煤气化炉的仿真系统开发

系统仿真学报Vol.17 No. 5●1258.JOURNAL OF SYSTEM SIMULATIONMay 2005煤气化炉的仿真系统开发赵冬斌',杨晟刚'，易建强'，张彦2(中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学实验室,北京10080;0 2兖矿国泰化工有限公司，山东滕州277527)摘要:煤气化炉是整体煤气化联合循环发电(IGCC)的-一个主要设备。通过建立煤气化炉仿真系统,可以模拟各种工况下，系统输入量如煤量、氧煤比等参数同粗煤气产量之间的变化情况，便于操作工人熟悉系统控制流程，同时可以为系统的分析优化提供依据。以虚拟仪器Labview软件为设计平台，充分利用其丰富的图形功能和数学计算功能，可以快速建立整个仿真系统。所建立的仿真系统试验结果表明，仿真界面易于操作，输出参数结果同已知文献结果对比吻合。关键词:煤气化炉; IGCC; Labview; 仿真文章编号: 1004-731X (2005) 05- 1258-03中图分类号: TP3919文献标识码: 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 :引的仿真工作还刚刚起步17。本文拟应用Labview的图形和计算功能，建立-种煤气整体煤气化联合循环(IGCC)发电是利用煤进行发电的化炉的仿真系统。第二部分介绍煤气化炉的数学模型,第三-种高效、 清洁的系统,其中煤气化炉是将煤转换为煤气的部分介绍基于Labview的仿真系统思路和各个功能模块的设备,是整个系统运行的基础。整个煤气化炉设备庞大复杂,实现，第四部分为仿真系统的试验测试结果，最后为结论。为确保系统的正常运转, - -方 面要分析煤气化的主要工作机1煤气化炉的数学模型理14，另一方面要对操作人员进行上岗前培训，使其掌握实际系统的控制流程，避免不必要的事故发生。因此,建立针对喷流床气化炉，在已知供煤量、供氧量以及气化炉煤气化炉的计算机仿真系统可以很好地实现系统分析和人的压力和温度的条件下，文献[1]给出 了粗煤气产量的预测员培训的任务。模型。煤的主要组分包括C、H、0、N和s，气化炉产生目前，针对化工过程已建立了-些功能强大的仿真系粗煤气的主要成分包括H2、CO、 CO2、CH、N2和H2O,统，如Aspen plusl5]等，但这些软件主要面向对象为系统研还有一些硫化物H2S、cos和SO2等。假设煤气化炉中的氧发的工程师，而且造价昂贵、开放性差。而选用一种开放式、气被完全消耗掉，C元素也接近完全转换，则根据在气化炉有丰富的图形功能和数学计算功能的软件平台来进行仿真中所进行的化学反应，得到质量平衡方程系统开发则是- -种可行的思路。虚拟仪器软件Labview,是Nc =N,(Yco+Ya +tYau +Yan)满足.上述功能要求的- -种。基于Labview 已开发出的成熟的Na =N,(05Yco+ Yco +Yson +05Ycos +05Yrno)1)Nn =N,(Yp +ZYou +Yup +Yup)仿真系统覆盖航空、汽车、通讯系统等问，而在化工过程上Nx2 =N(Yx)Ns =N(Yso2 +Yxs +Yos)其中Ng为粗煤气输出的总摩尔量，Y.分 别为输出组分的摩收稿日期: 2004-01-06修回日期: 2004-06-10作者简介:赵冬斌(1972-), 男，黑龙江哈尔滨人，副研究员、博士，研尔百分数, N.分别为各个输入组分的摩尔量。摩尔百分数满究方向为智能控制、系统仿真;杨晟刚(1975-), 男，湖南邵阳人，博足道尔顿定律,中国煤化工士生，研究方向为智能控制、系统仿真;易建强(1963-),男，江西萍乡人，研究员、博士，研究方向为智能控制、系统仿真;张彦(1967-), 男，Yoo+YxMHCNMHG* +tmo=l (2)山东滕州人，总工程师、博士生，研究方向为化工过程与IGCC系统。.Vol. 17 No.5●1259●May 2005赵冬斌，等:煤气化炉的仿真系统开发同时给出了四个化学反应的平衡系数将之封装成子程序。