煤炭地下氣化裝備自動控制模擬系統(tǒng)研制

于志軍 端木曉亮 莫同鴻 虎元林 湯清源 王文軍 郭偉

摘要：為促進煤炭地下氣化技術(shù)系列成果從實驗室、現(xiàn)場試驗向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用轉(zhuǎn)變，依據(jù)煤炭地下氣化技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用需求，將連續(xù)管技術(shù)與煤炭地下氣化技術(shù)進行了結(jié)合。建立了煤炭地下氣化穩(wěn)定燃燒控制物理模型，分析了煤炭地下氣化過程同心連續(xù)管受力狀況，形成基于溫度的模糊PID隨動控制方案，研制了煤炭地下氣化裝備自動控制模擬系統(tǒng)；同時基于Unity 3D開發(fā)連續(xù)管控制仿真模擬軟件，形成了對煤炭地下氣化過程中作業(yè)數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，以及連續(xù)管不同速度起出、下入的自動控制，實現(xiàn)了叢式井氣化采煤遠程集中控制，形成了基于溫度的煤炭地下氣化超低速拖動控制技術(shù)，并驗證了其合理性。該自動控制系統(tǒng)的研制為煤炭地下氣化技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用奠定了設(shè)備基礎(chǔ)，為實現(xiàn)集中無人化氣化采煤提供了技術(shù)方向。

關(guān)鍵詞：煤炭地下氣化（UCG）；連續(xù)管技術(shù)；溫度控制；自動控制模擬系統(tǒng)；模糊PID控制；遠程控制

0 引 言

煤炭地下氣化（Underground Coal Gasification，UCG）是一項煤炭清潔開采利用的顛覆性技術(shù)，其基本原理是控制處于地下深處的煤炭進行不完全燃燒，使地下煤炭產(chǎn)生CO、CH4等可燃性混合氣體。其實施過程包括建井、氣化、集采、分離等復(fù)雜工藝與工序，以將煤炭中含能成分提取出來。該技術(shù)變物理采煤為化學采煤，是一種綜合多學科開發(fā)潔凈能源與化工原料的新技術(shù)，被譽為第二代采煤法［1-2］。

國外開展煤炭地下氣化技術(shù)研究始于20世紀中葉。蘇聯(lián)在莫斯科近郊等地區(qū)共建立了5個試驗區(qū)，27座氣化站，截至1994年共生產(chǎn)500億 m3低熱值煤氣，其中南阿賓斯克站連續(xù)工作時長達40年；德國結(jié)合自身深海煤礦豐富的特點，積極開展煤炭地下氣化技術(shù)研究，其與比利時在圖林聯(lián)合開展了1次煤炭地下氣化試驗，煤層厚6 m，試驗深度達860 m，試驗獲得了良好效果；英國、法國、捷克和西班牙等國也先后結(jié)合本國煤層賦存特點，對煤炭地下氣化技術(shù)進行了研究，獲得了一定的進展。

我國煤炭地下氣化技術(shù)研究始于20世紀60年代，歷經(jīng)了“技術(shù)探索、室內(nèi)模擬、現(xiàn)場試驗”3個階段［3-5］。雖然起步較晚，但相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速，并取得了系列成果，各技術(shù)成果也逐漸從實驗室、現(xiàn)場試驗邁向了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。2006年10月，新奧氣化采煤有限公司和中國礦業(yè)大學（北京）共同進行UCG技術(shù)的開發(fā)和推廣利用；2007年新奧氣化采煤烏蘭察布試驗基地完成了“Ｌ”型、“Ｖ”型爐、“單元面采爐”的無井式地下氣化爐試驗，實現(xiàn)了煤氣熱值3 360～5 040 kJ/m3穩(wěn)定運行500 d，生產(chǎn)的煤氣用于燃氣鍋爐和燃氣發(fā)電；2009年1月完成了烏蘭察布“無井式煤炭地下氣化技術(shù)”現(xiàn)場試驗，試驗首次建立一套煤氣生產(chǎn)能力為1.5×104 m3/d的無井式UCG試驗研究和生產(chǎn)系統(tǒng)［6］；2015年，中石油江漢機械研究所有限公司研制了基于連續(xù)管作業(yè)方式的地下氣化采煤裝備。系列成果為我國開展無井式UCG技術(shù)研究提供了良好的平臺，首次將連續(xù)管技術(shù)應(yīng)用于煤炭地下氣化，展示了連續(xù)管作業(yè)技術(shù)在煤炭地下氣比中的優(yōu)勢，吸引了廣泛關(guān)注。

