气化炉自动建模系统研究

弟22卷第6动力工程2088·2012年12月POWER ENGINEERINGDeC 2(002文章编号:1000-6761(2002)062088-05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、逻关系推导和端制仿真翟序的工作量,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,按照小室檨型的担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机程序,方使仿真计算、由于该系鱿避开了工程中常用的纯数值建模的思路,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統为计算平台才使得该系统具有强大的逻辑关系推导能力。系统在某气化炉的建幞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樸工作量,特別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貢献。关键词:气化炉;数学模型;逻辑关系;符号运算中图分类号:TK229文献标识码:A0引言和浓度。反应动力学模型包含了气化炉中发生的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1气化炉及其建模程。通过求解这些方程,可以得到气化炉内温度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,氧气和雾状水煤浆在炉内经历一系列复杂的物理、化学过程上拱嘎后生成以一氧化碳、氢气、二氧化碳和水蒸气为主射流段要成分的混煤气及熔渣,二者一并离开反应区后进人底部的急冷室分离,上直筒度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:2001-1120修订日期:20020322作者简介:白泉,男,博十研究生,日前,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模与j伤真妍究方面的工作中国煤化工CNMHG第6期动力工程2089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:气化炉中同吋发生多种化学反应,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量平有无能量平衡的情况。衡方程是一个繁琐的过程,工作量大,重复性强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刈简功能比较弱,要想完成上述工作,必須突破旧的思单、重复性强的过程,T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。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推导平衡(1)输入参数方程表达式、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入可以分为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,而不是让繁项的推导和编程工作占用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入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3.1气化炉自动建模系统的设计思路反应物是单筛分还是宽筛分,是否需要进行能量气化炉自动建模系统的设计思路是:借助计平衡计算算机对输入的化学反应列表和化学反应速率表达表1气化炉自动建模系统的输入式进行推导,计算出各反应物的生成/消耗速率对应的化学反应的化学反应方程式再在此基础上按照小室模型的框架列写物质、能速率的函数名量平衡方程,然后利用该系统将平衡方程表达式CO+1/202=CO2生成 FORTRAN程序通过将平衡方程代码与流2H+1/20-HO动模型和求解算法代码一起编译、连接,最终生成r=rutar能够进行仿真计算的气化炉整体模型(图2)。345H2C建立的自动建模系统必须能够处理各化学反C+I/rphiO2=(2-2/rphr=a3化学反应列寰化学反应的反速率L选动携型】[其它〔XO+(2/rphi1)COC-+CO,=2C化学反应列表6 CO+H2O-CO2+H2化学反应的反应速事7 CO2+H2-CO+H2Or= rk4各小室内色个物属的是是量8C+H O=CO+H2C+2H,=CH,按平衡方程表达10 CO+H O=CO+H2rags11 CH,,HO-CO+3H2 CH+202CO2+2H:O分析计算纳果图2气化炉整体梗型结构和气化炉自动建模系统的作用范H中国煤化工率计算表达式都CNMHG提供相应的函数时佚合应速率用独立的2090动力工程第22卷上 ORTRAN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中为输入,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入的时候只要给出这些参数的函数名即可度由于采用符号计算工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入、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朦的物质的量等。如巢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、固体物质的名称输入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其它的参数列表本小室中质量加入,排出炉物质名称给给人、带出温摩尔质梃百分比度下的比焙CH√给料中C的百分含√所有固体总绐料量受热面吸热/化学反应吸热/散热损失放热综上所述,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部分输入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1的输入量进行处理),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。中国煤化工CNMHG第6期动力工程91C tO,cO-=C+c),zo系数矩阵转置RO,+10RCO2CO+O2-2O2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…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一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入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于化学反应引的质量=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种气体物质有进人、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)、』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1中的输入为例,9种物质在发生12种化学反则是: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1. 165rvtat 2-2xk6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入到ch=a2-k5-xk6下一个小室的所有物质带走的能量+化学反应产c=1+24-513(2-2}-xk1-xk3+xk4+太生/吸收的热量+受热面的吸热/放热量-散热损co2"a1+A3+a3(-1+rphi! rvtar + xk1+ xk3在化学反应生成/消耗速率表达式的基础上结合流动和其它输入,自动建模系统可以按照上述规则自动选择合适的参数,“搭建”生成各小室h2. a1-2a2+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b2o=--al-n5+0.34Srviar +xk2-xk3+ xk4-xk5+达式的形式。搭建过程中也需要针对物质名称问量和其它参数进行逻辑关系推导。例如:在能量平衡方程式图3化学动力学筷型自模的结果中,自动建模系统黹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小室的质、能量平衡表达式的功能,而且能够自动在表达气体茂入回体入式的基础上建立 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标准的 FORTRAN语言子程序模块。与气化炉其产生的挥发分它部分(如流动模型和数学求解模型)放在一起编译连接后,就能够生成气化炉整体模型的仿真程化学反应序小室的本小室的生成耗中国煤化工成的第三个重要气体霞比四体出功图4小室模型示意图HCNMH灬能够根据输入2092动力工程第22卷的化学反应列長和各反廠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,节约了大量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長达式,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髹序代码。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4自动建模系统的验证型假定本身的正确与否上,有较大的实用价值参考文献木文针对原有的德士古气化炉整体模型进行了验证和示范该模型将整个炉膛划分为15个小{1李政,王人骄,等.1煤气化炉数学模型研究一-建便室,每个小室中考虑了8种气体、2种固体的质量部分门].动力工程,2001,21(2[2]李政,+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[Jl动力工程,2001,21(4)实践表明:自动建模系统生成的程序和手工131白泉李政,倪维斗,计算机代数在动力系统建模与仿真編写的程序计算结果一致,这验证了该系统推导中的应用]动力工程,2001,21(5):1469~147结果的正确性。在删除某化学反应时,手工推导至4]SvAs. Caster M. Autonatic Diffcrentiation and imp少要花费一天甚至几天生成新的模型计算程序,thiation of Thermodynamic: Models Using a Computer Al自动建模系统可以在几秒钟内完成。gebra SystetmLC' L. European Symposium on Computer Aided5结论L时」陈宗海,过程系统建模与仿真「M],中国科学技术大学出版气化炉自动建模系统的使用不但能够大大减6] Abraham1,bter.利用符号运算进行工程分析一一个突少该气化炉模型第一次建模中遇到的繁琐的表达破门.力学进展,994,May25式推导工作,而且为模型建立以后修改模型的化【7黄新生,黄圳主,朱小谦多刚体系统计真机代数动力学壁模研究|J1国防科技大学学报,1998,02Study of Gasifier Auto-Modeling SystemBAI Quan, Li Zheng, Ni Wei-dou(Depl. of Thermal Engrg., Qinghua Univ, Beijing 100084, China)Abstract: In order to reduce the modeling work of model deduction logic relationship ircatment andwriting simulation programs in gasiler modeling procedure, a gasifier auto-modeling system is estab-lished. Such a system can deduct mass and cnergy balance equations based on cell model modelingmethod for multi gas and solid substances, and generate corresponding computer subroutine programIn 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 hurnan's work to simplify gasifier modeling procedure, especially to reducedthe modeling complexity brought by the variation of chenical reaction assumption. Moreover,thegasifier auto-modeling system is a new sample of how to use computer to substitute human's modelingrk. Figs 4, tables 2 and rels 7.Key words: gasifier; mathematical model logic relationship; symbolic calculation中国煤化工CNMHG