczonego gazu procesowego do utleniacza. Gęstość energii jest wartością obliczeniową procesu, wyprowadzoną z chwilowych pomiarów temperatury procesowej. W celach kontrolnych gęstość energii łączy się z drugim członem, który dodaje lub odejmuje paliwo [np. w pętli proporcjonalnej, proporcjonalno całkującej lub proporcjonalno całkująco różniczkującej (PID)]. Przewidywaną gęstość energii porównuje się z wynikami analizatora, który wykrywa rzeczywistą gęstość energii w przepływie procesowym w odpowiednim położeniu za miejscem wtrysku paliwa, lecz przed wlotem do utleniacza. Odpowiednio do różnicy pomiędzy przewidywaną gęstością energii i wykrytą gęstością energii, układ kontrolny ustawia wielkość wtrysku potrzebnego dodatkowego paliwa lub szybkość wylotu powietrza do utleniacza.

Układ sterowania rozrządem przełącznika zaworowego

Proces rozgrzewania zintegrowanego utleniacza regeneracyjnego obejmuje zapłon układu palnikowego i kontrolowany przejściowy przebieg temperatury, a przepływ powietrza procesowego jest w ciągły sposób odwracany przez urządzenia do zmiany kierunku przepływu poprzez sekcje utleniacza. Przykładowo, według fig. 2, spaliny procesowe przez określony czas wchodzą do złoża medium A, przepływają poprzez komorę paleniskową i wychodzą poprzez złoże medium B. Po upływie wspomnianego okresu urządzenie do zmiany kierunku przepływu lub zawór odwracają przepływ w taki sposób, że spaliny wchodzą do złoża medium B, przechodzą przez komorę paleniskową i wychodzą poprzez złoże medium A w ciągu drugiego określonego czasu różnego od pierwszego czasu. Sekwencja ta jest w ciągły sposób powtarzana podczas pracy utleniacza. Czas przełączenia zaworu określa się na podstawie sumowania dwóch układów równań logicznych. Pierwszy układ równań logicznych określa wspólną podstawę czasu przełączenia (TBase) dla obu złóż w oparciu o przepływ spalin (Vactual). Gdy przepływ spalin wzrasta i jeśli czas przełączenia jest stały, następuje zmniejszenie czasu reakcji czynnika na wylocie zawierającego rozpuszczalnik w złożach medium, i miejsce utleniania w złożach medium przesuwa się w kierunku komory paleniskowej. Przy stałym czasie przełączenia występuje progowy przepływ na wylocie (Vcritical) co przesuwa punkt utleniania do krawędzi komory paleniskowej.

Wspólną podstawę czasu oblicza się w odniesieniu do objętości przepływu w następującym wyrażeniu logicznym (patrz fig. 1)

Jeśli VActual ^{< = V}critical^{, T}Base ^{= T}max

Jeśli VActual > ^Vcritica^{,, T}Base ^{= V} max ^{/ V} Actual ^{X T}min gdzie:

Jmax = maksymalny przepływ spalin

VActual = rzeczywisty przepływ spalin

Vcritical = krytyczny przepływ spalin

TBase = podstawa czasu przełączenia

Tmax = maksymalna podstawa czasu przełączenia

Tmin = minimalna podstawa czasu przełączenia

Drugi układ logiczny dotyczy obliczenia czasu korekcyjnego (TTrim), jaki jest wymagany dla bilansu ciepła utajonego w każdym złożu medium. Ciepło utajone złoża medium określa się ilościowo poprzez obliczanie wartość wskaźnika ogrzania złoża medium dla każdego złoża medium. Wyznaczenie wartości wskaźnika ogrzania medium dokładniej opisano poniżej. Zgodnie z fig. 1, TTrim oblicza się poprzez określenie faktycznej różnicy wartości wskaźnika ogrzania dla złoża medium (1). Następnie, różnicę wskaźnika ogrzania dla złoża medium porównuje się (2) z wartością żądaną różnicy wskaźnika ogrzania złoża medium, którą ustawiono na zero (0).

Funkcja ta daje błąd wartości się w czasie dla uzyskania (Ttrim) zmiany podstawy czasu różnicy pomiędzy wartościami medium.

biegunowej (+/-), który całkuje korekcyjnej wielkości czasowej (TBase) w korelacji z wielkością wskaźnika ogrzania dla złoża

Wartość wskaźnika ogrzania dla złoża medium

Złoża medium absorbują energię termiczną oddawaną przez palnik, w wyniku utlenienia wtryskiwanego gazu opałowego lub przez węglowodory: VOC w strumieniu spalin procesowych. Teoretycznie, jeśli przemienne tory przepływów regeneracyjnych utleniaczy termicznych, koncentracja paliwa, masa termiczna i objętości komór, itp. byłyby równe, energia termiczna składowana w złożach medium regeneracyjnego utleniacza termicznego byłaby równa, a okresy przełączania bądź cykle

PL 207 110 B1 byłyby ustalone do okresu Tbase. W praktyce scenariusz taki nie będzie realistyczny. Tory przepływu nie zawsze są symetryczne, złoża medium nie zawsze są upakowane identycznie bądź inne anomalie konstrukcyjne albo technologiczne mogą przyczyniać się do nierównego ogrzewania złóż medium. Tradycyjnie, czasy przełączania zmieniano jednakowo w odniesieniu do wyznaczonego przepływu spalin, poprzez wprowadzenie częstotliwości wyjściowej napędu wentylatora wyciągowego. Zastosowano urządzenia do pomiaru temperatury, jak na przykład termopary do punktowego monitoringu temperatury w wybranych położeniach na długości złoża medium.

