CN103809633B - 秸秆纤维预处理阶段温湿度检测控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动检测控制装置，秸秆纤维预处理阶段温湿度检测控制系统，其特征在于，湿度检测控制系统设有称重仪检测器、在线水分测控仪传感器，连有指示器、采样开关、调节器，构成湿度的串级‑采样检测控制系统；温度检测控制系统，电阻体连有温度传送器，5#调节器为主调节器，3#调节器为副调节器，构成串级控制系统。本发明的有意效果在于，控制秸秆纤维预处理阶段的温湿度，给水解工序提供最佳的原料，有效的控制秸秆纤维预处理阶段的温湿度，以免浪费工艺水和蒸汽，达到节省能源的目的，有效的控制秸秆纤维预处理阶段的温湿度，降低污水处理量，减少环境污染。

Description

秸秆纤维预处理阶段温湿度检测控制系统

技术领域

本发明涉及一种自动检测控制系统，更具体的说涉及一种纤维素制乙醇的工业过程参数的自动检测控制系统。

背景技术

目前，随着生产工艺技术的发展，工艺过程参数的控制系统，基本上采用了DCS为装置的控制系统，在DCS控制系统中，逐渐开发了很多先进控制和过程模拟控制技术，给很多装置带来了可观的经济效益，对装置控制系统的优化越来越受到各企业重视。

能源危机和环境污染问题，使得纤维素燃料制乙醇工业快速发展，第一代燃料制乙醇以粮食作为原料，长此以往会影响粮食安全和饲料安全。第二代燃料制乙醇以植物纤维为原料，植物纤维是地球上现存最大的资源，尤其是利用农作物秸秆，每年的产出量很大，不存在能源耗尽的问题。农作物秸秆是资源战略的重点之一。

秸秆制乙醇工艺，包括秸秆纤维预处理、纤维素水解、发酵、蒸馏等过程，其中发酵、蒸馏工艺，已在粮食燃料制乙醇中得到非常成熟的经验。对于秸秆制乙醇工艺控制过程来说，纤维素水解是核心技术，水解作用直接涉及乙醇产率，为保证水解作用的效果，为提高农作物秸秆利用率，在纤维预处理阶段的过程参数，必须控制在水解作用所要求的最佳状态，对于秸秆制乙醇行业的发展，纤维预处理阶段过程参数的控制显得非常重要，充分利用现有的先进控制手段，将秸秆纤维预处理阶段的过程参数控制的精确，使其操作稳定是非常必要的。

纤维素水解的方法，有稀酸法、碱法、蒸汽爆破法、湿氧法等，其中蒸汽爆破法消耗的能量少，对环境污染小，废水易处理，是一种非常有效的水解方法，投资和运行成本低。蒸汽爆破法是用高温高压蒸汽通过扩散、渗透纤维的细胞壁，然后迅速使其减压后，纤维体核爆裂，水解作用彻底作用到细胞内，使水解得到最好的收率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种纤维素蒸汽爆破条件的预处理过程中的温湿度检测控制系统。

秸秆纤维预处理工艺流程简述：

打包来的秸秆，用铲车运输至粗切工序，秸秆包被打开，将秸秆切成小于25mm长条状，经过振动筛除去大部分农田土，再经过风选分离，将石头、金属等杂物去除，通过风力输送，将秸秆送入精切工序，经过精切工序，将秸秆切成小于6mm长条状，输送至储料仓，此时需要测量秸秆湿度。将小于6mm长秸秆纤维输送至浸泡器中，浸泡时间约30分钟，此过程需要调节原料的湿度，以使原料混合均匀，以确保下一步水解工序操作的最佳条件。

在浸泡器过程中，就是进入水解器之前的纤维，需要达到的参数指标：

密度：85kg/m³～95kg/m³

湿度：45％～55％

温度：50℃～70℃

其中，密度是由湿度指标决定的，在纤维预处理阶段，主要控制参数是温度和湿度。

秸秆纤维预处理温湿度的检测方法

温度测量利用热电阻Pt100，热电阻Pt100连有温度传送器。纤维物的湿度测量，采用在线水分测控仪。

在线水分测控仪，由传感器、转换器构成湿度检测仪，采用高频发射方法，采集被测物水分，由于被测物质的水分不同，采集进传感器的频率不同，将频率转换为转换器电流信号，向外输出4～20mA的标准信号，在DCS控制系统中进行相应的水分控制。由智能化小型计算机及控制单元组成，将采集来的传感器电流信号进行处理，同时在显示屏上还可提供水分数据、被测物质的分类选择、温度校正等功能。

