CN114857980A - 煤炭超临界水制氢系统中超临界水换热器调控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供煤炭超临界水制氢系统中超临界水换热器调控系统及方法，本发明各级换热器冷流体侧设计有冷流体旁路及控制旁路流量的换热器旁路流量调节阀，旁路内冷流体在换热器冷流体出口处与经过换热器升温的冷流体混合后可以改变换热器冷流体出口温度。从而实现了在不改变总冷流体流量的条件下调控换热器冷流体出口温度，因此总超临界水量不会随调控的进行过程而有明显的波动，也就不会对煤炭超临界水气化制氢系统中的其他部分的调控有比较大的影响能够在不改变总超临界水流量的同时实现换热器温度调节，对系统中其他部分调控环节影响小，实现煤炭超临界水气化制氢系统中超临界水换热器系统的安全运行和调控要求。

Description

煤炭超临界水制氢系统中超临界水换热器调控系统及方法

技术领域

本发明涉及温度控制技术领域，具体涉及煤炭超临界水制氢系统中超临界水换热器调控系统及方法。

背景技术

洁净、环境友好型的氢能应用领域很广，具有良好的发展前景，逐渐受到各个国家和地区的广泛重视。中国的煤炭储备量较充裕，但传统利用煤炭燃烧发电的能源利用方式无可避免的会带来环境问题。为落实“双碳”目标，实现“效能为本，协调发展；清洁低碳，绿色发展”，选用清洁能源，优化能源结构，加强能量的梯级利用，提高能源利用效率已经成为我国现在发展中的一个重要目标。利用煤炭制氢的方式既可以解决煤炭燃烧能源利用方式导致环境污染的问题，还可以保证制氢原料的供应环节成熟稳定，是一种清洁利用煤炭能源的理想方法。

煤炭超临界水气化制氢系统实现了煤在超临界水中发生气化反应，产生高含量的氢气以及二氧化碳和部分可燃碳氢化合物的过程。由于超临界水的物理特性，气化过程产生的氢气等气体可以很好的溶解在超临界水中，而煤中的杂质如氮、硫等不溶于超临界水，直接形成固体残渣被排出反应器。这种煤炭超临界水气化制氢方式从源头上解决了气体污染物，且氢元素的转化率相比传统气化过程更高。煤炭超临界水气化制氢系统要求反应水达到超临界状态，而这一过程的巨大能量来源与传递方式将影响整个系统的安全性和能量利用率。

换热器的使用能够实现工业上需要降温放热的流体与需要升温的流体在一个装置内进行热交换，降低系统复杂度的同时提高能源利用率。煤炭超临界水气化制氢系统中，超临界水换热器系统利用换热器将制氢系统产生的部分氢气燃烧释放的化学能传递用于加热水，使气化反应器达到生产要求。煤炭超临界水气化制氢系统中超临界水换热器系统温度需要调节控制，主要有以下三个原因：一是超临界水换热器系统冷流体出口处直接连接到气化炉超临界水进口，超临界水水温直接决定了气化炉内反应速率和效率，换热器出口水温是否平稳决定了气化炉是否能够稳定运行；二是超临界水温度过高，将使钢材加速蠕变，从而降低设备使用寿命，严重的超温甚至会使管子过热而爆管；三是煤炭超临界水气化制氢系统中超临界水换热器系统需要将25MPa的水从293K加热至1173K，所述升温过程中，当温度接近拟临界温度，冷流体的物性参数将会发生较大改变，浮升力效应和加速效应的存在可能会影响到系统的安全运行。将温度控制在合理的值，能够保证热流密度和流体质量流量保持良好的关系，避免传热恶化情况的发生。

针对所述煤炭超临界水气化制氢系统中超临界水换热器系统还未有过具体的温度调控方法，其它系统中换热器温度调控方法一般是在换热器出口处加装冷却水管道来直接控制换热器出口温度，而这些其它系统中换热器动态特性与超临界水换热器相差较大，其控制方法并不适用于超临界水换热器系统温度调控，这是因为：一方面这种调控方式下的总超临界水量将会随调控的进行过程而有明显的波动，对煤炭超临界水气化制氢系统中的其他部分的调控会有比较大的影响；另一方面冷却水与超临界水混合的过程增加了

损，对系统的热效率有负面影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供煤炭超临界水制氢系统中超临界水换热器调控系统及方法，能够在不改变总超临界水流量的同时实现换热器温度调节，对系统中其他部分调控环节影响小，实现煤炭超临界水气化制氢系统中超临界水换热器系统的安全运行和调控要求。