Gdy na złoża medium działają nierówne objętości przepływu lub nadmierne koncentracje węglowodorów procesowych, punkt utleniania w złożu będzie odsuwał się od strefy paleniskowej w kierunku obszaru wlotowego złóż medium. Stan ten wykrywa urządzenie do pomiaru temperatury, na przykład termopara umieszczona w pobliżu obszaru wlotowego złoża medium, a czas cyklu dla tego złoża ulega zmniejszeniu w zakresie sekund przy każdym skanowaniu stopnia logiki sterującej. Gdy punkt utleniania w złożu przesuwa się wstecz w kierunku komory paleniskowej, następuje spadek temperatury w punkcie wlotowego punktu pomiarowego i czas cyklu złoża medium następnie wzrasta o określoną wartość w sekundach, przy każdorazowym skanowaniu logiki sterującej, aż do zrównania czasu cyklu dla odnośnego złoża medium. Przy zastosowaniu regeneracyjnego utleniania termicznego do procesów technologicznie wykorzystujących energię termiczną komór paleniskowych, jak na przykład regeneracyjny utleniacz termiczny bezpośrednio połączony z suszarką prasy drukarskiej, nieodzowne jest utrzymywanie stałej temperatury w komorze paleniskowej, dla stworzenia dokładnych warunków procesu suszenia. W obecnym wynalazku aktywnie śledzi się i utrzymuje równą składowaną energię termiczną w złożach medium, poprzez zastosowanie układu odczytowych elementów wykrywających temperaturę rozmieszczonych na długości każdego złoża medium, w równaniu wskaźnika ogrzania. Przykładowo (patrz fig. 2) w złożu medium z pięcioma termoparami równanie wskaźnika ogrzania można przedstawić następująco:

Wartość wskaźnika ogrzania dla złoża medium = 1,016E + 0,889D + 0,762C + 0,635B + 0,508A gdzie:

A - oznacza temperaturę zł o ż a medium w punkcie A umieszczonym w odległ o ś ci 0,3045 m (1 stopy) od czołowej powierzchni komory paleniskowej.

B - oznacza temperaturę zł o ż a medium w punkcie A umieszczonym w odległ o ś ci 0,609 m (2 stóp ) od czołowej powierzchni komory paleniskowej.

C - oznacza temperaturę zł o ż a medium w punkcie A umieszczonym w odległ o ś ci 0,9135 m (3 stóp ) od czołowej powierzchni komory paleniskowej.

D - oznacza temperaturę złoża medium w punkcie A umieszczonym w odległości 1,218m (4 stóp) od czołowej powierzchni komory paleniskowej.

E - oznacza temperaturę złoża medium w punkcie A umieszczonym w odległości 1,522 m (5 stóp) od czołowej powierzchni komory paleniskowej.

Mnożniki zmiennych oblicza się według równania do wyznaczenia ważonego mnożnika, które podano na fig. 2, rozwiązywanego względem X. Aby rozwiązać podane równanie względem X musi być znana wartość rozstępu w równaniu regulatora. Wg fig. 2 jest to wartość 8000 przedstawiona jako 160000/2. 16000 wyraża rozdzielczość cyfrowego zliczania pełnego sygnału regulatora. Jeśli wartość każdego złoża medium wynosi 16000, wynik zróżnicowania pomiędzy złożami medium może wytwarzać człon dwubiegunowy przekraczający 16000, który przewyższa rozdzielczość regulatora. Konieczne jest zatem podzielenie wartości zliczania całkowitej rozdzielczości przez 2, dla ograniczenia potencjalnej wartości różnicy pomiędzy złożami medium do wartości maksymalnej rozdzielczości regulatora, która w tym przypadku wynosi 16000. Rozwiązanie względem X i podstawienie pozwala wyznaczyć wartości mnożników w równaniu wartości wskaźnika ogrzania dla złoża medium. Unikalna właściwość sposobu dotyczącego wartości wskaźnika ogrzania dla złoża medium polega na zastosowaniu mnożenia ważonego położenia (Y) odnośnych pomiarów (odnośnego pomiaru) temperatury, wziętych jako wybrane wykładniki potęgowe (x) pomiaru Y*. Sumowanie wypadkowych daje wartość, która pozostaje stosunkowo mała, jeśli region utleniania znajduje się w pobliżu komory paleniskowej. Jeśli wskutek anomalii procesowych jeden z regionów utleniania złoża medium odsunie się dalej od komory paleniskowej w stosunku do innych złóż medium, wartość jego wskaźnika ogrzewania medium wzrasta wykładniczo, wytwarzając różnicę wartości wskaźnika ogrzewania medium i tym samym powodując dużą korekcję TTrim w czasie przełączenia TBase. W rezultacie złoże medium o rozszerzonym regionie utlenienia przestawia się z powrotem w kierunku komory paleniskowej. W ten sposób utrzymuje się minimalne TTrim co daje małe działanie korekcyjne dla czasu przełączania TBase a podczas gdy rozkłady

PL 207 110 B1 złóż medium są podobne, lecz szybko podążają za działaniem korekcyjnym gdy rozkład złoża medium niekorzystnie odbiega od spoczynkowego. Dla zapewnienia dokładnego działania pętli sterowania temperaturą suszarki, utrzymuje się stabilną temperaturę komory paleniskowej. Wartość wskaźnika ogrzania służy w następujących celach:

a. Stanowi wartość wskazującą dla energii termicznej składowanej w złożu medium.

b. Stanowi wartość wskazującą położenia punktu utleniania w złożu medium.

c. Zapewnia stabilną temperaturę komory paleniskowej, dla dokładnych pętli sterowania temperaturą suszarki.

