燃料乙醇系统模拟平台开发及应用

化工进展2009年第28卷第12期CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS·2129研究开发燃料乙醇系统模拟平台开发及应用张志强1,胡山鹰1,陈定江1,沈静珠',杜风光2(清华大学化学工程系,北京1004:2河南天冠企业集团有限公司,河南南阳473000摘要:对典型燃料乙醇系统进行了分析,阐述了目前该系统相关全流程模拟模型的不足以及由非线性和复杂性等特征导致的系统建模难点。在此基础上,运用VC#编程工具和 SQLSERⅤE开发了全新的燃料乙酶系统模拟平台,该平台可模拟燃料乙醇实际生产过程,能够从物质流、能量流、水流、价值流等方面对系统开展工业生态学分析,最后利用实际生产过程中出现的两个问题案例对平台进行了检验关键词:燃料乙醇;模拟分析;工业生态学中图分类号:TQ0218文献标识码:A文章编号:1000-6613(2009)12-2129-06Development and application of a simulation model for fuel ethanolproduction systemZHANG Zhiqiang, HU Shanying, CHEN Dingjiang SHEN Jingzhu', DU FengguanCompany Limited, Nanyang 473000, Henan, China)Abstract: Based on the analysis of a typical fuel ethanol production system, and the disadvantage ofcurrent simulation models as well as the modelling difficulties caused from system characteristics, e.gnon-linear and complexity, a simulation platform for fuel ethanol production system is developed usingVC# programming tools and SQLSERVE. This developed simulation platform can simulate the actualfuel ethanol production process, and can carry out a full-range system analysis of industrial ecologyfrom the aspects of material flow, energy flow, water flow and value flow etc. Finally, the functionalityof this developed simulation platform was verified by using two cases happened in real productionKey words: fuel-ethanol; simulation and analysis: industrial ecology近年来,能源问题日见显著,增加能源供应和几方面的作用:快速对多种生产方案进行评价和分减少温室气体排放两大因素共同推动了世界生物质析,对原料、产品做出最佳的选择,以提高该系统能源的发展,利用生物质生产能源与化工产品已成的生产效率和经济效益;灵活改变相关参数和工艺为工业发展的新方向。其中尤以利用多种生物质条件进行生产过程的模拟,对实际生产进行指导;原料生产燃料乙醇作为新型替代能源最具潜力。本对企业物流、能流、水流、价值流进行定量分析,文以燃料乙醇系统作为研究对象,利用系统工程的推动企业节材、节能、节水等各项工作的进行,为思路和方法,对生物质能源企业利用IT技术构建虚科学管理奠定基础等。此外,它对于燃料乙醇企业拟的生物炼制系统,并对其进行模拟和工业生态学分析,实现了循环经济和信息化技术的结合。收稿日中国煤化工基于现代信息技术和软件T程的新成果,结合金项CNMH(436040)及“十一五过程系统T程、化学工程的原理,针对燃料乙醇系第一作者简介。