CN102063132B

CN102063132B - 粉煤加压气化装置氧煤比自动控制系统

Info

Publication number: CN102063132B
Application number: CN2011100082493A
Authority: CN
Inventors: 路文学; 金刚; 郭宝贵; 张鸿林; 李磊; 刘珂; 王辉; 王军; 傅进军; 刘宗峰; 闫风琴; 荆波; 李彩艳; 孙西红; 宋甜甜; 胡宇峰; 尹洪清
Original assignee: National Engineering Research Center Of Watered Coal Slurry Gasification And Coa
Current assignee: Company limited of Yan Kuang National Research & Engineering Center for Coal Slurry (Gasification) and Coal Chemical Industry
Priority date: 2011-01-07
Filing date: 2011-01-07
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2031-01-07
Also published as: CN102063132A

Abstract

一种能保证装置运行过程中氧气与煤粉流量的稳定调节、有效避免因操作失误引起的氧气过量、同时减少工艺操作人员的操作次数、提高工艺指标精确度的粉煤加压气化装置氧煤比自动控制系统，包括粉煤流量控制回路、氧气流量控制回路、氧煤比交叉耦合控制回路、负荷控制加交叉限幅选择控制回路和气化炉，粉煤流量控制回路设在与气化炉相连的粉煤输送管线上，粉煤流量控制回路包括依次相连的煤粉流量调节器和三个煤粉流量计；载气管道上装行载气流量计和载气调节阀；氧气流量控制回路设在与气化炉相连的氧气输送管线上，氧气流量控制回路包括依次相连的温度测量仪表、压力测量仪表、三个氧气流量计和氧气调节阀。

Description

粉煤加压气化装置氧煤比自动控制系统

技术领域

本发明涉及一种自动控制系统，尤其涉及一种粉煤加压气化装置氧煤比自动控制系统。

背景技术

气流床粉煤加压气化技术是国际上最先进的煤气化技术之一，以粉煤为原料的气流床加压气化技术具有煤种适应性广、原料消耗低、碳转化率高、冷煤气效率高等技术优势，有更强的市场竞争力。

粉煤加压气化工艺是以粉煤和纯氧为原料，采用气流床反应器，在高温、高压、非催化条件下进行部分氧化反应，生成以一氧化碳和氢气为有效成分的机合成气。

控制炉温是提高碳转化率的关键，而为防止氧气过剩发生爆炸事故，必须对氧气和粉煤的流量比例进行控制。氧气与煤粉的进料量控制又与氧煤比设定、负荷设定及前面的氧气系统、后面的合成气系统等诸多因素相互关联制约，联锁逻辑十分复杂，稍有偏差就会造成装置停车乃至爆炸。

发明内容

本发明的目的是提供一种能保证装置运行过程中氧气与煤粉流量的稳定调节、有效避免因操作失误引起的氧气过量、同时减少工艺操作人员的操作次数、提高工艺指标精确度的粉煤加压气化装置氧煤比自动控制系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种粉煤加压气化装置氧煤比自动控制系统，包括粉煤流量控制回路、氧气流量控制回路、氧煤比交叉耦合控制回路、负荷控制加交叉限幅选择控制回路和气化炉，其特征是：粉煤流量控制回路设在与气化炉相连的粉煤输送管线上，粉煤流量控制回路包括依次相连的煤粉流量调节器和三个煤粉流量计，煤粉流量调节器为一补气装置，包括两个载气入口、一个物料入口、一个物料出口；载气管道上装有载气流量计和载气调节阀；氧气流量控制回路设在与气化炉相连的氧气输送管线上，氧气流量控制回路包括依次相连的温度测量仪表、压力测量仪表、三个氧气流量计和氧气调节阀；氧煤比交叉耦合控制回路包括有氧煤比设定器，氧煤比设定器上连接有相并连的乘法器和除法器；负荷控制加交叉限幅选择控制回路包括有负荷设定器，负荷设定器上连接有限幅器，限幅器上连接有相并连的高值选择器和低值选择器。