主程序负责处理输入和输出的数据显Yy.Yco. = 00265exp(3956/T )示、子程序的调用及相互之间的数据传递。由煤气化炉的主要数学模型可知，计算粗煤气的产量需要通过迭代计算求解YoY3x,P210= 6.7125x10-14 exp (27020/T)(3)非线性方程组，可以利用Labview 的数值计算功能。为方便人工操作，需要设计友好的人机界面和操作故障报警功能。YusYuo =43554x10- exp(26281/T)Yo.Y*m.P2.1数值计算子程序YmsIco=075134exp(4083/T) .YcosYHno煤气化炉的数值计算子程序包括:输入变量的计算、非其中T和P分别为化学反应的温度和压力。线性方程组的构造、非线性方程组的求解、计算结果的舍取、式(1)-(3)中， 未知数为Ng和Y,-共十个,对应有十个和输出变量的转换，G语言界面的--部分如图1所示。从方程，可以求解。而式(3)为非线性方程组，通常需要通过Labview的编程风格可见，同Matlab的Simulink编程类似，迭代计算来求解。采用图形化、模块化方式，程序结构清晰，计算流程-目了煤气化炉的输入参数包括水煤浆流量Cw和浓度C(或然。这种编程方法便于向非专业技术人员的应用领域推广。干煤总量Cg和水蒸汽量W)、氧煤比Rdo等。煤的各个组分非线性方程组的求解是关键模块，采用数学工具箱的百分含量表示为Yc, Yz,Yo2,Xv,Yso通过下式将实际系统(Mathematics)中的非线性系统求解(Nonlinear system solver)的输入参数转换为上述模型所需的输入参数漠块，计算原理依据是Newton Rampson算法。只需要对该模块的外部数据接口进行定义即可完成非线性方程组的求解。本文中,将所产生的粗煤气总摩尔量和煤气各组分的摩Nc= CsYc /12.011No, = CaYo, /32.0+ W: /(18.016x2)(4)尔百分数定义为待求解变量(对应图中间部分的m,a,b, ..NH2 =CJYH; 12.016+ W; /18.016变量初始值的取值范围为1000~ 1000(摩尔总量),0~1(各组Nw, =CJYN: 128.014Ns= CjYs 132.066分摩尔百分数)，迭代计算的收敛精度为1E-5, 非线性方程2基于Labview的仿真系统组的表达式由输入数值参数进行字符串的转换的连接构造而成。气化炉的数值计算求解是整个仿真系统的核心部分,因此,系统设计的思路是首先建立底层计算程序，确认无误后煤组分z"皿总摩尔势m*(b+c+d+h)ZL0D 2尿煤浆流量KgI]C02三200欧煤浆浓(厦购区 ↓ tDBL- 8k100-m*(a+2*d+f+9)上厨“福把2.016四DD1B10.00 m*(b/2+/2+h/2+)/)E5Ftarl电氧煤比36.032)-DBL1面2F少ETrue 工目出。m*e/卜气号|%28.014m*(g+h+i)/百思。网0E32.066a+b+c+d+e+f+g+h+i-1平衡反应速率1- 0.0265*exp(3956/)F中国煤化工图1 用于煤气化炉数值计算的子程序MYHCNMH G.Vol. 17 No.5●1260●系统仿真学报May 2005非线性方程组的求解可能得到多组解,而实际系统的输测试过程中，调整工作温度、压力、水煤浆流量等输入出只有-种情况，因此需要通过判断进行多组解的取舍。根参数,可以看到输出参数如粗煤气总摩尔量和各组分百分含据待求解变量的定义，不难选择出判据条件，如a,h,.i的量的显示仪表实时变化。若总摩尔量超过设定的上下界,则值大于0且小于1时为有效解。