化工進展2009年第28卷第12期CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS·2129研究開發(fā)燃料乙醇系統(tǒng)模擬平臺開發(fā)及應用張志強1,胡山鷹1,陳定江1,沈靜珠',杜風光2(清華大學化學工程系,北京1004:2河南天冠企業(yè)集團有限公司,河南南陽473000摘要:對典型燃料乙醇系統(tǒng)進行了分析,闡述了目前該系統(tǒng)相關全流程模擬模型的不足以及由非線性和復雜性等特征導致的系統(tǒng)建模難點。在此基礎上,運用VC#編程工具和 SQLSERⅤE開發(fā)了全新的燃料乙酶系統(tǒng)模擬平臺,該平臺可模擬燃料乙醇實際生產過程,能夠從物質流、能量流、水流、價值流等方面對系統(tǒng)開展工業(yè)生態(tài)學分析,最后利用實際生產過程中出現(xiàn)的兩個問題案例對平臺進行了檢驗關鍵詞:燃料乙醇;模擬分析;工業(yè)生態(tài)學中圖分類號:TQ0218文獻標識碼:A文章編號: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近年來,能源問題日見顯著,增加能源供應和幾方面的作用:快速對多種生產方案進行評價和分減少溫室氣體排放兩大因素共同推動了世界生物質析,對原料、產品做出最佳的選擇,以提高該系統(tǒng)能源的發(fā)展,利用生物質生產能源與化工產品已成的生產效率和經濟效益;靈活改變相關參數(shù)和工藝為工業(yè)發(fā)展的新方向。其中尤以利用多種生物質條件進行生產過程的模擬,對實際生產進行指導;原料生產燃料乙醇作為新型替代能源最具潛力。本對企業(yè)物流、能流、水流、價值流進行定量分析,文以燃料乙醇系統(tǒng)作為研究對象,利用系統(tǒng)工程的推動企業(yè)節(jié)材、節(jié)能、節(jié)水等各項工作的進行,為思路和方法,對生物質能源企業(yè)利用IT技術構建虛科學管理奠定基礎等。此外,它對于燃料乙醇企業(yè)擬的生物煉制系統(tǒng),并對其進行模擬和工業(yè)生態(tài)學分析,實現(xiàn)了循環(huán)經濟和信息化技術的結合。收稿日中國煤化工基于現(xiàn)代信息技術和軟件T程的新成果,結合金項CNMH(436040)及“十一五過程系統(tǒng)T程、化學工程的原理,針對燃料乙醇系第一作者簡介。張志強(1984-),男,博士研究生,聯(lián)系人,胡山統(tǒng)開發(fā)系統(tǒng)模擬及優(yōu)化集成的軟件,可以起到如下鷹.E-mailhxr-dce@mail.tsinghua.edu.cn.2130·2009年第28卷在變化莫測的市場環(huán)境中快速、正確的做出決策,模擬軟件( Aspen,ProⅡ等)對玉米乙醇生產進行利用模擬優(yōu)化結果指導資源配置等有著非常重要的模擬5:有的將多日標優(yōu)化、不確定分析的方法指導意義圍。和思路引入模型對燃料乙醇生產系統(tǒng)進行分析1燃料乙醇循環(huán)經濟系統(tǒng)建模還有的利用 EXCEL構建燃料乙醇過程的技術經濟模型等。l.1典型燃料乙醇生產系統(tǒng)表1對近年來國際上與燃料乙醇系統(tǒng)模擬和分以一個利用小麥、玉米、木薯等多種生物質為析相關的一些模型進行了統(tǒng)計,可以發(fā)現(xiàn)這些模型原料,并生產多種生物與化工產品的“燃料乙醇”主要分三類,類是用于簡單分析計算的公式化模企業(yè)作為研究對象,利用循環(huán)經濟和生態(tài)工業(yè)的理型,作者只為同領域的研究者們提供一種思路和方論方法對其進行多方面的分析和設計,進步完善法;第:類則是利用日前化工領域和數(shù)學計算相關其產業(yè)鏈網結構,在此基礎上,構建了基于仝流程的軟件來構建更為清晰、合理半自動化的模擬模型,的企業(yè)模擬分析平臺這類模型從機理上模擬生產過程,可自動計算、分該企業(yè)主要利用3~5種生物質原料經過十幾析所模擬的過程中的物能消耗及效益情況:第三類個主體生產過程形成了以燃料醇、生物柴油為目則是完全可視化的操作模型,能夠廣泛應用于生物標能源產品,以1,3-丙二醇(PDO)、乙烯等為目標化質相關的研究(如BESS)丁產品,以麩皮、谷朊粉、CO2、蛋白飼料、沼氣等為副產品的體系,如圖1所示。