專利名稱：礦井通風(fēng)瓦斯燃燒器自動(dòng)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及礦井通風(fēng)瓦斯氣燃燒處理領(lǐng)域，尤其涉及瑞士巻結(jié)構(gòu)的礦井通風(fēng)瓦斯燃 燒器自動(dòng)控制系統(tǒng)。
技術(shù)背景
煤層氣俗稱瓦斯，其主要成分為CH4，是存在于煤礦中的伴生氣體。目前全世界每年因 煤礦開采而排入大氣中的CH4總量為2500萬噸，隨著煤炭產(chǎn)量的增加，預(yù)計(jì)到2010年將增 至2800萬噸，其中70% (中國(guó)為90%)為煤礦通風(fēng)瓦斯(VAM,濃度低于1%)。將瓦斯直 接排放到大氣中， 一方面造成了有限的不可再生資源的巨大浪費(fèi)；另一方面甲烷又是很強(qiáng)的 溫室氣體(溫室效應(yīng)約為C02的21倍)，還會(huì)造成對(duì)大氣臭氧層的破壞。因此，合理利用煤 礦通風(fēng)氣中的低濃度瓦斯具有節(jié)能和環(huán)保雙重意義。
然而我國(guó)現(xiàn)有瓦斯利用還局限于30%以上濃度，濃度在0.1 5 %范圍內(nèi)的超低濃度煤層 氣的合理利用，國(guó)內(nèi)尚無成熟技術(shù)。美國(guó)、加拿大等國(guó)已經(jīng)率先開始了低濃度(0.1%-1%)瓦斯 的利用研究。采用的燃燒技術(shù)主要有兩類 一類是美國(guó)Sequa公司和瑞典ADTEC (現(xiàn)已被 MEGTEC合并)研制開發(fā)的熱流轉(zhuǎn)反應(yīng)器技術(shù)(Thermal Flow-Reversal Reactor即TFRR),另 一類是加拿大能源多樣化實(shí)驗(yàn)室和NRcan研制的催化流轉(zhuǎn)反應(yīng)器技術(shù)(CatalyticFlow-Reversal Reactor即CFRR)。然兩者均存在的問題是需要定期的氣流換向；而且為了避免大量散熱， 維持燃燒穩(wěn)定進(jìn)行，反應(yīng)器周圍需有良好的絕熱層，致使設(shè)備結(jié)構(gòu)及操作復(fù)雜。
筆者所在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種新型的環(huán)形燃燒器(公開號(hào)CN101016992A)和一種低濃度煤 層氣燃燒及熱能利用裝置(授權(quán)公告號(hào)CN201149252Y)，可解決上述兩種裝置存在的問題。
對(duì)于一種低濃度煤層氣燃燒及熱能利用裝置，其由外圍的瑞士巻結(jié)構(gòu)的換熱器單元和中 心的燃燒區(qū)構(gòu)成，其中外圍的換熱器單元為鋼質(zhì)材料，不耐高溫；中心燃燒區(qū)由耐高溫的剛 玉管構(gòu)成，剛玉管內(nèi)填充多孔介質(zhì)，多孔介質(zhì)中置入硅碳棒電加熱元件起點(diǎn)火啟動(dòng)作用。然 筆者在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)瓦斯氣濃度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致中心區(qū)溫度的變化， 若中心區(qū)溫度過高，則瓦斯氣在進(jìn)入中心區(qū)之前，已被預(yù)熱到了燃點(diǎn)而著火，使燃燒反應(yīng)區(qū) 提前；反之若中心區(qū)溫度過低則會(huì)導(dǎo)致燃燒反應(yīng)區(qū)后移，控制好中心區(qū)的溫度波動(dòng)范圍可以 保證燃燒反應(yīng)區(qū)穩(wěn)定在中心的多孔介質(zhì)內(nèi)。然而運(yùn)行時(shí)采用人工手動(dòng)控制和簡(jiǎn)單的儀表控制 方法并不能很好地控制好中心區(qū)的溫度，導(dǎo)致燃燒區(qū)從中心區(qū)的多孔介質(zhì)漂移到外圍的換熱 單元中，大大降低燃燒器的使用壽命，并造成了瓦斯氣燃燒不完全。為了克服已有技術(shù)的不足和缺陷，使得燃燒器在燃燒不同濃度瓦斯氣時(shí)燃燒區(qū)始終在中 心區(qū)的多孔介質(zhì)內(nèi)，本實(shí)用新型提供一種采用可編程控制器作為核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其根 據(jù)燃燒器中心區(qū)的溫度高低及其變化速度，控制蒸汽流量電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度和硅碳棒加熱元件 的開啟和關(guān)閉；實(shí)時(shí)取出燃燒器多余的熱量或輸入燃燒器缺少的熱量，維持燃燒器的熱平衡， 控制中心區(qū)的溫度，使燃燒反應(yīng)區(qū)始終穩(wěn)定在中心區(qū)的多孔介質(zhì)內(nèi)。
