氣化爐自動(dòng)建模系統研究

第22卷第6期動(dòng)力工程Vol, 22 No. 6. 2088.20102年12月POW ER ENGINEERINGDe 2002文章編號:1000 6761(2002)06 2088 05氣化爐自動(dòng)建模系統研究白泉，李政，倪維斗(清華大學(xué)熱能工程系，功力機械及工程研究所，北京100084)摘要:為了減輕建模人員在建模公式推導、邏輯關(guān)系推導和編制仿真程序的工作量，設計了氣化爐自動(dòng)建模系統。該系統在反應物為多種氣體、多種國體(均考慮為單篩分)的條件下,按照小室模型的框架自動(dòng)列寫(xiě).相應各個(gè)物質(zhì)的質(zhì)量、能量平衡方程。并自動(dòng)生成相應的計算視程序，方便仿真計算。由于該系統避開(kāi)了工程中常用的純鼓值建模的思路。采用了新的數學(xué)工具一以符號運算為特長(cháng)的計算機代數系統為計算平臺，才使得該系統具有強大的邏輯關(guān)系推導能力。該系統在某氣化爐的建模過(guò)程中得到了驗證和示范、事實(shí)表明:該系統大大減少了氣化爐的建模工作量，特別是減少由于化學(xué)反應假定的不同帶來(lái)的建模復雜性,對于建模與仿真研究新方法的突破有所貢獻。關(guān)鍵詞:氣化爐:數學(xué)模型:邏輯關(guān)系:符號運算中圖分類(lèi)號:TK 229文獻標識碼:A和濃度。反應動(dòng)力學(xué)模型包含了氣化爐中發(fā)生的0引言多種化學(xué)反應的化學(xué)動(dòng)力學(xué)信息，如:化學(xué)反應路氣化爐是一個(gè)具有復雜物理化學(xué)過(guò)程的熱動(dòng)徑、化學(xué)反應速率等,從這些信息可以推算出每種;力系統裝置,氣化過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)反應的多樣反應物的生成/消耗速率。流動(dòng)模型和反應動(dòng)力學(xué)性更加深了氣化爐的建模的復雜性。為了從最大模型為小室內物質(zhì)、能量平衡方程的列寫(xiě)提供了程度上減少氣化爐的建模工作,特別是減少由于邊界條件。按照小室模型的建模思路將氣化爐沿化學(xué)反應假定的不同帶來(lái)的建模復雜性,本文設軸向劃分為若干小室(圖1)后,在每個(gè)小室中建計了基于符號運算的氣化爐自動(dòng)建模系統。立了煤氣組份及固體物質(zhì)的質(zhì)量和能量平衡方程。通過(guò)求解這些方程,可以得到氣化爐內溫度、1氣化爐及其建模反應物濃度和含碳量的分布特性。德士古氣化爐的工作過(guò)程是:水煤漿通過(guò)噴嘴在高速氧氣流作用下噴人氣化爐,氧氣和霧狀T2M上拱頃水煤漿在爐內經(jīng)歷一系列復雜的物理、化學(xué)過(guò)程后生成以一氧化碳、氫氣、二氧化碳和水蒸氣為主射流段要成分的濕煤氣及熔渣，二者一并離開(kāi)反應區后進(jìn)人底部的急冷室分離，上直簡(jiǎn)段本課題組對氣化爐進(jìn)行過(guò)建模研究,在小室建模方法的基礎上建立了氣化爐整體模型。該模型大致可以分為3部分:流動(dòng)模型,反應動(dòng)力學(xué)模下直簡(jiǎn)段型和小室內物質(zhì)/能量平衡方程。氣化爐流動(dòng)模型由氣化爐的給料和兒何尺寸益口收端段計算出氣化爐中各個(gè)小室內氣固兩相物質(zhì)的流速收稿日期:2001-11 20修訂日期:2002-03-22作者簡(jiǎn)介:白泉,男,博于研究生。 目前，主要從事新型熱動(dòng)圖1氣化爐小室 的劃分力設備的計算機建懶與傷真研究方面的工作。第6期動(dòng)力工程●2089●2建立氣化爐自動(dòng)建模系統的動(dòng)機應的反應速率到各反應物化學(xué)速率的映射關(guān)系，能夠結合流動(dòng)模型和其它模型提供的輸入參數，在建模過(guò)程中,建模研究者遇到的一個(gè)實(shí)際推導出氣體、固體的物質(zhì)、能量平衡方程表達式。問(wèn)題是:氣化爐中同時(shí)發(fā)生多種化學(xué)反應.由這些它還必須能夠處理多種氣體、多種固體反應物和化學(xué)反應推導各個(gè)物質(zhì)的質(zhì)量平衡方程和能鼠平有無(wú)能最平衡的情況。衡方程是一個(gè)繁瑣的過(guò)程,工作量大,重復性強，E程上最常用到的計算機語(yǔ)言(如C語(yǔ)言、容易出錯。