立式多床RTO钟形温区梯度对称性控制方法技术

本发明专利技术属于瓦斯处理技术领域，涉及一种立式多床RTO钟形温区梯度对称性控制方法，整个系统控制器的控制方法包括两个阶段，分别为确定换向时间和确定RTO工作状态，将换向时间和ф1、ф2及φ3开度值传送给RTO控制器，当系统处于稳态运行时，先由前馈控制算法得到的tswitch值确定换向时间(半周期)，然后系统运行根据燃烧室的平均温度Tav的变换情况进行动态的在线调节，以确保RTO运行于安全稳定的状态，并使得系统具有较高的热能回收利用效率和较高的瓦斯(甲烷)氧化率。

【技术实现步骤摘要】
立式多床RTO钟形温区梯度对称性控制方法
本专利技术属于瓦斯处理
，涉及一种立式多床RTO钟形温区梯度对称性控制方法。
技术介绍
煤矿瓦斯(又称“煤层气”)是赋存在煤层及其围岩中的，以吸附或游离状态存在的，以甲烷为主要成分的非常规天然气。我国煤层气资源丰富，据新一轮资源评价可知：我国2000米以浅的煤层气资源量约为36.81万亿立方米，相当于490亿吨标准煤，排世界第三位。但当前我国煤层气开发产业发展存在不可忽略的现实是，煤层气单井产气量过低，经济效益较低，产业面临困窘。煤矿通风瓦斯及浓度低于8％的抽采瓦斯，排放量大且利用效率低，长期以来的排空造成了巨大的能源浪费，且该瓦斯的排放显著增强了温室效应。使用瓦斯蓄热氧化技术将乏风瓦斯及浓度低于8％或者无法通过常规途径利用的瓦斯进行销毁处理，对于节能环保具有重要的意义。立式多床蓄热氧化装置(RTO)实质是一种流向变换反应器，在反应进行过程中，温度相对较低的气流从反应器的进口流入，被温度相对较高的反应器床层加热，与此同时，接近入口处的床层则被相继冷却。当反应气流的温度达到发生氧化反应的起始温度并进入燃烧室时，便发生氧化反应并放出热量。随着入口的冷气流不断进入反应器，由此产生的温度前沿和反应前沿会沿着气流方向逐渐向反应器出口方向推进。当温度前沿逐步地移出反应器时，会导致反应器内的温度水平逐渐降低，最终由于温度过低而使得反应无法继续进行，出现反应器熄灭现象。在温度前沿尚未移出反应器时，如果切换气流流向，就能改变反应器内温度前沿的移动方向，使其继续停留在反应器中，从而将氧化反应释放的热量积蓄在蓄热陶瓷体中。如此不断的切换反应器内的气流流向，可以使得反应持续的进行。立式多床RTO结构形式及蓄热室内温度分布梯度如图1所示。多室结构的运行规律最终可简化为与两室结构类似的温度分布规律，均为燃烧室温度较高，而两侧的蓄热室次之，且在蓄热室内温度分布(由下至上)为由低到高的趋势。如图2所示。随着反应器(RTO)内流向的不断切换，当反应器达到某种相对的稳定态时，反应器内就会形成不断移动的如图3所示的“钟”形温度分布(类似于正态分布曲线)，或称为“鞍”形分布(有时会出现中间燃烧室温度低于两侧蓄热室温度的现象)。钟形温区的热波，达到此状态后，在相邻两个周期内相对应时刻，床层内的温度分布几乎相重合，该反应器状态即通常所说的“拟稳态”(pseudosteadystate)。当系统运行达到循环稳定态时，在相邻两个周期内相对应时刻，蓄热床层内的温度分布几乎相重合，且进气侧与出气侧的蓄热床层温度梯度表现出如图4所示的镜像对称。但当进气甲烷浓度较低时，系统散热损失及排气带走热量占系统释放热量的比例增大，蓄热床层温度梯度易出现如图5所示的对称性变差及峰值偏移现象，甚至出现局部热点，影响运行稳定性以及可抽取利用的热量。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术为了解决现有技术中当进气甲烷浓度较低时，蓄热床层温度梯度易出现梯度对称性变差及峰值偏移现象，进而影响系统运行稳定性以及热量可抽取利用的问题，提供一种立式多床RTO钟形温区梯度对称性控制方法。