弟22卷第6動力工程2088·2012年12月POWER ENGINEERINGDeC 2(002文章編號:1000-6761(2002)062088-05氣化爐自動建模系統(tǒng)研究白泉,李政,倪維斗清華大學熱能工程系,功力機械及工程研究所北京100084)摘要:為了減輕建模人員在建模公式推導、邏關系推導和端制仿真翟序的工作量,設計了氣化爐自動建模系統(tǒng)。該系統(tǒng)在反應物為多種氣體、多種國體(均考慮為單篩分)的條件下,按照小室檨型的擔架自動列寫相應各個物質的質量、能量平衡方程,并自動生成相應的計算機程序,方使仿真計算、由于該系魷避開了工程中常用的純數值建模的思路,采用了新的數學工具一以符號運算為特長的計算機代數系統(tǒng)為計算平臺才使得該系統(tǒng)具有強大的邏輯關系推導能力。系統(tǒng)在某氣化爐的建幞過程中得到了驗證和示范,事實表明:該系統(tǒng)大大減少了氣化爐的建樸工作量,特別是減少由于化學反應假定的不同帶來的建模復雜性,對于建模與仿真研究新方法的突破有所貢獻。關鍵詞:氣化爐;數學模型;邏輯關系;符號運算中圖分類號:TK229文獻標識碼:A0引言和濃度。反應動力學模型包含了氣化爐中發(fā)生的多種化學反應的化學動力學信息,如:化學反應路氣化爐是一個具有復雜物理化學過程的熱動徑、化學反應速率等,從這些信息可以推算出每種力系統(tǒng)裝置,氣化過程中發(fā)生的化學反應的多樣反應物的生成/消耗速率流動模型和反應動力學性更加深了氣化爐的建模的復雜性。為了從最大模型為小室內物質能量平衡方程的列寫提供了程度上減少氣化爐的建模工作,特別是減少由于邊界條件。按照小室模型的建模思路將氣化爐沿化學反應假定的不同帶來的建模復雜性,本文設軸向劃分為若干小室(圖1)后,在每個小室中建計了基于符號運算的氣化爐自動建模系統(tǒng)。立了煤氣組份及固體物質的質量和能量平衡方1氣化爐及其建模程。通過求解這些方程,可以得到氣化爐內溫度反應物濃度和含碳量的分布特性德士古氣化爐的工作過程是:水煤漿通過噴嘴在高速氧氣流作用下噴人氣化爐,氧氣和霧狀水煤漿在爐內經歷一系列復雜的物理、化學過程上拱嘎后生成以一氧化碳、氫氣、二氧化碳和水蒸氣為主射流段要成分的混煤氣及熔渣,二者一并離開反應區(qū)后進人底部的急冷室分離,上直筒度本課題組對氣化爐進行過建模研究,在小室建模方法的基礎上建立了氣化爐整體模型。該模型大致可以分為3部分:流動模型,反應動力學模型和小室內物質/能量平衡方程。氣化爐流動模型由氣化爐的給料和兒何尺寸計算出氣化爐中各個小室內氣固兩相物質的流速收稿日期:2001-1120修訂日期:20020322作者簡介:白泉,男,博十研究生,日前,主要從事新型熱動圖1氣化爐小室的劃分力設備的計算機建模與j傷真妍究方面的工作中國煤化工CNMHG第6期動力工程2089建立氣化爐自動建模系統(tǒng)的動機應的反應速率到各反應物化學速率的映射關系,能夠結合流動模型和其它模型提供的輸入參數在建模過程中,建模研究者遇到的一個實際推導出氣體、固體的物質、能量平衡方程表達式問題是:氣化爐中同吋發(fā)生多種化學反應,由這些它還必須能夠處理多種氣體、多種固體反應物和化學反應推導各個物質的質量平衡方程和能量平有無能量平衡的情況。衡方程是一個繁瑣的過程,工作量大,重復性強程上最常用到的計算機語言(如C語言容易出錯建立小室中氣體、固體的物質能量平衡 FORTRAN語言》只注重純數值運算,邏輯推導方程后,據此編制仿真程序代碼也是一個相刈簡功能比較弱,要想完成上述工作,必須突破舊的思單、重復性強的過程,T作量大,而且容易出錯。有路,采用更先進的數學工具。