[发明专利]四喷嘴水煤浆气化炉控制系统以及控制方法

权利要求书

1.一种四喷嘴水煤浆气化炉控制系统，其特征在于，包括：称重给料机系统(1)、磨煤机(2)、第一煤浆储槽(3)、低压煤浆泵(4)、第二煤浆储槽(5)、高压煤浆泵(6)、气化炉(7)和DCS系统；

所述称重给料机系统(1)包括称重给料机(1-1)、下料口(1-2)、给料机电机(1-3)和给料机转速探头(1-4)；所述称重给料机(1-1)的进料端上方安装所述下料口(1-2)；

所述磨煤机(2)的进料端连通工艺水管线和添加剂管线；其中，所述工艺水管线安装工艺水流量计(2-1)以及工艺水调节阀(2-2)；所述添加剂管线安装添加剂流量计(2-3)以及添加剂调节阀(2-4)；并且，所述工艺水管线与所述称重给料机(1-1)的出料端通过给煤管线(1-5)连通；

所述第一煤浆储槽(3)的进料端与所述磨煤机(2)的出料端通过管线连通；

所述低压煤浆泵(4)的进料端与所述第一煤浆储槽(3)连通；所述低压煤浆泵(4)的出料端通过第一煤浆输送管线(G1)与所述第二煤浆储槽(5)的出料端连通；其中，在所述第一煤浆输送管线(G1)安装煤浆浓度计(8)；

所述气化炉(7)配置四个位于同一水平面的对置式喷嘴；

所述高压煤浆泵(6)的进料端与所述第二煤浆储槽(5)连通；所述高压煤浆泵(6)的出料端通过第二煤浆输送管线(G2)，分别与所述气化炉(7)的每个喷嘴的外环进料口连通；所述气化炉(7)的每个喷嘴还连通中心氧管线和主氧气管线；其中，所述中心氧管线安装中心氧气流量计(7-1)和中心氧气流量调节阀(7-2)；所述主氧气管线安装主氧气流量计(7-3)和主氧气流量调节阀(7-4)；所述气化炉(7)的内部炉壁安装高温热电偶(7-5)；

所述DCS系统的输入端分别与所述给料机转速探头(1-4)、所述工艺水流量计(2-1)、所述添加剂流量计(2-3)、所述煤浆浓度计(8)、所述中心氧气流量计(7-1)、所述主氧气流量计(7-3)和所述高温热电偶(7-5)连接；

所述DCS系统的输出端分别与所述给料机电机(1-3)、所述工艺水调节阀(2-2)、所述添加剂调节阀(2-4)、所述中心氧气流量调节阀(7-2)和所述主氧气流量调节阀(7-4)连接。

2.根据权利要求1所述的四喷嘴水煤浆气化炉控制系统，其特征在于，所述给料机转速探头(1-4)采用同轴速度传感器。

3.根据权利要求2所述的四喷嘴水煤浆气化炉控制系统，其特征在于，所述速度传感器采用无碳刷式交流脉冲发生器。

4.根据权利要求2所述的四喷嘴水煤浆气化炉控制系统，其特征在于，所述工艺水流量计(2-1)和所述添加剂流量计(2-3)采用电磁流量计。

5.一种权利要求1-4任一项所述的四喷嘴水煤浆气化炉控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，水煤浆气化过程包括：

步骤1.1，原料煤经称重给料机系统(1)称重后，与工艺水管线输送的工艺水及添加剂管线输送的添加剂混合，得到混合煤液；

步骤1.2，混合煤液输送到磨煤机(2)，经磨煤机(2)研磨后，得到第一煤浆；

步骤1.3，第一煤浆通过低压煤浆泵(4)送到第二煤浆储槽(5)储存；

步骤1.4，高压煤浆泵(6)将第二煤浆储槽(5)储存的水煤浆加压至7.88MPa后，根据氧煤比计算后，进入气化炉(7)的各个工艺烧嘴的外环通道；

空分装置输送的纯氧经切断阀分成四路，每路纯氧分为两个支路，第一支路为中心氧，第二支路为主氧气；中心氧经中心氧气流量计(7-1)和中心氧气流量调节阀(7-2)后，进入工艺烧嘴的中心通道；主氧气经主氧气流量计(7-3)和主氧气流量调节阀(7-4)后，进入工艺烧嘴的外环通道；

