气化炉自动建模系统研究

第22卷第6期动力工程Vol, 22 No. 6. 2088.20102年12月POW ER ENGINEERINGDe 2002文章编号:1000 6761(2002)06 2088 05气化炉自动建模系统研究白泉，李政，倪维斗(清华大学热能工程系，功力机械及工程研究所，北京100084)摘要:为了减轻建模人员在建模公式推导、逻辑关系推导和编制仿真程序的工作量，设计了气化炉自动建模系统。该系统在反应物为多种气体、多种国体(均考虑为单筛分)的条件下,按照小室模型的框架自动列写.相应各个物质的质量、能量平衡方程。并自动生成相应的计算视程序，方便仿真计算。由于该系统避开了工程中常用的纯鼓值建模的思路。采用了新的数学工具一以符号运算为特长的计算机代数系统为计算平台，才使得该系统具有强大的逻辑关系推导能力。该系统在某气化炉的建模过程中得到了验证和示范、事实表明:该系统大大减少了气化炉的建模工作量，特别是减少由于化学反应假定的不同带来的建模复杂性,对于建模与仿真研究新方法的突破有所贡献。关键词:气化炉:数学模型:逻辑关系:符号运算中图分类号:TK 229文献标识码:A和浓度。反应动力学模型包含了气化炉中发生的0引言多种化学反应的化学动力学信息，如:化学反应路气化炉是一个具有复杂物理化学过程的热动径、化学反应速率等,从这些信息可以推算出每种;力系统装置,气化过程中发生的化学反应的多样反应物的生成/消耗速率。流动模型和反应动力学性更加深了气化炉的建模的复杂性。为了从最大模型为小室内物质、能量平衡方程的列写提供了程度上减少气化炉的建模工作,特别是减少由于边界条件。按照小室模型的建模思路将气化炉沿化学反应假定的不同带来的建模复杂性,本文设轴向划分为若干小室(图1)后,在每个小室中建计了基于符号运算的气化炉自动建模系统。立了煤气组份及固体物质的质量和能量平衡方程。通过求解这些方程,可以得到气化炉内温度、1气化炉及其建模反应物浓度和含碳量的分布特性。德士古气化炉的工作过程是:水煤浆通过喷嘴在高速氧气流作用下喷人气化炉,氧气和雾状T2M上拱顷水煤浆在炉内经历一系列复杂的物理、化学过程后生成以一氧化碳、氢气、二氧化碳和水蒸气为主射流段要成分的湿煤气及熔渣，二者一并离开反应区后进人底部的急冷室分离，上直简段本课题组对气化炉进行过建模研究,在小室建模方法的基础上建立了气化炉整体模型。该模型大致可以分为3部分:流动模型,反应动力学模下直简段型和小室内物质/能量平衡方程。气化炉流动模型由气化炉的给料和儿何尺寸益口收端段计算出气化炉中各个小室内气固两相物质的流速收稿日期:2001-11 20修订日期:2002-03-22作者简介:白泉,男,博于研究生。 目前，主要从事新型热动图1气化炉小室 的划分力设备的计算机建懒与伤真研究方面的工作。第6期动力工程●2089●2建立气化炉自动建模系统的动机应的反应速率到各反应物化学速率的映射关系，能够结合流动模型和其它模型提供的输入参数，在建模过程中,建模研究者遇到的一个实际推导出气体、固体的物质、能量平衡方程表达式。问题是:气化炉中同时发生多种化学反应.由这些它还必须能够处理多种气体、多种固体反应物和化学反应推导各个物质的质量平衡方程和能鼠平有无能最平衡的情况。衡方程是一个繁琐的过程,工作量大,重复性强，E程上最常用到的计算机语言(如C语言、容易出错。建立小室中气体、固体的物质能量平衡FORTRAN语言)只注重纯数值运算，逻辑推导方程后,据此编制仿真程序代码也是一个相对简功能比较弱.要想完成上述工作.必须突破旧的思单、重复性强的过程，工.作量大,而且容易出错。有路,采用更先进的数学工具。以符号计算.逻辑关时手1.推导、编程和检查工作加起来竟占了所有系推导和复杂计算见长的计算机代数系统在此方建模工作量的50%以上。在添加/删除某个化学面有着独到的优势。