Rozgrzewanie złoży medium utleniacza

Po uruchomieniu układu utleniacza/suszarki włącza się zawory zmieniające przepływ w złożu medium, płucze się układ oraz zapala się palnik. Podczas ogrzewania monitoruje się i kontroluje zawartość cieplną złoży medium, z zastosowaniem opisanego powyżej układu sterowania. Po dojściu temperatury komory do zadanej wartości granicznej, na przykład 829, 44°C (1525°F), w strumień wylotowy suszarki wprowadza się dodatkowe paliwo gazowe do uzyskania określonego poziomu stężenia, na przykład BTU/CU, FT lub %LFL. Odpowiednimi źródłami dodatkowego paliwa gazowego będzie gaz ziemny i propan. W wyniku spalania dodatkowego paliwa wzrasta temperatura w komorze paleniskowej, powodując zamknięcie przepustnicy palnika do położenia pilotażowego. Po ustawieniu przepustnicy palnika w położeniu pilotażowym, gdy temperatura komory paleniskowej przekroczy określoną wartość ponad wartością zadaną, na przykład 899° C (1650F) przy wartości zadanej 871° C (1600°F), palnik zostaje wyłączony. W tym momencie następuje spalanie w złożach medium, a temperaturę komory paleniskowej kontroluje się poprzez modulowanie wartości zadanej dla gęstości energii. Aby zapobiec zaprzestaniu spalania w złożach należy doprowadzić wystarczającą ilość gazu opałowego dla wytworzenia niezbędnego ciepła, w celu zapewnienia ciągłości spalania. W przeciwnej skrajności, jeśli do złoża doprowadzi się nadmiar gazu opałowego, lokalizacja strefy utleniania odsunie się dalej od strefy paleniskowej w kierunku zimnych powierzchni złóż wymiennika ciepła utleniacza. Dopuszczenie do kontynuacji w tej sytuacji spowoduje wzrost temperatury zimnej powierzchni i niekorzystny wpływ na mechaniczną integralność oraz na wielkość przepływu w układzie. Nieodzowne jest zatem utrzymywanie stężenia gazu opałowego w punkcie roboczego samo podtrzymania.

Wyznaczenie sygnału sterowania antycypacyjnego gęstością energii

Regeneracyjne utlenianie termiczne stosuje się wtedy, gdy stężenie palnych rozpuszczalników w zanieczyszczonych gazach procesowych leży poza granicami wybuchowości. Jeśli równocześ nie stężenie rozpuszczalników leży poniżej przedziału samo podtrzymania, dla zachowania ich utlenienia termicznego palnik może dostarczać dodatkową energię. Ogrzanie obciążonego (tzn. brudnego) gazu procesowego pochłania większą część zawartej energii utlenionego (tzn. oczyszczonego) gazu procesowego. Zamiast eksploatacji palnika można wtryskiwać w gaz procesowy paliwo gazowe i/lub ciekłe. Może to być bardziej efektywne. Wyeliminowanie palnika daje dwie zasadnicze korzyści:

(1) Wzrasta sprawność energetyczna układu, ponieważ nie jest wymagane dodawanie powietrza spalania i jego ogrzewanie.

(2) Zmniejszono lub wyeliminowano potencjał generowania szkodliwych gazów (N0x), jakie mogą powstawać wewnątrz płomieni palników.

Zazwyczaj, poprzez pomiary temperatury wewnątrz złóż wymiennika ciepła i ponadto przez porównanie wykrytej temperatury (wykrytych temperatur) z wartością zadaną (wartościami zadanymi) następuje detekcja potrzebnego dodatkowego paliwa. Stosownie do różnicy temperatur układ kontrolny ustawia następnie wielkość wtrysku potrzebnego paliwa do układu.

Takie podejście będzie możliwe dopóki egzotermiczna energia dodatkowego paliwa służy wyłącznie do podtrzymania termicznego utleniania. Jednakże sposób ten wymaga udoskonalenia, jeśli potrzeba więcej paliwa do utrzymania termicznego utleniania i dostarczenia powietrza o wysokiej temperaturze z komory paleniskowej w celach grzewczych, jakie wykorzystuje się dla termicznej stabilizacji wstęgi w druku offsetowym.

Powodem udoskonalenia jest to, że złoża wymiennika ciepła typowo zawierają medium ceramiczne, które cechuje duża pojemność ciepła właściwego. W związku z tym złoża wymiennika ciepła wykazują zdolność magazynowania obfitej ilości energii lub mogą przekazywać chwilowo więcej ciepła do gazu procesowego, niż odbierają. Taka nierównowaga może mieć miejsce bez detekcji, ponieważ początkowo nie występuje zauważalna zmiana temperatury. Po detekcji zwłoczna zmiana temperatury włącza ustawienie dla wtrysku paliwa, w którym temperatura może wzrastać lub nie, w zależności od

PL 207 110 B1 intensywności nierównowagi energii. W najgorszych przypadkach następuje załamanie rozkładu temperatur, a dodatkowy wtrysk paliwa nie może skompensować braku równowagi cieplnej, ponieważ czas reakcji utleniania paliwa wzrasta wraz ze spadkiem temperatury, pozostawiając częściowo nie uwolnioną energię paliw związaną chemicznie. Dla zapobieżenia załamaniu się rozkładu temperatur w zł o ż ach wymiennika ciepł a pożądany jest ulepszony i szybko dzia ł ają cy ukł ad sterowania.

Szybkie określenie dodatkowej energii można ustalić poprzez pomiar stosownych temperatur gazu procesowego z zewnątrz złóż wymienników ciepła. Potrzebne miejsca pomiaru temperatury podyktuje złożoność danego systemu (np. sześć położeń dla zintegrowanego regeneracyjnego utleniacza termicznego lub suszarki).

Lokalizację pomiarów temperatury ułatwi wykorzystanie pierwszej zasady termodynamiki. Ponadto, bilans energetyczny można podsumować do jednego równania w taki sposób, aby gęstość energii występowała po jednej stronie równania, a wykrywane temperatury po drugiej stronie równania. („Gęstość energii określa się jako zużycie paliwa w całym systemie, podzielone przez przepływ splin suszarki do złóż wymiennika ciepła (patrz fig. 9, gdzie podano miejsca pomiaru temperatury)).