本實(shí)用新型主要包括可編程控制器、上位機(jī)、熱電偶、瓦斯流量計(jì)、瓦斯?jié)舛扔?jì)、蒸汽 流量電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、蒸汽流量計(jì)、調(diào)壓器。熱電偶輸出信號(hào)直接輸入到可編程控制器的熱電偶 輸入模塊；瓦斯流量計(jì)、瓦斯?jié)舛扔?jì)、蒸汽流量計(jì)的輸出信號(hào)均為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的r20mA信號(hào)， 輸入可編程控制器的模擬量輸入(AI)模塊；蒸汽流量電動(dòng)調(diào)節(jié)閥輸入可編程控制器的模擬 量輸出(AO)模塊，用4 20mA信號(hào)調(diào)節(jié)閥的開度；由于硅碳棒的電阻很小，在高溫下僅有幾 個(gè)歐姆，故用調(diào)壓器將其工作電壓調(diào)低，調(diào)壓器的通斷由可編程控制器的開關(guān)量輸出(10) 信號(hào)控制?？删幊炭刂破魍ㄟ^通訊電纜與上位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)燃燒器系統(tǒng)工作參數(shù)的集 成顯示，記錄和保存；并能按照一定的程序?qū)φ麄€(gè)燃燒器的工作過程進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)出現(xiàn)的問 題能及時(shí)診斷報(bào)警。
目前國(guó)內(nèi)外有各種系列的可編程控制器生產(chǎn)，本礦井通風(fēng)瓦斯燃燒器自動(dòng)控制系統(tǒng)的可 編程控制器采用SIMATICS7300系列，其具有豐富的I/O接口模塊和很高的可靠性，采用模 塊化結(jié)構(gòu)適應(yīng)了各種工業(yè)控制需要，通過STEP7編程軟件可以實(shí)現(xiàn)不同的控制策略。上位機(jī) 采用普通的商用計(jì)算機(jī)，組態(tài)軟件使用WINCC6.0。由于燃燒器中心區(qū)的溫度較高，所以采 用S型熱電偶，其正極為鉑銠合金，負(fù)極為純鉑金，外管材質(zhì)為剛玉，可長(zhǎng)期工作在0-1600 °C，燃燒器外圍的換熱單元溫度較低，故采用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的鎧裝K型熱電偶即鎳鉻一鎳硅熱電 偶，其可長(zhǎng)期工作在0-100(TC。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥采用ZDLJP型電子式電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥。
本實(shí)用新型利用可編程控制器采集燃燒器工作的溫度，瓦斯?jié)舛?、流量等信?hào)，按照一 定的控制程序，驅(qū)動(dòng)蒸汽流量電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、硅碳棒加熱元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工作過程的自動(dòng)控 制，并在上位機(jī)中集中顯示系統(tǒng)的工作參數(shù)。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于用科學(xué)的，程序化的控 制代替了人工的憑經(jīng)驗(yàn)的控制方法，有效的避免了燃燒區(qū)漂移出中心區(qū)，提高了燃燒器的使 用壽命和瓦斯氣的燃燒效率，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。


圖1為本礦井通風(fēng)瓦斯燃燒器和控制系統(tǒng)總體組成圖2為本自動(dòng)控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖3為本實(shí)用新型控制流程圖。
具體實(shí)施方式
-對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明