本发明通过以下技术方案实现：

煤炭超临界水制氢系统中超临界水多级换热器调控系统，包括换热器；换热器包括n级换热器，n为大于等于2的整数；

冷流体依次经过第n级换热器、第n-1级换热器、…、第一级换热器进入气化炉；热流体依次通过第一级换热器、第二级换热器、…、第n级换热器；第i级换热器外部设有连接第i级换热器冷流体入口和冷流体出口的冷流体旁路，冷流体旁路上设有第i级换热器旁路流量调节阀；i为1,2,…,n。

优选的，还包括温度变送器、流量变送器、换热器控制器和温度调控单元；

温度变送器包括各级换热器冷流体出口温度变送器、第n级换热器冷流体入口温度变送器、各级换热器热流体出口温度变送器和第一级换热器热流体入口温度变送器，分别用于采集各级换热器冷流体出口温度、第n级换热器冷流体入口温度、各级换热器热流体出口温度和第一级换热器热流体入口温度；

流量变送器包括各级换热器旁路流量变送器及给水泵出口流量变送器，分别用于测量各级换热器冷流体旁路流量及超临界水总流量；

温度调控单元，根据各级换热器冷流体出口温度、第n级换热器冷流体入口温度、各级换热器热流体出口温度和第一级换热器热流体入口温度及第一级换热器冷流体出口预设温度处理得到各级换热器冷流体旁路流量控制量；

换热器控制器根据各级换热器冷流体旁路流量控制量对各级换热器旁路流量调节阀进行调节。

进一步的，温度调控单元包括预设温度计算单元和预测模型处理单元；

换热器控制器将第一级换热器冷流体出口温度与第一级换热器冷流体出口预设温度比较，若两者差值不为零，则将两者输入预设温度计算单元和预测模型处理单元；

预设温度计算单元根据第一级换热器冷流体出口温度与第一级换热器冷流体出口预设温度的差值及超临界水总流量、热流体总流量和第一级换热器热流体入口温度计算出第j级换热器冷流体出口预设温度并输出给换热器控制器；换热器控制器将第j级换热器冷流体出口温度与第j级换热器冷流体出口预设温度比较，若两者差值不为零，则将两者输入预测模型处理单元；j为2,3,…,n；

预测模型处理单元，根据第i级换热器的冷流体出口温度、冷流体入口温度、冷流体出口预设温度和旁路流量，利用预测模型及能量和响应速度最优算法，处理得到第i级换热器旁路流量控制量并输出至换热器控制器；换热器控制器根据第i级换热器旁路流量控制量调节第i级换热器旁路流量调节阀开度；i为1,2,…,n。

进一步的，温度调控单元还包括预测模型生成单元；

初始时刻下的预测模型生成单元利用第i级换热器的冷流体入口温度、热流体入口温度和历史运行数据以及超临界水总流量、热流体总流量、第i级换热器设备信息，根据能量平衡原理，得到第i级换热器的预测模型；

所述预测模型处理单元根据第i级换热器的冷流体出口温度、冷流体入口温度、冷流体出口预设温度和旁路流量，利用当前时刻的预测模型及能量和响应速度最优算法，处理得到第i级换热器冷流体出口温度预测信号并输出至预测模型生成单元；

预测模型生成单元将上一时刻的第i级换热器冷流体出口温度预测信号与当前时刻的第i级换热器冷流体出口温度比较得到差值，根据该差值、第i级换热器热流体入口温度和第i级换热器冷流体入口温度，输出当前修正后的预测模型至预测模型处理单元。

优选的，各冷流体旁路贴附在对应换热器的外表面。

优选的，还包括第一级换热器热流体入口压力变送器和危险信号报警器；

第一级换热器热流体入口压力变送器用于采集第一级换热器热流体入口压力；

危险信号报警器将第一级换热器热流体入口压力与第一级换热器热流体入口预设压力比较，若两者差值超出预设差值范围，则危险信号报警器报警。

优选的，还包括给水泵出口流量变送器和危险信号报警器；

给水泵出口流量变送器用于采集给水泵出口流量；

危险信号报警器将给水泵出口流量与给水泵出口预设流量比较，若两者差值超出预设差值范围，则危险信号报警器报警。

煤炭超临界水制氢系统中超临界水多级换热器调控方法，基于所述的调控系统，通过调节各级换热器旁路流量调节阀的开度，来调节各级换热器冷流体出口温度。

煤炭超临界水制氢系统中超临界水多级换热器调控方法，基于所述的调控系统，包括：

将第一级换热器冷流体出口温度与第一级换热器冷流体出口预设温度比较，若两者差值不为零，则根据第一级换热器冷流体出口温度与第一级换热器冷流体出口预设温度的差值及超临界水总流量、热流体总流量和第一级换热器热流体入口温度，利用能量平衡方程计算出第j级换热器冷流体出口预设温度；

