CN102830628A - 变换炉的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变换炉的控制方法，该方法包括依次执行的如下步骤：S1、建立与变换炉相应的变换炉仿真模型，该仿真模型包含若干模型参数；S2、采集变换炉在某段时间内的输入数据和输出数据，所述输入数据和输出数据是指变换炉的输入、输出物质的成分与含量以及各项工作参数；S3、根据所采集的输入数据和输出数据，计算仿真模型的模型参数的值；S4、采集实际现场变换炉的实时输入数据和实时输出数据，通过仿真模型计算模拟输出数据与实时输出数据之间的差值，当该差值不在误差范围时，返回步骤S2，否则继续下一步骤；S5、利用仿真模型计算变换炉内在当前时刻起的一段时间内的工作状态参数，据此监控和调节变换炉的工作状态。本发明能够高效、实时、精确地调整和监控变换炉。

Description

变换炉的控制方法

技术领域

本发明属于变换炉技术领域，具体涉及变换炉的控制方法，特别是一种通过变换炉的仿真模型来控制变换炉的方法，该仿真模型是基于机理建模和基于数据的智能辨识相结合的。

背景技术

变换炉是煤气化制甲醇中变换工序的核心设备，炉内装有两段钴钼耐硫催化剂，以来自水煤浆制气工序的水煤气为原料，利用催化剂提高变换反应速率将水煤气中的CO和H₂O转化为CO₂和H₂。其工作过程：来自气化工序的水煤气分为两股进入变换炉：一股是经中温换热器，预热后进入变换炉上段，另一股是作为激冷气直接进入变换炉中段，气体在变换炉内发生变换反应，COS水解反应等一系列复杂物理化学过程，最终生成甲醇合成工序所需的具有合适氢碳比的生成气。

变换工序是煤气化制甲醇、煤变换联合循环发电等系统中的重要的一环，且具有工艺流程复杂、设备众多、耦合严重等特点，其中的变换炉是将水煤气变换为甲醇合成的有效气体的重要设备，是煤制甲醇的基础。一方面通过水煤气变换反应的主要工作机理分析变换炉的工作状态，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。但在实际生产中，由于变换炉内反应众多，设备繁杂，给变换炉的实时控制与优化带来了很大困难。因此，需要一种能够精确估算变换炉内的各项参数，并根据该估算结果来控制变换炉工作状态。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是通过建立变换炉的仿真模型，以精确控制变换炉的工作状态。

(二)技术方案

基于变换生产过程的反应动力学和反应热力学原理，建立变换炉的仿真机理模型，并根据实际生产数据对模型参数进行智能优化辨识，最终将模型用于指导实际系统优化，实现系统行为的预测。

具体来说，本发明提出一种变换炉的控制方法，其包括依次执行的如下步骤：S1、建立与变换炉相应的变换炉仿真模型，该仿真模型包含若干模型参数；S2、采集变换炉在某段时间内的输入数据和输出数据，所述输入数据和输出数据是指变换炉的输入、输出物质的成分与含量以及各项工作参数；S3、根据所采集的输入数据和输出数据，计算仿真模型的模型参数的值；S4、采集变换炉的实时输入数据和实时输出数据，通过仿真模型计算模拟输出数据与实时输出数据之间的差值，当该差值不在误差范围时，返回步骤S2，否则继续下一步骤；S5、利用仿真模型计算变换炉内在当前时刻起的一段时间内的工作状态参数，监控和调节变换炉的工作状态。

(三)有益效果

本发明根据基于机理的模型能够精确地仿真变换炉，并通过该模型预测变换炉一段时间内的工作状态，从而能够高效、实时、精确地调整和监控变换炉。

附图说明

图1是变换炉的结构示意图；

图2是本发明的变换炉的控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1是变换炉的结构示意图。如图所示，变换炉1的进口物料有两股分别为2和3，其中2是经中温换热器，预热后进变换炉的上段水煤气，3是作为激冷气直接进变换炉的中段水煤气，进变换炉的上段水煤气2和进变换炉的中段水煤气3的组分、压力和比热相同，温度分别为T_i1和T_i2，4为变换炉出口生成气。进变换炉的上段水煤气2和进变换炉的中段水煤气3进变换炉后，在一定温度和压力下，经过一系列复杂的化学反应，生成以CO、CO₂、H₂为主要成分的变换炉出口生成气4。需说明的是，该图1只是示意性的简图，实际的变换炉还包括其它各个工作部件，例如卸催化剂口等，但其皆为本领域的技术人员熟知，并且不影响本发明的控制方法，因此在此不加赘述。