秸秆纤维预处理湿度检测控制系统

传统的检测控制系统，在储料仓上设有秸秆纤维在线水分测控仪及其指示仪；有一个单回路的检测控制系统，在1#螺杆输送机和2#螺杆输送机之间设有称重仪，传感器的输出信号送入称重指示器，称重仪测量的参数转换成需要加入工艺水的流量参数，其称重指示器输出信号送入工艺水的流量调节器，作为流量调节器的给定值。工艺水进口管上设有孔板，孔板连有差压传送器，差压传送器输出信号作为测量值信号，在流量控制器中实现控制功能，这个检测控制系统，有以下不足之处：

忽略了蒸汽量给纤维湿度带来的影响。

没能实现浸泡后纤维湿度的反馈控制，控制结果仍然存在偏差。

忽略了浸泡前纤维湿度的影响。

秸秆纤维预处理阶段温湿度检测控制系统，其特征在于，其秸秆纤维预处理阶段湿度检测控制系统，在1#螺杆输送机和2#螺杆输送机之间设有称重仪检测器，称重仪检测器连有称重指示器，称重指示器输出信号给具计算功能块作用的2#采样开关；在储料仓上设有秸秆纤维在线水分1#湿度检测仪，1#湿度检测仪连有1#指示器，1#指示器输出信号给具计算功能块作用的2#采样开关；在浸泡器上设有在线水分2#湿度检测仪，2#湿度检测仪输出信号给具计算功能块作用的2#采样开关，进行采样数据计算，采样开关数据计算结果输出信号给称重仪用2#调节器，湿度检测用2#调节器为主调节器，湿度检测用2#调节器输出信号至流量1#调节器，流量1#调节器为副调节器，构成串级控制系统；在工艺水进口管上设有流量计用孔板，孔板连有1#差压传送器，1#差压传送器输出信号至1#流量计用具计算功能块作用的1#计算器，1#计算器输出信号至流量1#调节器，1#调节器输出信号至流量1#调节阀，在蒸汽进口管上设有流量计用孔板，孔板连有2#差压传送器，2#差压传送器输出信号至流量计用2#积算器，2#积算器输出信号至流量计用具计算功能块作用的1#计算器，流量计用具计算功能块作用的1#计算器计算结果信号至流量1#调节器，流量1#调节器输出信号至流量1#调节阀，构成湿度的串级-采样检测控制系统。

在线水分测控仪的湿度传感器的安装，在秸秆储料仓和浸泡器的中上部预留1-1/2”管口，管口外焊接短管长150mm，管口外短管向上倾斜角度为30°，湿度传感器选择法兰安装形式，插入长度为450mm，将湿度传感器安装在设备的中上部，且倾斜安装。

温度测量用电阻体的安装，在管道和设备上设有1-1/2”管口，管口外焊接短管长150mm，管口外短管向上倾斜角度为30°，电阻体的安装选择法兰安装的形式，插入长度为450mm，且倾斜安装。

秸秆预处理温度控制系统

传统的检测控制方法，利用称重仪测量的数据，作为调节器手动给定值的依据，利用工艺水和蒸汽合流后的温度测量信号，利用调节器的功能，去调节蒸汽调节阀。这是一个简单的反馈调节，这个单回路调节系统有以下不足之处：