根据第i级换热器的冷流体出口温度、冷流体入口温度、冷流体出口预设温度和旁路流量，采用预测模型及能量和响应速度最优算法，处理得到第i级换热器旁路流量控制量，根据第i级换热器旁路流量控制量调节第i级换热器旁路流量调节阀开度。

煤炭超临界水制氢系统中超临界水多级换热器调控方法，基于所述的调控系统，包括：

将第一级换热器冷流体出口温度与第一级换热器冷流体出口预设温度比较，若两者差值不为零，则根据第一级换热器冷流体出口温度与第一级换热器冷流体出口预设温度的差值及超临界水总流量、热流体总流量和第一级换热器热流体入口温度，利用能量平衡方程计算出第j级换热器冷流体出口预设温度；

根据第i级换热器的冷流体出口温度、冷流体入口温度、冷流体出口预设温度和旁路流量，采用预测模型及能量和响应速度最优算法，处理得到第i级换热器旁路流量控制量，根据第i级换热器旁路流量控制量调节第i级换热器旁路流量调节阀开度；

将上一时刻的第i级换热器冷流体出口温度预测信号与当前时刻的第i级换热器冷流体出口温度比较得到差值，根据该差值、第i级换热器热流体入口温度和冷流体入口温度，输出当前修正后的预测模型至预测模型处理单元。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明所述各级换热器冷流体侧设计有冷流体旁路及控制旁路流量的换热器旁路流量调节阀，旁路内冷流体没有经过换热器换热，旁路内冷流体温度与换热器冷流体入口温度近似，在换热器冷流体出口处与经过换热器升温的冷流体混合后可以改变换热器冷流体出口温度。换热器旁路流量调节阀的开度决定了流经换热器内部的冷流体流量和旁路的流量，从而通过调节换热器旁路流量调节阀即可调控换热器冷流体出口温度的高低，从而实现了在不改变总冷流体流量的条件下调控换热器冷流体出口温度，因此总超临界水量不会随调控的进行过程而有明显的波动，也就不会对煤炭超临界水气化制氢系统中的其他部分的调控有比较大的影响；此外，还避免了冷却水与超临界水混合过程导致的

损，提高系统的热效率。

进一步的，所述冷流体旁路布置于换热器表面，可以隔开换热器与空气直接接触，旁路内冷流体起到了保温效果，提高了能量利用率；旁路设计还减小了换热器外壳的温度梯度，即降低了换热器材料的应力，提高了设备的安全性。

进一步的，由于换热器本身的特性决定了其运行过程中具有较大的惯性延迟，目前换热器控制系统往往都避免不了反应滞后、调节时间长的缺点。本发明根据第i级换热器的冷流体入口温度、热流体入口温度和历史运行数据以及超临界水总流量、热流体总流量、第i级换热器设备信息建立预测模型。预测模型依据第i级换热器的冷流体出口温度、冷流体入口温度、冷流体出口预设温度和旁路流量在每一控制时刻反馈校正。利用实时更新的预测模型实现评估不同控制量下的调控效果之间的比较，能够在极短的时间内得出最有效的预测控制量结果。预测模型不但解决了换热器高惯性延迟的特点在换热器控制上的缺点，还能够利用其最优特性，降低系统故障率，提高系统能量利用率。

本发明调控方法能够在不改变总超临界水流量的同时实现换热器温度调节，对系统中其他部分调控环节影响小。

进一步的，能根据煤炭超临界水气化制氢系统的生产要求，自动地同步控制各级换热器的冷流体出口温度，缩短了换热器系统的总调节时间，有益于提高设备的安全性和寿命。

附图说明

图1是实施例用于煤炭超临界水气化制氢系统中超临界水三级换热调控系统监测点示意图。

图2是实施例用于煤炭超临界水气化制氢系统中超临界水三级换热器预设温度计算的原理图。

图3是实施例中第三级换热器的调控方法。

图4是实施例中换热器的调控原理框图。

图中，1-第一级换热器冷流体出口温度变送器，2-第一级换热器，3-第一级换热器热流体入口温度变送器，4-第一级换热器热流体入口压力变送器，5-第二级换热器冷流体出口温度变送器，6-第二级换热器，7-第一级换热器冷流体出口温度变送器，8-第二级换热器热流体出口温度变送器，9-第三级换热器，10-第三级换热器冷流体入口温度变送器，11-给水泵出口流量变送器，12-第三级换热器旁路流量调节阀，13-第三级换热器热流体出口温度变送器，14-第三级换热器旁路流量变送器，15-第二级换热器旁路流量调节阀，16-第二级换热器旁路流量变送器，17-第一级换热器热流体出口温度变送器，18-第一级换热器旁路流量调节阀，19-第一级换热器旁路流量变送器。

