专利名称：Swiss-roll矿井通风瓦斯燃烧器自动控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及矿井通风瓦斯气燃烧处理领域，尤其涉及SWISS-ROLL结构的矿井通风瓦斯 燃烧器自动控制系统。
背景技术：
煤层气俗称瓦斯，其主要成分为CH4，是存在于煤矿中的伴生气体。目前全世界每年因 煤矿开采而排入大气中的CH4总量为2500万吨，随着煤炭产量的增加，预计到2010年将增 至2800万吨，其中70% (中国为90%)为煤矿通风瓦斯(VAM，浓度低于1%)。将瓦斯直 接排放到大气中， 一方面造成了有限的不可再生资源的巨大浪费；另一方面甲烷又是很强的 温室气体(温室效应约为C02的21倍)，还会造成对大气臭氧层的破坏。因此，合理利用煤 矿通风气中的低浓度瓦斯具有节能和环保双重意义。
然而我国现有瓦斯利用还局限于30%以上浓度，浓度在0.1 5 %范围内的超低浓度煤层 气的合理利用，国内尚无成熟技术。美国、加拿大等国已经率先开始了低浓度(0.1%-1%)瓦斯 的利用研究。采用的燃烧技术主要有两类 一类是美国Sequa公司和瑞典ADTEC (现已被 MEGTEC合并)研制开发的热流转反应器技术(Thermal Flow-Reversal Reactor艮卩TFRR)，另 一类是加拿大能源多样化实验室和NRcan研制的催化流转反应器技术(CatalyticFlow-Reversal Reactor即CFRR)。然两者均存在的问题是需要定期的气流换向；而且为了避免大量散热， 维持燃烧稳定进行，反应器周围需有良好的绝热层，致使设备结构及操作复杂。
笔者所在实验室设计了一种新型的环形燃烧器(公开号CN101016992A)和一种低浓度煤 层气燃烧及热能利用装置(授权公告号CN201149252Y)，可解决上述两种装置存在的问题。
对于一种低浓度煤层气燃烧及热能利用装置，其由外围的SWISSROLL结构的换热器单元 和中心的燃烧区构成，其中外围的换热器单元为钢质材料，不耐高温；中心燃烧区由耐高温 的刚玉管构成，刚玉管内填充多孔介质，多孔介质中置入硅碳棒电加热元件起点火启动作用。 然笔者在进一步的实验和研究中发现，当瓦斯气浓度发生变化时，会导致中心区温度的变化， 若中心区温度过高，则瓦斯气在进入中心区之前，已被预热到了燃点而着火，使燃烧反应区 提前；反之若中心区温度过低则会导致燃烧反应区后移，控制好中心区的温度波动范围可以 保证燃烧反应区稳定在中心的多孔介质内。然而运行时采用人工手动控制和简单的仪表控制 方法并不能很好地控制好中心区的温度，导致燃烧区从中心区的多孔介质漂移到外围的换热 单元中，大大降低燃烧器的使用寿命，并造成了瓦斯气燃烧不完全。
发明内容
为了克服己有技术的不足和缺陷，使得燃烧器在燃烧不同浓度瓦斯气时燃烧区始终在中 心区的多孔介质内，本发明提供一种采用可编程控制器作为核心的自动控制系统，其根据燃 烧器中心区的温度高低及其变化速度，控制蒸汽流量电动调节阀开度和硅碳棒加热元件的开 启和关闭；实时取出燃烧器多余的热量或输入燃烧器缺少的热量，维持燃烧器的热平衡，控 制中心区的温度，使燃烧反应区始终稳定在中心区的多孔介质内。
本发明主要包括可编程控制器、上位机、热电偶、瓦斯流量计、瓦斯浓度计、蒸汽流量 电动调节阀、蒸汽流量计、调压器。热电偶输出信号直接输入到可编程控制器的热电偶输入 模块；瓦斯流量计、瓦斯浓度计、蒸汽流量计的输出信号均为工业标准的4 20mA信号，输入 可编程控制器的模拟量输入(AI)模块；蒸汽流量电动调节阀输入可编程控制器的模拟量输 出(AO)模块，用4 20mA信号调节阀的开度；由于硅碳棒的电阻很小，在高温下仅有几个欧 姆，故用调压器将其工作电压调低，调压器的通断由可编程控制器的开关量输出(10)信号 控制。可编程控制器通过通讯电缆与上位机通讯，实现对整个燃烧器系统工作参数的集成显 示，记录和保存；并能按照一定的程序对整个燃烧器的工作过程进行监控，对出现的问题能 及时诊断报警。