加压后的水煤浆、中心氧和主氧气，通过四个对称布置在同一水平面的工艺烧嘴，同轴射流进入气化炉内，气化反应条件为6.5MPa、1350℃；通过高温热电偶(7-5)检测气化炉内壁温度，从而生成粗合成气，成分为CO₂、H₂、CO、CH₄及水蒸汽混合物，水煤浆中的未转化组分与煤灰形成灰渣；

步骤2，水煤浆气化控制过程包括煤浆浓度的自动控制和气化炉气化过程控制两部分；

步骤2.1，在步骤1的水煤浆气化过程中，给料机转速探头(1-4)实时测量给料机实时转速，工艺水流量计(2-1)实时测量工艺水实时流量，添加剂流量计(2-3)实时测量添加剂实时流量，煤浆浓度计(8)实时测量煤浆实时流量，中心氧气流量计(7-1)实时测量中心氧气实时流量，主氧气流量计(7-3)实时测量主氧气实时流量，高温热电偶(7-5)实时测量气化炉内壁实时温度；

步骤2.2，所述给料机实时转速、所述工艺水实时流量、所述添加剂实时流量、所述煤浆实时流量、所述中心氧气实时流量、所述主氧气实时流量和所述气化炉内壁实时温度实时通过DCS系统传输给APC系统；

步骤2.3，APC系统预建立调控数学模型，通过所述调控数学模型，得到对给料机电机(1-3)转速、工艺水供给流量、添加剂供给流量、中心氧供给流量和主氧气供给流量的最佳控制值；然后通过最佳控制值，分别对给料机电机(1-3)转速、工艺水调节阀(2-2)、添加剂调节阀(2-4)、中心氧气流量调节阀(7-2)和主氧气流量调节阀(7-4)进行控制，使四喷嘴水煤浆气化炉装置自动安全稳定运行；

步骤2.3具体包括：

步骤2.3.1，预建立控制模型：

其中：

y(s)为控制变量MV；

u(s)为被控变量CV；

k为增益系数，表示控制变量和被控变量之间响应速度的情况；

τ_n、τ₁、τ₂分别为控制模型在控制变量变化时达到被控变量稳态所需的第一时间系数、第二时间系数和第三时间系数；

d为控制变量响应被控变量所需要的时间系数；

s为时间变量；

步骤2.3.2，采用阶跃测试方法，分别求得与不同控制变量、被控变量对应的k、τ_n、τ₁、τ₂和d的值；从而得到特定控制变量和特定被控变量所对应的控制模型；

具体包括：

煤浆制备APC控制器变量及控制关系包括：

步骤2.3.2.1，称重给料机给煤量设定值调节水煤浆浓度的数学模型为：

其中：

u₁(s)为水煤浆浓度；

y₁(s)为称重给料机给煤量设定值；

步骤2.3.2.2，工艺水给水量设定值调节水煤浆浓度的数学模型为：

其中：

u₁(s)为水煤浆浓度；

y₂(s)为工艺水给水量设定值；

步骤2.3.2.3，称重给料机给煤量设定值调节煤浆槽液位的数学模型为：

其中：

u₂(s)为煤浆槽液位；

y₁(s)为称重给料机给煤量设定值；

步骤2.3.2.4，工艺水给水量设定值调节煤浆槽液位的数学模型为：

其中：

u₂(s)为煤浆槽液位；

y₂(s)为工艺水给水量设定值；

步骤2.3.2.5，称重给料机给煤量设定值调节称重给料机瞬时给煤量的数学模型为：

其中：

u₃(s)为称重给料机瞬时给煤量；

y₁(s)为称重给料机给煤量设定值；

步骤2.3.2.6，工艺水给水量设定值调节工艺水瞬时给水量的数学模型为：

其中：

u₄(s)为工艺水瞬时给水量；

y₂(s)为工艺水给水量设定值；

气化炉APC控制器变量及控制关系包括：

气化炉共布置四只高温热电偶，分别为第一高温热电偶、第二高温热电偶、第三高温热电偶和第四高温热电偶；其中，第一高温热电偶用于测量气化炉拱顶温度；第二高温热电偶用于测量气化炉烧嘴室温度；第三高温热电偶用于测量气化炉中下部温度；第四高温热电偶用于测量气化炉底部温度；