具体实施方式

是进一步解释本发明的特征和优点，并非用于限制本发明的权利要求。

下面结合附图对本发明做进一步详细、清楚地描述，显然所描述的实例是图1煤炭超临界水气化制氢系统的换热器系统。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是暗示或指示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗指相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

本发明用于煤炭超临界水气化制氢系统中超临界水多级换热器调控系统，包括换热器、温度变送器、压力变送器、流量变送器、换热器控制器、危险信号报警器和温度调控单元。换热器包括第一级换热器、第二级换热器、…、第n级换热器，n为大于等于2的整数。温度调控单元包括预设温度计算单元、预测模型处理单元和预测模型生成单元。

给水泵出口的高压低温水依次经过第n级换热器、第n-1级换热器、…、第一级换热器升温后达到气化炉入口温度要求并进入气化炉。氧化器出口的混合气体依次通过第一级换热器、第二级换热器、…、第n级换热器换热。每一级换热器冷流体侧都设置有单独的冷流体旁路以及换热器旁路流量调节阀，各换热器旁路流量调节阀维持常开状态，各冷流体旁路设置于对应的换热器外表面，即换热器冷流体入口与换热器冷流体出口通过冷流体旁路连接，冷流体旁路贴附在换热器外表面，通过换热器旁路流量调节阀开度控制旁路流量和流经换热器内部的冷流体流量。

温度变送器包括各级换热器冷流体出口温度变送器、第n级换热器冷流体入口温度变送器、各级换热器热流体出口温度变送器、第一级换热器热流体入口温度变送器，分别用于采集各级换热器冷流体出口温度、第n级换热器冷流体入口温度、各级换热器热流体出口温度和第一级换热器热流体入口温度；需要说明的是所述各级换热器冷流体出口温度均是指换热器冷流体出口的冷流体与冷流体旁路中冷流体混合之后的温度，因此，第j级换热器冷流体出口温度与第j-1级换热器冷流体入口温度一致，j为2,3,…,n；压力变送器包括第一级换热器热流体入口压力变送器；流量变送器包括各级换热器旁路流量变送器及给水泵出口流量变送器11，分别用于采集各级换热器冷流体旁路流量及超临界水总流量。换热器控制器包括各级换热器控制器。

所述各级换热器冷流体侧设计有冷流体旁路及控制旁路流量的换热器旁路流量调节阀，所述冷流体旁路布置于换热器表面，用于隔开换热器与空气直接接触。旁路的设计有以下优点：一、旁路内冷流体起到了保温效果，提高了能量利用率；二、旁路设计减小了换热器外壳的温度梯度，即降低了换热器材料的应力，提高了设备的安全性；三、旁路内冷流体没有经过换热器换热，旁路内冷流体温度与换热器冷流体入口温度近似，在换热器冷流体出口处与经过换热器升温的冷流体混合后可以改变换热器冷流体出口温度。

换热器旁路流量调节阀的开度决定了流经换热器内部的冷流体流量和旁路的流量，从而调控换热器冷流体出口温度的高低。

针对换热器大惯性延迟的特性，采用预测模型处理单元实现实时控制并缩短了换热器的调节时间。

换热器控制器将第一级换热器冷流体出口温度与第一级换热器冷流体出口预设温度比较，若两者差值不为零，则将两者输入预设温度计算单元和预测模型处理单元；

预设温度计算单元根据第一级换热器冷流体出口温度与第一级换热器冷流体出口预设温度的差值及超临界水总流量、热流体总流量和第一级换热器热流体入口温度计算出第j级换热器冷流体合适的出口预设温度并输出给换热器控制器；换热器控制器将第j级换热器冷流体出口温度与第j级换热器冷流体出口预设温度比较，若两者差值不为零，则将两者输入预测模型处理单元；j为2,3,…,n；

预测模型处理单元，包含由第i级换热器的冷流体入口温度、热流体入口温度和历史运行数据，超临界水总流量以及热流体总流量和第i级换热器设备信息建立的预测模型，根据第i级换热器的冷流体出口温度、冷流体入口温度、冷流体出口预设温度和旁路流量，利用预测模型及能量和响应速度最优算法，通过MPC滚动优化过程处理得到第i级换热器旁路流量控制量并输出至换热器控制器，处理得到第i级换热器冷流体出口温度预测信号并输出至预测模型生成单元；换热器控制器根据第i级换热器旁路流量控制量调节第i级换热器旁路流量调节阀开度。对应每个换热器设计一对应的预测模型。其中热流体总流量由于系统惯性大而认为是定值，其数值由系统热平衡计算得出。