于志軍，等：煤炭地下氣化裝備自動控制模擬系統(tǒng)研制

1 關(guān)鍵技術(shù)與建模

利用連續(xù)管作業(yè)技術(shù)進行煤炭地下氣化開采，需要攻克一系列核心技術(shù)。主要包括：地下氣化爐構(gòu)建技術(shù)；地下氣化爐點火技術(shù)；地下氣化監(jiān)測與隨程控制技術(shù)；地下煤燃氣開采與分離技術(shù)；地下氣化采煤安全控制技術(shù)等。

區(qū)別于常規(guī)連續(xù)管作業(yè)，應(yīng)用連續(xù)管技術(shù)為輔助燃料分別提供暢通供給通道，進行地下氣化開采，裝備需要具備2項關(guān)鍵技術(shù)能力，包括：①實現(xiàn)井下氣化腔溫度實時監(jiān)測；②實現(xiàn)同心連續(xù)管拖動無人化精準控制。為實現(xiàn)相關(guān)技術(shù)能力，需建立相關(guān)模型。

1.1 穩(wěn)定燃燒控制物理模型

煤炭地下氣化穩(wěn)定燃燒控制過程如圖1所示。選擇合適的煤層，鉆注入井與生產(chǎn)井構(gòu)建地下氣化腔，點火引燃地下煤層；利用同心連續(xù)管構(gòu)建的雙通道，輸入氧氣和水，提供煤層燃燒原料，維持煤層動態(tài)穩(wěn)定的燃燒。燃燒產(chǎn)生的混合氣體通過生產(chǎn)井導(dǎo)入地面的地下煤炭開采、分離設(shè)備。

隨著煤層燃燒，氣化腔逐漸增大，連續(xù)管末端存在被燃燒殘渣掩埋、燃料供給通道堵塞、造成燃燒過程中斷的風險。因此，須在連續(xù)管末端安裝溫度監(jiān)測傳感器，實時獲取氣化腔內(nèi)溫度，為地面控制提供依據(jù)。地面連續(xù)管設(shè)備根據(jù)監(jiān)測到的溫度自動控制連續(xù)管拖動，維持溫度在一定范圍內(nèi)，以達到保持氣化腔連續(xù)燃燒的目的。

1.2 隨程控制理論模型

連續(xù)管作業(yè)裝備的地下氣化監(jiān)測與隨程控制技術(shù)的實現(xiàn)思路：基于連續(xù)管參數(shù)、作業(yè)井參數(shù)、工具串參數(shù)等，分析連續(xù)管上提時井口受力狀況，注入頭夾持系統(tǒng)預(yù)加載對應(yīng)拉力。在預(yù)加載方案基礎(chǔ)上，采用模糊PID控制算法，建立連續(xù)管拖動控制模型，試制煤炭地下氣化裝備自動控制模擬系統(tǒng)，基于地下氣化監(jiān)測溫度變化實現(xiàn)連續(xù)管拖動過程自動控制。

1.2.1 同心雙通道連續(xù)管上提受力分析

假設(shè)在煤層穩(wěn)定燃燒時，注入井水平段連續(xù)管起下受力不受溫度、井筒變形等影響。以井底工具串受力作為邊界條件，分析過程采用微元思想，可以迭代計算出連續(xù)管地面懸重（即井口位置連續(xù)管的軸向拉力）［7-9］，如圖2所示。由圖2可見，雙通道同心連續(xù)管受力大小受到井眼軌跡、黏滯阻力、井筒摩阻力、連續(xù)管起下狀態(tài)等因素的影響。