圖2為其廢物資表Ⅰ燃料乙醇全流程模擬部分相關模型源化利用示意時模型膚皮生物質能源評佔校型,用于利用多種生物質原料發(fā)電商品小麥制粉H谷朊粉燃燒及生產液體燃料時的技術經濟分析p小麥貨臼BEAVER生物質經濟評測專家系統(tǒng)品土米米油酒精生產一叫酒精一燃料L醇 BEFAT生物質能量流分析工具,分析生物質能源收益的多尺度粘稈纖維其它農產品·葡糖淀粉乳BOBL生物質燃燒過程中物質及能量平衡計算輔助工具油料作物牛物柴油BIOLOGICS區(qū)域層次上機擬和優(yōu)化生物質收集過程圖1燃料乙醇生產流程BIOPOWER部分燃料的物質能量平衡,成本效益分析模型水唱絡各成CRESCAM作物秸桿成本分析工具國*她生產\,煤神煌灰…叫水材能源系統(tǒng)生命周期成本分析嗎BESS米乙醇全生命周期分析及溫室氣體排放測算碳飲料→發(fā)夜葉有機肥其它過程綜合看來,目前研究中的燃料乙醇模擬模型具廢水“水處理·處小改有如下幾點不足沼氣發(fā)電)城市氣(1)基于燃料厶醇工廠實際生產過程進行全流程模擬的模型較少,多數(shù)只專注于理論上燃料厶醇圖2廢物資源化利用圖的生化反應生成流程,不考慮副產品生產,不考慮能源叫用。且大多借助 Aspen等化工模擬軟件來完卜述生產流程能夠作為目前國內燃料乙醇生產成,可重復性差,除科研人員自身外很難實際運用企業(yè)的典型代長,其發(fā)酵過程具有生物化工的典(如 Helen magnus, Johnson等分別搭建的模擬型特征,產業(yè)鏈網已初步形成“定規(guī)模,因此,研模型)。究的方法和思路均具有很強的通用性和代表性。型構律較少考慮實際生產過程諸如參1.2現(xiàn)有模型及問題數(shù)中國煤化工原料、操作條件借鑒石化企業(yè)信息化虛擬園區(qū)或企業(yè)的經驗均CNMHG據主要基于理論計許多學者構建了多種多樣的模型來解決燃料乙醇企算,和實際生產有一定差異,使模型的精度難以保業(yè)實際生產中碰到的復雜問題。有的利用現(xiàn)有化工證,無法對模型產生的誤差給出實際驗證的結果第12期張志強等:燃料乙醇系統(tǒng)模擬平臺開發(fā)及應用·213l·并不能夠很好地指導實際生產;簡單的用戶界面輸入即可實現(xiàn)企業(yè)生產過程模擬〔3)模型在功能上多數(shù)集中于技術經濟分析、生產信息統(tǒng)計、生產計劃安排、工業(yè)生態(tài)學分析等能量指標核算兩個方面,很少結合工業(yè)生態(tài)學的方法功能,且具有可擴展、可重用、可移植等優(yōu)越性。論對整個系統(tǒng)的物質、能量、價值進行全面的分析。本文將側重介紹系統(tǒng)建模的方法和思路,探討一種(4)此外,模型可擴展性、通用性、智能化和廣泛適合于生物質燃料企業(yè)信息化的基礎方法?？梢暬潭染^差,多數(shù)只為一定科研目標建立,難以進一步升級優(yōu)化和完善,不方便用戶使用。因2系統(tǒng)模擬平臺開發(fā)設計此,開發(fā)一種可為實際工業(yè)企業(yè)生產服務,同時兼2,1系統(tǒng)總體設計具簡單易用、功能強大的燃料乙醇系統(tǒng)虛擬平臺具本文作者以圖1、圖2所示燃料乙醇企業(yè)生物有非常重要的意義。煉制的基本工藝流程為基礎,經抽象提煉和一定的13建模難點簡化,劃分出包括預處理、生物轉化、副產物處理、由于生物質能源系統(tǒng)具有較多的生化反應過廢棄物利用等在內的5個單元工段和各工段的關鍵程,反應機理非常復雜,伴隨著燃料乙醇企業(yè)多條單元模型,在對關鍵單元模型基本原理分析的基礎物料流動的生產線,全廠的熱平衡、水平衡網絡日上,以 SQL SERVE數(shù)據庫為基礎,運用VC#編程趨復雜,如何準確的在此基礎上進行模擬和優(yōu)化集語言構建了包括輸入輸出、生產方案選擇、系統(tǒng)分成成為模型建立過程中的一大難題。