以符號計算邏輯關時手1推導、編程和檢查工作加起來竟占了所有系推導和復雜計算見長的計算機代數系統(tǒng)在此方建模工作量的50%以上。在添加/刪除某個化學面有著獨到的優(yōu)勢。因此本文采用計算機代數系反應時,推導和編程工作需要重新進行,工作量較統(tǒng)作為工作平臺。3.2氣化爐自動建模系統(tǒng)組成部分介紹建模研究者希望能夠有套工具幫助推導平衡(1)輸入參數方程表達式、幫助進行仿真程序的編制,這樣研究氣化爐自動建模系統(tǒng)的輸入可以分為3個部者可以將精力集中在模型的物理、化學假定是否分:反應動力學部分、流動模型計算結果和其它建合理上面,而不是讓繁項的推導和編程工作占用小室模型必需的參數(圖2)。了過多的時間。①反應動力學部分的輸入本文設計的氣化爐自動建模系統(tǒng)是為了滿足與反應動力學部分相關的輸入是指建模時研這種需求研制的究者假設的氣化爐中發(fā)生的所有化學反應及其化3氣化爐自動建模系統(tǒng)研究學反應速率(表1)。同時,還需要指明其中的固體3.1氣化爐自動建模系統(tǒng)的設計思路反應物是單篩分還是寬篩分,是否需要進行能量氣化爐自動建模系統(tǒng)的設計思路是:借助計平衡計算算機對輸入的化學反應列表和化學反應速率表達表1氣化爐自動建模系統(tǒng)的輸入式進行推導,計算出各反應物的生成/消耗速率對應的化學反應的化學反應方程式再在此基礎上按照小室模型的框架列寫物質、能速率的函數名量平衡方程,然后利用該系統(tǒng)將平衡方程表達式CO+1/202=CO2生成 FORTRAN程序通過將平衡方程代碼與流2H+1/20-HO動模型和求解算法代碼一起編譯、連接,最終生成r=rutar能夠進行仿真計算的氣化爐整體模型(圖2)。345H2C建立的自動建模系統(tǒng)必須能夠處理各化學反C+I/rphiO2=(2-2/rphr=a3化學反應列寰化學反應的反速率L選動攜型】[其它〔XO+(2/rphi1)COC-+CO,=2C化學反應列表6 CO+H2O-CO2+H2化學反應的反應速事7 CO2+H2-CO+H2Or= rk4各小室內色個物屬的是是量8C+H O=CO+H2C+2H,=CH,按平衡方程表達10 CO+H O=CO+H2rags11 CH,,HO-CO+3H2 CH+202CO2+2H:O分析計算納果圖2氣化爐整體梗型結構和氣化爐自動建模系統(tǒng)的作用范H中國煤化工率計算表達式都CNMHG提供相應的函數時佚合應速率用獨立的2090動力工程第22卷上 ORTRAN函數計算。②流動模型的計算結果值得指出的是:在某些情況下化學反應方程自動建模系統(tǒng)需要以流動模型的計算結果作式中的系數并不是整數,而是一個函數(如表1中為輸入,因此必須提供各個小室中的流動參數,在的4號反應),這給系數的識別帶來了一定的難輸入的時候只要給出這些參數的函數名即可度由于采用符號計算工具本系統(tǒng)能夠成功識別③其它建立小室模型必需的參數該系數,并將其處理成為一個特別的反應方程式以小室模型為構架列寫平衡方程時,還需要系數其它一些變量,如揮發(fā)份分解產物的引入、從各小在建模的時候,并不一定所有的反應物都參室排出爐朦的物質的量等。如巢要列寫能量平衡與物質、能量平衡計算,因此,需要給定進行計算方程,還需要給出不同氣體/固體、不同溫度下對的氣體、固體物質的名稱輸入時需要分別給定氣應的比焓和受熱面吸熱量等。體物質和固體物質的名稱和種類。表2其它的參數列表本小室中質量加入,排出爐物質名稱給給人、帶出溫摩爾質梃百分比度下的比焙CH√給料中C的百分含√所有固體總紿料量受熱面吸熱/化學反應吸熱/散熱損失放熱綜上所述,所有其它輸入量在按照上述要求在自動建模系統(tǒng)中我們沒有繼續(xù)使用手工推規(guī)范化”后可以制成表2。