本发明利用离散控制系统(简称DCS)设计，应用于粉煤加压气化装置，按比例自动控制氧气与煤粉流量，利用离散控制系统(简称DCS)实现了氧煤比自动控制，包括中值选择、比例控制、温度压力补偿、选择控制、交叉耦合控制和交叉限幅控制等一系列综合控制。使用本发明保证了装置运行过程中氧气与煤粉流量的稳定调节，可有效避免因操作失误引起的氧气过量，同时减少工艺操作人员的操作次数，提高工艺指标的精确度，为生产装置的安全运行提供了技术保障。

附图说明

图1是本发明的控制原理示意图；

图2是本发明的结构示意图。

附图中：

1、粉煤流量控制回路；2、氧气流量控制回路；3、氧煤比交叉耦合控制回路；4、负荷控制加交叉限幅选择控制回路：5、气化炉。

11、煤粉流量计；12、煤量中值选择器；13、载气流量调节器；14、煤粉流量调节器；15、载气流量计；131、载气阀门控制器；132、载气调节阀。

21、氧气流量计；22、压力测量仪表；23、温度测量仪表；24、温压补偿单元；25、氧量中值选择器；26、氧气纯度校正器；27、氧气流量调节器；28、乘法计算器；271、氧气阀门控制器；272、氧气调节阀。

31、乘法器；32、除法器；33、氧煤比设定器。

41、负荷设定器；42、限幅器；43、高值选择器；44、低值选择器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述：

一种粉煤加压气化装置氧煤比自动控制系统，如图1、图2所示，包括粉煤流量控制回路1、氧气流量控制回路2、氧煤比交叉耦合控制回路3、负荷控制加交叉限幅选择控制回路4和气化炉5，粉煤流量控制回路1设在与气化炉5相连的粉煤输送管线上，粉煤流量控制回路1包括依次相连的煤粉流量调节器14和三个煤粉流量计11，煤粉流量调节器14为一补气装置，包括两个载气入口、一个物料入口、一个物料出口，载气经载气调节阀132调节后由载气入口补入煤粉流量调节器14，载气调节阀132上装有载气阀门控制器131，用于控制载气调节阀132开度，载气管道上装有载气流量计15用于测量载气流量，三个煤粉流量计11测得的三个煤粉流量值送入离散控制系统(简称DCS)内煤量中值选择器12，经选择得到煤粉流量值送给载气阀门控制器131。氧气流量控制回路2设在与气化炉5相连的氧气输送管线上，氧气流量控制回路2包括依次相连的温度测量仪表23、压力测量仪表22、三个氧气流量计21和氧气调节阀272，压力测量仪表22、温度测量仪表23和三个氧气流量计21测得压力、温度及氧气流量值送入DCS系统的温压补偿单元24，温压补偿后的氧气流量传给DCS系统内的氧量中值选择器25，从氧量中值选择器25输出的氧量值送入DCS系统的乘法计算器28，与氧气纯度校正器26给出的氧气纯度值进行计算得到的氧气量分别送给氧气调节阀272的氧气阀门控制器271和氧煤比交叉耦合控制回路3的除法器32。所述氧煤比交叉耦合控制回路3和负荷控制加交叉限幅选择控制回路4利用DCS系统设计，氧煤比交叉耦合控制回路3包括有氧煤比设定器33，氧煤比设定器33上连接有相并连的乘法器31和除法器32，乘法器31接受负荷控制加交叉限幅选择控制回路4的低值选择器44的输出信号，除法器32输出信号给负荷控制加交叉限幅选择控制回路4的高值选择器43相连；负荷控制加交叉限幅选择控制回路4包括有负荷设定器41，负荷设定器41上连接有限幅器42，限幅器42上连接有相并连的高值选择器43和低值选择器44，高值选择器43信号输出给载气阀门控制器131，低值选择器44接受煤量中值选择器12的输出值，低值选择器44的输出信号送给氧煤比交叉耦合控制回路3的乘法器31。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