预测模型生成单元将上一时刻的第i级换热器冷流体出口温度预测信号与当前时刻的第i级换热器冷流体出口温度比较得到差值，根据该差值、第i级换热器热流体入口温度和第i级换热器冷流体入口温度，通过采用MPC滚动优化过程输出当前修正后的预测模型至预测模型处理单元，预测该时刻下的换热器系统离散动态响应，应用于当前时刻下的最优化算法计算。这部分是参考MPC控制的滚动优化步骤，将上一时刻的运行数据作为模型误差估计的根据。

本发明的温度调控方法如下：

将第一级换热器冷流体出口温度与第一级换热器冷流体出口预设温度比较，若两者差值不为零，则根据第一级换热器冷流体出口温度与第一级换热器冷流体出口预设温度的差值及超临界水总流量、热流体总流量和第一级换热器热流体入口温度利用能量平衡方程计算出第j级换热器冷流体出口预设温度；j为2,3,…,n；

根据第i级换热器的冷流体出口温度、冷流体入口温度、冷流体出口预设温度和旁路流量，采用当前时刻的预测模型和最优化算法，处理得到第i级换热器旁路流量控制量和第i级换热器冷流体出口温度预测信号，根据第i级换热器旁路流量控制量调节第i级换热器旁路流量调节阀开度；i为1,2,…,n。

将上一时刻的第i级换热器冷流体出口温度预测信号与当前时刻的第i级换热器冷流体出口温度比较得到差值，根据该差值、第i级换热器热流体入口温度和第i级换热器冷流体入口温度，输出当前修正后的预测模型，预测该时刻下的换热器系统离散动态响应，应用于当前时刻下的最优化算法计算；i为1,2,…,n。

实施例

本发明用于煤炭超临界水气化制氢系统中超临界水多级换热器调控系统，该系统包括第一级换热器2、第二级换热器6、第三级换热器9、温度变送器、压力变送器、流量变送器、第一级换热器控制器、第二级换热器控制器、第三级换热器控制器、危险信号报警器、预设温度计算单元、预测模型处理单元和预测模型生成单元。

本发明实施例应用三级换热器。煤炭超临界水气化制氢系统中超临界水三级换热降低了换热器换热量的负担，将高压低温水加热至煤炭超临界水气化制氢系统气化炉入口所需温度1173K的过程分为了三个阶段：

所述第三级换热器9，将给水从293K加热至620K，此过程中换热器内冷流体物性参数较为稳定，换热器鲁棒性较强。将换热器温度维持在25MPa水的拟临界温度以下能够保证第三级换热器运行过程中不会发生传热恶化情况；

所述第二级换热器6，将给水从620K加热至670K，此过程中换热器内冷流体物性在经过拟临界温度657.8K时会有非常明显的变化，由于浮升力效应和加速效应可能会导致传热恶化现象，所以需要维持热流密度和换热器内冷流体流量在安全范围内；

所述第一级换热器2，将给水从670K加热至1173K，此过程中换热器内冷流体物性参数较为稳定，换热器鲁棒性较强。将换热器温度维持在25MPa水的拟临界温度以上能够保证第一级换热器运行过程中不会发生传热恶化情况。

如图1，给水泵出口的高压低温水依次经过第三级换热器9、第二级换热器6和第一级换热器2升温后达到气化炉入口温度要求并进入气化炉。氧化器出口的混合气体依次通过第一级换热器2、第二级换热器6、第三级换热器9换热。氧化器出口通过安全旁路与第三级换热器9出口连接，安全旁路仅在换热器故障或维修时开启。每一级换热器冷流体侧都设置有单独的冷流体旁路以及旁路流量调节阀，冷流体旁路分别是第一级换热器旁路、第二级换热器旁路和第三级换热器旁路，第一级换热器旁路、第二级换热器旁路和第三级换热器旁路上分别设置有第一级换热器旁路流量调节阀18、第二级换热器旁路流量调节阀15、第三级换热器旁路流量调节阀12。各旁路流量调节阀维持常开状态，各冷流体旁路设置于对应的换热器表面，通过旁路流量调节阀开度控制旁路流量和流经换热器内部的冷流体流量。

