《焦爐集氣管放散控制裝置及控制方法》是中冶焦耐自動化系統有限公司和中冶焦耐工程技術有限公司於2008年5月7日申請的專利，該專利的公布號為CN101575525，授權公布日為2009年11月11日，發明人是王常海、徐海平、金家影、單永豐、張長青、李剛、許波、何鷗、李華峰、杜建、何忠海。
《焦爐集氣管放散控制裝置及控制方法》涉及一種焦爐集氣管放散控制裝置及控制方法，該裝置由燃燒器、放散管、點火器櫃、控制櫃、放散閥、放散閥執行機構、攏火閥、滅火閥、壓力變送器組成，燃燒器位於放散管上部，點火器櫃與燃燒器上的點火槍通過電纜相連線，攏火閥連線燃燒器攏火管，滅火閥連線燃燒器滅火管；放散閥位於放散管與集氣管的連線處，與放散閥執行機構相連線，在放散管入口處的集氣管上設有壓力變送器；通過對集氣管壓力的連續監控控制集氣管放散閥執行機構的動作，保持壓力在一段可靠範圍內的波動，同時控制配套的點火裝置、蒸汽攏火消煙閥門、蒸汽滅火閥門的順序動作，以達到最優方案，反應迅速，安全可靠，燃燒效果好，保護環境。
2018年12月20日，《焦爐集氣管放散控制裝置及控制方法》獲得第二十屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《焦爐集氣管放散控制裝置及控制方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：焦爐集氣管放散控制裝置及控制方法
- 公告號：CN101575525
- 授權日：2009年11月11日
- 申請號：2008100112868
- 申請日：2008年5月7日
- 申請人：中冶焦耐自動化系統有限公司、中冶焦耐工程技術有限公司
- 地址：遼寧省鞍山市鐵東區勝利南路27號
- 發明人：王常海、徐海平、金家影、單永豐、張長青、李剛、許波、何鷗、李華峰、杜建、何忠海
- Int.Cl.：C10B41/08(2006.01)I
- 代理機構：鞍山嘉訊科技專利事務所
- 代理人：張群
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
截至2008年5月7日，能源和環境問題已成為世界關注的焦點，焦化領域環境保護技術的發展是現代煉焦技術完善的重要標誌。同時，計算機控制等自動化技術的發展，在提高勞動生產率、提高產品質量、降低能耗及治理污染物等方面都起到了重要作用。
焦爐集氣管荒煤氣放散控制裝置的套用領域和工藝情況：設備安裝在焦爐集氣管放散管上和控制室內；焦爐在正常運行的情況下會控制集氣管壓力在70帕斯卡左右，在集氣管壓力過高或鼓風機故障的情況下煤氣會大量的泄漏，污染環境，甚至導致焦爐失火造成嚴重的經濟損失；焦爐集氣管荒煤氣放散控制裝置的套用解決了過量煤氣的排放並對煤氣進行燃燒，保護了環境，同時也保證了焦爐在一定壓力範圍內工作的工藝要求。
早期的焦爐在煤氣排放和控制壓力方面都採用人工手動操作，其反應速度慢，人為因素多，現場工作條件差，對工人危險程度大；同時人工點火難度大，無法保證點火的及時性，甚至不予點燃，對環境污染大。
發明內容
專利目的
《焦爐集氣管放散控制裝置及控制方法》的目的是提供一種以PLC控制櫃為核心的焦爐集氣管放散控制裝置及控制方法，通過對集氣管壓力的連續監控控制集氣管放散閥執行機構的動作，保持壓力在一段可靠範圍內的波動，同時控制配套的點火裝置、蒸汽攏火消煙閥門、蒸汽滅火閥門的順序動作，以達到最優方案，反應迅速，安全可靠，燃燒效果好，保護環境。
技術方案
《焦爐集氣管放散控制裝置及控制方法》通過以下技術方案實現：