( F (X) ίο ⁼ V f _ue i X h fuel / 7n_ry_er Exh [ ( C p X T ) _mi_x — (CpX

T) _Dryer out] + { [Q process ( ΙΠ X h ) solvent ]/Vin)+ [ (Cp X T) stack -(C_p x T ) MU A1 x { [ ( Cp X T ) B y p _a s _s ( C p X T)_mix / (Cp X Tjgypass (Cp

T)mUa] }“[ (V Fuel/ V_DryerExH ) X (Cp X T)_Euel ]))

Gęstość energii jest wartością obliczeniową, wyprowadzoną z chwilowych pomiarów temperatury procesowej. Przykładowo, fig. 3 przedstawia potencjalny układ sterowania dla zintegrowanego regeneracyjnego utleniacza termicznego, w którym punktami kontroli temperatury jest powietrze technologiczne, wylot suszarki, powietrze spalania na wlocie suszarki i komora mieszania (komora mieszania jest miejscem, gdzie miesza się powietrze technologiczne z otoczenia i powietrze z komory paleniskowej, przed wprowadzeniem do suszarki). W podanym przykładzie gęstość energii pełni rolę sygnału sterowania antycypacyjnego (BTU/CUFTFdwd) i sumuje się z wartością zadaną podstawy (BTU/CUFBase). W tej konfiguracji chwilowe zmiany w procesie suszenia znajdują natychmiastowe odbicie w wartości (BTU/CUFTFdfwd) są przekazywane do wartości zadanej regulatora stężenia wylotu spalin BTU/CUFT. Ostatecznie, taka przewidywana gęstość energii, która zawiera oba warunki (BTU/CUFTsetpoint = BTU/CUFTBase + BTU/CUFTFdfwd) jest w ciągły sposób porównywana z wynikami sygnału analizatora (AT) (BTU/CUFTsetpoint = BTU/CUFTBase + BTU/CUFTFdfwd), który wykrywa rzeczywistą gęstość energii w przepływie procesowym, w odpowiednim punkcie za miejscem wtrysku paliwa, lecz przed wlotem do złoża wymienników ciepła. Na przykład analizatory zakładów Control Instruments i Unisensor Sensorsysteme GmbH. Wykorzystano tu zasady fizyczne, na przykład temperaturę płomienia, spektroskopię w podczerwieni, itd.). Różnica pomiędzy przewidywaną gęstością energii (BTU/CUFTSetpoint) i wykrywaną gęstością energii (BTU/CUFTProcessVariaibie) jest w tym przypadku wykorzystana w regulatorze PID do modulacji zaworu sterowania wtryskiem paliwa i wentylatorem wyciągowym o kontrolowanej szybkości zmiennej, dla utrzymania koncentracji gęstości energii w zakresie wartoś ci zadanej.

Wykazano eksperymentalnie, że gęstość energii oscyluje pomiędzy przełączeniami przepływu, z powodu ruchomego rozkł adu temperatur wewną trz regeneracyjnego wymiennika ciepł a. Dla stabilizacji rozkładu temperatur obliczona gęstość energii, na podstawie wykrywanych temperatur, może nakładać się z fazowym wyprzedzeniem lub fazowym opóźnieniem, zależnie od na przykład czasu przełączenia, natężenia przepływu i historii przepływu (patrz fig. 4).

Układ manipulacyjny elementu sterowania finalnym regulatorem stężenia BTU/CUFT

W miarę stabilizacji procesu następuje uwolnienie rozpuszczalników, co powoduje wzrost stężenia BTU/FT³processVariabie oraz zamknięcie zaworu sterowania wtryskiem paliwa (poprzez F(x)2)/ ponieważ układ sterowania BTU/FT³ utrzymuje BTU/FT³setpoint. W miarę wzrostu szybkości procesowej uwalnia się coraz więcej rozpuszczalników, co ostatecznie prowadzi do wyłączenia zaworu sterowania wtryskiem gazu opałowego. Do momentu wyłączenia zaworu sterowania wtryskiem gazu opałowego wentylator wyciągowy znajduje się w minimalnym ustawieniu dla przepływu spalin. Układ sterowania ustawiono w taki sposób, że występuje łagodne przejście dzięki koordynowanej modulacji podziału zakresowego pomiędzy równaniem zmiennej szybkości napędowej wentylatora wyciągowego lub równaniem wartości zadanej przepływu spalin F(x)1 i równaniem zaworu sterowania wtryskiem paliwa F(x)2. Przykładowo, według fig. 8 wyjście pętli sterowania gęstością energii wykorzystano do wyznaczenia

PL 207 110 B1 wejścia sterującego zaworem sterowania wtrysku paliwa (F(x)2 oraz jako wartość zadaną dla pętli sterowania przepływem spalin (F(x)1. Dla dokładnego wyznaczenia (F(x)1 i (F(x)2 wymagane jest przedstawienie dodatkowego wpływu przepływu paliwa i spalin na komorę paleniskową utleniacza. W tym przykładzie energię termiczną (BTU/Min) każdego elementu składowego należ y traktować jako kontrolowany parametr wyrażony w postaci temperatury. W tym przykładzie zakłada się, że udział energii termicznej rozpuszczalnika procesowego wynosi 750000 BTU/HR. Górna granica udziału wtrysku gazu opałowego wynosi 11,84 BTU/FT³air 11,84 BTU/FT³air. Jeśli paliwem jest metan, 11,84 BTU/FT³air, * 0,001 FT³methane/BTU = 0,01184 FT³methane/FT³air.

Ponieważ maksymalny przepływ spalin wynosi 3100 FT³air czyli 186000 FT³air/HR powietrza, to 186000 FT³air/HR * 0,01184 FT³raethane/FT³air= 2202,24 FT³methane/HR. Tak więc udział energii termicznej wtrysku gazu opałowego równy 2202,24 FT³methane/h * 1000 BTU/FT³ wynosi 2.202.240 BTU/HR. Poprzez porównanie obu zakresów wpływu można uzyskać współczynnik relatywnego zysku dla każdego parametru zgodnie z następującym wyrażeniem: Relatywny Zysk A = wielkość skalarna całkowitego rozstępu B 5 + wielkość skalarna całkowitego rozstępu C itd. W tym przykładzie relatywny zysk rozpuszczalnika procesowego = BTU/HR rozpuszczalnika procesowego (756000) / BTU/HR rozpuszczalnika procesowego (765000) + BRT/HR wtrysku gazu opałowego (2202240). Relatywny zysk dla rozpuszczalnika procesowego = 0,254. Stosując identyczne rozumowanie dla wtrysku gazu opałowego, relatywny zysk wtrysku gazu opałowego = 0,07458 (2202240/2950000).