为达到上述目的，本专利技术提供一种立式多床RTO钟形温区梯度对称性控制方法，包括以下步骤：A、确定换向时间，将换向时间传送给RTO控制器；当RTO为稳态运行时，即蓄热体进气侧无浓度波动因素，则当RTO运行时，蓄热体进气侧有浓度波动时，分为2种情况：(1)当tch/tswitch≠1/(2n+1)，n＝1，2，3...n时，不会出现谐波共振现象，此时其中tswitch为流向切换半周期，单位为s；ε为床层孔隙率；cp为热容，单位为J/kg/K；g为气相；s为固相；v0为表观气速，单位为m/s；L为蓄热体装填长度，单位为m；Tact为甲烷氧化反应起始温度，单位为K；T0为入口温度，单位为K；hg-s为气固换热系数，单位为W/m2/K；αv为比表面积，单位为m2/m3；cp，g为气相热容，单位为J/kg/K；keff为轴向有效导热系数，单位为W/m/K；ΔTadia为绝热温升，单位为K；ΔH为燃烧焓，单位为J/mol；C0为入口体积摩尔浓度，单位为mol/m3；ρg，0为入口气相密度，单位为kg/m3；cp，g，0为入口气相比热容，单位为J/kg/K；(2)当tch/tswitch＝1/(2n+1)，n＝1，2，3...n时，会出现不同程度的谐波共振现象，此时为避免谐波的叠加作用产生的温度场抵消或温度峰值的累积，按以下两种可行性进行判断和赋值：①C0’＞C0，则②C0’＜C0，则其中C0’为实际入口甲烷浓度，C0为原入口浓度，tswitch与(1)中计算得到的tswitch值相等，并将tswitch’的计算结果赋值给tswitch；B、确定RTO工作状态，将φ1、φ2及φ3开度值传送给RTO控制器，其中φ1为主风机风量比例；φ2为抽采瓦斯流量比例；φ3为高温烟气抽取比例；(1)当RTO燃烧室平均温度Tav≥1100℃时，φ3＝1，φ2＝0；将φ3＝1，φ2＝0信号输送至RTO控制器，指示控制器输出相应指令调节相应的烟气流量及抽采瓦斯量，使得RTO燃烧室温度逐步下降至1100℃以下，并使得蓄热室温度梯度分布T(y，N)趋于对称，其中T(y，N)指的是RTO第N个蓄热室的温度分布梯度；(2)当RTO燃烧室平均温度Tav≤700℃时，ф2＝1，ф3＝0，并将信号输送至RTO控制器，做出相应的调节；(3)当RTO燃烧室平均温度700＜Tav＜1100℃时，0＜φ1≤1，0＜φ2≤1，0＜φ3≤1，且φ3的流量比例由φ1、φ2及Tav的值确定，将信号输送至RTO控制器，做出相应的调节；控制器将系统响应的Tav，T(y，N)值进行反馈，并与输入信号进行反复对比矫正，直至达到控制目标为止。进一步，步骤A中换向时间控制算法采用床层温度作为被控变量，其基本的控制策略如下：当RTO蓄热室的温度梯度随着入口条件的变化而发生波动时，控制系统通过调节流向切换时间，改变反应器内热波移动的距离，使热波停留在RTO蓄热室以内；如果入口条件的波动状况过大，如入口浓度过低，即使调节流向切换时间也无法使RTO维持自热运行时，则开启电加热系统或者添加辅助燃料；若入口浓度过高，则需增大混合气体中空气或乏风流量，同时减小抽采瓦斯流量，以降低入口处混合气体浓度；显然，控制系统的最终控制效果取决于对控制点温度的设定，且根据RTO的实际情况，需要设定高低两个温度控制点。其中，低温控制点取决于甲烷反应起始温度；高温控制点取决于蓄热陶瓷体的热稳定性，即所能耐受的热冲击，温度测点通常布置在蓄热体的进/出气侧附近、蓄热室最上层及燃烧室中央，且每个蓄热室内的布置点为镜像对称布置，每个蓄热室内进/出气侧附近测点至蓄热室最上层测点的距离是相同的，从而提高控制系统的操作精度。