焦爐集氣管放散控制裝置，該裝置由燃燒器、放散管、點火器櫃、控制櫃、放散閥、放散閥執行機構、攏火閥、滅火閥、壓力變送器組成，燃燒器位於放散管上部，點火器櫃與燃燒器上的點火槍通過電纜相連線，攏火閥連線燃燒器攏火管，滅火閥連線燃燒器滅火管；放散閥位於放散管與集氣管的連線處，與放散閥執行機構相連線，在放散管入口處的集氣管上設有壓力變送器；點火器櫃、滅火閥、攏火閥、放散閥執行機構、壓力變送器通過連線電纜與控制櫃相連線。
見圖1，燃燒器，它包括點火槍、防風罩、筒體、穩燃裝置、攏火管、滅火管，筒體位於放散管的出口處，通過大法蘭與放散管相連線，穩燃裝置位於筒體上部，為半封閉結構；攏火管和滅火管是由蒸汽總管分出的兩個支管，支管一從筒體下部進入筒體內部，分為幾個均勻布置的支管至筒體上部，為滅火管；支管二進入筒體出口處的環管，由環管分出若干支小蒸汽噴嘴位於燃氣出口的外圍，為攏火管；防風罩位於燃燒器外部，為四周封閉結構，在防風罩上設有兩個點火槍安裝管，點火槍安裝管內安裝有點火槍，對稱安裝在防風罩上。
在防風罩上還設有火焰檢測桿安裝管，火焰檢測桿採用熱偶測溫方式。在燃燒器上還設有測溫探桿，與控制櫃相連線。
焦爐集氣管放散控制方法，該方法以PLC控制櫃為核心，通過對集氣管壓力的連續監控控制集氣管放散閥執行機構的動作，保持壓力在一段可靠的範圍內的波動，同時控制配套的點火裝置、蒸汽攏火消煙閥門、蒸汽滅火閥門的順序動作，使點火器、放散執行機構、攏火閥、滅火閥按照一定邏輯執行相應的配合動作，建立一套設計有效的壓力與放散控制的數學模型，以達到最優方案，使荒煤氣在火炬頭燃燒器處被點燃，將放散氣體進行無煙燃燒；所述的PLC控制櫃分別與點火器櫃、滅火閥、攏火閥、放散閥執行機構、壓力變送器相連線。
所述的數學模型為：壓力上限、壓力上上限、壓力下限參數可以任意設定，設壓力上上限值、壓力上限值、壓力下限值、適時壓力值分別為P3、P2、P1、P，（以下敘述中的時間參數可根據現場情況更改）：
（1）當P＞P3持續5秒，自動點火放散程式啟動，打開放散閥，同時點火器櫃開始工作（一般為30秒），放散閥在打開過程中會自動停止5秒鐘，使燃燒器上的火焰穩定，當火焰檢測桿檢測到火焰10秒後打開攏火閥；如果火焰檢測桿未檢測到火焰，系統會在程式啟動後60秒重新打開點火器櫃並關閉放散閥至點火位停留2秒，然後打開放散閥至全開後，如果仍未檢測到火焰，系統將繼續重複上步操作；下一步不管檢測到火焰與否，程式將打開攏火閥，發出間隔3秒的報警聲（如本系統無火焰檢測裝置，系統將不重複點火）。
（2）當P＜P1持續5秒，熄火放散程式啟動，首先迅速打開滅火閥，同時關閉攏火閥，延時3秒後開始關閉放散閥，放散閥全關60秒後關閉滅火閥，放散過程結束。
改善效果
通過增加空氣的混合和蒸汽消煙的方式在燃燒完全、降低污染上有了飛躍性的改進；通過防風罩、蒸汽攏火和穩燃環設計在燃燒穩定和對外界環境適應性上有了改進；通過蒸汽滅火管設計在熄火的可靠性上有了保證；通過高性能的點火裝置在點火可靠率上達到了100％；通過自動化技術的套用在控制準確及時性上達到了智慧型化全自動控制；通過程式控制在降低勞動強度和減少勞動力上基本實現了無人職守的操作模式；通過防波動放散曲線設計在焦爐事故狀態控制準確率上達到了98％以上。
焦爐集氣管荒煤氣放散控制裝置的新穎性和創造性體現在：
1）燃燒器理論套用於焦爐集氣管荒煤氣放散控制裝置，其可靠的點火、充分燃燒、防風、降低輻射、穩燃、防脫火、可靠滅火的特點為環保效果和安全生產提供了保證。
2）防波動放散曲線設計套用於焦爐集氣管荒煤氣放散控制裝置，其曲線主要的三個設定值可以根據用戶的實際經驗修改，其曲線模型設計可以將一些假相的工作異常狀態和故障狀態禁止，可靠率達到98％，根據集氣管有效的實現自動放散，改變了以往的工藝操作模式。