因此,本文采用计算机代数系反应时,推导和编程工作需要重新进行,工作量较统作为工作平台。大3.2气化炉 自动建模系统组成部分介绍建模研究者希望能够有套工具帮助椎导平衡(1)输人参数方程表达式、帮助进行仿真程序的编制，这样研究.气化炉自动建模系统的输人可以分为3个部者可以将精力集中在模型的物理、化学假定是否分:反应动力学部分、流动模型计算结果和其它建合理上.面,而不是让繁琐的推导和编程工作占用立小室模型必需的参数(图2)。了过多的时间。①反应动力学部分的输入本文设计的气化炉自动建模系统是为了满足与反应动力学部分相关的输人是指建模时研这种需求研制的。究者假设的气化炉中发生的所有化学反应及其化3气化炉自动建模系统研究学反应速率(表1)。同时,还需要指明其中的固体反应物是单筛分还是宽筛分,是否需要进行能量3.1气化炉 自动建模系统的设计思路气化炉自动建模系统的设计思路是:借助计平衡计算。表1气化炉 自动建模系统的输入算机对输人的化学反应列表和化学反应速率表达式进行推导，计算出各反应物的生成/消耗速率，化学反应方程式对应的化学反应的速率的丽数名再在此基础t按照小室模型的框架列写物质、能量平衡方程,然后利用该系统将平衡方程表达式1 | C0+1/20:-002| r=xk1生成FORTRAN程序。通过将平衡方程代码与流H:+ 1/202=H2Or=xk2动模型和求解算法代码一起编译、连接,最终生成TAR+ 1. 165O2- C0:+0.r= rvtar能够进行仿真计算的气化炉整体模型(图2)。345H2O建立的自动建模系统必须能够处理各化学反C+ 1/phi*O2= (2- 2/phi)r=a3化学反应列表流动横型其它参数)00+ (2/phi-- 1CO2化学反应的反应速率5 | C+CO2=2C0CO+H2O=C02+H2r=xk3化学反应的反应速事C02+H2=C0+ H2()r=xk4技照“小室"模型的振架建立， 8| C+H2O=C0+Hz各小室内各个物质的质量，院平衡方程油自动建模系统代9 C+2H2=CH, .r二u2按照中衡方程表达式进手工推导，编程编制计算机仿真程序|10| (0+H20=CO2+H2r∞u511 | CH,1 H2()=C0+ 3H,r=xk5CH4+ 20):-CO2+ 2H2Or=xk6[分析计算结果]由于每种化学反应的反应速率计算表达式都图2气化炉整体梗型结构和气化炉自动建模系统的作用范比较复杂,因此，在输人时只需要提供相应的兩数名称，在计算的时候将各反应速率用独立的.●2090●动力工程第22卷FORTRAN函数计算。②流动模型的计算结果值得指出的是:在某些情况下化学反应方程自动建模系统需要以流动模型的计算结果作式中的系数并不是整数,而是一个函数(如表1中为输人,因此必须提供各个小室中的流动参数,在的4号反应),这给系数的识别带来了一定的难输人的时候只要给出这些参数的雨数名即可。度。由于采用符号计算上具.本系统能够成功识别③其它建立小室模型必需的参数该系数，并将其处理成为一个特别的反应方程式以小室模型为构架列写平衡方程时，还需要系数。其它一些变量,如挥发份分解产物的引人、从各小在建模的时候,并不一定所有的反应物都参室排出炉膛的物质的量等。如果要列写能量平衡与物质、能量平衡计算,因此,需要给定进行计算方程,还需要给出不同气体/固体、不同温度下对的气体.固体物质的名称。输人时需要分别给定气应的比焓和受热面吸热量等。体物质和固体物质的名称和种类。表2其它的参数列表物质名称摩尔质继本小室中质量加入、排出炉膛挥发份带人给入、带出温百分比排出度下的比焙)21CH4J/......给料中C的话C|体百分含量J所有固体总给料量、受热面吸热/散热损失化学反应吸热/放热散热综上所述，所有其它输入量在按照上述要求在自动建模系统中我们没有继续使用手工推“规范化”后可以制成表2。