本发明的变换炉的控制方法包括依次执行的如下步骤：

S1、建立与变换炉相应的变换炉仿真模型，该仿真模型包含若干模型参数；

S2、采集变换炉在某段时间内的输入数据和输出数据，所述输入数据和输出数据是指变换炉的输入、输出物质的成分与含量以及各项工作参数；

S3、根据所采集的输入数据和输出数据，计算仿真模型的模型参数的值；

S4、采集变换炉的实时输入数据和实时输出数据，通过仿真模型计算模拟输出数据与实时输出数据之间的差值，当该差值不在误差范围时，返回步骤S2，否则继续下一步骤；

S5、利用仿真模型计算变换炉内在当前时刻起的一段时间内的工作状态参数，据此监控和调节变换炉的工作状态。

下面分别介绍上述各个步骤。

S1、建立与变换炉相应的变换炉仿真模型，该仿真模型包含若干模型参数。

本发明的变换炉仿真模型是基于机理的建模，就是根据变换反应过程的化学反应方程，按照质量平衡、能量平衡和化学反应平衡，进行相应的物料衡算，建立变换过程的数学模型。

根据变换过程反应动力学和热力学原理，严格遵照质量平衡、能量平衡、化学反应平衡，用一组数学方程来描述变换炉的状态。稳态建模具体描述如下：假定进变换炉水煤气的组分是CO、CO₂、H₂、H₂O、COS等，要求计算变换炉出口生成气4中的CO、CO₂、H₂、H₂O、H₂S等的含量，变换炉出口生成气4总量以及消耗量等。

变换过程中，进变换炉的上段水煤气2和进变换炉的中段水煤气3进变换炉后，在一定温度和压力下，经过一系列复杂的化学反应，生成以CO、CO₂、H₂为主要成分的变换炉出口生成气4。

建模具体描述如下：假定进变换炉水煤气的组分是CO、CO₂、H₂、H₂O、COS等，要求计算变换炉出口生成气4中的CO、CO₂、H₂、H₂O、H₂S等的含量，出口生成气总量以及消耗量等。

变换炉模型中的化学反应如下：

主反应：CO+H₂O＝CO₂+H₂+Q    ΔH₁＝-41.2千焦/摩尔

副反应：COS+H₂O＝CO₂+H₂S+Q  ΔH₂＝-35.53千焦/摩尔

2CO＝C+CO₂+Q

2CO+2H₂＝CH₄+CO₂+Q

CO₂+4H₂＝CH₄+2H₂O+Q

CO+H₂＝C+H₂O-Q

注：因为在实际生产中所采用的工艺条件下，其中一些副反应一般不容易发生，并且对整个变换反应的影响较小，所以可以只选择考虑主反应中的变换反应和副反应中的COS水解反应。

1)质量衡算

变换炉1的工艺参数如下：进变换炉的上段水煤气2流量为C_w1、温度为T_i1，进变换炉的中段水煤气3流量为C_w2、温度为T_i2，变换炉内压力为P等。水煤气的各个组分的质量百分含量表示为M*，N*为各个输入组分的摩尔量。n_g为变换炉出口生成气4的总摩尔量，n*为变换炉出口生成气4各组分的摩尔量。通过下式将实际系统的工艺参数转换为以下模型所需的工艺参数。

C_d＝C_w1+C_w2

$N_C=C_d{M}_{\mathrm{CO}}/28.0+C_d{M}_{{\mathrm{CO}}_2}/44.0+C_d{M}_{\mathrm{COS}}/60.0$

$N_O=C_d{M}_{\mathrm{CO}}/28.0+2\·C_d{M}_{{\mathrm{CO}}_2}/44.0+C_d{M}_{\mathrm{COS}}/60.0+C_d{M}_{H_{2}O}/18.0$