另外,液化析、庫存管理、裝置管理、流程管理、數(shù)據管理、糖化、發(fā)酵過程為企業(yè)級別而不是單純的實驗室過數(shù)據分析等功能模塊的圖形用戶界面,使用戶能方程,其非線性和生化反應的復雜性使得模擬難度進便地對燃料乙醇生物質煉制的過程進行多方面的設一步加大。因此,生物質燃料系統(tǒng)中專用的可視化定和分析。此外,由于發(fā)酵過程涉及的生物代謝機的模擬優(yōu)化模型非常少,數(shù)量遠不及石化能源系統(tǒng)理極復雜,很難建立機理模型,故采用神經網絡方的仿真、模擬和優(yōu)化模型法,利用企業(yè)歷史運行數(shù)據建立發(fā)酵過程的灰箱模本研究以此為出發(fā)點,利用燃料乙醇企業(yè)真實型,與整體模型進行整合的生產數(shù)據開展系統(tǒng)全流程模擬工作,對工業(yè)生態(tài)模型整體結構和構建思路如圖3所示。用戶通學分析方法進行集成,開發(fā)了面向實際生產企業(yè)運過構建企業(yè)流程,輸入初始參數(shù),即可自動構建約用的生物質燃料模型化、可視化平臺。該平臺通過束方程并進行求解運算,得出分析報告管理平臺用戶界面后臺數(shù)據庫(了流程1f流程2(子流釋3了流程“…C子流程n)數(shù)據傳遙總生產流-用戶管理模塊生化反應參設置模塊系統(tǒng)設置模塊參數(shù)擬合模塊檳型雛形發(fā)生器生產計劃橫塊方瞿立敷據存儲調用庫存管理機塊其它助塊模型求解模塊「報告生成塊數(shù)據分析模塊中國煤化工價值流物質流能量流分析模塊析被塊分析模塊YHSCNMHG圖3模型整體結構·2132化.進展2009年第28卷22功能模塊22.3模型生成模塊22.1輸入模塊(1)一般流程模塊燃料乙醇模擬平臺的輸入模塊接受用戶輸入流方程組:根據全廠生產工藝的基本狀況劃分單線、裝置等具體信息,具體又分為原料信息輸入、元操作模塊,所有裝置及物流信息輸入完畢后,系裝置信息輸入、能耗參數(shù)輸入、其它信息輸入、生統(tǒng)會自動生成物料平衡、能量平衡、設備約束、反產方案選擇幾個部分。其中原料信息不僅包括生產應規(guī)律、流稈連接等幾種方程。這些方程聯(lián)合在用量,還包括收購價格、庫存量、原料來源等相關起構成系統(tǒng)模型中的等式約束方程組,如果后續(xù)為信息。模型增加優(yōu)化集成功能時,可繼續(xù)增加日標函數(shù)和在燃料乙醇系統(tǒng)流程確定后,只需要在流程圖不等式約束方程組,利用優(yōu)化求解器求解叫。上的設備和流線上點擊,便可以彈出流程數(shù)據輸入流程結構:模型的流程結構主要通過物流聯(lián)系框,錄入相應的數(shù)據即可。如設備的處理能力、損矩陣和關聯(lián)矩陣進行表示,物流矩陣對每股物流的失率、加工成本等,以及流線的流量、收率、價格來源和去處進行記錄。關聯(lián)矩陣表明物流和單元裝等。此外,還可以通過左側導航欄菜單對所有輸入置之間的連接關系,正數(shù)表示輸入物流,負數(shù)表示信息進行査看,通過上方菜單欄對一些默認參數(shù)、輸出物流,如表2所示。物流單位等進行單獨設置。模型的界面示意如圖4所示。上方和左方主要為菜單欄,主體內容上半部表2關聯(lián)矩陣示意分為企業(yè)流程示意及參數(shù)顯示,主體內容下半部分單元為輸入輸出數(shù)據顯示及數(shù)據分析結果顯示。理系度置參型證置數(shù)創(chuàng)信生產讓運Ha閃2函“慢世開化化發(fā)酵分汽過程回料生產閂楚D料密購B料清機應庫有位良參數(shù)估值:模型中一些單元裝置或物流的參數(shù)的估值對模型結果和精度有較大影響,故對從實際生產中所取得的樣本數(shù)據進行處理,經過多次擬合計算、分析誤差后,選取最恰當?shù)膮?shù)。