张志强(1984-),男,博士研究生,联系人,胡山统开发系统模拟及优化集成的软件,可以起到如下鹰.E-mailhxr-dce@mail.tsinghua.edu.cn.2130·2009年第28卷在变化莫测的市场环境中快速、正确的做出决策,模拟软件( Aspen,ProⅡ等)对玉米乙醇生产进行利用模拟优化结果指导资源配置等有着非常重要的模拟5:有的将多日标优化、不确定分析的方法指导意义围。和思路引入模型对燃料乙醇生产系统进行分析1燃料乙醇循环经济系统建模还有的利用 EXCEL构建燃料乙醇过程的技术经济模型等。l.1典型燃料乙醇生产系统表1对近年来国际上与燃料乙醇系统模拟和分以一个利用小麦、玉米、木薯等多种生物质为析相关的一些模型进行了统计,可以发现这些模型原料,并生产多种生物与化工产品的“燃料乙醇”主要分三类,类是用于简单分析计算的公式化模企业作为研究对象,利用循环经济和生态工业的理型,作者只为同领域的研究者们提供一种思路和方论方法对其进行多方面的分析和设计,进步完善法;第:类则是利用日前化工领域和数学计算相关其产业链网结构,在此基础上,构建了基于仝流程的软件来构建更为清晰、合理半自动化的模拟模型,的企业模拟分析平台这类模型从机理上模拟生产过程,可自动计算、分该企业主要利用3~5种生物质原料经过十几析所模拟的过程中的物能消耗及效益情况:第三类个主体生产过程形成了以燃料醇、生物柴油为目则是完全可视化的操作模型,能够广泛应用于生物标能源产品,以1,3-丙二醇(PDO)、乙烯等为目标化质相关的研究(如BESS)丁产品,以麸皮、谷朊粉、CO2、蛋白饲料、沼气等为副产品的体系,如图1所示。图2为其废物资表Ⅰ燃料乙醇全流程模拟部分相关模型源化利用示意时模型肤皮生物质能源评佔校型,用于利用多种生物质原料发电商品小麦制粉H谷朊粉燃烧及生产液体燃料时的技术经济分析p小麦货臼BEAVER生物质经济评测专家系统品土米米油酒精生产一叫酒精一燃料L醇 BEFAT生物质能量流分析工具,分析生物质能源收益的多尺度粘秆纤维其它农产品·葡糖淀粉乳BOBL生物质燃烧过程中物质及能量平衡计算辅助工具油料作物牛物柴油BIOLOGICS区域层次上機拟和优化生物质收集过程图1燃料乙醇生产流程BIOPOWER部分燃料的物质能量平衡,成本效益分析模型水唱络各成CRESCAM作物秸杆成本分析工具国*她生产\,煤神煌灰…叫水材能源系统生命周期成本分析吗BESS米乙醇全生命周期分析及温室气体排放测算碳饮料→发夜叶有机肥其它过程综合看来,目前研究中的燃料乙醇模拟模型具废水“水处理·处小改有如下几点不足沼气发电)城市气(1)基于燃料厶醇工厂实际生产过程进行全流程模拟的模型较少,多数只专注于理论上燃料厶醇图2废物资源化利用图的生化反应生成流程,不考虑副产品生产,不考虑能源叫用。且大多借助 Aspen等化工模拟软件来完卜述生产流程能够作为目前国内燃料乙醇生产成,可重复性差,除科研人员自身外很难实际运用企业的典型代長,其发酵过程具有生物化工的典(如 Helen magnus, Johnson等分别搭建的模拟型特征,产业链网已初步形成“定规模,因此,研模型)。究的方法和思路均具有很强的通用性和代表性。型构律较少考虑实际生产过程诸如参1.2现有模型及问题数中国煤化工原料、操作条件借鉴石化企业信息化虚拟园区或企业的经验均CNMHG据主要基于理论计许多学者构建了多种多样的模型来解决燃料乙醇企算,和实际生产有一定差异,使模型的精度难以保业实际生产中碰到的复杂问题。有的利用现有化工证,无法对模型产生的误差给出实际验证的结果第12期张志强等:燃料乙醇系统模拟平台开发及应用·213l·并不能够很好地指导实际生产;简单的用户界面输入即可实现企业生产过程模拟〔3)模型在功能上多数集中于技术经济分析、生产信息统计、生产计划安排、工业生态学分析等能量指标核算两个方面,很少结合工业生态学的方法功能,且具有可扩展、可重用、可移植等优越性。论对整个系统的物质、能量、价值进行全面的分析。本文将侧重介绍系统建模的方法和思路,探讨一种(4)此外,模型可扩展性、通用性、智能化和广泛适合于生物质燃料企业信息化的基础方法。可视化程度均较差,多数只为一定科研目标建立,难以进一步升级优化和完善,不方便用户使用。因2系统模拟平台开发设计此,开发一种可为实际工业企业生产服务,同时兼2,1系统总体设计具简单易用、功能强大的燃料乙醇系统虚拟平台具本文作者以图1、图2所示燃料乙醇企业生物有非常重要的意义。