建立小室中氣體、固體的物質(zhì)能量平衡FORTRAN語(yǔ)言)只注重純數值運算，邏輯推導方程后,據此編制仿真程序代碼也是一個(gè)相對簡(jiǎn)功能比較弱.要想完成上述工作.必須突破舊的思單、重復性強的過(guò)程，工.作量大,而且容易出錯。有路,采用更先進(jìn)的數學(xué)工具。以符號計算.邏輯關(guān)時(shí)手1.推導、編程和檢查工作加起來(lái)竟占了所有系推導和復雜計算見(jiàn)長(cháng)的計算機代數系統在此方建模工作量的50%以上。在添加/刪除某個(gè)化學(xué)面有著(zhù)獨到的優(yōu)勢。因此,本文采用計算機代數系反應時(shí),推導和編程工作需要重新進(jìn)行,工作量較統作為工作平臺。大3.2氣化爐 自動(dòng)建模系統組成部分介紹建模研究者希望能夠有套工具幫助椎導平衡(1)輸人參數方程表達式、幫助進(jìn)行仿真程序的編制，這樣研究.氣化爐自動(dòng)建模系統的輸人可以分為3個(gè)部者可以將精力集中在模型的物理、化學(xué)假定是否分:反應動(dòng)力學(xué)部分、流動(dòng)模型計算結果和其它建合理上.面,而不是讓繁瑣的推導和編程工作占用立小室模型必需的參數(圖2)。了過(guò)多的時(shí)間。①反應動(dòng)力學(xué)部分的輸入本文設計的氣化爐自動(dòng)建模系統是為了滿(mǎn)足與反應動(dòng)力學(xué)部分相關(guān)的輸人是指建模時(shí)研這種需求研制的。究者假設的氣化爐中發(fā)生的所有化學(xué)反應及其化3氣化爐自動(dòng)建模系統研究學(xué)反應速率(表1)。同時(shí),還需要指明其中的固體反應物是單篩分還是寬篩分,是否需要進(jìn)行能量3.1氣化爐 自動(dòng)建模系統的設計思路氣化爐自動(dòng)建模系統的設計思路是:借助計平衡計算。表1氣化爐 自動(dòng)建模系統的輸入算機對輸人的化學(xué)反應列表和化學(xué)反應速率表達式進(jìn)行推導，計算出各反應物的生成/消耗速率，化學(xué)反應方程式對應的化學(xué)反應的速率的麗數名再在此基礎t按照小室模型的框架列寫(xiě)物質(zhì)、能量平衡方程,然后利用該系統將平衡方程表達式1 | C0+1/20:-002| r=xk1生成FORTRAN程序。通過(guò)將平衡方程代碼與流H:+ 1/202=H2Or=xk2動(dòng)模型和求解算法代碼一起編譯、連接,最終生成TAR+ 1. 165O2- C0:+0.r= rvtar能夠進(jìn)行仿真計算的氣化爐整體模型(圖2)。345H2O建立的自動(dòng)建模系統必須能夠處理各化學(xué)反C+ 1/phi*O2= (2- 2/phi)r=a3化學(xué)反應列表流動(dòng)橫型其它參數)00+ (2/phi-- 1CO2化學(xué)反應的反應速率5 | C+CO2=2C0CO+H2O=C02+H2r=xk3化學(xué)反應的反應速事C02+H2=C0+ H2()r=xk4技照“小室"模型的振架建立， 8| C+H2O=C0+Hz各小室內各個(gè)物質(zhì)的質(zhì)量，院平衡方程油自動(dòng)建模系統代9 C+2H2=CH, .r二u2按照中衡方程表達式進(jìn)手工推導，編程編制計算機仿真程序|10| (0+H20=CO2+H2r∞u511 | CH,1 H2()=C0+ 3H,r=xk5CH4+ 20):-CO2+ 2H2Or=xk6[分析計算結果]由于每種化學(xué)反應的反應速率計算表達式都圖2氣化爐整體梗型結構和氣化爐自動(dòng)建模系統的作用范比較復雜,因此，在輸人時(shí)只需要提供相應的兩數名稱(chēng)，在計算的時(shí)候將各反應速率用獨立的.●2090●動(dòng)力工程第22卷FORTRAN函數計算。②流動(dòng)模型的計算結果值得指出的是:在某些情況下化學(xué)反應方程自動(dòng)建模系統需要以流動(dòng)模型的計算結果作式中的系數并不是整數,而是一個(gè)函數(如表1中為輸人,因此必須提供各個(gè)小室中的流動(dòng)參數,在的4號反應),這給系數的識別帶來(lái)了一定的難輸人的時(shí)候只要給出這些參數的雨數名即可。度。由于采用符號計算上具.本系統能夠成功識別③其它建立小室模型必需的參數該系數，并將其處理成為一個(gè)特別的反應方程式以小室模型為構架列寫(xiě)平衡方程時(shí)，還需要系數。