一种煤炭地下气化注采集联动控制试验系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种煤炭地下气化注采集联动控制试验系统及方法，试验系统包括试验控制系统、气化剂供给系统、煤炭地下反应系统、井口分离系统、粗煤气处理系统和两相后处理分离系统。试验控制系统用于控制算法的切换与输入和试验数据的分析处理；气化剂供给系统用于气化剂比例的调节和生产井压力的监测；煤炭地下反应系统用于实现煤层静态压力、斜度和深度变化时压力变化的模拟；井口分离系统、粗煤气处理系统和两相后处理分离系统对粗煤气进行分析处理；并能够对煤炭地下气化注采集安全联动进行测试；控制程序存储于试验控制系统中，可实现煤炭地下气化反应控制算法验证与优化，保证了干扰、数据滞后环境下的煤炭地下气化反应的稳定性。稳定性。稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种煤炭地下气化注采集联动控制试验系统及方法


[0001]本专利技术属于煤炭地下气化反应
，具体涉及一种煤炭地下气化注采集联动控制试验系统及方法。

技术介绍

[0002]煤炭在我们生活中作为一种重要的固体燃料，在世界能源利用中占有非常重要的地位。然而煤炭在燃烧利用过程中会排放大量的粉尘、二氧化硫和氮氧化物等有害物质引起城市空气质量的恶化，出现雾霾和酸雨等气象灾害，危害人体健康和自然环境。因此，清洁高效地开采煤炭资源必定成为未来的发展趋势，在煤炭清洁高效开采过程中煤炭地下气化是一种重要技术。
[0003]煤炭地下气化反应通过对地下煤层进行可控燃烧和气化反应，能够直接将处于地下的煤炭转化为可利用的气体产品。通过对煤的热作用及化学作用产生粗合成气，是集建井、采煤、转化工艺为一体的煤炭开发新技术，特别适用于常规方法不可采或开采不经济的煤层，以及煤矿的二次或多次复采，具有安全性好、投资小、效益高、污染少等优点。目前煤炭地下气化反应装置相关研究在国内刚刚起步，相关试验产品较少，但随着环保局的要求，对煤炭进行安全、高效、清洁的开采具有很大的市场。目前与之对应的煤炭地下气化注采集联动试验平台很匮乏，尤其是可用于煤炭地下气化注采集联动控制算法验证与优化等关键技术研究的试验系统及方法极少。为了对不同工况下煤炭地下气化过程中的反应原理、规律、前期数据进行气化反应控制规律总结，控制运行参数选取、算法设计、数据处理与分析等方面的工作，有必要专利技术一种煤炭地下气化注采集联动控制算法验证与优化试验平台。
[0004]所提出的煤炭地下气化注采集联动控制算法验证与优化试验平台需满足以下需求：
[0005]1.煤炭地下反应过程控制算法验证平台能够对不同的算法进行验证，对控制适应性进行研究仿真。
[0006]2.受煤炭地下气化反应环境的影响，需要对煤炭地下气化反应气化腔的压力、倾角的环境变化进行模拟。
[0007]3.试验平台需要模拟煤炭地下反应过程，实时监测气化反应过程、产物、温度、压力、阀门状态等，需对反应过程中泄露等不安全行为作出应急反应。
[0008]4.试验平台在验证过程中能预测数据采集、计算、处理所需时间和气化炉炉内反应的滞后时间。
[0009]5.试验平台能够对煤炭地下气化过程中注采集安全联动进行测试。