Interpretacja wyników wskazuje, że udział przepływu spalin wynosi 25,4%, a udział systemu wtrysku paliwa wynosi pozostałe 74,58% wyjścia regulatora gęstości energii. Dla lepszego zrozumienia załóżmy, że kontrolowane zmienne mają charakterystykę liniową. Ponieważ wentylator wyciągowy jest zgodnie z fig. 8 głównym elementem sterowania kontroli przepływu spalin, będzie modulowany liniowo od 1550 SCFH do 3100 SCFH swego zakresu wartości zadanej, w odniesieniu do 0-25,4% sygnału wyjściowego regulatora gęstości energii. Podobnie zawór sterowania wtryskiem paliwa uzyskuje modulację liniową 0-100% swego zakresu sterowania, w odniesieniu do 25,4-100% sygnału wyjściowego regulatora gęstości energii. (F(x)2) otrzymano w tym przypadku z równania linii prostej Y= m X+b, gdzie m = (1550 - 3100) / (0-25,4), czyli - 61,023. Po podstawieniu, gdy Y = 3100 i X = 0, b = 3100 - (-61, 023 * 0). A zatem Y = - 61,023 * X + 3100. F(x)2 uzyskano w tym przypadku poprzez zastosowanie równania linii prostej, Y= m X+b, gdzie m = (100 - 0) / (100-25,4), czyli 1,34. Po podstawieniu, gdy Y = 0 i X = 25,4, b = 0 - (1, 34 * 25, 4). A zatem, Y = 1, 34 * X - 34, 036. Przykładowo, gdy wzrasta stężenie BTU/FT³, ze wzrostem szybkości prasy drukarskiej, przy sterowaniu stężenia BTU/FT³ następuje zamknięcie zaworu sterowania wtryskiem gazu opałowego i w punkcie wyłączenia zaworu sterowania wtryskiem gazu paliwowego zwiększa się wartość zadaną minimalnego przepływu spalin. Vice versa, gdy szybkość prasy drukarskiej maleje powodując spadek przepływu spalin do minimalnego poziomu przepływu, następuje otwarcie zaworu sterowania wtryskiem gazu opałowego i rozpoczęcie modulacji. Modulację wentylatora wyciągowego typowo uzyskuje się za pomocą napędu o regulowanej szybkości.

Adaptacyjny układ sterowania przepływem spalin

Przepływ spalin jest zmienną nastawianą dla stężenia BTU/FT³' temperatury komory paleniskowej, ciśnienia suszarki skrzynkowej i pętli regulatora temperatury powietrza w pierwszej strefie suszarki, w połączonym układzie prototypowym systemu suszenia dla prasy drukarskiej. Kontrolowanie przepływu spalin jest istotne dla bezpiecznej i wydajnej pracy tego systemu.

Przedstawienie wpływu ciśnienia suszarki skrzynkowej, szybkości prasy i wartości zadanej przepływu spalin dla regulacji temperatury powietrza w pierwszej strefie suszarki. Ponieważ na ciśnienie suszarki skrzynkowej i sterownie temperaturą w pierwszej strefie suszarki wywiera wpływ natężenie przepływu spalin, ustawienie tego przepływu wymaga dostrojenia w dostosowaniu właściwego działania podzespołów. Regulatory dostosowano do zmiany warunków procesowych, jak na przykład zmiany asortymentu wstęgi, grubości powłoki i podłoża oraz stopnia krycia drukowego. Odnośnie ciśnienia suszarki skrzynkowej, w miarę wzrostu przepływu spalin wzrasta potrzeba dostosowania suszarki i vice versa. Ponieważ regulatory stężenia BTU/HR służą do zmniejszenia przepływu spalin, dla zwiększenia wydajności suszarki występuje możliwość zmniejszenia przepływu spalin do poziomu umożliwiającego działanie regulatorów ciśnienia skrzynki, przy wyjściu regulatora ciśnienia poniżej 5%. Przykładowo, według fig. 6 wyjście pętli sterowania ciśnienia skrzynki służy do wyznaczenia wyjścia sterowania dostosowującego wentylator podający powietrze (F(x)13) oraz jako wartość zadana przepływu dla pętli sterowania przepływem spalin (F(x)14). Dla dokładnego wyznaczenia F(x)13 i F(x)14 należy przedstawić relacyjne oddziaływanie przepływu wentylatora podającego oraz przepływu spalin,

PL 207 110 B1 na ciśnienie suszarki skrzynkowej. W tym przykładzie wartości zadane dla przepływu spalin leżą w zakresie 1550-3100 SCFH powietrza, a zakres sterowania wentylatora podającego leży w zakresie 550-4000 SCFH powietrza. Jak można zauważyć, zakres przepływu spalin wynosi 3100-1550 = 1550; FH, a zakres wentylatora podają cego wynosi 4000-550= 3450 SCFH. W wyniku porównania obu zakresów oddziaływania można uzyskać współczynnik relatywnego zysku dla każdego parametru zgodny z następującym wyrażeniem: Relatywny Zysk A = wartość skalarna całkowitego rozstępu A / wartość skalarna całkowitego rozstępu A + wartość skalarna całkowitego rozstępu B + wartość skalarna całkowitego rozstępu C, itd. W naszym przykładzie relatywny zysk wentylatora podającego = całkowity rozstęp wentylatora podającego (3450)/ całkowity rozstęp wentylatora podającego (3450) + całkowity rozstęp wentylatora wyciągowego (1550). Relatywny zysk dla wentylatora podającego = 0,69. Stosując analogiczne rozumowanie dla wentylatora wyciągowego: relatywny zysk wentylatora wyciągowego = 0,31 (tzn. 1550/(3450+1550)). Interpretacja wyników wskazuje, że na wentylator podający przypada 69% wyjścia regulatora ciśnienia skrzynki a na wentylator wyciągowy przypada pozostałe 31% wyjścia regulatora ciśnienia skrzynki. Dla lepszego zrozumienia załóżmy, że kontrolowane zmienne mają charakterystykę liniową. Według fig. 5, ponieważ wentylator podający jest głównym urządzeniem sterującym, do kontroli ciśnienia skrzynki dopuszczona będzie jego liniowa modulacja od 13,75% - 100% zakresu sterowania, w porównaniu z 69% - 100 sygnału wyjściowego regulatora ciśnienia skrzynki. Podobnie, wentylator wyciągowy będzie liniowo modulowany od 50 do 100% swego zakresu sterowania w odniesieniu do 60 - 100% wyjścia regulatora ciśnienia skrzynki. F(x)13 wyprowadza się w tym przypadku wykorzystując równanie linii prostej Y+ mX+b, gdzie m = (4000-550)/(0-69), lub -50. Podstawiając, gdy Y = 4000, a X = 0, b = 4000 - (-50 * 0). Tak więc Y = -50*X + 4000. Po rozwiązaniu względem F(x)14, m = (3100-1550) / (100-69) = 50. Rozwiązując względem b, Y = 1550 gdy X = 69, b = 1550 -(50*69) = -1900. Tak wię c, F(x)14 = 50*X-1900.