其它一些變量,如揮發(fā)份分解產(chǎn)物的引人、從各小在建模的時(shí)候,并不一定所有的反應物都參室排出爐膛的物質(zhì)的量等。如果要列寫(xiě)能量平衡與物質(zhì)、能量平衡計算,因此,需要給定進(jìn)行計算方程,還需要給出不同氣體/固體、不同溫度下對的氣體.固體物質(zhì)的名稱(chēng)。輸人時(shí)需要分別給定氣應的比焓和受熱面吸熱量等。體物質(zhì)和固體物質(zhì)的名稱(chēng)和種類(lèi)。表2其它的參數列表物質(zhì)名稱(chēng)摩爾質(zhì)繼本小室中質(zhì)量加入、排出爐膛揮發(fā)份帶人給入、帶出溫百分比排出度下的比焙)21CH4J/......給料中C的話(huà)C|體百分含量J所有固體總給料量、受熱面吸熱/散熱損失化學(xué)反應吸熱/放熱散熱綜上所述，所有其它輸入量在按照上述要求在自動(dòng)建模系統中我們沒(méi)有繼續使用手工推“規范化”后可以制成表2。按照具體情況將表填導的思路,而是采用系數矩陣的方法從整體的角.好、編制必要的子程序后,氣化爐自動(dòng)建模系統就度同時(shí)處理所有化學(xué)反應方程式及反應速率,思.可以在這3部分輸人量的基礎上.進(jìn)行自動(dòng)推導各路如下:個(gè)量之間的關(guān)系,生成質(zhì)量能量平衡表達式和仿首先,將各化學(xué)反應方程式寫(xiě)成反應方程式真程序。向量,相應的反應速率寫(xiě)成化學(xué)反應的反應速率(2)反應動(dòng)力學(xué)模型中物質(zhì)關(guān)系的自動(dòng)推導向量,再從化學(xué)反應方程式向量中識別并提取化自動(dòng)建模系統具有的第-一個(gè)重要功能是由化學(xué)反應涉及到的所有物質(zhì)的名稱(chēng)，組成反應物名學(xué)反應方程式列表自動(dòng)推導反應方程式和各物質(zhì)稱(chēng)向量。然后,根據物質(zhì)名稱(chēng)向量的順序從各個(gè)化的映射關(guān)系(即針對表I的輸人量進(jìn)行處理),生學(xué)反應方程式向量中提取該物質(zhì)在各個(gè)反應中的成各個(gè)反應物由化學(xué)反應引起的生成/消耗速率:系數值(根據生成和消耗的不同將系數值處理成表達式。正值或者負值),組成化學(xué)反應系數矩陣。此系數研究人員手工推導時(shí)，是按照同一種反應物矩陣乘以反應物名稱(chēng)向量后能推出化學(xué)反應方程的順序進(jìn)行的。過(guò)程是:先選定某種反應物,再從式向量。此系數矩陣轉置后乘以化學(xué)反應的反應多個(gè)化學(xué)反應方程式中分布提取該物質(zhì)在各反應速率向量后，就能得到綜合考慮所有化學(xué)反應時(shí)中的系數,然后乘以該反應的反應速率,這樣得到各個(gè)物質(zhì)的反應速率向量。下面是一個(gè)用3個(gè)化該物質(zhì)的生成/消耗速率。這種思路需要重復搜索學(xué)反應說(shuō)明該過(guò)程的簡(jiǎn)單示例:多個(gè)化學(xué)反應方程式，不但繁瑣、而且比較慢。第6期動(dòng)力工程●2091●(+1+I(RC+1 +1O(C+O2 CO2系數矩陣轉置| RO,+10!C+C02- 2COi CO(2C0+0;-2C02)| RC0)!RC0, |借助計算機代數系統的多項式符號運算功則是:能，可以從化學(xué)反應方程式向量中分離出物質(zhì)名外部供入該小室的質(zhì)量+上一個(gè)小室流入本稱(chēng)向量和系數矩陣,借助符號運算和矩陣運算功小室的質(zhì)量-離開(kāi)本小室的該物質(zhì)的量-本小室能、可以完成系數矩陣和表達式向量的邏輯與數流人到下一個(gè)小室的質(zhì)量+化學(xué)反應生成/消耗值關(guān)系推導,最終得到各個(gè)物質(zhì)由丁化學(xué)反應引的質(zhì)量=0起的生成/消耗速率表達式。列寫(xiě)小室的能量平衡方程式需要同時(shí)考慮所氣化爐自動(dòng)建模系統中考慮了8種氣體物質(zhì)有進(jìn)入、流出本小室的所有氣體、固體物質(zhì)攜帶的(氧氣、甲烷.一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、氫氣、能量,同時(shí)，再加上化學(xué)反應產(chǎn)生/吸收的熱量、小氮氣、水蒸氣)、1種固體物質(zhì)(碳)的物質(zhì)平衡。