煤氣化爐的仿真系統開(kāi)發(fā)

系統仿真學(xué)報Vol.17 No. 5●1258.JOURNAL OF SYSTEM SIMULATIONMay 2005煤氣化爐的仿真系統開(kāi)發(fā)趙冬斌',楊晟剛'，易建強'，張彥2(中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所復雜系統與智能科學(xué)實(shí)驗室,北京10080;0 2兗礦國泰化工有限公司，山東滕州277527)摘要:煤氣化爐是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)的-一個(gè)主要設備。通過(guò)建立煤氣化爐仿真系統,可以模擬各種工況下，系統輸入量如煤量、氧煤比等參數同粗煤氣產(chǎn)量之間的變化情況，便于操作工人熟悉系統控制流程，同時(shí)可以為系統的分析優(yōu)化提供依據。以虛擬儀器Labview軟件為設計平臺，充分利用其豐富的圖形功能和數學(xué)計算功能，可以快速建立整個(gè)仿真系統。所建立的仿真系統試驗結果表明，仿真界面易于操作，輸出參數結果同已知文獻結果對比吻合。關(guān)鍵詞:煤氣化爐; IGCC; Labview; 仿真文章編號: 1004-731X (2005) 05- 1258-03中圖分類(lèi)號: TP3919文獻標識碼: ADevelopment of Simulation System for Coal GasifierZHAO Dong -bin', YANG Sheng gang', YI Jian-qiang', ZHANG Yan2('L aboratory of Complex Systems and Inelligence Science, Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Bejjing 100080, China;2Yankuang Cathay Coal Chemicals. Co. LTD., Tengzhou, Shandong 277527. China)system of the coal gasifier is to emulate the correlation between inputs such as the amount of coal, the ratio of oxygen to coal,etc. and the raw coal gas outputs under different working conditions. The system is helpful for manipulators to master thecontrol process, and is capable to provide the reference data to actual system analysis and optimization. Based on Labview,the simulation system can be established quickly with the support of the abundant graphic functions and powerfulmathematics solvers. Test results of the system indicate that the interface is easy to operate and the simulation outputs areidentical to the reference data.Keywords: coal gasifier; IGCC; Labview; simulation :引的仿真工作還剛剛起步17。本文擬應用Labview的圖形和計算功能，建立-種煤氣整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電是利用煤進(jìn)行發(fā)電的化爐的仿真系統。第二部分介紹煤氣化爐的數學(xué)模型,第三-種高效、 清潔的系統,其中煤氣化爐是將煤轉換為煤氣的部分介紹基于Labview的仿真系統思路和各個(gè)功能模塊的設備,是整個(gè)系統運行的基礎。整個(gè)煤氣化爐設備龐大復雜,實(shí)現，第四部分為仿真系統的試驗測試結果，最后為結論。為確保系統的正常運轉, - -方 面要分析煤氣化的主要工作機1煤氣化爐的數學(xué)模型理14，另一方面要對操作人員進(jìn)行上崗前培訓，使其掌握實(shí)際系統的控制流程，避免不必要的事故發(fā)生。因此,建立針對噴流床氣化爐，在已知供煤量、供氧量以及氣化爐煤氣化爐的計算機仿真系統可以很好地實(shí)現系統分析和人的壓力和溫度的條件下，文獻[1]給出 了粗煤氣產(chǎn)量的預測員培訓的任務(wù)。模型。煤的主要組分包括C、H、0、N和s，氣化爐產(chǎn)生目前，針對化工過(guò)程已建立了-些功能強大的仿真系粗煤氣的主要成分包括H2、CO、 CO2、CH、N2和H2O,統，如Aspen plusl5]等，但這些軟件主要面向對象為系統研還有一些硫化物H2S、cos和SO2等。假設煤氣化爐中的氧發(fā)的工程師，而且造價(jià)昂貴、開(kāi)放性差。