Zasadniczo, przedstawienie pętli sterowania ciśnienia wykazuje, że przy wzroście ciśnienia suszarki skrzynkowej wzrasta wyjście regulatora ciśnienia suszarki skrzynkowej, zmniejszając tym samym ilość powietrza technologicznego doprowadzanego do suszarki. Gdy wyjście regulatora suszarki skrzynkowej przekroczy 69%, wyjście wentylatora podającego utrzymuje się na minimalnej szybkości, a wartość zadana przepł ywu spalin zaczyna rosnąć. Sygnał F(x)14 doprowadza się do bloku selekcji funkcji, w którym porównuje się z inną wartością zadaną przepływu spalin, generującą sygnały. Dalszy wzrost wyjścia regulatora ciśnienia skrzynki powoduje wzrost wartości zadanej przepływu spalin i ostatecznie przybiera największą wartość zadaną dla przepływu spalin, a ciśnienie suszarki skrzynkowej kontroluje się poprzez modulację wentylatora wyciągowego. Trwa to do momentu, w którym wartość tego sygnału przekroczy inna wartość zadana przepływu spalin. Przy innym sygnale sterowania wymagającym zwiększenia przepływu spalin maleje ciśnienie suszarki skrzynkowej, zmniejszając wyjście regulatora ciśnienia suszarki skrzynkowej i zwiększając wartość zadaną szybkości wentylatora podającego, dla wprowadzenia dodatkowego powietrza technologicznego.

Przedstawienie regulacji temperatury powietrza zasilającego strefę 1 suszarki dla wartości zadanej przepływu spalin suszarki

Układ kontrolny temperatury powietrza zasilającego strefę 1 suszarki wykorzystuje do ogrzania obudowy suszarki gorącą komorę spalania powietrza. Ilość gorącego powietrza, jaka jest dostępna dla ogrzewania i suszenia wstęgi, zależy od natężenia przepływu spalin. Pętla regulacji temperatury w strefie 1 suszarki steruje przepustnicą gorącego powietrza i wartością zadaną natężenia przepływu spalin. W układzie kontroli zastosowano metodę współczynnika relatywnego zysku opisaną powyżej dla układu sterowania ciśnienia skrzynki oraz według fig. 5. Wyznaczenie relatywnych zysków dla tego przykładu wymaga ustalenia wspólnych jednostek odniesionych do kontrolowanego parametru fizycznego. W tym przypadku będą to jednostki BTU/Min, które można traktować jako jednostkowe zużycie ciepła.

Założony przepływ powietrza w komorze paleniskowej poprzez przepustnicę doprowadzenia gorącego powietrza w położeniu 100% otwarcia wynosi 1850 SCFM w 871°C (1600°F), entalpia dla tego powietrza wynosi około 582,1 BTU/LBM a objętość właściwa wynosi 51,93 Ft³/LBM. Po rozwiązaniu względem BTU/Ft³: 581,01 BTU/LBM* 1/51,93 LBM/Ft³ = 11, 20758 BTU/Ft³

W odniesieniu do powietrza zasilają cego strefę 1 suszarki BTU/Min: 11,20758 BTU/Ft³ *1850 Ft³/Min = 20734 BTU/Min.

Dla tego przykładu maksymalne natężenie przepływu spalin wynosi 3100 Ft³/Min a maksymalna dopuszczalna wartość zadana procentowego poziomu % LEL wynosi 25%, czyli 11, 84BTU/Ft³.

PL 207 110 B1

Rozwiązując wyrażenie dla wartości BTU/Min przy maksymalnym przepływie spalin: 3100 Ft³/Min * 11,84 BTU/ Ft³ = 36704 BTU/Min.

Ponieważ energia ta nie jest w pełni dostępna dla komory paleniskowej, założono 5% strat, co daje około 34868,8 BTU/Min.

Obliczenie całkowitej ilości BTU/Min kontrolowanej w tym zastosowaniu: 34868,8 + 20734 = = 55602,8 BTU/Min.

Obliczenie współczynników relatywnego zysku dla każdej wielkości regulowanej:

Powietrze zasilające strefę 1 suszarki = 20734 / 55602,8 = 0,3729

Przepływ spalin = 34868,8 / 55602,8 = 0,6271 Przechodząc do fig. 7 i zakładając dla uproszczenia liniowe obciążenie cieplne każdego kontrolowanego elementu można wykonać następujący wykres:

Obliczenie F(x)11:

m = 1850-0 / 37,9 - 0 = 48,81, podstawiając do Y = mX +b, gdy Y = 0, X = 0, a wię c i b = 0.

F(x)11 = 48,81 * X

Obliczenie F(x)12:

m = 3100 - 15)/ 100-37,29 = 24,717, podstawiają c do Y = mX + b, gdy Y = 1550, X = 37,29, i rozwią zując wzglę dem b: 1550 -37,29 (24,717) = b = 628,303.

A zatem,

F(x)12 = 24, 717 * X + 628, 303.