$N_H={2\·C}_d{M}_{H_2}/2.0+2\·C_d{M}_{H_{2}O}/18.0+2\·C_d{M}_{H_{2}S}/34.0$

$N_S=C_d{M}_{H_{2}S}/34.0+C_d{M}_{\mathrm{COS}}/60.0$

$N_N=2\·C_d{M}_{N_2}/28.0$

根据质量守恒，有如下等式存在

$N_C=n_{\mathrm{CO}}+n_{{\mathrm{CO}}_2}+n_{\mathrm{COS}}$

$N_O=n_{\mathrm{CO}}+{2n}_{{\mathrm{CO}}_2}+n_{\mathrm{COS}}+n_{H_{2}O}$

$N_H=2n_{H_2}+2n_{H_{2}S}+2n_{H_{2}O}$

$N_S=n_{H_{2}S}+n_{\mathrm{COS}}$

$N_N=2n_{N_2}$

因此，建模过程中质量计算的目的就是计算出上式中的n*，一共6个未知数，

可以直接得到，不包括在内。

变换反应动力学数学模型可以采用双曲线形式，也可采用幂函数形式。为了工程计算应用方便，设计中采用幂函数形式，变换反应宏观动力学数学方程如下：

$\begin{array}{cc}{R}_{\mathrm{CO}}=K_{\mathrm{CO}}\·\mathrm{EXP}(-\frac{E_{\mathrm{CO}}}{R_g\·T})\·{Y_{\mathrm{CO}}}^a\·{Y_{H_{2}O}}^b\·{Y_{{\mathrm{CO}}_2}}^c\·{Y_{H_2}}^d\·(1-\mathrm{\β})& \mathrm{mol}/(g\·h)\end{array}$

式中R_CO是CO反应速率；K_CO是频率因子；R_g是气体常数；E_CO＝27066为正反应活化能；T为反应温度；YCO，

分别为CO，H₂O，CO₂，H₂的摩尔分率，相应的反应级数为a＝1.23，b＝1.49，c＝-0.23，d＝-0.6。β是表示逆向反应程度项，表达式为：

$\mathrm{\β}=\frac{Y_{{\mathrm{CO}}_2}\·Y_{H_2}}{K_P\·Y_{\mathrm{CO}}\·Y_{H_{2}O}}$

其中的K_P是反应平衡常数，与反应温度T有关。K_P表达式为：

K_p＝EXP(4577.8/T-4.33)

因此，可得计算得到变换反应中CO的反应速率R_CO。

在变换反应中还需要考虑催化剂活性对反应性能的影响，一般认为催化剂的失活符合一级反应，即：

$-\frac{\mathrm{dA}}{\mathrm{dt}}=K_d\×A$

式中：A为催化剂活性值

t为反应时间，

K_d为催化剂失活速率常数。

当在变换过程中使用的催化剂不同时，需要对K_d进行修正。

在算法设计中，我们采用的催化剂失活模型公式如下：

$C_{\mathrm{at}}=C_{\mathrm{atb}}\×\mathrm{EXP}(-\frac{\mathrm{TIME}}{C_{\mathrm{atn}}})$

其中C_at为催化剂在TIME时刻的活性值，C_atb为催化剂初始活性值，C_atn为时间常数。

在设计中，要考虑催化剂对变换反应的影响，所以需要采用新的加有催化剂影响的变换反应宏观动力学数学方程，方程如下：

$\begin{array}{cc}{R}_{\mathrm{CO}}=K_{\mathrm{CO}}\·\mathrm{EXP}(-\frac{E_{\mathrm{CO}}}{R_g\·T})\·{Y_{\mathrm{CO}}}^a\·{Y_{H_{2}O}}^b\·{Y_{{\mathrm{CO}}_2}}^c\·{Y_{H_2}}^d\·(1-\mathrm{\β})\×C_{\mathrm{at}}& \mathrm{mol}/(g\·h)\end{array}$

为了更加符合实际的变换反应过程，需要在给定的催化剂活性值C_at下，对频率因子K_CO进行重新计算，得到新的频率因子K_CO＝kr₁。因此，利用新得到的频率因子kr₁，计算出加有催化剂影响的变换反应中CO的反应速率R_CO，从而得到CO在一定时间内的反应量。

对于COS水解反应，其宏观动力学数学方程如下：

$\begin{array}{cc}{R}_{\mathrm{COS}}=K_{\mathrm{COS}}\×\mathrm{EXP}(-\frac{E_{\mathrm{COS}}}{R_g\·T})\·{Y_{\mathrm{COS}}}^a\·{Y_{H_{2}O}}^b\·{Y_{{\mathrm{CO}}_2}}^c& \mathrm{mol}/(g\·h)\end{array}$

式中R_COS是COS反应速率；K_COS是频率因子；R_g是气体常数；E_COS＝19544为正反应活化能；Y_COS，

分别为COS，H₂O，CO₂的摩尔分率；T为反应温度；相应的反应级数a＝0.69，b＝-0.14，c＝1.0。在计算过程中，为了更加的符合实际反应过程，对于COS水解反应的频率因子也需要进行重新计算，得到新的频率因子K_COS＝kr₂，进而计算出水解反应中COS的反应速率R_COS，得到COS在一定时间内的反应量。