1.2.2 控制方案

連續(xù)管地下氣化監(jiān)測與隨程控制方案如圖4所示。通過連續(xù)管力學分析，確定連續(xù)管拖動力F1與上提力大小相等，方向相反。利用同心連續(xù)管底部熱電偶實時監(jiān)測溫度變化，以溫度誤差e和誤差變化ec 作為模糊PID控制器輸入?yún)?shù)［11］參數(shù)，F(xiàn)1+u作為系統(tǒng)輸出控制信號。

PID參數(shù)通過模糊控制器獲取，模糊控制器依據(jù)溫度誤差e和誤差變化ec動態(tài)調(diào)整Kp 、Ki 、Kd大小，確保同心連續(xù)管拖動穩(wěn)定、可靠。

2 自動控制模擬系統(tǒng)研制

筆者基于連續(xù)管作業(yè)裝備的地下氣化監(jiān)測、 隨程控制程序與邏輯要求，依據(jù)氣化采煤叢式井分布特點，開發(fā)并試制了煤炭地下氣化裝備自動控制模擬系統(tǒng)，進行了煤炭地下氣化過程中同心雙通道連續(xù)管自動拖動模擬仿真，實現(xiàn)了連續(xù)管地下氣化裝備數(shù)據(jù)監(jiān)測、起下操作模擬、自動拖動等功能。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要包括現(xiàn)場控制操作臺、遠程控制操作臺、系統(tǒng)模擬主機、虛擬仿真系統(tǒng)及附件如圖5所示。各子模塊之間采用TCP/IP通信，確保數(shù)據(jù)高速準確傳送與刷新。

現(xiàn)場控制操作臺：為現(xiàn)場操作人員提供交互平臺，通過旋鈕、手柄等操作，控制同心連續(xù)管起下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示。操作臺核心處理器采用多個TEC-172控制器，實時獲取操作輸入信號，并實時獲取系統(tǒng)模擬主機模擬輸出數(shù)據(jù)，利用ModBus通信傳輸至操作臺觸控一體機并顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。

遠程控制操作臺：是實現(xiàn)遠程多井集中控制的交互平臺，其功能與組成類似現(xiàn)場控制操作臺。當現(xiàn)場端切換至遠程控制模式時，遠程操作臺實時獲取操作輸入信號，通過網(wǎng)絡(luò)將控制信號傳輸至現(xiàn)場控制核心，控制現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)同心連續(xù)管起下。

系統(tǒng)模擬主機：為1臺高性能工控PC主機，是整個模擬系統(tǒng)的核心，運行模擬系統(tǒng)的主控程序，實現(xiàn)作業(yè)過程數(shù)字孿生。依據(jù)操作輸入，模擬現(xiàn)實反饋運行狀態(tài)、作業(yè)參數(shù)的變化，在將數(shù)據(jù)反饋至操作臺顯示的同時，傳輸至虛擬仿真系統(tǒng)，使系統(tǒng)以3D的形式呈現(xiàn)操作情況。

虛擬仿真系統(tǒng)：是1套高性能圖像處理PC系統(tǒng)，包括主機與高清顯示器。主機運行系統(tǒng)Unity 3D仿真程序，根據(jù)系統(tǒng)模擬主機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，3D動態(tài)顯示場景切換、動作變化，給用戶呈現(xiàn)接近真實的體驗感。

2.2 系統(tǒng)配套軟件

系統(tǒng)配套軟件包括現(xiàn)場端主控程序、遠程主控程序、操作臺組態(tài)程序、模擬系統(tǒng)主控程序、Unity 3D仿真程序。軟件總體框架設(shè)計如圖6所示，現(xiàn)場操作臺和遠程操作臺主控程序運行在TEC-172控制器上，主控程序和組態(tài)程序通過modBus協(xié)議進行通信，而控制臺和主控程序、Unity 3D仿真程序通過TCP/IP協(xié)議進行通信。

2.3 控制邏輯流程

煤炭地下氣化裝備自動控制模擬系統(tǒng)核心控制過程包括3個：現(xiàn)場端手動操作控制，遠程集中控制，基于溫度自動控制。

2.3.1 現(xiàn)場端手動操作控制

本過程操作指令通過現(xiàn)場仿真模擬臺輸入，實時傳輸操作數(shù)據(jù)至模擬主機，模擬主機將仿真結(jié)果循環(huán)刷新組態(tài)軟件監(jiān)控數(shù)據(jù)、驅(qū)動Unity 3D圖形組件響應(yīng)對應(yīng)動作。詳細流程如圖7所示。