以.室中所有受熱面的吸熱/放熱量和散熱損失。其規表]中的輸人為例,9種物質(zhì)在發(fā)生12種化學(xué)反應的情況下.計算結果如圖3所示:外部供入該小室的所有物質(zhì)帶來(lái)的能量+上()2一rphi3--1. 165rvtar xK1_xk2_ 2xk6一個(gè)小室流入本小室的所有物質(zhì)帶來(lái)的能量離開(kāi)本小室的所有物質(zhì)帶走的能量-本小室流人到ch=a2-xk5- xk6下一個(gè)小室的所有物質(zhì)帶走的能量+化學(xué)反應產(chǎn)co-a1+2a4-a5+a3(2- pmixk1 xk3+xk4 t xk5 :生/吸收的熱量+受熱面的吸熱/放熱量--散熱損失=0.ro2-a1 +as+a3(-1+pal! trlar + xk1+xk3-在化學(xué)反應生成/消耗速率表達式的基礎上,xk4+結合流動(dòng)和其它輸人,自動(dòng)建模系統可以按照上h28s=:0述規則自動(dòng)選擇合適的參數，“搭建"生成各小室h2- al - 2a2+a5- xk2+xk3 - xk4 + 3xk5內各個(gè)物質(zhì)的質(zhì)量平衡表達式和小室能量平衡表n2=0h2o=-a1-n5 + 0.345rviar + xk2-xk3+ xk4 - xk5十達式的形式。搭建過(guò)程中也需要針對物質(zhì)名稱(chēng)向量和其它2xk6參數進(jìn)行邏輯關(guān)系推導。例如:在能量平衡方程式e=-al-u2- a3-a4圖3化學(xué)動(dòng)力學(xué)鎮壁自動(dòng)建模的結果中、自動(dòng)建模系統需要根據某物質(zhì)流的物質(zhì)類(lèi)別(3)建立小室內物質(zhì)、能量平衡方程及表2中相應屬性自動(dòng)將流量和比焓相乘生成流自動(dòng)建模系統完成的第二個(gè)重要功能是自動(dòng)動(dòng)物質(zhì)總焓值的表達式。建立小室內部各物質(zhì)的質(zhì)量能量平衡表達式。(4)計算機代碼的生成氣化爐某小室內部的氣體、固體平衡關(guān)系示以前研究人員在推導得到物質(zhì)、能量平衡方意圖如圖4所示。在靜態(tài)條件下,針對某一個(gè)小室程的表達式后,需要手工將這些表達式編制成仿列寫(xiě)的某一種氣體或者固體物質(zhì)的質(zhì)量平衡的規真程序代碼,才能進(jìn)行仿真計算。本氣化爐自動(dòng)建模系統不但有自動(dòng)生成物上個(gè)小室的上個(gè)個(gè)京的質(zhì)、能址平衡表達式的功能,而且能夠自動(dòng)在表達氣體院人民團體洗人式的基礎上建立FORTRAN語(yǔ)言程序代碼，在該代碼基礎上經(jīng)過(guò)部分加工后可以將這些代碼生成橫入的_標準的FORTRAN語(yǔ)言子程序模塊。與氣化爐其戶(hù)生的輝發(fā)分00.光體生它部分(如流動(dòng)模型和數學(xué)求解模型)放在-起編詳連接后,就能夠生成氣化爐整體模型的仿真程↓化學(xué)反應序。這是該自動(dòng)建模系統能夠完成的第二個(gè)重要本小室的本個(gè)室的生成通耗功能。圖4小室鎖型示意圖總之,本氣化爐自動(dòng)建模系統能夠根據輸人●2092.動(dòng)力工程第22卷的化學(xué)反應列長(cháng)和各反應的反應速率自動(dòng)推導各.學(xué)反應假定提供了極人的方便,節省了大量推導、個(gè)反應物的生成/消耗速率,再在此基礎.上按照小:編程的工作量，節約了大鼠時(shí)間。室模型的思路結合流動(dòng)等其它參數搭建多種氣.事實(shí)表明:自動(dòng)建模系統的建立能夠使建模體、固體物質(zhì)的質(zhì)量,能量平衡方程表達式.最終研究人員減少在公式推演、邏輯關(guān)系推導和編寫(xiě)生成計算機程序代碼。此代碼與其它部分結合組仿真程序等簡(jiǎn)單、低水平的細節工作上的投入，轉成氣化爐整體仿真程序。而將更多的精力投入到模型的物理化學(xué)背景及模型假定本身的正確與否上.有較大的實(shí)用價(jià)值。4自動(dòng)建模系統的驗證木文針對原有的德士古氣化爐整體模型進(jìn)行參考文獻:了驗證和示范,該模型將整個(gè)爐膛劃分為15個(gè)小l11李改.王天新。等。 Texaco煤氣化爐數學(xué)模型研究--建模室，每個(gè)小室中考慮了8種氣體.2種固體的質(zhì)量部分[J].