本发明是一种用于粉煤加压气化装置安全运行的氧煤比自动控制系统，能按设定比例自动控制粉煤气化装置氧气流量与粉煤流量，氧气煤粉流量调节控制是该系统的核心。

本发明由粉煤流量控制回路、氧气流量控制回路、氧煤比交叉耦合控制回路和负荷控制加交叉限幅选择控制回路等4个部分组成，下面分别介绍：

1、粉煤流量控制回路。

粉煤流量控制回路1包括煤粉流量计11、煤量中值选择器12、载气流量调节器13和煤粉流量调节器14。三个煤粉流量测量值同时输入煤量中值选择器，经中值选择后作为煤粉流量最终值，载气流量调节器的输出值控制载气调节阀132动作，对煤粉载气量进行调节，从而控制煤粉流量，使煤粉输送量保持在给定值上。其中，载气流量调节器包括一个载气流量计15、一个载气调节阀，煤粉流量调节器14为一补气装置，包括两个载气入口、一个物料入口、一个物料出口。载气通过该补气装置均匀补入输料管路，对煤粉流量进行调节。

粉煤流量控制回路中，由三个煤粉流量计11分别对煤粉流量进行测量，得到三个测量值，将这三个测量值送入中值选择器进行中值选择，在这里，中值选择器对输入的测量值进行比较，若三个测量值中没有坏值，则取其中值，若存在坏值，则取另二个测量值的平均值。中值选择器的输出值作为煤粉流量最终值，将该值送入载气流量调节器，与煤粉流量给定值进行比较，经PID(比例积分微分)控制器调节输出控制信号至载气调节阀，对煤粉载气量进行调节，载气进入煤粉流量调节器从而控制煤粉流量，使煤粉输送量保持在给定值上。

2、氧气流量控制回路。

氧气流量控制回路2对氧气流量进行控制，由氧气流量计21、压力测量仪表22和温度测量仪表23所得测量值送入温压补偿单元24，经温压补偿计算后，再经氧气纯度校正器26校正得到氧气量输送至氧气流量调节器27，该调节器输出值控制氧气调节阀272动作，以控制氧气流量在给定值上。

三个氧气流量计所得测量值分别送入温压补偿单元，依据氧气流量计前压力测量仪表和温度测量仪表所得测量值进行温压补偿，将氧气测量值补偿至标准状态，公式如下：

F_{O_{2}} = \sqrt{\frac{p_{t} + 0.1013}{p_{b} + 0.1013} \times \frac{T_{b} + 273.15}{T_{t} + 273.15} \times F_{t}}

式中，

为补偿后氧气流量；F_t为孔板测量的氧气流量；p_t为孔板前氧气压力测量值；T_t为孔板前氧气温度测量值；p_b为基准压力；T_b为基准温度。

上式所得氧气流量送入氧量中值选择器进行中值选择，所得值再经氧气纯度校正器校正得到氧气流量。将该值送入氧气流量调节器，与氧气流量给定值进行比较，经PID调节输出控制信号至氧气调节阀，对氧气流量进行调节，使氧气流量保持在给定值上。

粉煤流量控制回路1与氧气流量控制回路2可分别进行单回路控制。

3、氧煤比交叉耦合控制回路。

氧煤比交叉耦合控制回路3实现了氧煤比的交叉耦合控制，由乘法器31、除法器32和氧煤比设定器33组成。当煤粉流量设定值变化或外扰引起煤粉流量变化时，通过氧煤比控制，交叉耦合至氧气流量控制回路，自动调节氧气流量；当氧气量作为主导参数时，通过氧煤比控制，交叉耦合至粉煤流量控制回路，自动调节煤粉流量。

煤粉量与氧煤比的设定值经乘法器所得结果作为氧气流量调节器单参数自动控制回路远程给定值；氧气流量与氧煤比的设定值经除法器所得结果作为载气流量调节器单参数自动控制回路远程给定值，从而使两个单参数控制回路耦合起来，实现交叉耦合控制。