在计算得到了CO和COS的反应量后，根据摩尔守恒定律，利用已知的主反应和副反应方程式，就可以得到反应后的CO，H₂，CO₂，H₂O，H₂S，COS的量。

至此，变换炉的出口生成气4的各组分含量已经计算出来。

2)热量衡算

遵循能量守恒原理，根据变换过程中各化学反应的吸热放热量，计算整个变换过程中反应的热量平衡。认为在变换炉1内的化学反应过程产生的热Q_r，一方面使物料升温Q_t，另一方面由变换炉1本身吸收、或称为散热Q_d。根据能量守恒，则有如下等式

Q_r＝Q_t+Q_d

其中Q_r的表达式如下

Q_r＝(N_CO-n_CO)·ΔH₁+(N_COS-n_COS)·ΔH₂

式中ΔH₁为主反应的放热焓，ΔH₂为副反应的放热焓。Q_t的表达式如下Q_t＝m_i1·C_P·(T_o-T_i1)+m_i2·C_P·(T_o-T_i2)

式中m_i1和m_i2分别为输入的物料质量，C_P为物料的比热，T_o为出口温度。

Q_d的表达式如下

Q_d＝(1-hr₁)·(N_CO-n_CO)·ΔH₁+(1-hr₂)·(N_COS-n_COS)·ΔH₂

式中hr₁为主反应放热系数，hr₂为副反应放热系数。

Q_t为进变换炉的上段水煤气2由入口温度T_i1上升到出口温度T_o与进变换炉的中段水煤气3由入口温度T_i2上升到出口温度T_o所吸收的热量的总和。Q_d所占总热量的比例可以根据设计数据、通过计算方法得到。

3)变换炉1温度动态变化

假设当前时刻的温度为T(t)，变换炉1的下一时刻的温度为T(t+1)，ΔT＝T(t+1)-T(t)＝(Q_r-Q_t-Q_d)/C_f

变换炉的热量衡算采用迭代算法。若上式右端不等于零，则变换炉温度处于变化更新状态，直至温度变化量为零。

S2、采集变换炉在某段时间内的输入数据和输出数据，所述输入数据和输出数据是指变换炉的输入、输出物质的成分与含量以及各项工作参数。

该步骤采集实际生产现场的变换炉的输入和输出数据，包括：采集进变换炉的上段水煤气2和进变换炉的中段水煤气3的流量及重要组分的质量百分含量(CO、CO₂、H₂、H₂O、COS)。采集变换炉出口生成气4的流量及重要组分的质量百分含量(CO、CO₂、H₂、H₂O、H₂S)，以及变换炉1的温度T和压力P。利用实际生产现场的流量、温度、压力传感器，采集一段时间内的流量、温度、压力等数据，将采集到的一段时间内的数据传输到远端计算机，通过通讯接口将输入数据输入到模型中，用作模型参数值的计算。

S3、根据所采集的输入数据和输出数据，计算仿真模型的模型参数的值。

根据所采集的输入数据和输出数据，包括进变换炉和出变换炉的有效气体的成分与含量，对仿真模型的参数进行计算(或称辨识)。

1)参数kr₁的计算

由实际生产过程中采集的输入输出数据，可以计算出变换反应中CO的反应量，进而得到CO的反应速率R_CO，且初始催化剂的活性值为C_at，因此，可根据变换反应加有催化剂影响的宏观动力学方程，计算频率因子kr₁，即通过数据回归方法如最小二乘法等加以推断：

${\mathrm{kr}}_1=R_{\mathrm{CO}}/(\mathrm{EXP}(-\frac{E_{\mathrm{CO}}}{R_g\·T})\·{Y_{\mathrm{CO}}}^a\·{Y_{H_{2}O}}^b\·{Y_{{\mathrm{CO}}_2}}^c\·{Y_{H_2}}^d\·(1-\mathrm{\β})\·C_{\mathrm{at}})$

2)参数kr₂的计算

由实际生产过程中采集的输入输出数据，可以计算出COS水解反应中COS的反应量，进而得到COS的反应速率R_COS，同时根据COS水解反应的宏观动力学方程，计算频率因子kr₂，即通过数据回归方法如最小二乘法等加以推断：

${\mathrm{kr}}_2=R_{\mathrm{COS}}/(\mathrm{EXP}(-\frac{E_{\mathrm{COS}}}{R_g\·T})\·{Y_{\mathrm{COS}}}^a\·{Y_{H_{2}O}}^b\·{Y_{{\mathrm{CO}}_2}}^c)$