炼制的基本工艺流程为基础,经抽象提炼和一定的13建模难点简化,划分出包括预处理、生物转化、副产物处理、由于生物质能源系统具有较多的生化反应过废弃物利用等在内的5个单元工段和各工段的关键程,反应机理非常复杂,伴随着燃料乙醇企业多条单元模型,在对关键单元模型基本原理分析的基础物料流动的生产线,全厂的热平衡、水平衡网络日上,以 SQL SERVE数据库为基础,运用VC#编程趋复杂,如何准确的在此基础上进行模拟和优化集语言构建了包括输入输出、生产方案选择、系统分成成为模型建立过程中的一大难题。另外,液化析、库存管理、装置管理、流程管理、数据管理、糖化、发酵过程为企业级别而不是单纯的实验室过数据分析等功能模块的图形用户界面,使用户能方程,其非线性和生化反应的复杂性使得模拟难度进便地对燃料乙醇生物质炼制的过程进行多方面的设一步加大。因此,生物质燃料系统中专用的可视化定和分析。此外,由于发酵过程涉及的生物代谢机的模拟优化模型非常少,数量远不及石化能源系统理极复杂,很难建立机理模型,故采用神经网络方的仿真、模拟和优化模型法,利用企业历史运行数据建立发酵过程的灰箱模本研究以此为出发点,利用燃料乙醇企业真实型,与整体模型进行整合的生产数据开展系统全流程模拟工作,对工业生态模型整体结构和构建思路如图3所示。用户通学分析方法进行集成,开发了面向实际生产企业运过构建企业流程,输入初始参数,即可自动构建约用的生物质燃料模型化、可视化平台。该平台通过束方程并进行求解运算,得出分析报告管理平台用户界面后台数据库(了流程1f流程2(子流释3了流程“…C子流程n)数据传遥总生产流-用户管理模块生化反应参设置模块系统设置模块参数拟合模块槟型雏形发生器生产计划横块方瞿立敷据存储调用库存管理机块其它助块模型求解模块「报告生成块数据分析模块中国煤化工价值流物质流能量流分析模块析被块分析模块YHSCNMHG图3模型整体结构·2132化.进展2009年第28卷22功能模块22.3模型生成模块22.1输入模块(1)一般流程模块燃料乙醇模拟平台的输入模块接受用户输入流方程组:根据全厂生产工艺的基本状况划分单线、装置等具体信息,具体又分为原料信息输入、元操作模块,所有装置及物流信息输入完毕后,系装置信息输入、能耗参数输入、其它信息输入、生统会自动生成物料平衡、能量平衡、设备约束、反产方案选择几个部分。其中原料信息不仅包括生产应规律、流稈连接等几种方程。这些方程联合在用量,还包括收购价格、库存量、原料来源等相关起构成系统模型中的等式约束方程组,如果后续为信息。模型增加优化集成功能时,可继续增加日标函数和在燃料乙醇系统流程确定后,只需要在流程图不等式约束方程组,利用优化求解器求解叫。上的设备和流线上点击,便可以弹出流程数据输入流程结构:模型的流程结构主要通过物流联系框,录入相应的数据即可。如设备的处理能力、损矩阵和关联矩阵进行表示,物流矩阵对每股物流的失率、加工成本等,以及流线的流量、收率、价格来源和去处进行记录。关联矩阵表明物流和单元装等。此外,还可以通过左侧导航栏菜单对所有输入置之间的连接关系,正数表示输入物流,负数表示信息进行査看,通过上方菜单栏对一些默认参数、输出物流,如表2所示。物流单位等进行单独设置。模型的界面示意如图4所示。上方和左方主要为菜单栏,主体内容上半部表2关联矩阵示意分为企业流程示意及参数显示,主体内容下半部分单元为输入输出数据显示及数据分析结果显示。理系度置参型证置数创信生产让运Ha闪2函“慢世开化化发酵分汽过程回料生产闩楚D料密购B料清机应库有位良参数估值:模型中一些单元装置或物流的参数的估值对模型结果和精度有较大影响,故对从实际生产中所取得的样本数据进行处理,经过多次拟合计算、分析误差后,选取最恰当的参数。对有些难以定量化描述的参数采取模糊建模的思路进行处理,这里不做详述(2)生化反应参数模拟模块图4模型界面示意乙醇发酵工段涉及复杂的生化反应,是较为特殊的一个工段,相关参数如收率、物质输入输出等,22.2模型求解及结果输出模块在生产中受原料配比、工艺操作的影响较大,不能用户输入数据结束后,通过运行模型求解,模由经验或简单计算给出。本部分工作从乙醇发酵的型会自动检验所有输入数据的正确性并进行计算。实际生产出发,利用大量生产数据建立BP神经网所有输入输出数据均会自动存储到SoL数据库中络,对发酵过程进行仿真模拟,反映各参数变量与供用户进行后续选择对比分析。在结果输出后,数∠醇产率之间的复杂关系。