1、没能实现浸泡后纤维温度的反馈控制，控制结果仍然存在偏差。

2、忽略了浸泡前纤维温度的影响。

秸秆纤维预处理阶段温湿度检测控制系统，其特征在于，其秸秆纤维预处理阶段温度检测控制系统，温度测量利用电阻体，4#电阻体设在储料仓上，3#电阻体设在工艺水进口管上，1#电阻体和2#电阻体设在浸泡器上，电阻体为热电阻Pt100，连有温度传送器，1#温度传送器、2#温度传送器、4#温度传送器信号分别送入具计算功能块作用的1#计算器，1#计算器的输出信号送入5#调节器，5#调节器为主调节器，5#调节器输出信号送入3#调节器，3#调节器为副调节器，构成串级控制系统；在汽水混合器出口管上，设有3#温度传送器的输出信号送入3#调节器，作为3#调节器的测量值；在1#螺杆输送机和2#螺杆输送机之间设有称重仪，利用称重仪测量的数据，作为2#调节器手动给定值的参考依据，5#调节器的输出信号作为3#调节器的给定值，3#调节器的输出信号送至蒸汽的调节阀，控制阀门的开度。

温度传送器电阻体的安装，在秸秆储料仓和浸泡器的中上部预留1-1/2”管口，管口外焊接短管长150mm，管口外短管向上倾斜角度为30°，温度计选择法兰安装形式，插入长度为450mm，将温度传感器安装在设备的中上部，且倾斜安装。

本发明的优点在于：

1、有效的控制秸秆纤维预处理阶段的温湿度，给水解工序提供最佳的原料，只有保证水解工序纤维的密度、湿度、温度要求，才能保证秸秆纤维水解的收益率。

2、有效的控制秸秆纤维预处理阶段的温湿度，以免浪费浸泡工序所加入的工艺水和蒸汽，达到节省能源的目的。

3、有效的控制秸秆纤维预处理阶段的温湿度，保证后续工段产生的污水量最少，降低污水处理量，减少环境污染。

附图说明

图1为带湿度检测控制系统的工艺流程图。

图2为带温度检测控制系统的工艺流程图。

具体实施方案

下面结合附图和具体实施例对本发明做出进一步的详细描述。

1、检测元件的安装位置

浸泡之前纤维湿度传感器检测位置，应选择在秸秆精切后的储料仓上，经过精切后秸秆已充分粉碎，又经过多次的筛选和传送，温湿度分布已相对均匀。浸泡后的纤维温湿度传感器安装位置，选择在浸泡器上，在浸泡器中的秸秆纤维经过蒸汽和工艺水的喷淋后，再经过30分钟的浸泡，温湿度混合均匀，这样选择的温湿度检测位置，即可靠又可行。

温度传送器和湿度传感器的安装，在秸秆储料仓和浸泡器的中上部预留1-1/2”管口，管口外焊接短管长150mm，管口外短管向上倾斜角度为30°，温度计和湿度计选择法兰安装形式，插入长度为450mm，将湿度传感器安装在设备的中上部，且倾斜安装，可以避免探头承受太大的秸秆重量压力而损坏。

2、湿度串级-采样控制系统的实施

如图1所示，在1#螺杆输送机和2#螺杆输送机之间设有称重仪检测器WT，称重仪检测器WT连有称重指示器WI-1，称重指示器WI-1输出信号给具计算功能块作用的2#采样开关MY-2，在储料仓上设有秸秆纤维在线水分测控仪1#湿度检测仪MT-1，1#湿度检测仪MT-1连有1#指示器MI-1，1#指示器MI-1输出信号给具计算功能块作用的2#采样开关MY-2，在浸泡器上设有在线水分2#湿度检测仪MT-2，2#湿度检测仪MT-2输出信号给具计算功能块作用的2#采样开关MY-2，进行采样数据计算，采样开关数据计算结果输出信号给湿度检测用2#调节器MC-2，湿度检测用2#调节器MC-2为主调节器，湿度检测用2#调节器MC-2输出信号至流量1#调节器FC-1，流量1#调节器FC-1为副调节器，构成串级控制系统；在工艺水进口管上设有流量计用孔板，孔板连有1#差压传送器FT-1，1#差压传送器FT-1输出信号至1#流量计用具功能块作用的1#计算器FY-1，1#计算器FY-1输出信号至流量1#调节器FC-1，1#调节器FC-1输出信号至流量1#调节阀FV-1，在蒸汽进口管上设有流量计用孔板，孔板连有2#差压传送器FT-2，2#差压传送器FT-2输出信号至流量计用2#积算器FQ-2，2#积算器FQ-2输出信号至流量计用具功能块作用的1#计算器FY-1，流量计用具功能块作用的1#计算器FY-1计算结果信号至流量1#调节器FC-1，流量1#调节器FC-1输出信号至流量1#调节阀FV-1，构成湿度的串级-采样检测控制系统。

