[發明專利]四噴嘴水煤漿氣化爐控制系統以及控制方法

在審

• 申請號: 201911300901.1
• 申請日: 2019-12-17
• 公開（公告）號: CN110819388A
• 公開（公告）日: 2020-02-21
• 發明（設計）人: 周琨;張成學;周雪花;徐瑞哲
• 申請（專利權）人: 新能鳳凰（滕州）能源有限公司
• 主分類號: C10J3/48
• 分類號: C10J3/48;C10J3/50
• 代理公司: 北京市盛峰律師事務所 11337
• 代理人: 席小東

1.一種四噴嘴水煤漿氣化爐控制系統，其特征在于，包括：稱重給料機系統(1)、磨煤機(2)、第一煤漿儲槽(3)、低壓煤漿泵(4)、第二煤漿儲槽(5)、高壓煤漿泵(6)、氣化爐(7)和DCS系統；

所述稱重給料機系統(1)包括稱重給料機(1-1)、下料口(1-2)、給料機電機(1-3)和給料機轉速探頭(1-4)；所述稱重給料機(1-1)的進料端上方安裝所述下料口(1-2)；

所述磨煤機(2)的進料端連通工藝水管線和添加劑管線；其中，所述工藝水管線安裝工藝水流量計(2-1)以及工藝水調節閥(2-2)；所述添加劑管線安裝添加劑流量計(2-3)以及添加劑調節閥(2-4)；并且，所述工藝水管線與所述稱重給料機(1-1)的出料端通過給煤管線(1-5)連通；

所述第一煤漿儲槽(3)的進料端與所述磨煤機(2)的出料端通過管線連通；

所述低壓煤漿泵(4)的進料端與所述第一煤漿儲槽(3)連通；所述低壓煤漿泵(4)的出料端通過第一煤漿輸送管線(G1)與所述第二煤漿儲槽(5)的出料端連通；其中，在所述第一煤漿輸送管線(G1)安裝煤漿濃度計(8)；

所述氣化爐(7)配置四個位于同一水平面的對置式噴嘴；

所述高壓煤漿泵(6)的進料端與所述第二煤漿儲槽(5)連通；所述高壓煤漿泵(6)的出料端通過第二煤漿輸送管線(G2)，分別與所述氣化爐(7)的每個噴嘴的外環進料口連通；所述氣化爐(7)的每個噴嘴還連通中心氧管線和主氧氣管線；其中，所述中心氧管線安裝中心氧氣流量計(7-1)和中心氧氣流量調節閥(7-2)；所述主氧氣管線安裝主氧氣流量計(7-3)和主氧氣流量調節閥(7-4)；所述氣化爐(7)的內部爐壁安裝高溫熱電偶(7-5)；

所述DCS系統的輸入端分別與所述給料機轉速探頭(1-4)、所述工藝水流量計(2-1)、所述添加劑流量計(2-3)、所述煤漿濃度計(8)、所述中心氧氣流量計(7-1)、所述主氧氣流量計(7-3)和所述高溫熱電偶(7-5)連接；

所述DCS系統的輸出端分別與所述給料機電機(1-3)、所述工藝水調節閥(2-2)、所述添加劑調節閥(2-4)、所述中心氧氣流量調節閥(7-2)和所述主氧氣流量調節閥(7-4)連接。

2.根據權利要求1所述的四噴嘴水煤漿氣化爐控制系統，其特征在于，所述給料機轉速探頭(1-4)采用同軸速度傳感器。

3.根據權利要求2所述的四噴嘴水煤漿氣化爐控制系統，其特征在于，所述速度傳感器采用無碳刷式交流脈沖發生器。

4.根據權利要求2所述的四噴嘴水煤漿氣化爐控制系統，其特征在于，所述工藝水流量計(2-1)和所述添加劑流量計(2-3)采用電磁流量計。

5.一種權利要求1-4任一項所述的四噴嘴水煤漿氣化爐控制系統的控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，水煤漿氣化過程包括：