動(dòng)力工程.2001.21(2).[2]李政、十天驕，等 Texaco煤氣化爐數學(xué)模型研究-計算平衡和小室能量平衡。結果及分析[].動(dòng)力工程20121(4)實(shí)踐表明:自動(dòng)建模系統生成的程序和手工[37白 泉,李政.倪維4.計算機代數在動(dòng)力系統建模與仿真編寫(xiě)的程序計算結果一致，這驗證I該系統推導中的應用J]動(dòng)力工程.2001.21(5>.1469~- 1473.結果的正確性。在刪除某化學(xué)反應時(shí),手工推導至[4] Silva A s. Castier M. Auonaic iffrencirtion and Imple-mentation of Thermodynapie Models Using a Computer Al少要花費一天其至幾天生成新的模型計算程序，grbra System[( 1. European Symuposium on Computer Aidel自動(dòng)建模系統可以在幾秒鐘內完成。Prucess Fngineering. 1996.5結論L5」陳宗海過(guò)程系統建模與仿真[M].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版杜。1997.氣化爐自動(dòng)建模系統的使用不但能夠大大減[6] Abraham I, Beltzer.利用符號運算進(jìn)行工程分析- - 。-個(gè)突少該氣化爐模型第一次建模中遇到的繁瑣的表達破[]。力學(xué)進(jìn)展,1994,May 25.式推導工作,而且為模型建立以后修改模型的化[7」黃新生.黃圳生,朱小謙多剛體系統計算機代數動(dòng)力學(xué)建模研究[]1.國防科技大學(xué)學(xué)報1998.02.Study of Gasifier Auto-Modeling SystemBAI Quun， LI Zheng， NI Wei-dou .(Dep1. of Thermal Engrg.，Qinghua Univ.，Beiing 100081, China)Abstract:In order to reduce the modeling work of model deduction, logic relationship Ircatment andwriting simulation programs in gasifer modeling procedure. a gasifier auto modeling system is estab-lished. Such a system can deduct mass and energy balance equations based on cell model modelingmethod [or multi gas and solid substances, and generate corresponding computer subroutine program.In contrast to pure numerical modeling method ，computer algebra system, which is characterized assymbolic calculation, is used as basis. Demonstration and validation work showed the auto modelingsystem could substitute human's work to simplify gasifier modeling procedure, especially to reducedthe modeling complexity brought by the variation o{ chemnical reaction assumption.' Moreover, thegasifier auto modeling system is a new sample of how to use computer to substitute human's modelingwork. Figs 4, tables 2 and re[s 7.Key words :gasifier; mathematical model; logic rclat ionship ; symbolic calculation