3）完全自動化設計套用於焦爐集氣管荒煤氣放散控制裝置，直接降低了荒煤氣對環境的污染，同時減少了勞動力、降低了勞動成本，消除了安全生產隱患。
4）推廣前景：適用於新建焦爐和舊式焦爐的改造，在中國共產黨第十七次全國代表大會提出節能環保的可持續發展的方針指導下、世界各國對環境保護的倡導下，焦爐集氣管荒煤氣放散控制裝置具有廣闊的的推廣前景。
附圖說明
圖1是焦爐集氣管放散控制裝置的結構示意圖；
圖2是燃燒器的結構示意圖；
圖3是防波動放散曲線圖。
技術領域
《焦爐集氣管放散控制裝置及控制方法》涉及一種焦化行業的焦爐集氣管放散控制裝置及控制方法。
權利要求
1.焦爐集氣管放散控制裝置，其特徵在於，該裝置由燃燒器、放散管、點火器櫃、控制櫃、放散閥、放散閥執行機構、攏火閥、滅火閥、壓力變送器組成，燃燒器位於放散管上部，點火器櫃與燃燒器上的點火槍通過電纜相連線，攏火閥連線燃燒器攏火管，滅火閥連線燃燒器滅火管；放散閥位於放散管與集氣管的連線處，與放散閥執行機構相連線，在放散管入口處的集氣管上設有壓力變送器；點火器櫃、滅火閥、攏火閥、放散閥執行機構、壓力變送器通過連線電纜與控制櫃相連線。
2.根據權利要求1所述的焦爐集氣管放散控制裝置，其特徵在於所述的燃燒器包括點火槍、防風罩、筒體、穩燃裝置、攏火管、滅火管，筒體位於放散管的出口處，通過大法蘭與放散管相連線，穩燃裝置位於筒體上部，為半封閉結構；攏火管和滅火管是由蒸汽總管分出的兩個支管，支管一從筒體下部進入筒體內部，分為幾個均勻布置的支管，至筒體上部，為滅火管；支管二進入筒體出口處的環管，由環管分出若干支小蒸汽噴嘴，位於燃氣出口的外圍，為攏火管；防風罩位於燃燒器外部，為四周封閉結構，在防風罩上設有兩個點火槍安裝管，點火槍安裝管內安裝有點火槍，對稱安裝在防風罩上。
3.根據權利要求1所述的焦爐集氣管放散控制裝置，其特徵在於，所述的燃燒器的防風罩上還設有火焰檢測桿安裝管，火焰檢測桿採用熱偶測溫方式。
4.根據權利要求1、2或3所述的焦爐集氣管放散控制裝置，其特徵在於，所述的燃燒器上還設有測溫探桿，與控制櫃相連線。
5.如權利要求2所述焦爐集氣管放散控制裝置的焦爐集氣管放散控制方法，其特徵在於，該方法以PLC控制櫃為核心，通過對集氣管壓力的連續監控控制集氣管放散閥執行機構的動作，保持壓力在一段可靠的範圍內的波動，同時控制配套的點火裝置、蒸汽攏火消煙閥門、蒸汽滅火閥門的順序動作，使點火器、放散執行機構、攏火閥、滅火閥按照一定邏輯執行相應的配合動作，建立一套設計有效的壓力與放散控制的數學模型，以達到最優方案，使荒煤氣在火炬頭燃燒器處被點燃，將放散氣體進行無煙燃燒。
6.根據權利要求5所述的焦爐集氣管放散控制方法，其特徵在於，所述的數學模型為：壓力上限、壓力上上限、壓力下限參數可以任意設定，設壓力上上限值、壓力上限值、壓力下限值、適時壓力值分別為P3、P2、P1、P，（1）當P＞P3持續5秒，自動點火放散程式啟動，打開放散閥，同時點火器櫃開始工作，放散閥在打開過程中會自動停止5秒鐘，使燃燒器上的火焰穩定，當火焰檢測桿檢測到火焰10秒後打開攏火閥；如果火焰檢測桿未檢測到火焰，系統會在程式啟動後60秒重新打開點火器櫃並關閉放散閥至點火位停留2秒，然後打開放散閥至全開後，如果仍未檢測到火焰，系統將繼續重複上步操作；下一步不管檢測到火焰與否，程式將打開攏火閥，發出間隔3秒的報警聲；（2）當P＜P1持續5秒，熄火放散程式啟動，首先迅速打開滅火閥，同時關閉攏火閥，延時3秒後開始關閉放散閥，放散閥全關60秒後關閉滅火閥，放散過程結束。