在公知技術(shù)中，可編程控制器(Programmable Logic Controller, PLC)實(shí)質(zhì)是一種專用于 工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同，包括中央處理單元(CPU)、存儲(chǔ) 器、電源。CPU是PLC的控制中樞，它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器 鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)用戶特定的控制功能；存儲(chǔ)器包括存放系統(tǒng)軟件的系統(tǒng)程序存 儲(chǔ)器和存放應(yīng)用軟件的用戶程序存儲(chǔ)器；電源是PLC正常工作的基礎(chǔ)。PLC以掃描的方式進(jìn) 行工作，工作過程分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。在整個(gè) 運(yùn)行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。自二十世紀(jì)六十年代美國(guó) 推出PLC取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發(fā)展，功能不斷完善，在世界各地 得到了廣泛應(yīng)用。
針對(duì)以上所述，
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施作進(jìn)一步描述-
如圖l、圖2所示，本實(shí)用新型包括熱電偶、硅碳棒加熱元件、瓦斯?jié)舛扔?jì)、瓦斯流量 計(jì)、蒸汽流量計(jì)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、可編程控制器、上位機(jī)。
根據(jù)燃燒器的工作要求，應(yīng)控制燃燒反應(yīng)區(qū)在燃燒器中心耐高溫的多孔介質(zhì)內(nèi)，從圖1 中我們可以看到中心區(qū)在垂直方向的路徑較長(zhǎng)，會(huì)存在一比較大的溫度分布梯度，因此用3 個(gè)沿垂直方向布置的S型熱電偶來監(jiān)控，并用這三個(gè)點(diǎn)溫度的平均值作為控制參數(shù)；外圍的 換熱器單元共6圈且溫度一般在1000'C以下，因此用6根鎧裝K型熱電偶來監(jiān)控。熱電偶輸 出的信號(hào)通過熱電偶專用的屏蔽線接入PLC的熱電偶輸入模塊接口。硅碳棒的加熱功率為 6kW,與調(diào)壓器連接，調(diào)壓器的通斷由PLC的開關(guān)量輸出(10)信號(hào)控制。蒸汽發(fā)生器出口 的水蒸氣通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和渦街流量計(jì)進(jìn)入燃燒器，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥采用ZDUP型電子式電動(dòng)單 座調(diào)節(jié)閥，其內(nèi)含伺服功能，接受統(tǒng)一的4~20mA或1~5V.DV標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，故將其接入PLC 的模擬量輸出(AO)模塊。渦街流量計(jì)采用LUGB-99型，其輸出的信號(hào)接入PLC的模擬量 輸入(AI)模塊。PLC根據(jù)中心區(qū)的溫度來調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，并由流量計(jì)將實(shí)時(shí)的流 量反饋給PLC ，并在上位機(jī)中顯示。在燃燒器進(jìn)口處安裝瓦斯?jié)舛群土髁坑?jì)，其輸出的4~20mA 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)接入PLC的模擬量輸入(AI)模塊接口。
本自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制程序流程圖如圖3所示，程序流程圖是一個(gè)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)以及設(shè)定參數(shù)進(jìn)行分析、判斷、處理的過程。整個(gè)裝置啟動(dòng)后，首先對(duì)系統(tǒng)的手動(dòng)、自動(dòng)2種工 作方式進(jìn)行選擇；若選擇自動(dòng)工作模式，則開始采集各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)值，若采集到的數(shù)值存 在錯(cuò)誤則報(bào)警，若數(shù)據(jù)無誤，則判斷中心區(qū)的溫度是否高于設(shè)置的溫度。