按照具体情况将表填导的思路,而是采用系数矩阵的方法从整体的角.好、编制必要的子程序后,气化炉自动建模系统就度同时处理所有化学反应方程式及反应速率,思.可以在这3部分输人量的基础上.进行自动推导各路如下:个量之间的关系,生成质量能量平衡表达式和仿首先,将各化学反应方程式写成反应方程式真程序。向量,相应的反应速率写成化学反应的反应速率(2)反应动力学模型中物质关系的自动推导向量,再从化学反应方程式向量中识别并提取化自动建模系统具有的第-一个重要功能是由化学反应涉及到的所有物质的名称，组成反应物名学反应方程式列表自动推导反应方程式和各物质称向量。然后,根据物质名称向量的顺序从各个化的映射关系(即针对表I的输人量进行处理),生学反应方程式向量中提取该物质在各个反应中的成各个反应物由化学反应引起的生成/消耗速率:系数值(根据生成和消耗的不同将系数值处理成表达式。正值或者负值),组成化学反应系数矩阵。此系数研究人员手工推导时，是按照同一种反应物矩阵乘以反应物名称向量后能推出化学反应方程的顺序进行的。过程是:先选定某种反应物,再从式向量。此系数矩阵转置后乘以化学反应的反应多个化学反应方程式中分布提取该物质在各反应速率向量后，就能得到综合考虑所有化学反应时中的系数,然后乘以该反应的反应速率,这样得到各个物质的反应速率向量。下面是一个用3个化该物质的生成/消耗速率。这种思路需要重复搜索学反应说明该过程的简单示例:多个化学反应方程式，不但繁琐、而且比较慢。第6期动力工程●2091●(+1+I(RC+1 +1O(C+O2 CO2系数矩阵转置| RO,+10!C+C02- 2COi CO(2C0+0;-2C02)| RC0)!RC0, |借助计算机代数系统的多项式符号运算功则是:能，可以从化学反应方程式向量中分离出物质名外部供入该小室的质量+上一个小室流入本称向量和系数矩阵,借助符号运算和矩阵运算功小室的质量-离开本小室的该物质的量-本小室能、可以完成系数矩阵和表达式向量的逻辑与数流人到下一个小室的质量+化学反应生成/消耗值关系推导,最终得到各个物质由丁化学反应引的质量=0起的生成/消耗速率表达式。列写小室的能量平衡方程式需要同时考虑所气化炉自动建模系统中考虑了8种气体物质有进入、流出本小室的所有气体、固体物质携带的(氧气、甲烷.一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、氢气、能量,同时，再加上化学反应产生/吸收的热量、小氮气、水蒸气)、1种固体物质(碳)的物质平衡。以.室中所有受热面的吸热/放热量和散热损失。其规表]中的输人为例,9种物质在发生12种化学反应的情况下.计算结果如图3所示:外部供入该小室的所有物质带来的能量+上()2一rphi3--1. 165rvtar xK1_xk2_ 2xk6一个小室流入本小室的所有物质带来的能量离开本小室的所有物质带走的能量-本小室流人到ch=a2-xk5- xk6下一个小室的所有物质带走的能量+化学反应产co-a1+2a4-a5+a3(2- pmixk1 xk3+xk4 t xk5 :生/吸收的热量+受热面的吸热/放热量--散热损失=0.ro2-a1 +as+a3(-1+pal! trlar + xk1+xk3-在化学反应生成/消耗速率表达式的基础上,xk4+结合流动和其它输人,自动建模系统可以按照上h28s=:0述规则自动选择合适的参数，“搭建"生成各小室h2- al - 2a2+a5- xk2+xk3 - xk4 + 3xk5内各个物质的质量平衡表达式和小室能量平衡表n2=0h2o=-a1-n5 + 0.345rviar + xk2-xk3+ xk4 - xk5十达式的形式。搭建过程中也需要针对物质名称向量和其它2xk6参数进行逻辑关系推导。