3)参数hr₁和hr₂的计算

根据式Q_r＝Q_t+Q_d进行计算，hr₁和hr₂的值可以根据实际的两点或多点数据进行计算，即通过数据回归方法如最小二乘法等加以推断：

Q_d＝(1-hr₁)·(N_CO-n_CO)·ΔH₁+(1-hr₂)·(N_COS-n_COS)·ΔH₂

也可以根据特定参数经验值加以估算，例如先给定hr₁的值，再根据实际的一点数据计算hr₂。

S4、采集变换炉的实时输入数据和实时输出数据，通过仿真模型计算模拟输出数据与实时输出数据之间的差值，当该差值不在误差范围时，返回步骤S2，否则继续下一步骤。

根据实时输入数据和实时输出数据，计算实际输出F₁₄与模型输出F′₁₄之间的误差。将采集到的实时输入数据输入到模型中，得到模型输出F′₁₄，计算实际输出F₁₄与模型输出F′₁₄之间的误差。误差定义为e＝|F₁₄-F′₁₄|

判断该误差是否满足给定的误差范围。若误差不能满足给定范围，则返回到步骤S2，重复步骤S2、S3和S4，继续计算并调整模型参数，直至所述误差满足给定的误差范围。

S5、根据实时输入数据，利用仿真模型计算变换炉内在当前时刻起的一段时间内的工作状态参数，据此监控和调节变换炉的工作状态。

当计算得到了变换炉的模型参数时，变换炉的模型得以建立，该模型能够精确地模拟变换炉的实时工作状态，由此，可以根据该模型对实际的变换炉进行实时监控和工作状态的调节。例如，当该模型根据实时输入的数据计算该时刻起10分钟内变换炉的工作状态，对可能出现的异常情况作出预测，由此对实际的变换炉的输入数据进行修正，起到优化变换炉工作状态的作用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种变换炉的控制方法，其特征在于包括依次执行的如下步骤：

S1、建立与变换炉相应的变换炉仿真模型，该仿真模型包含若干模型参数；

S2、采集变换炉在某段时间内的输入数据和输出数据，所述输入数据和输出数据是指变换炉的输入、输出物质的成分与含量以及各项工作参数；

S3、根据所采集的输入数据和输出数据，计算仿真模型的模型参数的值；

S4、采集变换炉的实时输入数据和实时输出数据，通过仿真模型计算模拟输出数据与实时输出数据之间的差值，当该差值不在误差范围时，返回步骤S2，否则继续下一步骤；

S5、利用仿真模型计算变换炉内在当前时刻起的一段时间内的工作状态参数，据此监控和调节变换炉的工作状态。

2.如权利要求1所述的变换炉的控制方法，其特征在于，在步骤S1中建立的变换炉的仿真模型为：原料为水煤气，其组分包含CO、CO₂、H₂、H₂O、COS；生成物为变换炉出口生成气，其组分包含CO、CO₂、H₂、H₂O、H₂S；变换炉内发生的化学反应为：变换反应CO+H₂O＝CO₂+H₂，COS水解反应COS+H₂O＝CO₂+H₂S等其他化学反应；其中变换反应的频率因子kr₁，放热系数hr₁，COS水解反应的频率因子kr₂，放热系数hr₂；变换炉的进口物料有两股，一个是经中温换热器，预热后进变换炉的上段水煤气，另一个是作为激冷气直接进变换炉的中段水煤气，进变换炉的上段水煤气和进变换炉的中段水煤气的组分、压力和比热相同。

3.如权利要求1所述的变换炉的控制方法，其特征在于，在步骤S3中，所采集的输入数据和输出数据包括：

输入数据：进变换炉的上段水煤气流量C_w1、温度T_i1，进变换炉的中段水煤气流量C_w2、温度T_i2，炉内压力P，水煤气的各个组分的质量百分含量Y*，*表示成分，各个输入组分的摩尔量N*。

输出数据：变换炉出口生成气的总摩尔量n_g，以及生成气中各组分的摩尔量n*。 

4.如权利要求1所述的变换炉的控制方法，其特征在于，在步骤S3中，参数kr₁要据下式进行计算：

5.如权利要求1所述的变换炉的控制方法，其特征在于，在步骤S3中，参数kr₂根据下式进行计算：

6.如权利要求1所述的变换炉的控制方法，其特征在于，在步骤S3中，参数hr₁，hr₂的计算方法如下：根据两点或多点值，利用如下公式进行计算：

Q_d＝(1-hr₁)·(N_CO-n_CO)·ΔH₁+(1-hr₂)·(N_COS-n_COS)·ΔH₂ 。

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