通过若干次的试验验证，所煤气化炉的颜色变化报警。选用的判据条件可以得到非线性方程组的唯-解。煤气化炉仿真系统的计算结果同文献[1 ]中的结果比较2.2主程序界面如表2所示。其中第一-行数据为实际煤气化炉的运行工况，主程序的界面设计包括输入变量的调解，输出变量的显第二、四行数据分别为文献[1 ]在不同温度下的计算结果，示和异常工况的报警。输入变量包括煤的组分、水煤浆流量、第三、五行数据分别为本文的仿真系统在不同温度下的计算水煤浆浓度、氧煤比、工作压力和温度。可以人为改变煤的结果。可见，相同温度本文的计算结果同文献[1 ]中基本一分以观察对所产生粗煤气成分的影响，同实际系统相连接时致，存在- - -定的误差。误差的来源可能是实际检测数据包括该窗口属性可以变为只读，监测煤的组分变化。输出变量包温度和组份百分数的舍入误差，也可能是公式(3)中化学反括粗煤气的总摩尔量和各组分的摩尔百分数,各个仪表盘的应平衡常数的误差。可以采用优化等方法,对化学反应平衡常数进行修正，使误差为零。但所计算的误差在仿真系统允属性为只读。.人员在实际操作时，可以通过调整输入变量的旋钮或按动许的范围内，因此通常可以不做修正，直接利用该仿真模型增减箭头来改变输入变量值，调用气化炉数值计算子程序进行来模拟实际系统的运行情况。若计算温度取低于实际气化炉迭代求解，实际计算表明仅通过几步迭代即可求得非线性方程温度175度时，计算结果(第五行)同实际煤气化炉数据吻合组的解，因此可以将计算结果实时显示在输出仪表盘上。更好,精度更可靠,因此,也可以采用这种简单的修正方法。在程序中设置了气化炉输出粗煤气的总摩尔量上下界表2粗煤气中主要 参数的计算结果报警，以气化炉的颜色变化指示。还可以根据需要设置其它实际值1589K 41.0 29.8 10.2 0.3 0.8 1.1 17.1参数的越界报警。文献[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停止文献[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结论本文基于虚拟仪器Labview软件平台,建立了煤气化炉: O:的仿真系统。整个仿真系统具有界面友好、计算速度快、精气化护度高的特点，便于进行操作人员培训和系统的仿真分析。基图2煤气化炉仿真 系统的主程序界面于所提出的建模思想,可以进一步 建立整个煤气化联合循环发电系统的仿真模型。3测试试验结果参考文献:针对所建立的煤气化炉仿真系统,需要通过测试验证非[1] A.P.Watkinson, JP.Lucas and CJLim. A prediction of performance线性方程组求解的精度，以及主程序和子程序之间数据传递of conmercial coal gifier[J], Puel. 1991. 70: 519-527.的准确性。测试试验的输入数据同文献1 - 致，包括Ilinois[2] 李政，王天骄，韩志明. Texaco煤气化炉数学模型的研究(1)- -建6#煤、工作温度和压力等，如表1所示。模部分[].动力工程. 2001, 21(2): 1-116.1168.李政，王天骄,韩志明.Texaco煤化炉数学模型研究(2) -计算结表1文献 1提供的煤气化炉输入变量果及分析[].动力工程, 2001, 21(4): 1316- 1319.煤的组分(%)4] 于遵厚,沈才大，王辅臣等.水煤浆气化炉的数学模拟([].燃料化学学报, 1993, 21(2): 191-198.69.6 5.3 101.3 3,9 9.9[5] 陈可，张琴舜，沈秀中等.蒸汽发生器实时动态仿真[].锅炉技术,水煤浆流量氧煤比 水煤浆浓度压力2001, 3211): 1-6, 32.(Kgh)(Mpai(K)625050.8666.674.0831589中国煤化工MHCNMH G.