實施方式
- 1、裝置的結構及工作原理
見圖1，焦爐集氣管放散控制裝置，該裝置由燃燒器1、放散管15、點火器櫃5、控制櫃6、放散閥11、放散閥執行機構12、攏火閥10、滅火閥9、壓力變送器13組成，燃燒器1位於放散管15上部，通過大法蘭8連線；點火器櫃5與燃燒器1上的點火槍2通過高壓禁止電纜4相連線，攏火閥10連線燃燒器攏火管18（圖2），滅火閥連線燃燒器滅火管19（圖2）；放散閥11位於放散管15與集氣管16的連線處，與放散閥執行機構12相連線，在放散管15入口處的集氣管16上設有壓力變送器13；點火器櫃5、滅火閥9、攏火閥10、放散閥執行機構12、壓力變送器13通過連線電纜14與控制櫃6相連線。
在燃燒器1上還設有測溫探桿3，與控制櫃6相連線。焦爐集氣管荒煤氣放散控制裝置的工作原理：通過對集氣管壓力的連續監控控制集氣管放散閥執行機構的動作，保持壓力在一段可靠的範圍內的波動，同時控制配套的點火裝置、蒸汽攏火消煙閥門、蒸汽滅火閥門的順序動作，荒煤氣在火炬頭燃燒器處被點燃，將放散氣體進行無煙燃燒。
見圖3，壓力上限、壓力上上限、壓力下限參數可以任意設定，設壓力上上限值、壓力上限值、壓力下限值、適時壓力值分別為P3、P2、P1、P，P3～400為壓力上上限區、P2～P3為壓力上限區、0～P1為壓力下限區，（以下敘述中的時間參數可根據現場情況更改）。
設t3-t2＜5秒；t8-t7＞5秒；t11-t10＞5秒。系統將經過判斷後進行如下工作：t2～t3時段和t6～t7時段在壓力上限區發出間隔1秒蜂鳴聲。t7+5秒點為自動點火啟動點，t10+5秒為熄火停止放散點。（t7+5秒）～（t10+5秒）時段為放散燃燒階段，蜂鳴器發出間隔2秒蜂鳴聲。從此曲線中不難看到程式過濾了像t2～t3這樣小於5秒時段的波動階段，從此有效地達到了防波動的作用。
壓力上限、壓力上上限、壓力下限參數可以任意設定，設壓力上上限值、壓力上限值、壓力下限值、適時壓力值分別為P3、P2、P1、P，（以下敘述中的時間參數可根據現場情況更改）：
（1）當P＞P3持續5秒，自動點火放散程式啟動，打開放散閥，同時高能點火裝置開始工作（一般為30秒），放散閥在打開過程中會自動停止5秒鐘，使點火放散燃燒器上的火焰穩定，當火焰檢測桿檢測到火焰10秒後打開攏火閥；如果火焰檢測桿未檢測到火焰，系統會在程式啟動後60秒重新打開高能點火裝置並關閉放散閥至點火位停留2秒，然後打開放散閥至全開後，如果仍未檢測到火焰，系統將繼續重複上步操作；下一步無論檢測到火焰與否，程式將打開攏火閥，發出間隔3秒的報警聲（如本系統無火焰檢測裝置，系統將不重複點火）。
（2）當P＜P1持續5秒，熄火放散程式啟動，首先迅速打開滅火閥，同時關閉攏火閥，延時3秒後開始關閉放散閥，放散閥全關60秒後關閉滅火閥，放散過程結束。
- 2、焦爐集氣管荒煤氣放散控制裝置的系統組成和性能指標：
2.1燃燒器：見圖1，燃燒器，它包括點火槍2、防風罩24、筒體25、穩燃裝置17、攏火管18、滅火管19，筒體25位於放散管15的出口處，通過大法蘭8與放散管15相連線，穩燃裝置17位於筒體25上部，為半封閉結構；攏火管18和滅火管19是由蒸汽總管分出的兩個支管，支管一從筒體25下部進入筒體25內部，分為幾個均勻布置的支管至筒體上部，為蒸汽滅火管19；支管二進入筒體25出口處的環管，由環管分出若干支小蒸汽噴嘴位於燃氣出口的外圍，為攏火管18；防風罩24位於火炬燃燒器外部，為四周封閉結構，防風罩主要作用是阻止強烈空氣直接吹到燃燒器煤氣出口，對火炬燃燒起到穩燃燒作用。在防風罩上設有兩個點火槍安裝管，點火槍安裝管內安裝有點火槍2，對稱安裝在防風罩24上。在防風罩上還設有火焰檢測桿安裝管，火焰檢測桿採用熱偶測溫方式。
