【摘要】：隨著世界能源危機的不斷加劇和環(huán)境污染的日益嚴重，風能、太陽能、生物質能等可再生能源如何有效替代化石類能源，已逐漸成為世界各國科學家的重點研究課題。生物質能作為人類長期賴以生存的重要能源，是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費總量第四位的能源，在整個能源系統(tǒng)中占有重要的地位。木煤作為生物質資源轉化產物的重要組成部分，是指經過專業(yè)設備對松散的生物質原料進行干燥、粉碎處理后，在一定的溫度、濕度和壓力條件下，生成的形狀規(guī)則且密度較大的生物質固體燃料。木煤的研制對于提高生物質原料的密度和強度、減少原料運輸和儲存成本、改善燃燒性能和燃燒利用效率均有著極為顯著的效果，具有極高的研究價值。 本課題依托國家發(fā)展和改革委員會審批的“年產20萬噸木煤生產線項目”，圍繞木煤生產過程中原料干燥這一主要耗能工段展開研究工作。通過對國內在產木煤生產線干燥工段的實地調研發(fā)現(xiàn)，原料干燥系統(tǒng)控制模式落后、控制精度低、系統(tǒng)響應性慢、魯棒性差、熱能損耗高、原料終含水率不均勻等問題，嚴重影響了原料后續(xù)工段的加工效果。本文針對上述問題，一方面采用生產現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和實驗室模擬仿真相結合的研究手段，對原料干燥過程中的干燥速率、運動模式、熱質傳遞機理進行分析，建立了適用于木煤原料干燥的熱質傳遞模型，實現(xiàn)了木煤原料的干燥工藝優(yōu)化；另一方面，以生產線中LH3015-T型三通道煙氣干燥設備及其輔助設備的機械傳動結構為研究主體，在傳統(tǒng)PID控制模式的基礎上加入模糊控制環(huán)節(jié)，設計出并聯(lián)型模糊-PID控制器對干燥系統(tǒng)的控制模式進行改進。課題研究成果提高了干燥系統(tǒng)的熱能利用效率和控制品質，有效降低系統(tǒng)的能量損耗，，具有重要的現(xiàn)實和經濟意義。課題的研究的主要成果與創(chuàng)新： 1、木煤原料干燥過程的理論研究 參照原料干燥工藝參數(shù)（煙氣溫度、煙氣流速、原料進料量和干燥筒體轉速）定量變化環(huán)境下，LH3015-T型三通道煙氣干燥設備出口處原料終含水率數(shù)據(jù)的檢測結果，分別進行單因素分析、雙因素正交分析和多因素交互分析實驗，提出原料終含水率回歸模型，確定出木煤原料干燥的最佳工藝參數(shù)；以原料內部含水率飽和點為界面，分別建立原料內部液相遷移模型和熱量遷移模型。借助多孔介質傳輸基礎理論，從固相、液相和氣相的質量、動量和能量守恒為出發(fā)點，對原料傳熱傳質模型進行化簡與數(shù)值求解；結合干燥設備對原料干燥過程進行模擬仿真，推導出原料運動模型，計算出原料干燥滯留時間。 2、木煤原料干燥控制系統(tǒng)的優(yōu)化 木煤原料干燥控制系統(tǒng)是存在大滯后、非線性、時變性的復雜控制系統(tǒng)，以傳統(tǒng)PID控制模式對系統(tǒng)進行控制，控制品質難以取得令人滿意的效果。在缺乏精確控制模型的現(xiàn)狀下，通過并聯(lián)型模糊-PID控制器的研發(fā)進行木煤原料控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計。并重點圍繞如何精確和穩(wěn)定干燥設備出口處原料含水率，展開干燥控制系統(tǒng)的二次搭建工作，提高了原干燥控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性等指標。現(xiàn)場測試結果表明：干燥設備出口處原料終含水率的穩(wěn)定性相較于系統(tǒng)優(yōu)化前提高了約2.7倍，原料干燥合格率從原先的71.2%左右提高到94.1%以上。 3、原料含水率預測模型的建立及預測裝置的研發(fā) 根據(jù)生產線中原料含水率干燥工藝的要求，通過大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與分析，首次提出了以指數(shù)衰減函數(shù)作為原料含水率的預測模型，并且采用基于ARM920T內核的16/32位微處理器S3C2410設計出適用于木煤原料含水率檢測的含水率預測裝置，取得了極佳的預測效果，提升了干燥現(xiàn)場數(shù)據(jù)的檢測準確性和更新速度。測試結果表明：基于指數(shù)衰減模型的含水率預測裝置對原料終含水率預測誤差不超過1.4%，重量預測誤差不超過2%，預測時間由20分鐘縮減至10~15秒鐘。 4、木煤原料干燥系統(tǒng)組態(tài)網絡建立的與監(jiān)控界面研發(fā) 通過西門子STEP7編程軟件的硬件組態(tài)窗口HW Config將電源、CPU、信號模塊等設備安裝至相應的機架上，并對模塊的參數(shù)進行設置和修改，在STEP7中生成一個與之現(xiàn)場設備層完全相同的組態(tài)網絡系統(tǒng)，實現(xiàn)了STEP7對干燥現(xiàn)場設備的集中管理。同時，利用西門子WinCC組態(tài)軟件實現(xiàn)監(jiān)控界面設計，以報表、曲線等形式對干燥生產線現(xiàn)場設備層運行狀態(tài)、煙氣溫度、煙氣流速、原料喂入量、報警等信息進行監(jiān)控顯示。
【圖文】：

李文軍、于志明等人以廢料刨花為研究對象，提出基于三通計算出各層圓筒的進口速度[53]。2009 年鄭先哲，周修理等人場和熱風流量場分布，提出三層滾筒牧草干燥機的設計參數(shù)[指導，目前，國內大多數(shù)三通道干燥設備仍依賴操作人員按設備或少數(shù)國產設備的自動控制也屬于人為設定參數(shù)的半自通電工儀表、風速儀、壓力計、干濕球溫度計等，檢測后的通過諸如手動調節(jié)加熱器溫度和調整擋風板位置等措施得到三通道干燥系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)主要采用干燥溫度、濕度的單輸入影響原料干燥過程的各參數(shù)之間的相互耦合作用考慮較少。

Fig.1-1 PID control system principle block diagram家對干燥設備和干燥技術的研究已有 60 多年的歷史了，干計算設備技術進行自動監(jiān)控也比較早。從 20 世紀 60 年代過程的自動控制問題，在美國、日本等一些發(fā)達國家生產作業(yè)的半自動化和干燥介質溫度控制的自動化。到了 20速發(fā)展，應用傳統(tǒng)控制理論實現(xiàn)了干燥過程的自動化。至及，智能控制系統(tǒng)，如專家系統(tǒng)、模糊邏輯控制等已經開制中。
【學位授予單位】：南京林業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TK6

【參考文獻】

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本文編號：2670457