结合乙醇发酵的机理和据分析模块会生成报表、图表等直观信息,实现用企业实际生产情况以及整体模型对发酵工段的要户所需要的工业生态学相关分析求,选取对L醇产率有影响的主要因素作为输入变结果输出模块主要包括模型运行计算所得的产量,油级园收目笔设计的BP神经网品和副产品信息、公用T程消耗信息、各单元过程络中国煤化工5所示。该模块作单元节点上的物流信息。模块主要起到结果信息统为CNMHG只负责从数据库接计显示的功能,并与数据连接为数据分析模块提收发酵部分的输入参数并计算输出参数返回数据库供运行参数。供模型利用。第12期张志强等:燃料乙醇系统模拟平台开发及应用21333案例分析针对图1所示的燃料乙醇系统,运用该平台可Maab调用数据传递进行一系列实际问题的分析并进行生产计划决策等工作。以下给出几个实际案例。酵母紫植能力一□(1)某年各月燃料乙醇产量模拟初始酸度在燃料乙醇通过液化发酵的方式进行生产的过图5发酵过程模块图示程中,发生着十分复杂的生物化学反应,这使得每批发酵的产品和副产物产率很难精确估计。模型利224系统分析模块用神经网络模型刈该过程进行灰箱模拟,在通过大系统数据分析模块是燃料乙醇系统的主体部分批样本数据进行模型训练的基础上,可实现对燃料之一,其通过引进工业生态学的物质流(WFA)、乙醇产率的拟合计算。对该企业某年各月的乙醇产能量流(EFA、价值流(VFA)、水流(WFA)和量进行模型模拟分析,并与各月实际生产情况进行全生命周期(LCA)分析方法,对模型产生的大量验证。误差情况如表3所示。除个别生产情况受人输出结果进行了全面的自动分析为影响较大的月份(2月、12月),其它时间产量模其屮物质流分析包括对系统物质投入产出分拟与实际情况符合较好,基本能够将误差控制在析、原子利用率分析、系统元素流动情况统计、CO,约5%等温室气体排放分析,此外还包括对各单元工段物表3企业燃料乙醇产量模拟结果质消耗的核算。月份能量流分析包括对总能量的输入输出统计、能实际产量13418126446728157231204513997量效率及能量净值的核算各单元工段能量损失、利模拟产量13786100956865154601204013839用率等的计算,以便于从所有环节发现节能潜力,产率相对误差27%-202%20%-1.7%00%-1.1%提出节能措施。价值流分析包括企业经济效益核算、成本核算等功能,还对原料产品市场价格、收购价格等进行际产量14899160581604616466172936762统计,对生产中各环节的价值链进行详细分析,识模拟产量5230163581652215543179757756别系统中价值高的产品或副产品,辅助进行系统最二率相对差2193m-56%3%1男优化计算。水流分析主要是对企业各单元流程新鲜水、工(2)洒糟后续生产方案比选艺水、污废水的消耗情况进行核算,构建水平衡方生产燃料乙醇后所剩的废糟液中含有大量的有机物,如果直接排放,会给环境造成极大的污染,如图6所示为数据分析模块中的能量流分析结果。同时造成资源的极大浪费。燃料∠醇企业一般会将总能攀输入,T净能量效率,出验入臣呈净值,M1分离后的废液进行无氧发酵以生产沼气。不过,随鸲科乙量输出,T着沼气及饲料市场价格的不断变化,是将糟液全部能量料用效率草元耗结构主要产过程能耗各单兀能量利用效率各单兀能量平衡指标用于离心生产饲料还是将糟液按一定比例直接分配到废水处理工段生产沼气更为划算,企业决策者必须在两种方案之间做出选择并实时确定糟液在两种方案之间的比例系数。运用模型对上述情景进行分析中国煤化工的情景所产生效益作CNMHG00元吨,沼气市场价m以W到如仪4所示结果。由表4可见,当汭糟总量小于一·定数量时,需适当分出图6能量流分析结果输出定比例进行沼气生产,才能降低成本(饲料生产2134·化工进展2009年第28卷表4酒糟用于饲料及沼气生产的比例biomass to electricity model[C)/Chartier P, Beenackers A, Grassi.酒槽山厅吨生产饲料比例生产沼’(比例效益交化/万元Proceedings of the 8th European Biomass Conference: Biomass forenergy, environment, agriculture, and industry. 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