CN102936525B - 一种褐煤干燥提质的自动化生产控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种褐煤干燥提质的自动化生产控制技术，通过建立褐煤干燥过程中系统的热平衡模型，以原煤进料速度、回转窑转速、煤粉下料速度和引风速度为控制输入变量，回转窑前后的温度为控制输出变量，利用反馈控制方法实现对褐煤干燥提质的自动化生产控制。同现有技术相比，本发明有效克服了传统的褐煤干燥提质生产中依赖手工操作、成品煤质量不稳定等问题，可提高褐煤的综合利用率。

Description

一种褐煤干燥提质的自动化生产控制方法

技术领域

本发明涉及一种褐煤提质的生产控制技术，属于煤炭高效利用领域。

背景技术

褐煤储量约占我国煤炭总储量的15％左右，是主要煤炭资源的一种，在我国动力与化工用煤中起到重要的作用。褐煤属于一种地下储存期短、煤化程度低的煤种，其水分和灰分含量较高，在空气中易风化，作为直接燃料直接使用时燃烧效率低，且温室气体排放量高、污染严重。褐煤主要分布于内蒙古、黑龙江、云南和新疆等地，由于经济发展的原因，这些地区的用煤量与经济发达地区相比较少，因此需将褐煤运输到距离比较远的利用场地。由于褐煤中高水分和高挥发份的存在，造成了公路、铁路运输系统运力的极大浪费。褐煤提质是指通过热物理过程或热化学方法降低褐煤中的水分、提高产品发热量，达到便于运输、热利用效率高、污染低的目的，对于褐煤的清洁、高效利用具有重要的意义。

针对褐煤提质问题，国内外开展了大量的研究与开发工作。国外主要褐煤加工技术有德国的Lurgi-Spuel-Gas(L-S)低温热解工艺、美国的K燃料工艺(K-Fuel Process)、乌克兰的热压处理工艺(ETCH1-175)和日本的非蒸发脱水工艺(D-K Process)等。我国研究热解技术的单位众多，比较典型的技术有大连理工大学开发的褐煤固体热载体干馏多联产工艺(DG Process)，北京煤化工分院开发的多段回转炉热解工艺，浙江大学的循环流化床热电多联产工艺，北京动力经济研究所的移动床为基础的热电多联产工艺等。

近年来，国内干燥提质技术的研究有了长足的发展，但和国外先进技术相比仍存在一定的差距，主要表现之一就是生产过程中的自动化程度较低，大多依赖于工人的手工操作：如调节原煤的进料速度控制产量，调节煤粉的进料速度控制炉前温度，调节引风大小控制炉后温度等。该生产方式不但大大增加了企业的人力资源成本，更为重要的是，仅凭手工操作很难实现对生产过程中各种技术参数的精确控制，导致不同批次提质煤之间的发热量、含水量等波动较大，造成产品质量的不稳定。因此，可大型化的、自动化程度高、运行稳定的高效褐煤提质生产技术一直是研究与开发的主要方向。

发明内容

为了克服现有褐煤提质过程中生产技术的不足，本发明提供一种自动化程度高、性能稳定的褐煤提质生产控制技术。

本发明的技术方案实现如下：通过建立褐煤干燥过程中系统的热平衡模型，以原煤进料速度、回转窑转速、煤粉下料速度和引风速度作为系统的控制输入变量，回转窑前后的温度作为系统的控制输出变量，利用反馈控制方法实现对褐煤干燥提质的自动化生产控制。具体而言，该方法的特征包含如下步骤：

(1)定义系统的输入变量为：原煤进料速度w(t)，回转窑转速v(t)，煤粉下料速度s(t)，引风速度u(t)；输出变量为：回转窑前端(与热风炉连接处)的温度Θ₁(t)和尾端(成品煤出料口处)的温度Θ₂(t)；

(2)定义系统的中间变量为：单位时间回转窑内的原煤量M(t)，单位时间原煤的入料量F(t)，单位时间热风炉内产生的热量H(t)；

(3)在褐煤干燥过程中，设dQ₁表示单位时间内进入系统的热量，dQ₂表示单位时间内离开系统的热量，dQ₃表示单位时间回转窑内原煤所含的热量增量，则可建立系统的热平衡方程为dQ₁-dQ₂＝d_Q3；