例如:在能量平衡方程式e=-al-u2- a3-a4图3化学动力学镇壁自动建模的结果中、自动建模系统需要根据某物质流的物质类别(3)建立小室内物质、能量平衡方程及表2中相应属性自动将流量和比焓相乘生成流自动建模系统完成的第二个重要功能是自动动物质总焓值的表达式。建立小室内部各物质的质量能量平衡表达式。(4)计算机代码的生成气化炉某小室内部的气体、固体平衡关系示以前研究人员在推导得到物质、能量平衡方意图如图4所示。在静态条件下,针对某一个小室程的表达式后,需要手工将这些表达式编制成仿列写的某一种气体或者固体物质的质量平衡的规真程序代码,才能进行仿真计算。本气化炉自动建模系统不但有自动生成物上个小室的上个个京的质、能址平衡表达式的功能,而且能够自动在表达气体院人民团体洗人式的基础上建立FORTRAN语言程序代码，在该代码基础上经过部分加工后可以将这些代码生成横入的_标准的FORTRAN语言子程序模块。与气化炉其户生的辉发分00.光体生它部分(如流动模型和数学求解模型)放在-起编详连接后,就能够生成气化炉整体模型的仿真程↓化学反应序。这是该自动建模系统能够完成的第二个重要本小室的本个室的生成通耗功能。图4小室锁型示意图总之,本气化炉自动建模系统能够根据输人●2092.动力工程第22卷的化学反应列長和各反应的反应速率自动推导各.学反应假定提供了极人的方便,节省了大量推导、个反应物的生成/消耗速率,再在此基础.上按照小:编程的工作量，节约了大鼠时间。室模型的思路结合流动等其它参数搭建多种气.事实表明:自动建模系统的建立能够使建模体、固体物质的质量,能量平衡方程表达式.最终研究人员减少在公式推演、逻辑关系推导和编写生成计算机程序代码。此代码与其它部分结合组仿真程序等简单、低水平的细节工作上的投入，转成气化炉整体仿真程序。而将更多的精力投入到模型的物理化学背景及模型假定本身的正确与否上.有较大的实用价值。4自动建模系统的验证木文针对原有的德士古气化炉整体模型进行参考文献:了验证和示范,该模型将整个炉膛划分为15个小l11李改.王天新。等。 Texaco煤气化炉数学模型研究--建模室，每个小室中考虑了8种气体.2种固体的质量部分[J].动力工程.2001.21(2).[2]李政、十天骄，等 Texaco煤气化炉数学模型研究-计算平衡和小室能量平衡。结果及分析[].动力工程20121(4)实践表明:自动建模系统生成的程序和手工[37白 泉,李政.倪维4.计算机代数在动力系统建模与仿真编写的程序计算结果一致，这验证I该系统推导中的应用J]动力工程.2001.21(5>.1469~- 1473.结果的正确性。在删除某化学反应时,手工推导至[4] Silva A s. Castier M. Auonaic iffrencirtion and Imple-mentation of Thermodynapie Models Using a Computer Al少要花费一天其至几天生成新的模型计算程序，grbra System[( 1. European Symuposium on Computer Aidel自动建模系统可以在几秒钟内完成。Prucess Fngineering. 1996.5结论L5」陈宗海过程系统建模与仿真[M].中国科学技术大学出版杜。1997.气化炉自动建模系统的使用不但能够大大减[6] Abraham I, Beltzer.利用符号运算进行工程分析- - 。-个突少该气化炉模型第一次建模中遇到的繁琐的表达破[]。力学进展,1994,May 25.式推导工作,而且为模型建立以后修改模型的化[7」黄新生.黄圳生,朱小谦多刚体系统计算机代数动力学建模研究[]1.国防科技大学学报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