生物质气化炉智能控制器设计

谭季秋,宋晓波,朱培立,胡为民,龚 磊

(1.湖南工程学院 机械工程学院,湘潭411101;2.湖南工程学院 机械工程学院机械设计0503班,湘潭411101;3.湘潭农业机械研究所,湘潭411101;4.机械工程学院 机电0601班,湘潭411101)

0 引 言

生物质气化是一种热化学处理技术,将低品质的固态生物质原料转换成使用方便而且清洁的生物质燃气,在生产、生活、发电、干燥、供暖等领域得到利用.目前,我国生物质气化技术也日趋完善.我国已进入实用阶段的生物质气化炉装置种类较多,用途广泛,已取得良好的社会经济效益[1].我国自行研制的集中供气站和气化炉产品已进入实用化实验及示范阶段.对缓解我国常规能源紧张状况,促进社会经济的可持续发展和生态环境的改善都具有重要意义[2].

“生物质气化炉智能控制器设计”,是将传统的生物质气化炉的手动阀改为自动阀,使生物质气化炉性能优良,操作简便安全.解决了原气化炉的手动控制阀多、控制过程繁杂的问题.根据生物质气化炉的气源特点,启动、停止时气阀的动作过程和功能要求,通过PLC对电磁阀进行顺序控制、延时控制等,实现填料提醒,点火显示,安全报警和抽油烟机控制等功能.最终实现户用型气化炉的推广应用[1].

1 生物质气化原理

所谓气化是指将固体或液体燃料转化为气体燃料的热化学过程.以新开发的热管式生物质气化炉为反应器,对不同种类生物质的水蒸气气化特性进行研究,分析高温热管的启动和气化炉内的温度场分布,考察气化参数对气化结果的影响[3].气化过程可以分为四步:干燥、液化、热解和气化.化学反应步骤如下 :

2 气化炉操作控制流程

生物质气化炉是根据生物质气化原理而设计的.双一科技的生物质气化炉如图1所示,由料筒、净化装置、管道、灶头等部分组成.植物燃料通过制气室,在密闭缺氧的条件下,采用干馏热解及化学氧化反应,产生一种可燃性气体,在氧气的助燃下达到理想的燃烧效果.该炉具装置具有植物原料造气、燃气净化、自动分离的功能.

气化炉的核心技术是生物质气化技术和气化炉管道、气阀技术.燃气通过管道送到炉灶.图1中可以看出其控制阀门很多.从制气过程可知,生物质气化炉不像煤气炉一样有稳定的气源,因此,对开启设备及点火过程有严格的要求,操作人员专业水平要求较高,控制过程复杂.图2为生物质气化炉阀门结构示意图,由于本产品是专利产品,所以示意图只画出对设计有用的部分.

根据图2气化炉阀门结构图,点火控制流程为:开鼓风机——开鼓风机风道阀——开大烟口阀——保持三分钟,为生物质燃料点火——关大烟口阀——开送气阀——开总阀——燃气炉灶上电子点火——开二次送风阀;关火控制流程为:先关闭生物质气化炉,再关闭燃气炉灶,控制流程为关鼓风机——关鼓风机风道阀——关二次送风阀——关送气阀——关总阀——开大烟口阀——关闭燃气炉灶.

还有保火、报警、显示、抽油烟机等其他功能的控制,如保火:在生物质燃料没有用完时,燃料火种能保留,此时可以添加生物质燃料,并且不需要对燃料再次点火.

从工作过程看,控制阀多,控制过程繁杂,制约了生物质气化炉的推广应用,为了优化气化炉性能并使操作简化,把原有手动阀装置更换为自动阀控制装置,通过PLC实现以上工作控制流程的顺序控制、延时控制.

3 生物质气化炉智能控制系统组成

根据生物质气化炉启动、停止时气阀的动作过程以及填料提醒、抽油烟机控制、操作错误报警提醒、点火提醒功能要求,设计 PLC控制系统.图3为将原手动阀改成自动控制阀的智能控制器管道阀结构示意图.本文不对气化炉的制气室参数进行控制,主要通过PLC对电磁气阀进行顺序控制、延时控制等,从而简化气化炉的操作,实现智能控制.图4为气化炉智能控制器控制系统结构框图.

3.1 智能控制器硬件设计

生物质汽化炉智能控制器系统配置.三菱FX2N-24MR PLC;三菱可编程序控制器FX2N-2AD A/D转换模块;ZCM煤气电磁阀;压力传感器;秸秆气化炉专用鼓风机;欧姆龙公司MY2J AC200/220BY OMZ继电器;发光二极管;报警器;GJ028点火旋钮;生物质气化炉启动/停止按钮;双位带灯按钮LAY50-22D-D(自锁型按钮);欧姆龙D4X-7312行程开关等.

根据气化炉工作需要,选择操作按钮,监控显示灯,操作面板示意图如图5.

图5 控制面板

根据控制需要,列出控制系统的I/0分配表,(略).

系统外部连接电路.如图6.

图6 控制系统外部连接电路

3.2 智能控制器软件设计

生物质气化炉智能控制器的软件设计,即PLC程序设计,根据气化炉制气工艺流程,软件设计分为几个功能模块:启、停阀门控制,抽油烟机控制,填料提醒控制.控制要求是要满足生物质气化炉启动、停止时各气阀的顺序动作,延时动作,将启动、停止开关实现互锁;大烟口阀与送气阀＂互锁＂.程序流程图(略),程序梯形图如图7.

图7 程序梯形图

4 系统调试及结论

秸秆气化炉不添加任何化工原料,将秸秆等可燃物直接转化为气体,热值高,燃烧效果好.通过气化炉智能控制实验研究,得出如下结论:

(1)本设计满足气化炉智能控制要求,简化了操作,提高了生物质气化炉的性能.

(2)在实验平台进行模拟调试,控制程序满足气化炉控制要求.

(3)控制系统可进行功能扩展,气化炉向环保、高科技、高档次发展.

(4)系统可靠性高,操作简单.基于PLC的智能控制器,控制系统完成了对生物质气化炉的气化、点火、关火、操作失误提醒、填料提醒、抽油烟机控制等的过程控制、顺序控制功能.智能控制器,有利于气化炉的优化并开拓更广阔的市场.有助于生物质可再生能源开发利用和减碳减排.

[1]李 鹏,吴 杰,王维新.户用型上吸式生物质气化炉的改进设计[J].农机化研究,2005,(5):76-78.

[2]张荣成,李秀金.作物秸秆能源转化技术研究进展[J].现代化工,2005,25(16):14-17.

[3]王中贤,张 红,于红梅,等.热管式生物质气化炉的研究[J].石油化工,2008,37(2):127-131.

[4]齐国利,徐艳英.生物质热解气化技术的现状、应用和前景[J].节能技术,2004,10(5):17-19.