而選用一種開(kāi)放式、氣被完全消耗掉，C元素也接近完全轉換，則根據在氣化爐有豐富的圖形功能和數學(xué)計算功能的軟件平臺來(lái)進(jìn)行仿真中所進(jìn)行的化學(xué)反應，得到質(zhì)量平衡方程系統開(kāi)發(fā)則是- -種可行的思路。虛擬儀器軟件Labview,是Nc =N,(Yco+Ya +tYau +Yan)滿(mǎn)足.上述功能要求的- -種?；贚abview 已開(kāi)發(fā)出的成熟的Na =N,(05Yco+ Yco +Yson +05Ycos +05Yrno)1)Nn =N,(Yp +ZYou +Yup +Yup)仿真系統覆蓋航空、汽車(chē)、通訊系統等問(wèn)，而在化工過(guò)程上Nx2 =N(Yx)Ns =N(Yso2 +Yxs +Yos)其中Ng為粗煤氣輸出的總摩爾量，Y.分 別為輸出組分的摩收稿日期: 2004-01-06修回日期: 2004-06-10作者簡(jiǎn)介:趙冬斌(1972-), 男，黑龍江哈爾濱人，副研究員、博士，研爾百分數, N.分別為各個(gè)輸入組分的摩爾量。摩爾百分數滿(mǎn)究方向為智能控制、系統仿真;楊晟剛(1975-), 男，湖南邵陽(yáng)人，博足道爾頓定律,中國煤化工士生，研究方向為智能控制、系統仿真;易建強(1963-),男，江西萍鄉人，研究員、博士，研究方向為智能控制、系統仿真;張彥(1967-), 男，Yoo+YxMHCNMHG* +tmo=l (2)山東滕州人，總工程師、博士生，研究方向為化工過(guò)程與IGCC系統。.Vol. 17 No.5●1259●May 2005趙冬斌，等:煤氣化爐的仿真系統開(kāi)發(fā)同時(shí)給出了四個(gè)化學(xué)反應的平衡系數將之封裝成子程序。主程序負責處理輸入和輸出的數據顯Yy.Yco. = 00265exp(3956/T )示、子程序的調用及相互之間的數據傳遞。由煤氣化爐的主要數學(xué)模型可知，計算粗煤氣的產(chǎn)量需要通過(guò)迭代計算求解YoY3x,P210= 6.7125x10-14 exp (27020/T)(3)非線(xiàn)性方程組，可以利用Labview 的數值計算功能。為方便人工操作，需要設計友好的人機界面和操作故障報警功能。YusYuo =43554x10- exp(26281/T)Yo.Y*m.P2.1數值計算子程序YmsIco=075134exp(4083/T) .YcosYHno煤氣化爐的數值計算子程序包括:輸入變量的計算、非其中T和P分別為化學(xué)反應的溫度和壓力。線(xiàn)性方程組的構造、非線(xiàn)性方程組的求解、計算結果的舍取、式(1)-(3)中， 未知數為Ng和Y,-共十個(gè),對應有十個(gè)和輸出變量的轉換，G語(yǔ)言界面的--部分如圖1所示。從方程，可以求解。而式(3)為非線(xiàn)性方程組，通常需要通過(guò)Labview的編程風(fēng)格可見(jiàn)，同Matlab的Simulink編程類(lèi)似，迭代計算來(lái)求解。采用圖形化、模塊化方式，程序結構清晰，計算流程-目了煤氣化爐的輸入參數包括水煤漿流量Cw和濃度C(或然。這種編程方法便于向非專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員的應用領(lǐng)域推廣。干煤總量Cg和水蒸汽量W)、氧煤比Rdo等。煤的各個(gè)組分非線(xiàn)性方程組的求解是關(guān)鍵模塊，采用數學(xué)工具箱的百分含量表示為Yc, Yz,Yo2,Xv,Yso通過(guò)下式將實(shí)際系統(Mathematics)中的非線(xiàn)性系統求解(Nonlinear system solver)的輸入參數轉換為上述模型所需的輸入參數漠塊，計算原理依據是Newton Rampson算法。只需要對該模塊的外部數據接口進(jìn)行定義即可完成非線(xiàn)性方程組的求解。本文中,將所產(chǎn)生的粗煤氣總摩爾量和煤氣各組分的摩Nc= CsYc /12.011No, = CaYo, /32.0+ W: /(18.016x2)(4)爾百分數定義為待求解變量(對應圖中間部分的m,a,b, ..NH2 =CJYH; 12.016+ W; /18.016變量初始值的取值范圍為1000~ 1000(摩爾總量),0~1(各組Nw, =CJYN: 128.014Ns= CjYs 132.066分摩爾百分數)，迭代計算的收斂精度為1E-5, 非線(xiàn)性方程2基于Labview的仿真系統組的表達式由輸入數值參數進(jìn)行字符串的轉換的連接構造而成。氣化爐的數值計算求解是整個(gè)仿真系統的核心部分,因此,系統設計的思路是首先建立底層計算程序，確認無(wú)誤后煤組分z"皿總摩爾勢m*(b+c+d+h)ZL0D 2尿煤漿流量KgI]C02三200歐煤漿濃(廈購區 ↓ tDBL- 8k100-m*(a+2*d+f+9)上廚“福把2.016四DD1B10.00 m*(b/2+/2+h/2+)/)E5Ftarl電氧煤比36.032)-DBL1面2F少ETrue 工目出。m*e/卜氣號|%28.014m*(g+h+i)/百思。