(4)结合褐煤和生产设备的具体参数(如原煤的比热、燃烧值，煤粉输送管道的直径、回转窑的容积等)，消去系统热平衡方程所含的中间变量，由此获得只含有输入、输出变量的系统控制方程；

(5)利用温度传感器监测回转窑前后的温度Θ₁(t)和Θ₂(t)，并采用反馈控制方法实现对生产过程的自动化控制，如通过伺服电机调节原煤进料速度、回转窑转速，通过变频控制器调节引风速度、煤粉下料速度等。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：

(1)采用反馈控制方法可有效实现对褐煤提质生产的自动化控制，从而避免了生产过程中的手工操作，在确保成品煤质量的同时也节约了人力资源成本；

(2)采用回转窑前后的温度作为输出量，可以在很大程度上降低系统的复杂度，确保控制系统的鲁棒性和反馈控制的实时性；

(3)采用伺服电机可实现对原煤进料速度、回转窑转速的精确控制，并且变频控制器亦可实现对引风速度、煤粉下料速度的精确调节。

因此，本发明可用于大规模的褐煤干燥提质自动化生产过程，并可有效实现煤炭资源的高效利用。

附图说明

图1为本发明实施案例提供的褐煤干燥提质的自动化生产控制方法的实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明实施案例提供的褐煤干燥提质的自动化生产控制方法，该方法包括：

在步骤S101中，定义系统的输入变量、输出变量和中间变量，在褐煤干燥过程中，设dQ₁表示单位时间内进入系统的热量，dQ₂表示单位时间内离开系统的热量，dQ₃表示单位时间回转窑内原煤所含的热量增量，则可建立系统的热平衡方程为dQ₁-dQ₂＝dQ₃；

输入变量为：原煤进料速度w(t)，回转窑转速v(t)，煤粉下料速度s(t)，引风速度u(t)；输出变量为：回转窑前端(与热风炉连接处)的温度Θ₁(t)和尾端(成品煤出料口处)的温度Θ₂(t)；中间变量为：单位时间回转窑内的原煤量M(t)，单位时间原煤的入料量F(t)，单位时间热风炉内产生的热量H(t)。

在步骤S102中，结合褐煤和生产设备的具体参数(如原煤的比热、燃烧值，煤粉输送管道的直径、回转窑的容积等)，消去系统热平衡方程所含的中间变量，由此获得只含有输入、输出变量的系统控制方程；

在步骤S103中，利用温度传感器监测回转窑前后的温度Θ₁(t)和Θ₂(t)，并采用反馈控制方法实现对生产过程的自动化控制，如通过伺服电机调节原煤进料速度、回转窑转速，通过变频控制器调节引风速度、煤粉下料速度等。

本发明实施例提供的褐煤干燥提质的自动化生产控制技术的工作原理为：

(1)建立褐煤干燥过程中系统的热平衡模型：

1)单位时间内进入系统的热量为

dQ₁＝H(t)dt+c₁F(t)Θ₁(t)dt                     (1.1)

其中c₁表示褐煤的比热；

2)单位时间内离开系统的热量为

dQ₂＝c₁F(t)Θ₂(t)dt                            (1.2)

3)回转窑内原煤所含的热量增量为

dQ₃＝c₁M(t)dΘ₂(t)dt                            (1.3)

4)系统的热平衡方程为dQ₁-dQ₂＝dQ₃，即

$\frac{M\left(t\right)}{F\left(t\right)}\·\frac{d({\mathrm{\Θ}}_2\left(t\right)-{\mathrm{\Θ}}_1\left(t\right))}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\Θ}}_2\left(t\right)-{\mathrm{\Θ}}_1\left(t\right)=\frac{1}{c_{1}F\left(t\right)}H\left(t\right)---\left(1.4\right)$

(2)消去系统热平衡方程(1.4)所含的中间变量，得到只含有输入、输出变量的系统控制方程为

$\frac{f_1(v\left(t\right),w\left(t\right))}{f_2\left(w\left(t\right)\right)}\·\frac{d({\mathrm{\Θ}}_2\left(t\right)-{\mathrm{\Θ}}_1\left(t\right))}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\Θ}}_2\left(t\right)-{\mathrm{\Θ}}_1\left(t\right)=\frac{1}{c_1{f}_2\left(w\left(t\right)\right)}{f}_3(s\left(t\right),u\left(t\right))---(1.5)$