對有些難以定量化描述的參數(shù)采取模糊建模的思路進行處理,這里不做詳述(2)生化反應參數(shù)模擬模塊圖4模型界面示意乙醇發(fā)酵工段涉及復雜的生化反應,是較為特殊的一個工段,相關參數(shù)如收率、物質輸入輸出等,22.2模型求解及結果輸出模塊在生產中受原料配比、工藝操作的影響較大,不能用戶輸入數(shù)據結束后,通過運行模型求解,模由經驗或簡單計算給出。本部分工作從乙醇發(fā)酵的型會自動檢驗所有輸入數(shù)據的正確性并進行計算。實際生產出發(fā),利用大量生產數(shù)據建立BP神經網所有輸入輸出數(shù)據均會自動存儲到SoL數(shù)據庫中絡,對發(fā)酵過程進行仿真模擬,反映各參數(shù)變量與供用戶進行后續(xù)選擇對比分析。在結果輸出后,數(shù)∠醇產率之間的復雜關系。結合乙醇發(fā)酵的機理和據分析模塊會生成報表、圖表等直觀信息,實現(xiàn)用企業(yè)實際生產情況以及整體模型對發(fā)酵工段的要戶所需要的工業(yè)生態(tài)學相關分析求,選取對L醇產率有影響的主要因素作為輸入變結果輸出模塊主要包括模型運行計算所得的產量,油級園收目筆設計的BP神經網品和副產品信息、公用T程消耗信息、各單元過程絡中國煤化工5所示。該模塊作單元節(jié)點上的物流信息。模塊主要起到結果信息統(tǒng)為CNMHG只負責從數(shù)據庫接計顯示的功能,并與數(shù)據連接為數(shù)據分析模塊提收發(fā)酵部分的輸入參數(shù)并計算輸出參數(shù)返回數(shù)據庫供運行參數(shù)。供模型利用。第12期張志強等:燃料乙醇系統(tǒng)模擬平臺開發(fā)及應用21333案例分析針對圖1所示的燃料乙醇系統(tǒng),運用該平臺可Maab調用數(shù)據傳遞進行一系列實際問題的分析并進行生產計劃決策等工作。以下給出幾個實際案例。酵母紫植能力一□(1)某年各月燃料乙醇產量模擬初始酸度在燃料乙醇通過液化發(fā)酵的方式進行生產的過圖5發(fā)酵過程模塊圖示程中,發(fā)生著十分復雜的生物化學反應,這使得每批發(fā)酵的產品和副產物產率很難精確估計。模型利224系統(tǒng)分析模塊用神經網絡模型刈該過程進行灰箱模擬,在通過大系統(tǒng)數(shù)據分析模塊是燃料乙醇系統(tǒng)的主體部分批樣本數(shù)據進行模型訓練的基礎上,可實現(xiàn)對燃料之一,其通過引進工業(yè)生態(tài)學的物質流(WFA)、乙醇產率的擬合計算。對該企業(yè)某年各月的乙醇產能量流(EFA、價值流(VFA)、水流(WFA)和量進行模型模擬分析,并與各月實際生產情況進行全生命周期(LCA)分析方法,對模型產生的大量驗證。誤差情況如表3所示。除個別生產情況受人輸出結果進行了全面的自動分析為影響較大的月份(2月、12月),其它時間產量模其屮物質流分析包括對系統(tǒng)物質投入產出分擬與實際情況符合較好,基本能夠將誤差控制在析、原子利用率分析、系統(tǒng)元素流動情況統(tǒng)計、CO,約5%等溫室氣體排放分析,此外還包括對各單元工段物表3企業(yè)燃料乙醇產量模擬結果質消耗的核算。月份能量流分析包括對總能量的輸入輸出統(tǒng)計、能實際產量13418126446728157231204513997量效率及能量凈值的核算各單元工段能量損失、利模擬產量13786100956865154601204013839用率等的計算,以便于從所有環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)節(jié)能潛力,產率相對誤差27%-202%20%-1.7%00%-1.1%提出節(jié)能措施。價值流分析包括企業(yè)經濟效益核算、成本核算等功能,還對原料產品市場價格、收購價格等進行際產量14899160581604616466172936762統(tǒng)計,對生產中各環(huán)節(jié)的價值鏈進行詳細分析,識模擬產量5230163581652215543179757756別系統(tǒng)中價值高的產品或副產品,輔助進行系統(tǒng)最二率相對差2193m-56%3%1男優(yōu)化計算。