步驟1.1，原料煤經稱重給料機系統(1)稱重后，與工藝水管線輸送的工藝水及添加劑管線輸送的添加劑混合，得到混合煤液；

步驟1.2，混合煤液輸送到磨煤機(2)，經磨煤機(2)研磨后，得到第一煤漿；

步驟1.3，第一煤漿通過低壓煤漿泵(4)送到第二煤漿儲槽(5)儲存；

步驟1.4，高壓煤漿泵(6)將第二煤漿儲槽(5)儲存的水煤漿加壓至7.88MPa后，根據氧煤比計算后，進入氣化爐(7)的各個工藝燒嘴的外環通道；

空分裝置輸送的純氧經切斷閥分成四路，每路純氧分為兩個支路，第一支路為中心氧，第二支路為主氧氣；中心氧經中心氧氣流量計(7-1)和中心氧氣流量調節閥(7-2)后，進入工藝燒嘴的中心通道；主氧氣經主氧氣流量計(7-3)和主氧氣流量調節閥(7-4)后，進入工藝燒嘴的外環通道；

加壓后的水煤漿、中心氧和主氧氣，通過四個對稱布置在同一水平面的工藝燒嘴，同軸射流進入氣化爐內，氣化反應條件為6.5MPa、1350℃；通過高溫熱電偶(7-5)檢測氣化爐內壁溫度，從而生成粗合成氣，成分為CO₂、H₂、CO、CH₄及水蒸汽混合物，水煤漿中的未轉化組分與煤灰形成灰渣；

步驟2，水煤漿氣化控制過程包括煤漿濃度的自動控制和氣化爐氣化過程控制兩部分；

步驟2.1，在步驟1的水煤漿氣化過程中，給料機轉速探頭(1-4)實時測量給料機實時轉速，工藝水流量計(2-1)實時測量工藝水實時流量，添加劑流量計(2-3)實時測量添加劑實時流量，煤漿濃度計(8)實時測量煤漿實時流量，中心氧氣流量計(7-1)實時測量中心氧氣實時流量，主氧氣流量計(7-3)實時測量主氧氣實時流量，高溫熱電偶(7-5)實時測量氣化爐內壁實時溫度；

步驟2.2，所述給料機實時轉速、所述工藝水實時流量、所述添加劑實時流量、所述煤漿實時流量、所述中心氧氣實時流量、所述主氧氣實時流量和所述氣化爐內壁實時溫度實時通過DCS系統傳輸給APC系統；

步驟2.3，APC系統預建立調控數學模型，通過所述調控數學模型，得到對給料機電機(1-3)轉速、工藝水供給流量、添加劑供給流量、中心氧供給流量和主氧氣供給流量的最佳控制值；然后通過最佳控制值，分別對給料機電機(1-3)轉速、工藝水調節閥(2-2)、添加劑調節閥(2-4)、中心氧氣流量調節閥(7-2)和主氧氣流量調節閥(7-4)進行控制，使四噴嘴水煤漿氣化爐裝置自動安全穩定運行；