技术实现思路

[0010]为了解决现有技术存在的上述问题，本专利技术的目的在于：针对国内煤炭地下气化反应控制系统中存在的数据大滞后、多耦合的算法优化问题，提供了一种煤炭地下气化注采集联动控制算法验证与优化试验平台，试验控制系统实现了对控制算法的数据处理和仿
真运算，气化剂供给系统、煤炭地下反应系统、井口分离系统、粗煤气处理系统和两相后处理分离系统实现了对煤炭地下气化注采集联动控制的全工况模拟以及控制阀门、开关量滞后时间的模拟，从而为煤炭地下气化控制系统及算法的设计与优化提供试验平台，保证了新产品可行性和实用性，有效地提高了整体研发效率。
[0011]本专利技术所采用的技术方案为：
[0012]一种煤炭地下气化注采集联动控制试验系统，包括试验控制系统、气化剂供给系统、煤炭地下反应系统、井口分离系统、粗煤气处理系统和两相后处理分离系统。
[0013]所述的试验控制系统包括先进控制系统、操作员工作站、交换机、分散式控制器、控制线组和OPC通讯。
[0014]所述的气化剂供给系统包括氧气钢瓶、二氧化碳钢瓶、水罐、氮气钢瓶、氧气控制阀门、二氧化碳控制阀门、水蒸气控制阀门、氮气控制阀门、涡轮流量计Ⅰ、涡轮流量计Ⅱ、涡轮流量计Ⅲ、涡轮流量计Ⅳ、控制总阀门和单向阀。
[0015]所述的煤炭地下反应系统包括注入井、液压缸Ⅰ、液压缸Ⅱ、液压缸Ⅲ、液压缸Ⅳ、压力传感器Ⅰ、压力传感器Ⅱ、压力传感器Ⅲ、压力传感器Ⅳ、耐压层、支撑座Ⅰ、密封层、支撑座Ⅱ、监测井、支撑座Ⅲ、支撑座Ⅳ、保温层、热电偶Ⅰ、热电偶Ⅱ、热电偶Ⅲ、热电偶Ⅳ、倾角传感器、煤层、耐火层、生产井、生产井井口阀门和压力控制。
[0016]所述的井口分离系统包括分离器、气体控制阀门Ⅰ、位置控制、液位控制Ⅰ、存水罐Ⅰ和固体存储罐。
[0017]所述的粗煤气处理系统包括气体冷却器、气体色谱分析仪、过滤器、气体控制阀门Ⅱ、多联产系统、发电机、清水控制阀门、硫磺杂质控制阀门、液位控制Ⅱ、甲烷存储罐Ⅰ、存水罐Ⅱ、硫磺排放阀门、硫磺存储罐、清水排放阀门Ⅰ、甲烷排放阀门Ⅰ、液位控制Ⅲ、藻类吸碳系统、柴油排放阀门、柴油存储罐、甲烷排放阀门Ⅱ、液位控制Ⅳ、生物发酵系统和甲烷存储罐Ⅱ。
[0018]所述的两相后处理分离系统包括液位控制
Ⅴ
、清水冷却器、循环泵、蓄水罐、移送罐车。
[0019]所述的试验控制系统中的分散式控制器通过控制线组与气化剂供给系统、煤炭地下反应系统、井口分离系统、粗煤气处理系统和两相后处理分离系统连接。
[0020]所述的气化剂供给系统通过气路管路和控制总阀门与煤炭地下反应系统连接，所述的煤炭地下反应系统通过管路与井口分离系统连接，所述的井口分离系统通过气路管路及相应的控制阀门与粗煤气处理系统连接，所述的井口分离系统通过清水管路与相应的控制阀门与两相后处理分离系统连接，所述的粗煤气处理系统通过5条管路和相应的控制阀门与两相后处理分离系统连接。
[0021]所述的氧气控制阀门、二氧化碳控制阀门、水蒸气控制阀门和氮气控制阀门的开口大小分别由其对应的涡轮流量计Ⅰ、涡轮流量计Ⅱ、涡轮流量计Ⅲ和涡轮流量计Ⅳ进行控制。
[0022]所述的液压缸Ⅰ、液压缸Ⅱ、液压缸Ⅲ、液压缸Ⅳ法向固定在支撑架上。
[0023]所述的密封层设置在保温层和耐压层中间，可对注入井、生产井和监测井井口进行密封。
[0024]所述的粗煤气处理系统中气体经过的系统为气体色谱分析仪、过滤器、多联产系
统、藻类吸碳系统和生物发酵系统。
[0025]作为本专利技术的优选方案，所述的分散式控制器能够对倾角传感器、压力控制、涡轮流量计、液位控制、热电偶和压力传感器所采取的的数据进行分析处理，再通过OPC通讯将数据信息传递给先进控制系统，所述的先进控制系统能够进行算法优化运算，实现对煤炭地下气化反应的控制适应性调节，所述的操作员工作站能够进行组态界面的设计，并进行指令的输入输出。
[0026]作为本专利技术的优选方案，所述的液压缸Ⅰ、液压缸Ⅱ、液压缸Ⅲ、液压缸Ⅳ分别输出的压力能够根据倾角传感器的数据进行调节，使煤层能够保持不同的倾角、压力，所述的煤炭地下反应系统自内向外依次设置有煤层、耐火层、保温层、密封层和耐压层。
[0027]作为本专利技术的优选方案，所述的压力控制的控制对象为控制总阀门，在生产井压力失控的情况下控制总阀门进行紧急关闭，所述的监测井能够对煤炭地下反应系统进行监测，所述的热电偶Ⅰ、热电偶Ⅱ、热电偶Ⅲ、热电偶Ⅳ能够对煤炭地下反应系统的温度进行监测，再通过电连接方式与控制总阀门连接，所述的控制总阀门的控制量为压力和温度，对其采用优先级控制法。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤炭地下气化注采集联动控制试验系统，其特征在于：包括试验控制系统(0
‑
1)、气化剂供给系统(0
‑
2)、煤炭地下反应系统(0
‑
3)、井口分离系统(0
‑
4)、粗煤气处理系统(0
‑
5)和两相后处理分离系统(0
‑
6)，所述的试验控制系统(0
‑
1)包括先进控制系统(101)、操作员工作站(102)、交换机(103)、分散式控制器(104)、控制线组(105)和OPC通讯(106)，所述的气化剂供给系统(0
‑
2)包括氧气钢瓶(201)、二氧化碳钢瓶(202)、水罐(203)、氮气钢瓶(204)、氧气控制阀门(205)、二氧化碳控制阀门(206)、水蒸气控制阀门(207)、氮气控制阀门(208)、涡轮流量计Ⅰ(209)、涡轮流量计Ⅱ(210)、涡轮流量计Ⅲ(211)、涡轮流量计Ⅳ(212)、控制总阀门(213)和单向阀(214)，所述的煤炭地下反应系统(0
‑