若高于設(shè)定溫度， 自動(dòng)關(guān)閉硅碳棒加熱元件并啟動(dòng)蒸汽流量電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，取出多余熱量；若中心區(qū)溫度低于設(shè) 置的溫度時(shí)，啟動(dòng)硅碳棒電加熱元件，為燃燒器輸入熱量；以控制中心區(qū)的溫度波動(dòng)，使燃 燒區(qū)始終穩(wěn)定在中心的多孔介質(zhì)內(nèi)。本自動(dòng)控制系統(tǒng)不僅能完成上述控制，而且能按照一定 的程序?qū)θ紵鬟\(yùn)行中的各個(gè)部件進(jìn)行監(jiān)控，出現(xiàn)異常情況時(shí)自動(dòng)報(bào)警和診斷，并提示故障 發(fā)生的部位和故障類型，在出現(xiàn)斷電、斷蒸汽、燃燒器熄火等情況時(shí)可使系統(tǒng)各個(gè)檢測(cè)元件 和執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)進(jìn)入安全狀態(tài)；可編程控制器通過通訊電纜和上位機(jī)進(jìn)行通訊，將系統(tǒng)的工 作參數(shù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)和集成顯示，讓系統(tǒng)的工作參數(shù)一目了然。
權(quán)利要求1.一種礦井通風(fēng)瓦斯燃燒器自動(dòng)控制系統(tǒng)包括熱電偶溫度計(jì)、硅碳棒加熱元件、瓦斯?jié)舛扔?jì)、瓦斯流量計(jì)、蒸汽流量計(jì)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、可編程控制器、上位機(jī)；其特征是用西門子S7-300可編程控制器作為下位機(jī)，采集燃燒器各點(diǎn)溫度、瓦斯?jié)舛取⑼咚沽髁?、蒸汽流量工作參?shù)，按照一定的程序，驅(qū)動(dòng)ZDLJP型電子式電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥、硅碳棒加熱元件來實(shí)現(xiàn)燃燒區(qū)域在瓦斯氣濃度變化時(shí)始終在燃燒器中心的多孔介質(zhì)內(nèi)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦井通風(fēng)瓦斯燃燒器自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征是可編程控制器 采用西門子S7-300，上位機(jī)組態(tài)軟件采用WINCC6.0，溫度的測(cè)量采用S型、K型熱電偶。
專利摘要本實(shí)用新型涉及礦井通風(fēng)瓦斯燃燒處理領(lǐng)域，尤其涉及瑞士卷結(jié)構(gòu)礦井通風(fēng)瓦斯燃燒器的自動(dòng)控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)包括熱電偶，硅碳棒加熱元件，瓦斯?jié)舛扔?jì)，瓦斯氣流量計(jì)，蒸汽流量計(jì)，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，可編程控制器，上位機(jī)。其特征是用可編程控制器作為下位機(jī)，采集燃燒器各點(diǎn)溫度、瓦斯?jié)舛?、瓦斯流量、蒸汽流量工作參?shù)，按照一定的程序，驅(qū)動(dòng)蒸汽流量電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、硅碳棒加熱元件來實(shí)現(xiàn)在瓦斯氣濃度變化時(shí)燃燒區(qū)始終在燃燒器中心的多孔介質(zhì)內(nèi)。本實(shí)用新型用科學(xué)、程序化的控制代替了人工憑經(jīng)驗(yàn)的控制方法，避免了燃燒區(qū)漂移到中心區(qū)外圍的換熱單元中，有效的提高了燃燒器的燃燒效率和熱效率，延長(zhǎng)了燃燒器的使用壽命。
文檔編號(hào)F23N5/24GK201377810SQ20082018178
公開日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2008年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月20日
發(fā)明者何賢釗, 瑜 俞, 唐志國(guó), 李永玲, 林其釗, 馬培勇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)