4、负荷控制加交叉限幅选择控制回路。

负荷控制加交叉限幅选择控制回路4由负荷设定器41、限幅器42、高值选择器43和低值选择器44组成。

负荷控制即气化装置生产负荷控制，生产负荷由操作人员根据生产量的要求和工艺的需要进行设定。

若气化装置氧气过量，则易产生富氧气体，引发生产装置的爆炸，为保证操作安全，本发明设计了交叉限幅选择控制回路，实现了负荷提高寸，先增加煤粉流量再增加氧气量，负荷降低时，先减少氧气量再减少煤粉流量，避免富氧气体的发生。为避免过大的扰动对生产和设备不利，本发明采用限

幅器保证每分钟负荷变化不超过3％。

由操作人员对气化装置负荷进行设定，经限幅器分别进入高值选择器和低值选择器，其中，高值选择器设在煤粉给定值回路上，由氧气流量计算所得煤粉流量与负荷给定值进行比较，取其高者作为煤粉流量自动控制回路的最终给定值；低值选择器设在氧气流量控制给定值回路上，由煤粉流量与负荷给定值进行比较，取其低者作为氧气流量控制回路的给定值。

当负荷给定值增加时，被高值选择器选中，先增加煤粉流量，新测得的煤粉流量值通过低值选择器，再乘以氧煤比转换成对应的氧气量，该氧气量作为氧气流量控制器的设定值对氧气量进行调节，以此来保持稳定的氧煤比，上述循环一直重复直至气化装置负荷满足要求。该过程中，在增加负荷时，先增煤粉量再增氧气量，保证了氧气不过量。

相应的，当负荷给定值减少时，被低值选择器选中，负荷给定值乘以氧煤比得到对应的氧气流量设定值，通过氧气流量控制器调低氧气量，新测得的氧气量除以氧煤比得到对应的煤粉量，通过高值选择器作为煤粉流量控制器的设定值，通过控制载气量降低煤粉流量，从而保持氧煤比的稳定。上述循环一直重复直至气化炉负荷满足要求。该过程中，在降低负荷时，先减少氧气量再降低煤粉量，避免了氧气过量。

本发明的积极进步效果在于：

1、保证了装置运行过程中氧气与煤粉流量的稳定调节。

2、可有效避免因操作失误引起的氧气过量。

3、减少工艺操作人员的操作次数，提高了工艺指标的精确度。

使用本发明的控制步骤如下：

第一步：参数设定。

由工艺操作人员设定氧煤比、氧气纯度及气化装置负荷。

第二步：氧煤比自动控制。

操作人员将氧气调节阀、粉煤载气调节阀调至自动调节状态，此时，系统自功启用氧煤比自动控制系统，实时监测粉煤流量和氧气流量，当粉煤流量、氧气流量或气化装置负荷设定值发生改变时，自动控制系统自动调节粉煤载气调节阀、氧气流量调节阀开度，保证氧煤比的稳定。该控制过程可分为以下4个工况。

工况1：粉煤流量出现波动。

粉煤流量设定值为气化装置负荷值。

自动控制系统将粉煤流量测量值与粉煤流量设定值进行比较，经PID调节输出控制信号给粉煤载气调节阀，控制调节阀动作对粉煤载气量进行调节，从而控制粉煤流量，使粉煤输送量保持在给定值上。

工况2：氧气流量出现波动。

氧气流量设定值由自动控制系统根据气化装置负荷值和氧煤比设定值计算得到。

自动控制系统将氧气流量测量值与其设定值进行比较，经PID调节输出控制信号给氧气流量调节阀，控制调节阀开度，从而对氧气流量进行调节，使其保持在给定值上。

工况3：气化装置负荷增大。

当气化装置负荷给定值增加时，被高值选择器选中，先增加粉煤流量，新的粉煤流量值通过低值选择器，再乘以氧煤比转换成对应的氧气量，该氧气量作为氧气流量控制器的设定值对氧气流量进行调节，以此来保持稳定的氧煤比，上述循环一直重复直至气化装置负荷满足要求。该过程中，在增加负荷时，先增粉煤量再增氧气量，保证了氧气不过量。