目前国内外有各种系列的可编程控制器生产，本SWISS-ROLL矿井通风瓦斯燃烧器自动 控制系统的可编程控制器采用SIMATIC S7300系列，其具有丰富的I/O接口模块和很高的可 靠性，采用模块化结构适应了各种工业控制需要，通过STEP7编程软件可以实现不同的控制 策略。上位机采用普通的商用计算机，组态软件使用WINCC6.0。由于燃烧器中心区的温度 较高，所以采用S型热电偶，其正极为铂铑合金，负极为纯铂金，外管材质为刚玉，可长期 工作在0-160(TC，燃烧器外围的换热单元温度较低，故采用经济实用的铠装K型热电偶即镍 铬一镍硅热电偶，其可长期工作在0-1000°C。电动调节阀采用ZDLJP型电子式电动单座调节 阀。
本发明利用可编程控制器采集燃烧器工作的温度，瓦斯浓度、流量等信号，按照一定的 控制程序，驱动蒸汽流量电动调节阀、硅碳棒加热元件执行机构实现工作过程的自动控制， 并在上位机中集中显示系统的工作参数。本发明的优点在于用科学的，程序化的控制代替了 人工的凭经验的控制方法，有效的避免了燃烧区漂移出中心区，提高了燃烧器的使用寿命和 瓦斯气的燃烧效率，具有显著的经济效益和社会效益。
图1为SWISS-ROLL结构的矿井通风瓦斯燃烧器和控制系统总体组成图； 图2为本自动控制装置结构示意图； 图3为本发明控制流程图。
具体实施例方式
对本发明做进一歩说明
在公知技术中，可编程控制器(Programmable Logic Controller, PLC)实质是一种专用于 工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，包括中央处理单元(CPU)、存储 器、电源。CPU是PLC的控制中枢，它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器 键入的用户程序和数据，实现用户特定的控制功能；存储器包括存放系统软件的系统程序存 储器和存放应用软件的用户程序存储器；电源是PLC正常工作的基础。PLC以扫描的方式进 行工作，工作过程分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。在整个 运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。自二十世纪六十年代美国 推出PLC取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，功能不断完善，在世界各地 得到了广泛应用。
针对以上所述，下面结合附图对本发明的具体实施作进一歩描述
如图l、图2所示，本发明包括热电偶、硅碳棒加热元件、瓦斯浓度计、瓦斯流量计、 蒸汽流量计、电动调节阀、可编程控制器、上位机。
根据燃烧器的工作要求，应控制燃烧反应区在燃烧器中心耐高温的多孔介质内，从图1 中我们可以看到中心区在垂直方向的路径较长，会存在一比较大的温度分布梯度，因此用3 个沿垂直方向布置的S型热电偶来监控，并用这三个点温度的平均值作为控制参数；外围的 换热器单元共6圈且温度一般在1000'C以下，因此用6根铠装K型热电偶来监控。热电偶输 出的信号通过热电偶专用的屏蔽线接入PLC的热电偶输入模块接口。硅碳棒的加热功率为 6kW，与调压器连接，调压器的通断由PLC的开关量输出(10)信号控制。蒸汽发生器出口 的水蒸气通过电动调节阀和涡街流量计进入燃烧器，电动调节阀采用ZDLJP型电子式电动单 座调节阀，其内含伺服功能，接受统一的4~20mA或1-5V.DV标准信号，故将其接入PLC 的模拟量输出(AO)模块。涡街流量计采用LUGB-99型，其输出的信号接入PLC的模拟量 输入(AI)模块。PLC根据中心区的温度来调节电动调节阀的开度，并由流量计将实时的流 量反馈给PLC，并在上位机中显示。在燃烧器进口处安装瓦斯浓度和流量计，其输出的4 20mA 标准信号接入PLC的模拟量输入(AI)模块接口。