步驟2.3具體包括：

步驟2.3.1，預建立控制模型：

其中：

y(s)為控制變量MV；

u(s)為被控變量CV；

k為增益系數，表示控制變量和被控變量之間響應速度的情況；

τ_n、τ₁、τ₂分別為控制模型在控制變量變化時達到被控變量穩態所需的第一時間系數、第二時間系數和第三時間系數；

d為控制變量響應被控變量所需要的時間系數；

s為時間變量；

步驟2.3.2，采用階躍測試方法，分別求得與不同控制變量、被控變量對應的k、τ_n、τ₁、τ₂和d的值；從而得到特定控制變量和特定被控變量所對應的控制模型；

具體包括：

煤漿制備APC控制器變量及控制關系包括：

步驟2.3.2.1，稱重給料機給煤量設定值調節水煤漿濃度的數學模型為：

其中：

u₁(s)為水煤漿濃度；

y₁(s)為稱重給料機給煤量設定值；

步驟2.3.2.2，工藝水給水量設定值調節水煤漿濃度的數學模型為：

其中：

u₁(s)為水煤漿濃度；

y₂(s)為工藝水給水量設定值；

步驟2.3.2.3，稱重給料機給煤量設定值調節煤漿槽液位的數學模型為：

其中：

u₂(s)為煤漿槽液位；

y₁(s)為稱重給料機給煤量設定值；

步驟2.3.2.4，工藝水給水量設定值調節煤漿槽液位的數學模型為：

其中：

u₂(s)為煤漿槽液位；

y₂(s)為工藝水給水量設定值；

步驟2.3.2.5，稱重給料機給煤量設定值調節稱重給料機瞬時給煤量的數學模型為：

其中：

u₃(s)為稱重給料機瞬時給煤量；

y₁(s)為稱重給料機給煤量設定值；

步驟2.3.2.6，工藝水給水量設定值調節工藝水瞬時給水量的數學模型為：

其中：

u₄(s)為工藝水瞬時給水量；

y₂(s)為工藝水給水量設定值；

氣化爐APC控制器變量及控制關系包括：

氣化爐共布置四只高溫熱電偶，分別為第一高溫熱電偶、第二高溫熱電偶、第三高溫熱電偶和第四高溫熱電偶；其中，第一高溫熱電偶用于測量氣化爐拱頂溫度；第二高溫熱電偶用于測量氣化爐燒嘴室溫度；第三高溫熱電偶用于測量氣化爐中下部溫度；第四高溫熱電偶用于測量氣化爐底部溫度；

氣化爐共有四個燒嘴，分別為A燒嘴、B燒嘴、C燒嘴和D燒嘴；四個燒嘴在氣化爐上部同一水平位置，成90°夾角對置式分布，其中，A燒嘴與B燒嘴對置，C燒嘴與D燒嘴對置，A燒嘴、D燒嘴、B燒嘴、C燒嘴按順時針排布，每個燒嘴連接一條煤漿支管、一個主氧氣支管和一個中心氧氣支管；