其中f₁，f₂和f₃分别是关于输入变量的函数，具体表达式由褐煤和生产设备的参数决定。

(3)利用温度传感器监测回转窑前后温度Θ₁(t)和Θ₂(t)的变化，采用反馈控制方法实现对生产过程的自动化控制，具体表现为：

1)如果回转窑前端的温度Θ₁(t)升高，则利用反馈信号通过变频控制器减少煤粉的入料量，降低引风速度，并驱动伺服电机增加原煤的入料量；如果回转窑前端的温度Θ₁(t)降低，则相应地采取反方向操作；

2)如果回转窑后端的温度Θ₂(t)升高，则利用反馈信号在第1)步的基础上首先降低回转窑的前端温度Θ₁(t)，再驱动伺服电机增加回转窑的转速；如果回转窑后端的温度Θ₂(t)降低，则相应地采取反方向操作。

本发明实施例提供的褐煤干燥提质的自动化生产控制技术，通过建立褐煤干燥过程中系统的热平衡模型，以原煤进料速度、回转窑转速、煤粉下料速度和引风速度作为系统的控制输入变量，回转窑前后的温度作为系统的控制输出变量，采用反馈控制方法实现对生产过程的自动化控制，如通过伺服电机调节原煤进料速度、回转窑转速，通过变频控制器调节引风速度、煤粉下料速度等。。

采用反馈控制方法可有效实现对褐煤提质生产的自动化控制，从而避免了生产过程中的手工操作，在确保成品煤质量的同时也节约了人力资源成本；采用回转窑前后的温度作为输出量，可以在很大程度上降低系统的复杂度，确保控制系统的鲁棒性和反馈控制的实时性；采用伺服电机可实现对原煤进料速度、回转窑转速的精确控制，并且变频控制器亦可实现对引风速度、煤粉下料速度的精确调节。

因此，本发明可用于大规模的褐煤干燥提质自动化生产过程，并可有效实现煤炭资源的高效利用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种褐煤干燥提质的自动化生产控制方法，其特征在于，采用褐煤干燥过程中系统的热平衡模型，以原煤进料速度、回转窑转速、煤粉下料速度和引风速度作为系统的控制输入变量，回转窑前后的温度作为系统的控制输出变量，利用反馈控制方法实现对褐煤干燥提质的自动化生产控制；

该方法包含如下步骤：

(1)建立褐煤干燥过程中系统的热平衡模型：

单位时间内进入系统的热量为dQ₁＝H(t)dt+c₁F(t)Θ₁(t)dt，其中c₁表示褐煤的比热；

单位时间内离开系统的热量为dQ₂＝c₁F(t)Θ₂(t)dt；

回转窑内原煤所含的热量增量为dQ₃＝c₁M(t)dΘ₂(t)dt；

系统的热平衡方程为dQ₁-dQ₂＝dQ₃，即

$\frac{M\left(t\right)}{F\left(t\right)}\·\frac{d({\mathrm{\Θ}}_2\left(t\right)-{\mathrm{\Θ}}_1\left(t\right))}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\Θ}}_2\left(t\right)-{\mathrm{\Θ}}_1\left(t\right)=\frac{1}{c_{1}F\left(t\right)}H\left(t\right)$

(2)消去系统热平衡方程4)所含的中间变量，得到只含有输入、输出变量的系统控制方程

$\frac{f_1(v\left(t\right),w\left(t\right))}{f_2\left(w\left(t\right)\right)}\·\frac{d({\mathrm{\Θ}}_2\left(t\right)-{\mathrm{\Θ}}_1\left(t\right))}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\Θ}}_2\left(t\right)-{\mathrm{\Θ}}_1\left(t\right)=\frac{1}{c_1{f}_2\left(w\left(t\right)\right)}{f}_3(s\left(t\right),u\left(t\right))$

其中f₁，f₂和f₃分别是关于输入变量的函数，具体表达式由褐煤和生产设备的参数决定；

(3)利用温度传感器监测回转窑前后温度Θ₁(t)和Θ₂(t)的变化，采用反馈控制方法实现对生产过程的自动化控制。

2.根据权利要求1所述的褐煤干燥提质的自动化生产控制方法，其特征在于，回转窑的前端温度Θ₁(t)为600℃～900℃，后端温度Θ₂(t)为120℃～180℃。