气化炉共有四个烧嘴，分别为A烧嘴、B烧嘴、C烧嘴和D烧嘴；四个烧嘴在气化炉上部同一水平位置，成90°夹角对置式分布，其中，A烧嘴与B烧嘴对置，C烧嘴与D烧嘴对置，A烧嘴、D烧嘴、B烧嘴、C烧嘴按顺时针排布，每个烧嘴连接一条煤浆支管、一个主氧气支管和一个中心氧气支管；

步骤2.3.2.7，四个烧嘴的主氧气流量设定值调节粗煤气甲烷含量的数学模型为：

其中：

u₅(s)为粗煤气甲烷含量；

y₃(s)为每个烧嘴的主氧气流量设定值；

步骤2.3.2.8，四个烧嘴的主氧气流量设定值调节粗煤气二氧化碳含量的数学模型为：

其中：

u₆(s)为粗煤气二氧化碳含量；

y₃(s)为每个烧嘴的主氧气流量设定值；

步骤2.3.2.9，每个烧嘴的主氧气流量设定值调节气化炉拱顶温度的数学模型为：

其中：

u₇(s)为气化炉拱顶温度；

y₃(s)为每个烧嘴的主氧气流量设定值；

步骤2.3.2.10，每个烧嘴的主氧气流量设定值调节气化炉烧嘴室温度的数学模型为：

其中：

u₈(s)为气化炉烧嘴室温度；

y₃(s)为每个烧嘴的主氧气流量设定值；

步骤2.3.2.11，每个烧嘴的主氧气流量设定值调节气化炉中下部温度的数学模型为：

其中：

u₉(s)为气化炉中下部温度；

y₃(s)为每个烧嘴的主氧气流量设定值；

步骤2.3.2.12，每个烧嘴的主氧气流量设定值调节气化炉底部温度的数学模型为：

其中：

u₁₀(s)为气化炉底部温度；

y₃(s)为每个烧嘴的主氧气流量设定值；

步骤2.3.2.13，每个烧嘴的主氧气流量设定值调节A烧嘴氧煤比的数学模型为：

其中：

u₁₁(s)为A烧嘴氧煤比；

y₃(s)为每个烧嘴的主氧气流量设定值；

步骤2.3.2.14，每个烧嘴的主氧气流量设定值调节B烧嘴氧煤比的数学模型为：

其中：

u₁₂(s)为B烧嘴氧煤比；

y₃(s)为每个烧嘴的主氧气流量设定值；

步骤2.3.2.15，每个烧嘴的主氧气流量设定值调节C烧嘴氧煤比的数学模型为：

其中：

u₁₃(s)为C烧嘴氧煤比；

y₃(s)为每个烧嘴的主氧气流量设定值；

步骤2.3.2.16，每个烧嘴的主氧气流量设定值调节D烧嘴氧煤比的数学模型为：

其中：

u₁₄(s)为D烧嘴氧煤比；

y₃(s)为每个烧嘴的主氧气流量设定值；

步骤2.3.2.17，每个烧嘴的中心氧气流量设定值调节A烧嘴中心氧比例的数学模型为：

其中：

u₁₅(s)为A烧嘴中心氧比例，即：A烧嘴中心氧流量与A烧嘴主氧气流量的比例；

y₄(s)为每个烧嘴的中心氧气流量设定值；

步骤2.3.2.18，每个烧嘴的中心氧气流量设定值调节B烧嘴中心氧比例的数学模型为：

其中：

u₁₆(s)为B烧嘴中心氧比例，即：B烧嘴中心氧流量与B烧嘴主氧气流量的比例；

y₄(s)为每个烧嘴的中心氧气流量设定值；

步骤2.3.2.19，每个烧嘴的中心氧气流量设定值调节C烧嘴中心氧比例的数学模型为：

其中：

u₁₇(s)为C烧嘴中心氧比例，即：C烧嘴中心氧流量与C烧嘴主氧气流量的比例；