在汽水混合器出口管上，设有温度测量电阻体Pt100，电阻体Pt100连有温度传送器TT-2，温度传送器TT-2输出信号给温度调节器TC-4，温度调节器TC-4输出信号至2#调节阀TV-2。这个温度调节系统对秸秆纤维预处理工艺稳定操作很重要，它是湿度的串级-采样检测控制系统的稳定操作，不可缺少的条件。

本发明将秸秆纤维称重指示器WT-1、储料仓纤维1#湿度检测仪MT-1、浸泡器内纤维2#湿度检测仪MT-2进行采样测量，采样的周期，应根据浸泡器的容量大小和浸泡时间来确定，采样结果，通过公式MY-2＝(50％-MT-2-MT-1)*WT-1计算后，作为MC-2的给定值，MY-2输出值是连续的，每隔一个采样周期，MY-2输出值重新调整一次，使MT-2的检测值达到50％的控制目的。

3、温度串级系统的实施

如图2的秸秆纤维预处理阶段温度检测控制系统，温度测量利用电阻体，4#电阻体设在储料仓上，3#电阻体设在工艺水进口管上，1#电阻体和2#电阻体设在浸泡器上，电阻体为热电阻Pt100，连有温度传送器，1#温度传送器TT-1a、2#温度传送器TT-1b、4#温度传送器TT-4信号分别送入具功能块作用的1#计算器TY-1，1#计算器TY-1的输出信号送入5#调节器TC-5，5#调节器TC-5为主调节器，5#调节器TC-5输出信号送入3#调节器TC-3，3#调节器TC-3为副调节器，构成串级控制系统；在汽水混合器出口管上设有3#温度传送器TT-3的输出信号送入3#调节器TC-3，作为3#调节器TC-3的测量值；在1#螺杆输送机和2#螺杆输送机之间设有称重仪，利用称重仪测量的数据，作为3#调节器TC-3手动给定值的参考依据，5#调节器TC-5的输出信号作为3#调节器TC-3的给定值，3#调节器TC-3的输出信号去调节蒸汽的调节阀TV-3开度。

本温度检测控制系统中，增加储料仓秸秆纤维的温度检测TT-4，将浸泡器的温度TT-1a信号和TT-1b信号、储料仓温度TT-4信号，通过TY-1进行处理，使TC-3信号的给定值，根据TY-1的处理结果自动调整，从而保证TC-3信号的反馈系统的稳定，而且消除了余差，使系统性能精确可靠。

4、控制系统参数整定和投运

一般情况下，反馈控制系统的参数整定，选用经验凑试法，先用纯比例进行凑试，待过度过程已基本稳定并符合要求后，再加积分作用消除余差，最后加入微分作用，提高控制质量，消除滞后影响。

采用串级控制系统的场合，对象特性都有较大的滞后，所以主控制器采用PID控制器是必要的。而副控制回路是否加积分环节，可根据副对象的特性来分析。本串级控制系统中，副回路是流量部分，若不加积分环节会产生很大余差，考虑串级系统有时会断开主回路，存在这样大的余差是不合适的，又因为流量副回路的等效环节比主对象的动态滞后要小得多，副回路控制器增加积分环节，不影响主回路性能，所以流量副回路控制器采用比例加积分环节。

串级控制系统和一般反馈控制系统的投运是一样，都必须保证无干扰切换。串级控制系统的投运，通常采用先投运副回路，而后投运主回路的投运方式，首先将主回路、副回路控制器都置于手动位置，副回路控制器处于外给定，主回路控制器处于内给定，用副回路控制器操纵调节阀，调整副回路控制器的设定值，当偏差为零时，将副回路控制器切换到自动，然后调整主回路控制器的设定值，当偏差为零时，将主回路控制器切换到自动位置。

采样控制系统的采样周期时间，可略大于纯滞后时间，这样采样调节器改变输出后，待到下一个采样周期刚好能检测出被控变量的变化。投运时调节器可以采用比例积分作用，微分作用会使输出产生较大的阶跃式变化，一般情况下采样调节不需要微分作用。