步驟2.3.2.7，四個燒嘴的主氧氣流量設定值調節粗煤氣甲烷含量的數學模型為：

其中：

u₅(s)為粗煤氣甲烷含量；

y₃(s)為每個燒嘴的主氧氣流量設定值；

步驟2.3.2.8，四個燒嘴的主氧氣流量設定值調節粗煤氣二氧化碳含量的數學模型為：

其中：

u₆(s)為粗煤氣二氧化碳含量；

y₃(s)為每個燒嘴的主氧氣流量設定值；

步驟2.3.2.9，每個燒嘴的主氧氣流量設定值調節氣化爐拱頂溫度的數學模型為：

其中：

u₇(s)為氣化爐拱頂溫度；

y₃(s)為每個燒嘴的主氧氣流量設定值；

步驟2.3.2.10，每個燒嘴的主氧氣流量設定值調節氣化爐燒嘴室溫度的數學模型為：

其中：

u₈(s)為氣化爐燒嘴室溫度；

y₃(s)為每個燒嘴的主氧氣流量設定值；

步驟2.3.2.11，每個燒嘴的主氧氣流量設定值調節氣化爐中下部溫度的數學模型為：

其中：

u₉(s)為氣化爐中下部溫度；

y₃(s)為每個燒嘴的主氧氣流量設定值；

步驟2.3.2.12，每個燒嘴的主氧氣流量設定值調節氣化爐底部溫度的數學模型為：

其中：

u₁₀(s)為氣化爐底部溫度；

y₃(s)為每個燒嘴的主氧氣流量設定值；

步驟2.3.2.13，每個燒嘴的主氧氣流量設定值調節A燒嘴氧煤比的數學模型為：

其中：

u₁₁(s)為A燒嘴氧煤比；

y₃(s)為每個燒嘴的主氧氣流量設定值；

步驟2.3.2.14，每個燒嘴的主氧氣流量設定值調節B燒嘴氧煤比的數學模型為：

其中：

u₁₂(s)為B燒嘴氧煤比；

y₃(s)為每個燒嘴的主氧氣流量設定值；

步驟2.3.2.15，每個燒嘴的主氧氣流量設定值調節C燒嘴氧煤比的數學模型為：

其中：

u₁₃(s)為C燒嘴氧煤比；

y₃(s)為每個燒嘴的主氧氣流量設定值；

步驟2.3.2.16，每個燒嘴的主氧氣流量設定值調節D燒嘴氧煤比的數學模型為：

其中：

u₁₄(s)為D燒嘴氧煤比；

y₃(s)為每個燒嘴的主氧氣流量設定值；

步驟2.3.2.17，每個燒嘴的中心氧氣流量設定值調節A燒嘴中心氧比例的數學模型為：

其中：

u₁₅(s)為A燒嘴中心氧比例，即：A燒嘴中心氧流量與A燒嘴主氧氣流量的比例；

y₄(s)為每個燒嘴的中心氧氣流量設定值；

步驟2.3.2.18，每個燒嘴的中心氧氣流量設定值調節B燒嘴中心氧比例的數學模型為：

其中：

u₁₆(s)為B燒嘴中心氧比例，即：B燒嘴中心氧流量與B燒嘴主氧氣流量的比例；

y₄(s)為每個燒嘴的中心氧氣流量設定值；

步驟2.3.2.19，每個燒嘴的中心氧氣流量設定值調節C燒嘴中心氧比例的數學模型為：

其中：

u₁₇(s)為C燒嘴中心氧比例，即：C燒嘴中心氧流量與C燒嘴主氧氣流量的比例；

y₄(s)為每個燒嘴的中心氧氣流量設定值；

步驟2.3.2.20，每個燒嘴的中心氧氣流量設定值調節D燒嘴中心氧比例的數學模型為：

其中：

u₁₈(s)為D燒嘴中心氧比例，即：D燒嘴中心氧流量與D燒嘴主氧氣流量的比例；

y₄(s)為每個燒嘴的中心氧氣流量設定值；

步驟2.3.2.21，A燒嘴的主氧氣流量設定值調節A燒嘴和B燒嘴主氧氣流量差的數學模型為：

其中：

u₁₉(s)為A燒嘴和B燒嘴主氧氣流量差；

y₅(s)為A燒嘴的主氧氣流量設定值；

步驟2.3.2.22，B燒嘴的主氧氣流量設定值調節A燒嘴和B燒嘴主氧氣流量差的數學模型為：

其中：

u₁₉(s)為A燒嘴和B燒嘴主氧氣流量差；

y₆(s)為B燒嘴的主氧氣流量設定值；

步驟2.3.2.23，C燒嘴的主氧氣流量設定值調節C燒嘴和D燒嘴主氧氣流量差的數學模型為：

其中：

u₂₀(s)為C燒嘴和D燒嘴主氧氣流量差；

y₇(s)為C燒嘴的主氧氣流量設定值；

步驟2.3.2.24，D燒嘴的主氧氣流量設定值調節C燒嘴和D燒嘴主氧氣流量差的數學模型為：

其中：

u₂₀(s)為C燒嘴和D燒嘴主氧氣流量差；

y₈(s)為D燒嘴的主氧氣流量設定值；

步驟2.3.2.25，A燒嘴的主氧氣流量設定值調節(L_A+L_B)-(L_C+L_D)的數學模型為：

其中：

u₂₁(s)為(L_A+L_B)-(L_C+L_D)；其中：L_A、L_B、L_C、L_D分別代表A燒嘴、B燒嘴、C燒嘴、D燒嘴的主氧氣流量；

y₅(s)為A燒嘴的主氧氣流量設定值；

步驟2.3.2.26，B燒嘴的主氧氣流量設定值調節(L_A+L_B)-(L_C+L_D)的數學模型為：

其中：

u₂₁(s)為(L_A+L_B)-(L_C+L_D)；其中：L_A、L_B、L_C、L_D分別代表A燒嘴、B燒嘴、C燒嘴、D燒嘴的主氧氣流量；

y₆(s)為B燒嘴的主氧氣流量設定值；

步驟2.3.2.27，C燒嘴的主氧氣流量設定值調節(L_A+L_B)-(L_C+L_D)的數學模型為：

其中：

u₂₁(s)為(L_A+L_B)-(L_C+L_D)；其中：L_A、L_B、L_C、L_D分別代表A燒嘴、B燒嘴、C燒嘴、D燒嘴的主氧氣流量；

y₇(s)為C燒嘴的主氧氣流量設定值；

步驟2.3.2.28，D燒嘴的主氧氣流量設定值調節(L_A+L_B)-(L_C+L_D)的數學模型為：

其中：

u₂₁(s)為(L_A+L_B)-(L_C+L_D)；其中：L_A、L_B、L_C、L_D分別代表A燒嘴、B燒嘴、C燒嘴、D燒嘴的主氧氣流量；

y₈(s)為D燒嘴的主氧氣流量設定值；

步驟2.3.3，根據每個特定控制變量和特定被控變量所對應的控制模型，輸入被控變量的目標值，得到控制變量的目標值，然后將控制變量的目標值與控制變量的設定值相減，得到控制變量的調節值，然后根據控制變量的調節值，作用于對應的執行機構，實現對控制變量的調節，從而使調節后系統的控制變量的實時值，等于控制變量的目標值，實現對四噴嘴水煤漿氣化爐控制調節。