y₄(s)为每个烧嘴的中心氧气流量设定值；

步骤2.3.2.20，每个烧嘴的中心氧气流量设定值调节D烧嘴中心氧比例的数学模型为：

其中：

u₁₈(s)为D烧嘴中心氧比例，即：D烧嘴中心氧流量与D烧嘴主氧气流量的比例；

y₄(s)为每个烧嘴的中心氧气流量设定值；

步骤2.3.2.21，A烧嘴的主氧气流量设定值调节A烧嘴和B烧嘴主氧气流量差的数学模型为：

其中：

u₁₉(s)为A烧嘴和B烧嘴主氧气流量差；

y₅(s)为A烧嘴的主氧气流量设定值；

步骤2.3.2.22，B烧嘴的主氧气流量设定值调节A烧嘴和B烧嘴主氧气流量差的数学模型为：

其中：

u₁₉(s)为A烧嘴和B烧嘴主氧气流量差；

y₆(s)为B烧嘴的主氧气流量设定值；

步骤2.3.2.23，C烧嘴的主氧气流量设定值调节C烧嘴和D烧嘴主氧气流量差的数学模型为：

其中：

u₂₀(s)为C烧嘴和D烧嘴主氧气流量差；

y₇(s)为C烧嘴的主氧气流量设定值；

步骤2.3.2.24，D烧嘴的主氧气流量设定值调节C烧嘴和D烧嘴主氧气流量差的数学模型为：

其中：

u₂₀(s)为C烧嘴和D烧嘴主氧气流量差；

y₈(s)为D烧嘴的主氧气流量设定值；

步骤2.3.2.25，A烧嘴的主氧气流量设定值调节(L_A+L_B)-(L_C+L_D)的数学模型为：

其中：

u₂₁(s)为(L_A+L_B)-(L_C+L_D)；其中：L_A、L_B、L_C、L_D分别代表A烧嘴、B烧嘴、C烧嘴、D烧嘴的主氧气流量；

y₅(s)为A烧嘴的主氧气流量设定值；

步骤2.3.2.26，B烧嘴的主氧气流量设定值调节(L_A+L_B)-(L_C+L_D)的数学模型为：

其中：

u₂₁(s)为(L_A+L_B)-(L_C+L_D)；其中：L_A、L_B、L_C、L_D分别代表A烧嘴、B烧嘴、C烧嘴、D烧嘴的主氧气流量；

y₆(s)为B烧嘴的主氧气流量设定值；

步骤2.3.2.27，C烧嘴的主氧气流量设定值调节(L_A+L_B)-(L_C+L_D)的数学模型为：

其中：

u₂₁(s)为(L_A+L_B)-(L_C+L_D)；其中：L_A、L_B、L_C、L_D分别代表A烧嘴、B烧嘴、C烧嘴、D烧嘴的主氧气流量；

y₇(s)为C烧嘴的主氧气流量设定值；

步骤2.3.2.28，D烧嘴的主氧气流量设定值调节(L_A+L_B)-(L_C+L_D)的数学模型为：

其中：

u₂₁(s)为(L_A+L_B)-(L_C+L_D)；其中：L_A、L_B、L_C、L_D分别代表A烧嘴、B烧嘴、C烧嘴、D烧嘴的主氧气流量；

y₈(s)为D烧嘴的主氧气流量设定值；

步骤2.3.3，根据每个特定控制变量和特定被控变量所对应的控制模型，输入被控变量的目标值，得到控制变量的目标值，然后将控制变量的目标值与控制变量的设定值相减，得到控制变量的调节值，然后根据控制变量的调节值，作用于对应的执行机构，实现对控制变量的调节，从而使调节后系统的控制变量的实时值，等于控制变量的目标值，实现对四喷嘴水煤浆气化炉控制调节。