本自动控制系统的控制程序流程图如图3所示，程序流程图是一个对系统状态参数以及设定参数进行分析、判断、处理的过程。整个装置启动后，首先对系统的手动、自动2种工 作方式进行选择；若选择自动工作模式，则开始采集各个测量点的数值，若采集到的数值存 在错误则报警，若数据无误，则判断中心区的温度是否高于设置的温度。若高于设定温度， 自动关闭硅碳棒加热元件并启动蒸汽流量电动调节阀，取出多余热量；若中心区温度低于设 置的温度时，启动硅碳棒电加热元件，为燃烧器输入热量；以控制中心区的温度波动，使燃 烧区始终稳定在中心的多孔介质内。本自动控制系统不仅能完成上述控制，而且能按照一定 的程序对燃烧器运行中的各个部件进行监控，出现异常情况时自动报警和诊断，并提示故障 发生的部位和故障类型，在出现断电、断蒸汽、燃烧器熄火等情况时可使系统各个检测元件 和执行机构自动进入安全状态；可编程控制器通过通讯电缆和上位机进行通讯，将系统的工 作参数传输到计算机中进行存储和集成显示，让系统的工作参数一目了然。
权利要求
1. 一种SWISS-ROLL结构的矿井通风瓦斯燃烧器自动控制系统包括热电偶温度计、硅碳棒加热元件、瓦斯浓度计、瓦斯流量计、蒸汽流量计、电动调节阀、可编程控制器、上位机；其特征是用可编程控制器作为下位机，采集燃烧器各点温度、瓦斯浓度、瓦斯流量、蒸汽流量工作参数，按照一定的程序，驱动蒸汽流量电动调节阀、硅碳棒加热元件来实现燃烧区域在瓦斯气浓度变化时始终在燃烧器中心的多孔介质内。
2. 根据权利要求1所述的SWISS-ROLL结构的矿井通风瓦斯燃烧器自动控制系统， 其特征是各控制参数在上位机中设置，并通过通讯电缆传输到下位机中。
3. 根据权利要求1所述的SWISS-ROLL结构的矿井通风瓦斯燃烧器自动控制系统， 其特征是燃烧器的工作参数在上位机中显示、记录保存。
4. 根据权利要求1所述的SWISS-ROLL结构的矿井通风瓦斯燃烧器自动控制系统， 其特征是对上述燃烧器中心区温度的控制，当中心区的温度高于设置的温度时，可编程控 制器得到热电偶的温度信号后，自动关闭硅碳棒加热元件并启动蒸汽流量电动调节阀，取 出多余热量；当中心区温度低于设置的温度时，启动硅碳棒电加热元件，为燃烧器输入热
5. 根据权利要求1至4的SWISS-ROLL结构的矿井通风瓦斯燃烧器自动控制系统，其 特征是可编程控制器按照一定的程序对燃烧器的工作状态进行监控，对出现的可能问题进 行诊断并及时报警。
6. 根据权利要求1所述的SWISS-ROLL结构的矿井通风瓦斯燃烧器自动控制系统， 其特征是可编程控制器采用西门子S7-300，上位机组态软件采用WINCC6.0，温度的测量 釆用S型、K型热电偶。
全文摘要
本发明涉及矿井通风瓦斯燃烧处理领域，尤其涉及SWISS-ROLL结构的矿井通风瓦斯燃烧器自动控制系统。本控制系统包括热电偶，硅碳棒加热元件，瓦斯浓度计，瓦斯气流量计，蒸汽流量计，电动调节阀，可编程控制器，上位机。其特征是用可编程控制器作为下位机，采集燃烧器各点温度、瓦斯浓度、瓦斯流量、蒸汽流量工作参数，按照一定的程序，驱动蒸汽流量电动调节阀、硅碳棒加热元件来实现在瓦斯气浓度变化时燃烧区始终在燃烧器中心的多孔介质内。本发明用科学、程序化的控制代替了人工凭经验的控制方法，避免了燃烧区漂移到中心区外围的换热单元中，有效的提高了燃烧器的燃烧效率和热效率，延长了燃烧器的使用寿命。
文档编号F23N5/10GK101440963SQ200810184970
公开日2009年5月27日 申请日期2008年12月20日 优先权日2008年12月20日
发明者何贤钊, 瑜 俞, 唐志国, 李永玲, 林其钊, 马培勇 申请人:中国科学技术大学