2.3.2 遠程集中控制

本過程采用遠程集中模擬臺替代現(xiàn)場模擬操作臺作為輸入端，實時傳輸操作數(shù)據(jù)至模擬主機，模擬主機將仿真結(jié)果循環(huán)刷新組態(tài)軟件監(jiān)控數(shù)據(jù)，驅(qū)動Unity 3D圖形組件響應(yīng)對應(yīng)動作。詳細流程如圖8所示。

2.3.3 基于溫度自動控制

本過程通過現(xiàn)場模擬操作臺建立運行初始狀態(tài)，通過設(shè)置的溫度，與期望溫度實時對比，模擬主機根據(jù)溫度差值、溫度變化量，驅(qū)動裝備拖動連續(xù)管，循環(huán)刷新組態(tài)軟件監(jiān)控數(shù)據(jù)、驅(qū)動Unity 3D圖形組件響應(yīng)對應(yīng)動作。詳細流程如圖9所示。

3 系統(tǒng)功能測試

3.1 現(xiàn)場端操作控制

驗證系統(tǒng)現(xiàn)場端操作控制功能的具體試驗步驟包括：①系統(tǒng)上電，程序初始化，作業(yè)裝備動力啟動；②夾持系統(tǒng)建壓，剎車解除；③手柄方向向下，調(diào)節(jié)不同馬達壓力、馬達排量；④查看對比Unity3D動畫連續(xù)管起下速度變化；⑤對比特定時間段組態(tài)軟件與模擬系統(tǒng)深度、速度變化。具體對比結(jié)果如表1所示。

3.2 遠程手動控制

驗證系統(tǒng)遠程端手動操作控制功能的具體試驗步驟包括：①系統(tǒng)上電，程序初始化，切換至遠程控制模式；②遠程控制臺動力啟動，夾持系統(tǒng)建壓，剎車解除；③遠程控制臺手柄方向向下，調(diào)節(jié)不同馬達壓力、馬達排量；④查看對比Unity 3D動畫連續(xù)管起下速度變化；⑤對比特定時間遠程控制臺組態(tài)軟件與模擬系統(tǒng)深度、速度變化。具體對比結(jié)果如表2所示。

3.3 自動控制

驗證系統(tǒng)自動拖動控制功能的具體試驗步驟包括：①系統(tǒng)上電，程序初始化，切換至自動控制模式；②遠程控制臺動力啟動，夾持系統(tǒng)建壓，剎車解除；③設(shè)置井下期望溫度450～500 ℃，監(jiān)測溫度設(shè)置460～560 ℃變化，步長50 ℃；④查看Unity 3D仿真連續(xù)管動作變化、組態(tài)軟件深度變化。模擬效果如圖10所示;具體對比結(jié)果如表3所示。

4 結(jié) 論

通過建模與力學分析，研制并開展了連續(xù)管地下氣化自動控制模擬系統(tǒng)功能驗證試驗，形成結(jié)論如下：

（1）現(xiàn)場控制子系統(tǒng)能夠滿足地下氣化作業(yè)裝備的連續(xù)管起出、下入的自動控制，組態(tài)軟件可實現(xiàn)作業(yè)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，滿足現(xiàn)場作業(yè)需求。

（2）在遠程控制模式下，遠程控制臺可以通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)實時傳輸控制命令，實現(xiàn)連續(xù)管起出、下入的自動控制，連續(xù)管起下動作延時約1 s，滿足后期氣化采煤叢式井分布集中控制要求。

（3）在自動控制模式下，模擬系統(tǒng)可以根據(jù)井下溫度與期望溫度差值，自動控制注入頭動作，執(zhí)行超低速拖動連續(xù)管?？傮w上，溫度差值越大，拖動速度越快，驗證了氣化采煤自動控制邏輯的合理性，為現(xiàn)場無人化氣化采煤提供了技術(shù)支持。

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