按照具體情況將表填導的思路,而是采用系數矩陣的方法從整體的角好、編制必要的子程序后,氣化爐自動建模系統(tǒng)就度同時處理所有化學反應方程式及反應速率,思可以在這3部分輸入量的基礎上進行自動推導各路如下:個量之間的關系,生成質量能量平衡表達式和仿首先,將各化學反應方程式寫成反應方程式真程序。向量,相應的反應速率寫成化學反應的反應速率(2)反應動力學模型中物質關系的自動推導向量,再從化學反應方程式向量中識別并提取化自動建模系統(tǒng)具有的第一個重要功能是由化學反應涉及到的所有物質的名稱,組成反應物名學反應方程式列表自動推導反應方程式和各物質稱向量。然后,根據物質名稱向量的順序從各個化的映射關系(即針對表1的輸入量進行處理),生學反應方程式向量中提取該物質在各個反應中的成各個反應物由化學反應引起的生成/消耗速率系數值(根據生成和消耗的不同將系數值處理成表達式正值或者負值),組成化學反應系數矩陣。此系數研究人員手工推導時,是按照同一種反應物矩陣乘以反應物名稱向量后能推出化學反應方程的順序進行的。過程是:先選定某種反應物,再從式向量。此系數矩陣轉置后乘以化學反應的反應多個化學反應方程式中分布提取該物質在各反應速率向量后,就能得到綜合考慮所有化學反應時中的系數然后乘以該反應的反應速率,這樣得到各個物質的反應速率向量。下面是一個用3個化該物質的生成/消耗速率這種思路需要重復搜索學反應說明該過程的簡單示例:多個化學反應方程式,不但繁瑣、而且比較慢。中國煤化工CNMHG第6期動力工程91C tO,cO-=C+c),zo系數矩陣轉置RO,+10RCO2CO+O2-2O2借助計算機代數系統(tǒng)的多項式符號運算功則是:能,可以從化學反應方程式向量中分離出物質名外部供入該小室的質量+上…個小室流入本稱向量和系數矩陣,借助符號運算和矩陣運算功小室的質量一離開本小室的該物質的量-本小室能,可以完成系數矩陣和表達式向量的邏輯與數流入到下一個小室的質量+化學反應生成/消耗值關系推導,最終得到各個物質由于化學反應引的質量=0起的生成/消耗速率表達式列寫小室的能量平衡方程式需要同時考慮所氣化爐自動建模系統(tǒng)中考慮了8種氣體物質有進人、流出本小室的所有氣體、固體物質攜帶的(氧氣、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、氫氣,能量,同時,再加上化學反應產生/吸收的熱量、小氮氣、水蒸氣)、』種固體物質(碳)的物質平衡。以室中所有受熱面的吸熱放熱量和散熱損失,其規(guī)表1中的輸入為例,9種物質在發(fā)生12種化學反則是:應的情況下,計算結果如圖3所示:外部供入該小室的所有物質帶來的能量+上1. 165rvtat 2-2xk6個小室流入本小室的所有物質帶來的能量離開本小室的所有物質帶走的能量本小室流入到ch=a2-k5-xk6下一個小室的所有物質帶走的能量+化學反應產c=1+24-513(2-2}-xk1-xk3+xk4+太生/吸收的熱量+受熱面的吸熱/放熱量-散熱損co2"a1+A3+a3(-1+rphi! rvtar + xk1+ xk3在化學反應生成/消耗速率表達式的基礎上結合流動和其它輸入,自動建模系統(tǒng)可以按照上述規(guī)則自動選擇合適的參數,“搭建”生成各小室h2. a1-2a2+a5-xk2+xk3-xk4+-3xk5內各個物質的質量平衡表達式和小室能量平衡表b2o=--al-n5+0.34Srviar +xk2-xk3+ xk4-xk5+達式的形式。搭建過程中也需要針對物質名稱問量和其它參數進行邏輯關系推導。