如图1煤炭超临界水气化制氢系统中超临界水多级换热调控系统监测点示意图，该示意图展示了本实施例调控系统中需要测量的物性参数在系统中位置的示意图。温度变送器包括第一级换热器冷流体出口温度变送器1、第二级换热器冷流体出口温度变送器5、第三级换热器冷流体出口温度变送器7、第三级换热器冷流体入口温度变送器10、第一级换热器热流体入口温度变送器3、第一级换热器热流体出口温度变送器17、第二级热流体出口温度变送器8、第三级换热器热流体出口温度变送器13；压力变送器包括第一级换热器热流体入口压力变送器4；流量变送器包括第一级换热器旁路流量变送器19、第二级换热器旁路流量变送器16、第三级换热器旁路流量变送器14、给水泵出口流量变送器11。

针对换热器大惯性延迟的特性，采用预测模型处理单元实现实时控制并缩短了换热器的调节时间。

本发明的温度调控方法如下：

1、预设温度的计算

如图2，第一级换热器冷流体出口温度变送器1的温度信号和第一级换热器冷流体出口预设温度输入第一级换热器控制器，若两者差值不为零，则将两者输入预设温度计算单元和预测模型处理单元；预设温度计算单元根据两者的差值及超临界水总流量、热流体总流量及第一级换热器热流体入口温度变送器3的温度信号计算出能够实现减少第一级换热器冷流体出口预设温度与第一级换热器冷流体出口温度变送器1的温度信号差值，且第二级换热器不会发生传热恶化的第二级换热器冷流体出口预设温度和第三级换热器冷流体出口预设温度，并将其转化为标准信号分别输出给第二级换热器控制器和第三级换热器控制器；其中压力变送器4信号值用于评估热流体总流量计算值的可靠性。第二级换热器控制器接收第二级换热器冷流体出口温度变送器5的温度信号并将该信号与第二级换热器冷流体出口预设温度比较，若两者差值不为零，则将两者输入预测模型处理单元；第三级换热器控制器接收第三级换热器冷流体出口温度变送器7的温度信号并将该温度信号与第三级换热器冷流体出口预设温度比较，若两者差值不为零，则将两者输入预测模型处理单元。

2、温度调控

(1)第三级换热器冷流体出口温度调控

如图3和图4，预测模型处理单元接收第三级换热器冷流体出口温度变送器7的温度信号与第三级换热器冷流体出口预设温度差值信号、第三级换热器冷流体入口温度变送器10的温度信号和第三级换热器旁路流量变送器14的流量信号，在预测模型处理单元内，采用当前时刻下的预测模型及能量和响应速度最优算法，处理得到第三级换热器旁路流量控制量和该控制量下第三级换热器冷流体出口温度预测信号，将第三级换热器旁路流量控制量输出至第三级换热器控制器。

第三级换热器控制器根据第三级换热器旁路流量控制量经过阀门特性函数计算得到第三级换热器旁路流量调节阀12开度，并利用机构实现开度调节，从而实现了在不改变总流量的条件下调控换热器冷流体出口温度。

初始时刻下的预测模型生成单元利用第三级换热器冷流体入口温度变送信器10的温度信号、热流体入口温度变送器8的温度信号和历史运行数据以及超临界水总流量、热流体总流量、第三级换热器设备信息，根据能量平衡原理，得到第三级换热器的预测模型。

温度调控方法包含有预测模型反馈校正环节，反馈校正环节包括：

预测模型生成单元将上一时刻的第三级换热器冷流体出口温度预测信号与当前时刻的第三级换热器冷流体出口温度变送器7的温度信号比较得到差值；根据差值、第二级换热器热流体出口温度变送器8的温度信号和第三级换热器冷流体入口温度变送器10的温度信号，输出当前修正后的预测模型至预测模型处理单元，预测该时刻下的换热器系统离散动态响应，应用于当前时刻下的最优化算法计算。

(2)第二级换热器冷流体出口温度调控

如图4和类似于图3，预测模型处理单元接收第二级换热器冷流体出口温度变送器5的温度信号与第二级换热器冷流体出口预设温度差值、第三级换热器冷流体出口温度变送器7的温度信号、和第二级换热器旁路流量变送器16的流量信号，采用当前时刻下的预测模型及能量和响应速度最优算法，处理得到第二级换热器旁路流量控制量和该控制量下第二级换热器冷流体出口温度预测信号，将第二级换热器旁路流量控制量输出至第二级换热器控制器。

第二级换热器控制器根据第二级换热器旁路流量控制量对第二级换热器旁路流量调节阀16进行调节。

初始时刻下的预测模型生成单元利用第二级换热器冷流体入口温度变送信器7的温度信号、热流体入口温度变送器17的温度信号和历史运行数据以及超临界水总流量、热流体总流量、第二级换热器设备信息，根据能量平衡原理，得到第二级换热器的预测模型。