进一步，步骤A中流向切换半周期tswitch计算公式为：其中热波移动速率vw计算公式为：热波移动最大距离Lw，max计算公式为：其中，Lw为热波移动距离，单位为m；vw为热波移动速度，单位为m/s。进一步，步骤B中主风机风量比例ф1的取值范围为0～1，1为最大可导入的主风机风量，抽采瓦斯流量比例φ2的取值范围为0～1，1为最大可利用的瓦斯量，高温烟气抽取比例φ3的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.立式多床RTO钟形温区梯度对称性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：A、确定换向时间，将换向时间传送给RTO控制器；当RTO为稳态运行时，即蓄热体进气侧无浓度波动因素，则

【技术特征摘要】
1.立式多床RTO钟形温区梯度对称性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：A、确定换向时间，将换向时间传送给RTO控制器；当RTO为稳态运行时，即蓄热体进气侧无浓度波动因素，则当RTO运行时，蓄热体进气侧有浓度波动时，分为2种情况：(1)当tch/tswitch≠1/(2n+1)，n＝1，2，3...n时，不会出现谐波共振现象，此时其中tswitch为流向切换半周期，单位为s；ε为床层孔隙率；cp为热容，单位为J/kg/K；g为气相；s为固相；v0为表观气速，单位为m/s；L为蓄热体装填长度，单位为m；Tact为甲烷氧化反应起始温度，单位为K；T0为入口温度，单位为K；hg-s为气固换热系数，单位为W/m2/K；αv为比表面积，单位为m2/m3；cp，g为气相热容，单位为J/kg/K；keff为轴向有效导热系数，单位为W/m/K；ΔTadia为绝热温升，单位为K；ΔH为燃烧焓，单位为J/mol；C0为入口体积摩尔浓度，单位为mol/m3；pg，0为入口气相密度，单位为kg/m3；cp，g，0为入口气相比热容，单位为J/kg/K；(2)当tch/tswitch＝1/(2n+1)，n＝1，2，3...n时，会出现不同程度的谐波共振现象，此时为避免谐波的叠加作用产生的温度场抵消或温度峰值的累积，按以下两种可行性进行判断和赋值：①C0’＞C0，则tswitch’＝tswitch*(1+√2/100)。②C0’＜C0，则tswitch’＝tswitch/(1+√2/100)。其中C0’为实际入口甲烷浓度，C0为原入口浓度，tswitch与(1)中计算得到的tswitch值相等，并将tswitch’的计算结果赋值给tswitch；B、确定RTO工作状态，将φ1、φ2及φ3开度值传送给RTO控制器，其中φ1为主风机风量比例；φ2为抽采瓦斯流量比例；φ3为高温烟气抽取比例；(1)当RTO燃烧室平均温度Tav≥1100℃时，φ3＝1，φ2＝0；将φ3＝1，φ2＝0信号输送至RTO控制器，指示控制器输出相应指令调节相应的烟气流量及抽采瓦斯量，使得RTO燃烧室温度逐步下降至1100℃以下，并使得蓄热室温度梯度分布T(y，N)趋于对称，其中T(y，N)指的是RTO第N个蓄热室的温度分布梯度；(2)当RTO燃烧室平均...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵旭生，霍春秀，高鹏飞，孙东玲，陈金华，兰波，李磊，杜子健，许慧娟，黄克海，康建东，孙海涛，邹维峰，张群，逄锦伦，
申请(专利权)人：中煤科工集团重庆研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆,50