1）在其選材上全部採用不鏽鋼1Cr18Ni9Ti，滿足了耐高溫和抗腐蝕性；
2）在結構上採用了自吸引射式，通過煤氣的流動和蒸汽的噴射帶動整個燃燒器內的空氣上升，導致燃燒器周界空氣通過燃燒器下方引射入燃燒區形成自下向上的氣流運動，使煤氣充分與空氣混合，完全燃燒，提高火焰的剛性；
3）在結構上採用穩燃環設計，通過其改變氣體流速及氣流方向在煤氣出口處形成穩定的點火源，並保證整個燃燒器的穩火、防脫火作用；
4）在結構上採用防風罩設計，通過在放散管外圍形成一個半封閉的區域，對煤氣在根部燃燒起到防風的作用，保證了大部分煤氣點燃並燃燒，也大大降低了火炬燃燒對周邊的熱輻射強度；
5）在結構上採用蒸汽攏火管設計，在火炬燃燒器煤氣出口處設若干小蒸汽噴嘴，通過高壓蒸汽的噴射帶動氣流的運動使空氣進一步的與煤氣混合併完全燃燒，同時蒸汽氣流形成一個穩定的區域保護了火焰燃燒的穩定和減少外界風向的影響，而且蒸汽中的水蒸汽在火焰高溫區會與煤氣中的碳成分反應生成“水煤氣”將煤氣充分燃燒；
6）在結構上採用蒸汽滅火管設計，在火炬燃燒器筒體內設多支滅火管，在系統將熄滅火炬時噴出大量蒸汽，在火炬燃燒器筒體內形成蒸汽層，在火焰通過時使其熄滅。
2.2高能點火裝置
高能點火裝置是整個系統的主體之一，擔負著點火可靠性的主要工作。其包括點火器、專用點火電纜、點火槍三部分組成。點火器在安裝時配備了專用點火器保護箱，其具體參數如下：工作電壓：220伏（交流電）；工作電流：4安；火花頻率：10±2SPS；能量：6焦耳；工作溫度：-40～85℃；工作周期：30/60秒（通/斷）。專用點火電纜長度根據實際設計需要配置，其彎曲半徑大於100毫米，其電阻值小於0.05歐姆，耐溫不小於200℃。點火槍採用不鏽鋼和陶瓷製作而成，點火槍壽命為20萬次火花，耐高溫結構。
2.3PLC控制櫃
PLC控制櫃是整個系統的核心，控制整個系統的程式邏輯動作。其控制對象有放散閥執行機構、高能點火器、攏火閥、滅火閥等，其採集的是4～20毫安的壓力信號。其具體功能如下：
1）PLC控制櫃可自由設定合理的壓力上限、壓力上上限、壓力下限的數值、滿足不同用戶個體差異的需要；
2）PLC控制櫃有相應的壓力狀態顯示、使操作員直觀的了解系統狀態；
3）PLC控制櫃設程控/手動切換，滿足各種操作的需要；
4）PLC控制櫃在壓力上限接通時報警，提醒操作員調節集氣管煤氣壓力，設清音按鈕，可關閉最近一次報警；
5）PLC控制櫃（自動狀態下）在壓力上上限接通時啟動自動點火程式；
6）PLC控制櫃在壓力下限接通時啟動熄火停止放散程式；
7）PLC控制櫃（手動狀態下）可實現各個設備的單步操作，適應現場的多種需要；
8）PLC控制櫃（程控狀態下）設有快捷啟動/停止按鈕，便於快速啟動自動點火程式或熄火停止放散程式；
9）PLC控制櫃可以對就地各個設備運行狀態通過指示燈顯示在操作面板上；
10）PLC控制櫃可以採用各種PLC控制，可以設定上位機、觸控螢幕等人機界面，除獨立成為系統外，也可以與DCS或其他上級控制系統進行連線或通訊；3焦爐集氣管荒煤氣放散控制裝置的實際套用說明在實際套用中點火可靠率：100％；蒸汽滅火率：100％；火炬燃燒器在燃燒時焦爐上操作工人可完成其附近周邊的任何工作；火焰燃燒時無黑煙、不脫火、在八級風及八級風以下火焰與豎直方向夾角不大於45度；焦爐故障狀態下壓力調節控制能力：完全滿足工藝要求；自動化控制能力：全部採用自動控制。
榮譽表彰
2018年12月20日，《焦爐集氣管放散控制裝置及控制方法》獲得第二十屆中國專利獎優秀獎。