预测模型生成单元将上一时刻的第二级换热器冷流体出口温度预测信号与当前时刻的第二级换热器冷流体出口温度变送器5的温度信号比较得到差值，根据差值、第一级换热器热流体出口温度变送器17的温度信号和第二级换热器冷流体入口温度变送器7的温度信号输出当前修正后的预测模型至预测模型处理单元，预测该时刻下的换热器系统离散动态响应，应用于当前时刻下的最优化算法计算。

(3)第一级换热器冷流体出口温度调控

如图4和类似于图3，预测模型处理单元接收第一级换热器冷流体出口温度变送器1的温度信号与第一级换热器冷流体出口预设温度差值、第二级换热器冷流体出口温度变送器5的温度信号和第一级换热器旁路流量变送器19的流量信号，并根据这些温度信号，采用当前时刻下的预测模型及能量和响应速度最优算法，处理得到第一级换热器旁路流量控制量和该控制量下第一级换热器冷流体出口温度预测信号，将第一级换热器旁路流量控制量输出至第一级换热器控制器。

第一级换热器控制器根据第一级换热器旁路流量控制量对第一级换热器旁路流量调节阀18进行调节。

初始时刻下的预测模型生成单元利用第一级换热器冷流体入口温度变送信器5的温度信号、热流体入口温度变送器3的温度信号和历史运行数据以及超临界水总流量11、热流体总流量、第一级换热器设备信息，根据能量平衡原理，得到第一级换热器的预测模型。

预测模型生成单元将上一时刻的第二级换热器冷流体出口温度预测信号与当前时刻的第一级换热器冷流体出口温度变送器1的温度信号比较得到差值，根据差值、第一级换热器热流体入口温度变送器3的温度信号和第二级换热器冷流体出口温度变送器5的温度信号输出当前修正后的预测模型至预测模型处理单元，预测该时刻下的换热器系统离散动态响应，应用于当前时刻下的最优化算法计算。

给水泵出口流量变送器11和第一级换热器热流体入口压力变送器4均连接危险信号报警器。对于给水泵来说较低或较高的给水量都暗示着系统处于不正常的状态，而且这种不正常的情况一般比较危险，故需要危险信号报警器提醒。而第一级换热器热流体入口压力变送器4信号的大幅度变化预示着所述煤炭超临界水制氢系统中气化炉或氧化器可能处于危险运行状态，氧化器出口混合气温度可能会高于换热器安全范围，如不进行操作可能会导致换热器损坏，故也需要危险信号报警器提醒。

Claims (10)

1.煤炭超临界水制氢系统中超临界水多级换热器调控系统，其特征在于，包括换热器；换热器包括n级换热器，n为大于等于2的整数；

冷流体依次经过第n级换热器、第n-1级换热器、…、第一级换热器进入气化炉；热流体依次通过第一级换热器、第二级换热器、…、第n级换热器；第i级换热器外部设有连接第i级换热器冷流体入口和冷流体出口的冷流体旁路，冷流体旁路上设有第i级换热器旁路流量调节阀；i为1,2,…,n。

2.根据权利要求1所述的煤炭超临界水制氢系统中超临界水多级换热器调控系统，其特征在于，还包括温度变送器、流量变送器、换热器控制器和温度调控单元；

温度变送器包括各级换热器冷流体出口温度变送器、第n级换热器冷流体入口温度变送器、各级换热器热流体出口温度变送器和第一级换热器热流体入口温度变送器，分别用于采集各级换热器冷流体出口温度、第n级换热器冷流体入口温度、各级换热器热流体出口温度和第一级换热器热流体入口温度；

流量变送器包括各级换热器旁路流量变送器及给水泵出口流量变送器，分别用于测量各级换热器冷流体旁路流量及超临界水总流量；

温度调控单元，根据各级换热器冷流体出口温度、第n级换热器冷流体入口温度、各级换热器热流体出口温度和第一级换热器热流体入口温度及第一级换热器冷流体出口预设温度处理得到各级换热器冷流体旁路流量控制量；

换热器控制器根据各级换热器冷流体旁路流量控制量对各级换热器旁路流量调节阀进行调节。

3.根据权利要求2所述的煤炭超临界水制氢系统中超临界水多级换热器调控系统，其特征在于，温度调控单元包括预设温度计算单元和预测模型处理单元；

换热器控制器将第一级换热器冷流体出口温度与第一级换热器冷流体出口预设温度比较，若两者差值不为零，则将两者输入预设温度计算单元和预测模型处理单元；

预设温度计算单元根据第一级换热器冷流体出口温度与第一级换热器冷流体出口预设温度的差值及超临界水总流量、热流体总流量和第一级换热器热流体入口温度计算出第j级换热器冷流体出口预设温度并输出给换热器控制器；换热器控制器将第j级换热器冷流体出口温度与第j级换热器冷流体出口预设温度比较，若两者差值不为零，则将两者输入预测模型处理单元；j为2,3,…,n；