Zasadniczo, przedstawienie działania pętli sterowania temperaturą powietrza zasilającego strefę 1 suszarki wskazuje, że przy spadku temperatury powietrza zasilającego strefę 1 suszarki względem wartości zadanej, wzrasta sygnał wyjściowy regulatora i następuje otwarcie przepustnicy gorącego powietrza. Gdy zapotrzebowanie cieplne wzrośnie do 37,29% sygnału wyjściowego regulatora temperatury strefy 1 suszarki, przepustnica gorącego powietrza będzie otwarta w 100%. Dalszy wzrost sygnału wyjściowego regulatora temperatury strefy 1 suszarki spowoduje początek wzrostu wartości zadanej dla przepływu spalin poprzez F(x)12 z utrzymaniem 100% otwarcia przepustnicy gorącego powietrza. Sygnał z F(x)12 podaje się do bloku selekcji funkcji, w którym porównuje się z inną wartością zadaną przepływu, generującą sygnały. Dalszy wzrost wyjścia regulatora temperatury strefy 1 suszarki spowoduje wzrost wartości zadanej przepływu spalin i ostatecznie przybranie największej wartości zadanej dla przepływu spalin, a temperaturę strefy 1 suszarki kontroluje się poprzez modulację wentylatora wyciągowego. Trwa to do momentu, w którym inna wartość zadana przepływu spalin przekroczy wartość tego sygnału. Przy innym sygnale sterowania wymagającym zwiększenia przepływu spalin temperatura pierwszej strefy suszarki staje się zbyt wysoka, na tyle zmniejszając wyjście regulatora temperatury 1 strefy suszarki, aby nastąpił powrót do modulacji przepustnicy gorącego powietrza.

Przedstawienie sygnału antycypacyjnego sterowania szybkością prasy

Szybkość prasy służy jako sygnał antycypacyjny, a jego doprowadzenie sumuje się z wartością zadaną przepływu spalin. W tym przypadku sygnał szybkości prasy sprzęga się z blokiem różniczkowania, w którym wyjście jest odniesione od szybkości zmiany sygnału szybkości prasy. Przykładowo, jeśli szybkość prasy jest stała, wyjście bloku różniczkowania będzie zerowe (0). Przy znacznym wzroście szybkości prasy wyjście bloku różniczkowania będzie znaczną wartością, która po zsumowaniu z wartością zadaną przepływu spalin będzie powodować wzrost przepływu spalin, wprowadzając dodatkowe BTU do utleniacza, zanim nastąpi wykrycie wzrostu lub spadku tej szybkości przez przyrządy. Jest to reakcja korzystna dla zapobieżenia poważnemu spadkowi temperatur medium i komory paleniskowej, potencjalnie wpływających na stabilność układu sterowania temperatury powietrza podawanego do pierwszej strefy suszarki. Zastosowanie układu logicznego o wysokiej selektywności stwarza pętlę sterowania o najwyższym priorytecie dla zwiększonego poziomu spalin, umożliwiając sterowanie przepływem spalin na finalnym regulatorze.

Ustanowienie wskaźnika ogrzania dla każdego złoża daje następujące zalety: dostarcza wartość wskazującą dla danego złoża medium o zasobie energii termicznej; dostarcza wartość wskazującą położenie miejsca utleniania w złożu medium.

Dzięki wartości wskaźnika ogrzania można bezpośrednio monitorować i kontrolować zawartość cieplną każdego złoża medium. Eliminuje to oczekiwanie do momentu dojścia miejsca utlenienia do końca złoża medium, co obecnie ma miejsce w przemyśle. Dzięki charakterystyce równania wskaźnika ogrzania, gdy strefa utlenienia oddala się od strefy spalania, wartość wskaźnika ogrzania wzrasta wykładniczo względem odległości strefy utleniania od strefy spalania. Funkcjonalnie, służy to szybkiej

PL 207 110 B1 zmianie czasów przełączenia dla złóż mediów w celu skorygowania braku równowagi cieplnej. Daje to dokładne wskazanie położenia strefy utleniania w złożu medium.

Zastosowanie metody gęstości energii dla określenia i kontrolowania dodatkowego paliwa w termicznych ukł adach regeneracyjnych oferuje nastę pują ce korzyś ci:

(a) zapotrzebowanie energii termodynamicznej oblicza się na podstawie pomiaru temperatury w różnych miejscach urządzenia, (b) do ustalenia faktycznej zawartości energii w gazie procesowym, zastosowano analizator.

(c) łączy się zastosowanie (a) i (b) dla wprowadzenia odpowiedniej ilości paliwa do systemu.

Udoskonaleniem dotychczasowych rozwiązań jest natychmiastowa reakcja na zmiany procesowe i dostarczenie sygnału antycypacyjnego. Dzięki tej zalecie działanie systemów bardziej złożonych (np. suszarki zintegrowanej z RTO) będzie bardziej bezpieczne lub bardziej wydajne w wyniku wprowadzenia większej złożoności układów sterowania.

Zalety układu kontroli rozrządu przełącznika zaworowego dają tę korzyść, że układ dostosowuje czas przełączenia złoża medium, dla zoptymalizowania termodynamicznego przekazu ciepła podyktowanego natężeniem przepływu spalin. Sposób ten nie jest obecnie stosowany w zintegrowanym układzie regeneracyjnego utleniacza termicznego i suszarki.

Układ manipulacyjny elementu sterowania finalnym regulatorem stężenia BTU/CUFT ma następujące zalety.

(a) dostarcza zwielokrotniony element sterowania finalnego w jednej pętli PID.

(b) umożliwia techniczne dostosowanie do jednego zestawu parametrów dostrajających dla pętli PID, działających dla wszystkich zwielokrotnionych elementów sterowania finalnego.

(c) podział zakresowy elementów sterowania finalnego umożliwia łagodne przejście z jednego elementu sterowania finalnego do drugiego.

Sposoby te nie były wcześniej stosowane w zintegrowanym regeneracyjnym utleniaczu termicznym i suszarce.

Zastosowanie układu różniczkowania wartości zadanej regulatora stężenia BTU/CUFT jest wyjątkowe w odniesieniu do zintegrowanego regeneracyjnego utleniacza termicznego i suszarki pod tym względem, że:

(a) w układzie spalin procesowych kontroluje się stężenie BTU/CUFT. Umożliwia to szybką i precyzyjną reakcję na zmiany procesu w odróżnieniu od pomiaru powolnych wzrostów temperatury w ukł adach utleniania i natęże ń przepł ywu spalin opartych o sygnał y szybkoś ci liniowej.