工况4：气化装置负荷降低。

当气化装置负荷给定值降低时，被低值选择器选中，负荷给定值乘以氧煤比得到对应的氧气流量设定值，通过氧气流量控制器调低氧气量。新测得氧气量除以氧煤比得到对应的煤粉量，通过高值选择器作为粉煤流量控制器的设定值，通过控制载气量降低粉煤流量，从而保持氧煤比的稳定。上述循环一直重复直至气化炉负荷满足要求。该过程中，在降低负荷时，先减少氧气量再降低粉煤量，避免了氧气过量。

第三步：退出氧煤比自动控制。

操作人员将氧气流量调节阀或粉煤载气调节阀调至手动调节状态，此时，系统自动退出氧煤比自动控制系统。由操作人员对粉煤流量及氧气流量进行调节。

Claims

1.一种粉煤加压气化装置氧煤比自动控制系统，包括粉煤流量控制回路(1)、氧气流量控制回路(2)、氧煤比交叉耦合控制回路(3)、负荷控制加交叉限幅选择控制回路(4)和气化炉(5)，其特征是：

粉煤流量控制回路(1)设在与气化炉(5)相连的粉煤输送管线上，粉煤流量控制回路(1)包括煤粉流量计(11)、煤量中值选择器(12)、载气流量调节器(13)和煤粉流量调节器(14)，其中，载气流量调节器(13)包括载气流量计(15)、载气调节阀(132)，煤粉流量调节器(14)为补气装置，包括两个载气入口、一个物料入口、一个物料出口，载气通过该补气装置均匀补入输料管路，对煤粉流量进行调节；煤粉流量测量值同时输入煤量中值选择器(12)，经中值选择后作为煤粉流量最终值，载气流量调节器(13)的输出值控制载气调节阀(132)动作，对煤粉载气量进行调节，从而控制煤粉流量，使煤粉输送量保持在给定值上；

氧气流量控制回路(2)设在与气化炉(5)相连的氧气输送管线上，氧气流量控制回路(2)包括依次相连的温度测量仪表(23)、压力测量仪表(22)、氧气流量计(21)和氧气调节阀(272)；氧气流量控制回路(2)对氧气流量进行控制，由氧气流量计(21)、压力测量仪表(22)和温度测量仪表(23)所得测量值送入温压补偿单元(24)，经温压补偿计算后，再经氧气纯度校正器(26)校正得到氧气量输送至氧气流量调节器(27)，该调节器输出值控制氧气调节阀(272)动作，以控制氧气流量在给定值上；

氧煤比交叉耦合控制回路(3)包括有氧煤比设定器(33)，氧煤比设定器(33)上连接有相并连的乘法器(31)和除法器(32)；氧煤比交叉耦合控制回路(3)实现氧煤比的交叉耦合控制，当煤粉流量设定值变化或外扰引起煤粉流量变化时，通过氧煤比控制，交叉耦合至氧气流量控制回路，自动调节氧气流量；当氧气量作为主导参数时，通过氧煤比控制，交叉耦合至粉煤流量控制回路，自动调节煤粉流量；

煤粉流量与氧煤比的设定值经乘法器所得结果作为氧气流量调节器单参数自动控制回路远程给定值；氧气流量与氧煤比的设定值经除法器所得结果作为载气流量调节器单参数自动控制回路远程给定值，从而使两个单参数控制回路耦合起来，实现交叉耦合控制；

负荷控制加交叉限幅选择控制回路(4)包括有负荷设定器(41)，负荷设定器(41)上连接有限幅器(42)，限幅器(42)上连接有相并连的高值选择器(43)和低值选择器(44)；由操作人员对气化装置负荷进行设定，经限幅器分别进入高值选择器和低值选择器，其中，高值选择器设在煤粉给定值回路上，由氧气流量计算所得煤粉流量与负荷给定值进行比较，取其高者作为煤粉流量自动控制回路的最终给定值；低值选择器设在氧气流量控制给定值回路上，由煤粉流量与负荷给定值进行比较，取其低者作为氧气流量控制回路的给定值。

2.根据权利要求1所述的粉煤加压气化装置氧煤比自动控制系统，其特征是：所述煤粉流量计(11)的数量为三个，依次串联；所述氧气流量计(21)的数量为三个，在同一测量点，相互并联。