例如:在能量平衡方程式圖3化學動力學筷型自模的結果中,自動建模系統(tǒng)黹要根據某物質流的物質類別(3)建立小室內物質、能量平衡方程及表2中相應屬性自動將流量和比焓相乘生成流自動建模系統(tǒng)完成的第二個重要功能是自動動物質總焓值的表達式建立小室內部各物質的質量能量平衡表達式。(4)計算機代碼的生成氣化爐某小室內部的氣體、固體平衡關系示以前研究人員在推導得到物質、能量平衡方意圖如圖4所示。在靜態(tài)條件下,針對某一個小室程的表達式后,需要手工將這些表達式編制成仿列寫的某一種氣體或者固體物質的質量平衡的規(guī)真程序代碼,才能進行仿真計算本氣化爐自動建模系統(tǒng)不但有自動生成物上個小室的上個小室的質、能量平衡表達式的功能,而且能夠自動在表達氣體茂入回體入式的基礎上建立 FORTRAN語言程序代碼,在該代碼基礎上經過部分加工后可以將這些代碼生成標準的 FORTRAN語言子程序模塊。與氣化爐其產生的揮發(fā)分它部分(如流動模型和數學求解模型)放在一起編譯連接后,就能夠生成氣化爐整體模型的仿真程化學反應序小室的本小室的生成耗中國煤化工成的第三個重要氣體霞比四體出功圖4小室模型示意圖HCNMH灬能夠根據輸入2092動力工程第22卷的化學反應列長和各反廠的反應速率自動推導各學反應假定提供了極人的方便,節(jié)省了大量推導、個反應物的生成∥消耗速率,再在此基礎上按照小編程的工作量,節(jié)約了大量時間室模型的思路結合流動等其它參數搭建多種氣事實表明:自動建模系統(tǒng)的建立能夠使建模體、固體物質的質量能量平衡方程長達式,最終研究人員減少在公式推演邏輯關系推導和編寫生成計算機髹序代碼。此代碼與其它部分結合組仿真程序等簡單、低水平的細節(jié)工作上的投入,轉成氣化爐整體仿真程序而將更多的精力投入到模型的物理化學背景及模4自動建模系統(tǒng)的驗證型假定本身的正確與否上,有較大的實用價值參考文獻木文針對原有的德士古氣化爐整體模型進行了驗證和示范該模型將整個爐膛劃分為15個小{1李政,王人驕,等.1煤氣化爐數學模型研究一-建便室,每個小室中考慮了8種氣體、2種固體的質量部分門].動力工程,2001,21(2[2]李政,+天驕,等. Texaco煤氣化爐數學模型研究-計算平衡和小室能量平衡結果及分析[Jl動力工程,2001,21(4)實踐表明:自動建模系統(tǒng)生成的程序和手工131白泉李政,倪維斗,計算機代數在動力系統(tǒng)建模與仿真編寫的程序計算結果一致,這驗證了該系統(tǒng)推導中的應用]動力工程,2001,21(5):1469~147結果的正確性。在刪除某化學反應時,手工推導至4]SvAs. Caster M. Autonatic Diffcrentiation and imp少要花費一天甚至幾天生成新的模型計算程序,thiation of Thermodynamic: Models Using a Computer Al自動建模系統(tǒng)可以在幾秒鐘內完成。gebra SystetmLC' L. European Symposium on Computer Aided5結論L時」陳宗海,過程系統(tǒng)建模與仿真「M],中國科學技術大學出版氣化爐自動建模系統(tǒng)的使用不但能夠大大減6] Abraham1,bter.利用符號運算進行工程分析一一個突少該氣化爐模型第一次建模中遇到的繁瑣的表達破門.力學進展,994,May25式推導工作,而且為模型建立以后修改模型的化【7黃新生,黃圳主,朱小謙多剛體系統(tǒng)計真機代數動力學壁模研究|J1國防科技大學學報,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中國煤化工CNMHG