3)包括注入井(301)、液压缸Ⅰ(302)、液压缸Ⅱ(303)、液压缸Ⅲ(304)、液压缸Ⅳ(305)、压力传感器Ⅰ(306)、压力传感器Ⅱ(307)、压力传感器Ⅲ(308)、压力传感器Ⅳ(309)、耐压层(310)、支撑座Ⅰ(311)、密封层(312)、支撑座Ⅱ(313)、监测井(314)、支撑座Ⅲ(315)、支撑座Ⅳ(316)、保温层(317)、热电偶Ⅰ(318)、热电偶Ⅱ(319)、热电偶Ⅲ(320)、热电偶Ⅳ(321)、倾角传感器(322)、煤层(323)、耐火层(324)、生产井(325)、生产井井口阀门(326)和压力控制(327)，所述的井口分离系统(0
‑
4)包括分离器(401)、气体控制阀门Ⅰ(402)、位置控制(403)、液位控制Ⅰ(404)、存水罐Ⅰ(405)和固体存储罐(406)，所述的粗煤气处理系统(0
‑
5)包括气体冷却器(501)、气体色谱分析仪(502)、过滤器(503)、气体控制阀门Ⅱ(504)、多联产系统(505)、发电机(506)、清水控制阀门(507)、硫磺杂质控制阀门(508)、液位控制Ⅱ(509)、甲烷存储罐Ⅰ(510)、存水罐Ⅱ(511)、硫磺排放阀门(512)、硫磺存储罐(513)、清水排放阀门Ⅰ(514)、甲烷排放阀门Ⅰ(515)、液位控制Ⅲ(516)、藻类吸碳系统(517)、柴油排放阀门(518)、柴油存储罐(519)、甲烷排放阀门Ⅱ(520)、液位控制Ⅳ(521)、生物发酵系统(522)和甲烷存储罐Ⅱ(523)，所述的两相后处理分离系统(0
‑
6)包括液位控制
Ⅴ
(601)、清水冷却器(602)、循环泵(603)、蓄水罐(604)和移送罐车(605)。2.根据权利要求1所述的一种煤炭地下气化注采集联动控制试验系统，其特征在于：所述的试验控制系统(0
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1)中的分散式控制器(104)通过控制线组(105)与气化剂供给系统(0
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2)、煤炭地下反应系统(0
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3)、井口分离系统(0
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4)、粗煤气处理系统(0
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5)和两相后处理分离系统(0
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6)连接，所述的气化剂供给系统(0
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2)通过气路管路和控制总阀门(213)与煤炭地下反应系统(0
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3)连接，所述的煤炭地下反应系统(0
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3)通过管路与井口分离系统(0
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4)连接，所述的井口分离系统(0
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4)通过气路管路及相应的控制阀门与粗煤气处理系统(0
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5)连接，所述的井口分离系统(0
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4)通过清水管路与相应的控制阀门与两相后处理分离系统(0
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6)连接，所述的粗煤气处理系统(0
‑
5)通过5条管路和相应的控制阀门与两相后处理分离系统(0
‑
6)连接。3.根据权利要求1所述的一种煤炭地下气化注采集联动控制试验系统，其特征在于：所述的分散式控制器(104)能够对倾角传感器(322)、压力控制(327)、涡轮流量计、液位控制、热电偶和压力传感器所采取的的数据进行分析处理，再通过OPC通讯(106)将数据信息传递给先进控制系统(101)，所述的先进控制系统(101)能够进行算法优化运算，实现对煤炭地下气化反应的控制适应性调节，所述的操作员工作站(102)能够进行组态界面的设计，并进行指令的输入输出。4.根据权利要求1所述的一种煤炭地下气化注采集联动控制试验系统，其特征在于：所述的液压缸Ⅰ(302)、液压缸Ⅱ(303)、液压缸Ⅲ(304)、液压缸Ⅳ(305)分别输出的压力能够
根据倾角传感器(322)的数据进行调节，使煤层(323)能够保持不同的倾角、压力，所述的煤炭地下反应系统(0
‑
3)自内向外依次设置有煤层(323)、耐火层(324)、保温层(317)、密封层(312)和耐压层(310)。5.根据权利要求1所述的一种煤炭地下气化注采集联动控制试验系统，其特征在于：所述的压力控制(327)的控制对象为控制总阀门(...

【专利技术属性】
技术研发人员：于建林，张磊，李唯，杜仕涛，赖晓斌，周明军，李峰，陈运强，马艳琳，徐嘉爽，陈情来，陈宇，王亚彬，
申请(专利权)人：中国石油工程建设有限公司，
类型：发明
国别省市：