(b) do obliczenia podstawy poziomu stężenia BTU/CUFT zastosowano temperaturę komory paleniskowej regeneracyjnego utleniacza.

(c) zastosowanie równania gęstości energii i szybkości liniowej jako sygnałów antycypacyjnych dla utrzymania automatycznego działania termicznego utleniacza regeneracyjnego w zadanym punkcie termicznym.

Kontrolowanie przepływu spalin w wielu pętlach sterowania jest specyficzne dla regeneracyjnych zintegrowanych utleniaczy termicznych i suszarek pod tym względem, że:

(a) znane układy sterowania spalinami dawały liniową regulację objętości spalin na podstawie bezpośredniego wzrostu szybkości i/lub temperatury w układzie utleniacza. Przy dużej ilości zmiennych zależnych od objętości przepływu spalin układ sterowania przepływem spalin jest rzadko inteligentny i adaptowalny dla utrzymania optymalnej sprawności operacyjnej. Uzyskano to dzięki zastosowaniu układu selekcji sygnału wysokiej wartości zadanej dla przepływu spalin oraz dzięki zastosowaniu antycypacyjnych sygnałów szybkości prasy.

(b) układ sterowania gęstością energii automatycznie kompensuje odchyłki procesowe wysokich lub niskich wartości BTU/CUFT poprzez regulację zaworu wtrysku gazu opałowego oraz regulację wartości zadanej przepływu spalin. Taki podzespół sterowania dostarcza podstawę wartości zadanej przepływu spalin, zmniejsza wypływ i zwiększa oszczędność paliwa.

(c) układ sterowania temperatury w 1 strefie suszarki kompensuje stany procesowe przekraczające izotermiczną energię dostarczaną poprzez układ wtrysku gazu opałowego pracujący w maksymalnym dopuszczalnym punkcie wartości zadanej oraz zmniejsza poziom spalin, stosownie do gramatury wstęgi, małego krycia, dużego krycia, najpierw poprzez modulację pełnego otwarcia przepustnicy gorącego powietrza i następnie poprzez zwiększenie wartości zadanej przepływu spalin. Ponieważ kontroluje się stężenie BTU/CUFT, zwiększenie przepływu spalin spowoduje wzrost przepływu gazu opałowego, zwiększając tym samym poziom energii egzotermicznej w utleniaczu.

PL 207 110 B1 (d) układ sterowania spalinami wykorzystuje charakterystykę zmiany szybkości prasy jako sygnał antycypacyjny, który sumuje się z wartością zadaną natężenia przepływu.

(e) stanowi unikalność zastosowania koncepcji relatywnego zysku dla podziału zakresowego sygnałów wyjściowych sterowania.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Regeneracyjny utleniacz termiczny zawierający co najmniej dwie kolumny regeneratora, przy czym każda kolumna ma medium wymiany ciepła, zaś z każdą kolumną regeneratora są połączone elementy wlotu i wylotu gazu oraz strefa spalania, a ponadto urządzenie zawiera elementy zaworowe przemiennego kierowania gazu do elementów wlotowych jednej z kolumn w jednym kierunku i poprzez drugą kolumnę w drugim kierunku, znamienny tym, że zawiera liczne elementy detekcji temperatury, wykrywające temperaturę gazu w licznych wstępnie określonych położeniach każdej kolumny oraz elementy kalkulacji energii do obliczania pierwszej wartości wskazującej energię termiczną magazynowaną w medium wymiennika ciepła pierwszej kolumny regeneratora i drugą wartość wskazującą energię termiczną magazynowaną w medium wymiennika ciepła w drugiej kolumnie regeneratora, a ponadto urządzenie zawiera elementy do określenia różnicy pomiędzy pierwszą i drugą wartością wskazującą energię termiczną oraz elementy porównawcze, porównujące wspomnianą różnicę z wartością zadaną i elementy przełączające, reagujące na elementy porównawcze dla sterowania rozrządem elementów zaworowych.
2. Regeneracyjny utleniacz według zastrz. 1, znamienny tym, że ponadto zawiera elementy do obliczania gęstości energii gazu procesowego w oparciu o wykryte temperatury gazu oraz elementy pomiarowe, rzeczywistej gęstości energii gazu procesowego oraz środki do porównywania obliczonej gęstości energii z rzeczywistą gęstością energii i elementy do regulacji ilości dodatkowego paliwa dodawanego do utleniacza na podstawie porównania.
3. Sposób działania regeneracyjnego utleniacza termicznego posiadającego co najmniej dwie kolumny regeneratora, z których każda zawiera medium wymiany ciepła w którym mierzy się temperaturę wlotu i wylotu gazu połączone z każdą kolumną regeneratora, który doprowadza się elementami wlotu i wylotu gazu, przy czym za pomocą elementów zaworowych przemiennie kieruje się gaz do elementów wlotu gazu jednej z kolumn w pierwszym kierunku i poprzez drugą kolumnę w drugim kierunku, znamienny tym, że mierzy się temperaturę gazu w licznych, wstępnie ustalonych miejscach w każdej kolumnie, po czym oblicza się jedną wartość wskazującą energię termiczną zmagazynowan ą w medium wymiany ciepł a pierwszej kolumny regeneratora i drugą wartość wskazują c ą energię termiczną zmagazynowaną w medium wymiennika ciepła drugiej kolumnie regeneratora, a następnie określa się różnicę pomiędzy pierwszą i drugą wartością wskazująca energię termiczną i porównuje się różnicę z wartością zadaną, po czym uruchamia się elementy zaworowe.
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że oblicza się gęstości energii gazu w oparciu o zmierzone temperatury gazu po czym mierzy się faktyczną gęstość energii gazu, a nastę pnie porównuje się obliczoną gęstość energii i rzeczywistą gęstość energii, po czym reguluje się ilość dodatkowego paliwa dodawanego do utleniacza w zależności od porównania.