Claims (4)

1.秸秆纤维预处理阶段温湿度检测控制系统，其特征在于，其秸秆纤维预处理阶段湿度检测控制系统，在1#螺杆输送机和2#螺杆输送机之间设有称重仪检测器(WT)，称重仪检测器(WT)连有称重指示器(WI-1)，称重指示器(WI-1)输出信号给具计算功能块作用的2#采样开关(MY-2)；在储料仓上设有秸秆纤维在线水分1#湿度检测仪(MT-1)，1#湿度检测仪(MT-1)连有1#指示器(MI-1)，1#指示器(MI-1)输出信号给具计算功能块作用的2#采样开关(MY-2)，在浸泡器上设有在线水分2#湿度检测仪(MT-2)，2#湿度检测仪(MT-2)输出信号给具计算功能块作用的2#采样开关(MY-2)，进行采样数据计算，采样开关数据计算结果输出信号给湿度检测用2#调节器(MC-2)，湿度检测用2#调节器(MC-2)为主调节器，湿度检测用2#调节器(MC-2)输出信号至流量1#调节器(FC-1)，流量1#调节器(FC-1)为副调节器，构成串级控制系统；在工艺水进口管上设有流量计用孔板，孔板连有1#差压传送器(FT-1)，1#差压传送器(FT-1)输出信号至1#流量计用具功能块作用的1#计算器(FY-1)，1#计算器(FY-1)输出信号至流量1#调节器(FC-1)，1#调节器(FC-1)输出信号至流量1#调节阀(FV-1)，在蒸汽进口管上设有流量计用孔板，孔板连有2#差压传送器(FT-2)，2#差压传送器(FT-2)输出信号至流量计用2#积算器(FQ-2)，2#积算器(FQ-2)输出信号至流量计用具功能块作用的1#计算器(FY-1)，流量计用具功能块作用的1#计算器(FY-1)计算结果信号至流量1#调节器(FC-1)，流量1#调节器(FC-1)输出信号至流量1#调节阀(FV-1)，构成湿度的串级-采样检测控制系统，其中，主控制器采用PID控制器。

2.按照权利要求1所述的秸秆纤维预处理阶段温湿度检测控制系统，其特征在于，在秸秆储料仓和浸泡器的中上部预留1-1/2管口，管口外焊接长150mm的短管，管口外短管以30°的角度向上倾斜,在线水分湿度检测仪的湿度传感器选择法兰安装形式，将湿度传感器安装在设备的中上部，插入长度为450mm，且倾斜安装。

3.按照权利要求1所述的秸秆纤维预处理阶段温湿度检测控制系统，其特征在于，系统温度利用电阻体(Pt100)进行测量，在管道和设备上设有1-1/2管口，管口外焊接长150mm的短管，管口外短管以30°的角度向上倾斜,电阻体的安装选择法兰安装的形式，插入长度为450mm，且倾斜安装。

4.秸秆纤维预处理阶段温湿度检测控制系统，其特征在于，其秸秆纤维预处理阶段温度检测控制系统，温度测量利用电阻体，4#电阻体设在储料仓上,3#电阻体设在工艺水进口管上，1#电阻体和2#电阻体设在浸泡器上，电阻体为热电阻Pt100，连有温度传送器，1#温度传送器(TT-1a)、2#温度传送器(TT-1b)、4#温度传送器(TT-4)信号分别送入具计算功能块作用的1#计算器(T Y-1)，1#计算器(T Y-1)的输出信号送入5#调节器(T C-5)，5#调节器(TC-5)为主调节器，5#调节器(T C-5)输出信号送入3#调节器(T C-3)，3#调节器(T C-3)为副调节器，构成串级控制系统；在汽水混合器的出口管上设有3#温度传送器(T T-3)的输出信号送入3#调节器(T C-3)，作为3#调节器(T C-3)的测量值；在1#螺杆输送机和2#螺杆输送机之间设有称重仪，利用称重仪测量的数据，作为3#调节器(T C-3)手动给定值的参考依据，5#调节器(T C-5)的输出信号作为3#调节器(T C-3)的给定值，3#调节器(T C-3)的输出信号送至蒸汽的调节阀T V-3，控制阀门的开度。