網(wǎng)0E32.066a+b+c+d+e+f+g+h+i-1平衡反應速率1- 0.0265*exp(3956/)F中國煤化工圖1 用于煤氣化爐數值計算的子程序MYHCNMH G.Vol. 17 No.5●1260●系統仿真學(xué)報May 2005非線(xiàn)性方程組的求解可能得到多組解,而實(shí)際系統的輸測試過(guò)程中，調整工作溫度、壓力、水煤漿流量等輸入出只有-種情況，因此需要通過(guò)判斷進(jìn)行多組解的取舍。根參數,可以看到輸出參數如粗煤氣總摩爾量和各組分百分含據待求解變量的定義，不難選擇出判據條件，如a,h,.i的量的顯示儀表實(shí)時(shí)變化。若總摩爾量超過(guò)設定的上下界,則值大于0且小于1時(shí)為有效解。通過(guò)若干次的試驗驗證，所煤氣化爐的顏色變化報警。選用的判據條件可以得到非線(xiàn)性方程組的唯-解。煤氣化爐仿真系統的計算結果同文獻[1 ]中的結果比較2.2主程序界面如表2所示。其中第一-行數據為實(shí)際煤氣化爐的運行工況，主程序的界面設計包括輸入變量的調解，輸出變量的顯第二、四行數據分別為文獻[1 ]在不同溫度下的計算結果，示和異常工況的報警。輸入變量包括煤的組分、水煤漿流量、第三、五行數據分別為本文的仿真系統在不同溫度下的計算水煤漿濃度、氧煤比、工作壓力和溫度?？梢匀藶楦淖兠旱慕Y果?？梢?jiàn)，相同溫度本文的計算結果同文獻[1 ]中基本一分以觀(guān)察對所產(chǎn)生粗煤氣成分的影響，同實(shí)際系統相連接時(shí)致，存在- - -定的誤差。誤差的來(lái)源可能是實(shí)際檢測數據包括該窗口屬性可以變?yōu)橹蛔x，監測煤的組分變化。輸出變量包溫度和組份百分數的舍入誤差，也可能是公式(3)中化學(xué)反括粗煤氣的總摩爾量和各組分的摩爾百分數,各個(gè)儀表盤(pán)的應平衡常數的誤差?？梢圆捎脙?yōu)化等方法,對化學(xué)反應平衡常數進(jìn)行修正，使誤差為零。但所計算的誤差在仿真系統允屬性為只讀。.人員在實(shí)際操作時(shí)，可以通過(guò)調整輸入變量的旋鈕或按動(dòng)許的范圍內，因此通?？梢圆蛔鲂拚?，直接利用該仿真模型增減箭頭來(lái)改變輸入變量值，調用氣化爐數值計算子程序進(jìn)行來(lái)模擬實(shí)際系統的運行情況。若計算溫度取低于實(shí)際氣化爐迭代求解，實(shí)際計算表明僅通過(guò)幾步迭代即可求得非線(xiàn)性方程溫度175度時(shí)，計算結果(第五行)同實(shí)際煤氣化爐數據吻合組的解，因此可以將計算結果實(shí)時(shí)顯示在輸出儀表盤(pán)上。更好,精度更可靠,因此,也可以采用這種簡(jiǎn)單的修正方法。在程序中設置了氣化爐輸出粗煤氣的總摩爾量上下界表2粗煤氣中主要 參數的計算結果報警，以氣化爐的顏色變化指示。還可以根據需要設置其它實(shí)際值1589K 41.0 29.8 10.2 0.3 0.8 1.1 17.1參數的越界報警。文獻[1]1589K 42.5 28.9 8.5 0.01 0.93 1.01 18.11本文1589K 43.04 29.05 8.49 0.0002 0.4 1.03 17.95一工0停止文獻[1] 1414K 41.0 30.1 10.0 0.15 0.93 1.02 16.81414K 41.64 30.42 9.87 0.002 0.4 1.04 16.58-3- O:4結論本文基于虛擬儀器Labview軟件平臺,建立了煤氣化爐: O:的仿真系統。整個(gè)仿真系統具有界面友好、計算速度快、精氣化護度高的特點(diǎn)，便于進(jìn)行操作人員培訓和系統的仿真分析?；鶊D2煤氣化爐仿真 系統的主程序界面于所提出的建模思想,可以進(jìn)一步 建立整個(gè)煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統的仿真模型。3測試試驗結果參考文獻:針對所建立的煤氣化爐仿真系統,需要通過(guò)測試驗證非[1] A.P.Watkinson, JP.Lucas and CJLim. A prediction of performance線(xiàn)性方程組求解的精度，以及主程序和子程序之間數據傳遞of conmercial coal gifier[J], Puel. 1991. 70: 519-527.的準確性。測試試驗的輸入數據同文獻1 - 致，包括Ilinois[2] 李政，王天驕，韓志明. Texaco煤氣化爐數學(xué)模型的研究(1)- -建6#煤、工作溫度和壓力等，如表1所示。模部分[].動(dòng)力工程. 2001, 21(2): 1-116.1168.李政，王天驕,韓志明.Texaco煤化爐數學(xué)模型研究(2) -計算結表1文獻 1提供的煤氣化爐輸入變量果及分析[].動(dòng)力工程, 2001, 21(4): 1316- 1319.煤的組分(%)4] 于遵厚,沈才大，王輔臣等.水煤漿氣化爐的數學(xué)模擬([].燃料化學(xué)學(xué)報, 1993, 21(2): 191-198.69.6 5.3 101.3 3,9 9.9[5] 陳可，張琴舜，沈秀中等.蒸汽發(fā)生器實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真[].鍋爐技術(shù),水煤漿流量氧煤比 水煤漿濃度壓力2001, 3211): 1-6, 32.(Kgh)(Mpai(K)625050.8666.674.0831589中國煤化工MHCNMH G.