预测模型处理单元，根据第i级换热器的冷流体出口温度、冷流体入口温度、冷流体出口预设温度和旁路流量，利用预测模型及能量和响应速度最优算法，处理得到第i级换热器旁路流量控制量并输出至换热器控制器；换热器控制器根据第i级换热器旁路流量控制量调节第i级换热器旁路流量调节阀开度；i为1,2,…,n。

4.根据权利要求3所述的煤炭超临界水制氢系统中超临界水多级换热器调控系统，其特征在于，温度调控单元还包括预测模型生成单元；

初始时刻下的预测模型生成单元利用第i级换热器的冷流体入口温度、热流体入口温度和历史运行数据以及超临界水总流量、热流体总流量、第i级换热器设备信息，根据能量平衡原理，得到第i级换热器的预测模型；

所述预测模型处理单元根据第i级换热器的冷流体出口温度、冷流体入口温度、冷流体出口预设温度和旁路流量，利用当前时刻的预测模型及能量和响应速度最优算法，处理得到第i级换热器冷流体出口温度预测信号并输出至预测模型生成单元；

预测模型生成单元将上一时刻的第i级换热器冷流体出口温度预测信号与当前时刻的第i级换热器冷流体出口温度比较得到差值，根据该差值、第i级换热器热流体入口温度和第i级换热器冷流体入口温度，输出当前修正后的预测模型至预测模型处理单元。

5.根据权利要求1所述的煤炭超临界水制氢系统中超临界水多级换热器调控系统，其特征在于，各冷流体旁路贴附在对应换热器的外表面。

6.根据权利要求1所述的煤炭超临界水制氢系统中超临界水多级换热器调控系统，其特征在于，还包括第一级换热器热流体入口压力变送器和危险信号报警器；

第一级换热器热流体入口压力变送器用于采集第一级换热器热流体入口压力；

危险信号报警器将第一级换热器热流体入口压力与第一级换热器热流体入口预设压力比较，若两者差值超出预设差值范围，则危险信号报警器报警。

7.根据权利要求1所述的煤炭超临界水制氢系统中超临界水多级换热器调控系统，其特征在于，还包括给水泵出口流量变送器和危险信号报警器；

给水泵出口流量变送器用于采集给水泵出口流量；

危险信号报警器将给水泵出口流量与给水泵出口预设流量比较，若两者差值超出预设差值范围，则危险信号报警器报警。

8.煤炭超临界水制氢系统中超临界水多级换热器调控方法，其特征在于，基于权利要求1所述的调控系统，通过调节各级换热器旁路流量调节阀的开度，来调节各级换热器冷流体出口温度。

9.煤炭超临界水制氢系统中超临界水多级换热器调控方法，其特征在于，基于权利要求3所述的调控系统，包括：

将第一级换热器冷流体出口温度与第一级换热器冷流体出口预设温度比较，若两者差值不为零，则根据第一级换热器冷流体出口温度与第一级换热器冷流体出口预设温度的差值及超临界水总流量、热流体总流量和第一级换热器热流体入口温度，利用能量平衡方程计算出第j级换热器冷流体出口预设温度；

根据第i级换热器的冷流体出口温度、冷流体入口温度、冷流体出口预设温度和旁路流量，采用预测模型及能量和响应速度最优算法，处理得到第i级换热器旁路流量控制量，根据第i级换热器旁路流量控制量调节第i级换热器旁路流量调节阀开度。

10.煤炭超临界水制氢系统中超临界水多级换热器调控方法，其特征在于，基于权利要求4所述的调控系统，包括：

将第一级换热器冷流体出口温度与第一级换热器冷流体出口预设温度比较，若两者差值不为零，则根据第一级换热器冷流体出口温度与第一级换热器冷流体出口预设温度的差值和超临界水总流量、热流体总流量和第一级换热器热流体入口温度，利用能量平衡方程计算出第j级换热器冷流体出口预设温度；

根据第i级换热器的冷流体出口温度、冷流体入口温度、冷流体出口预设温度和旁路流量，采用预测模型及能量和响应速度最优算法，处理得到第i级换热器旁路流量控制量，根据第i级换热器旁路流量控制量调节第i级换热器旁路流量调节阀开度；

将上一时刻的第i级换热器冷流体出口温度预测信号与当前时刻的第i级换热器冷流体出口温度比较得到差值，根据该差值、第i级换热器热流体入口温度和冷流体入口温度，输出当前修正后的预测模型至预测模型处理单元。

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