水流分析主要是對企業(yè)各單元流程新鮮水、工(2)灑糟后續(xù)生產方案比選藝水、污廢水的消耗情況進行核算,構建水平衡方生產燃料乙醇后所剩的廢糟液中含有大量的有機物,如果直接排放,會給環(huán)境造成極大的污染,如圖6所示為數(shù)據分析模塊中的能量流分析結果。同時造成資源的極大浪費。燃料∠醇企業(yè)一般會將總能攀輸入,T凈能量效率,出驗入臣呈凈值,M1分離后的廢液進行無氧發(fā)酵以生產沼氣。不過,隨鴝科乙量輸出,T著沼氣及飼料市場價格的不斷變化,是將糟液全部能量料用效率草元耗結構主要產過程能耗各單兀能量利用效率各單兀能量平衡指標用于離心生產飼料還是將糟液按一定比例直接分配到廢水處理工段生產沼氣更為劃算,企業(yè)決策者必須在兩種方案之間做出選擇并實時確定糟液在兩種方案之間的比例系數(shù)。運用模型對上述情景進行分析中國煤化工的情景所產生效益作CNMHG00元噸,沼氣市場價m以W到如儀4所示結果。由表4可見,當汭糟總量小于一·定數(shù)量時,需適當分出圖6能量流分析結果輸出定比例進行沼氣生產,才能降低成本(飼料生產2134·化工進展2009年第28卷表4酒糟用于飼料及沼氣生產的比例biomass to electricity model[C)/Chartier P, Beenackers A, Grassi.酒槽山廳噸生產飼料比例生產沼’(比例效益交化/萬元Proceedings of the 8th European Biomass Conference: Biomass forenergy, environment, agriculture, and industry. 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Athens: National TechnicaL.料乙醇系統(tǒng)進行全面的模擬和分析,輔助企業(yè)及時發(fā)University of Athens, 1995: 141-150現(xiàn)問題、挖掘節(jié)能潛力、作出正確決策。日前的模型[4 Hemstock S L, Rosillo-Calle F, Barth NM. BEFAT( Biomass Energy只是實現(xiàn)模擬功能,將來進步借助系統(tǒng)工程的思Flow Analysis Tool): A multi-dimensional model for analysing theenefits of biomass energy(cy/chartier Ph, FerreroG L, Henius U想,可以對整個流程建立數(shù)學規(guī)劃模型進行最優(yōu)化求M, et al. Proceedings of the 9th European Bioenergy Conference解,從而實現(xiàn)物能集成,發(fā)現(xiàn)節(jié)能潛力,提高物質利Biomass for energy and environment. Oxford: Pergamon, 1996用率,減少企業(yè)成本消耗,確定最優(yōu)生產方案。同時,1949-1954可進一步將模型的通用性進行拓展,使其在生物煉制5Bm, Obermberger L. BIO-BIL-com甲 aided mass and領域成為一個通用的建模平臺energy balance calculation for biomass combustion plants(CyKoukios E G Proceedings of modelling biomass systems Workshop,參考文獻Sounion-Athens, Athens: National Technical University of Athens5:75-80[] Kamm B, Kamm M. Biorefineries-multi product processes(). 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