变换炉的控制方法
专利名称变换炉的控制方法
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，炉内装有两段钴钥耐硫催化剂，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。
(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SI、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。
图I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。
具体实施例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I是变换炉的结构示意图。如图所示，变换炉I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Til和Ti2，4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、C02、H2为主要成分的变换炉出口生成气4。需说明的是，该图I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SI、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。SI、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C0、C02、H2、H20、C0S等，要求计算变换炉出口生成气4中的CO、CO2、H2、H20、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C0、C02、H2、H20、C0S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C0+H20= C02+H2+Q Λ H1 = -41. 2 千焦 / 摩尔副反应C0S+H20= C02+H2S+Q Δ H2 = -35. 53 千焦 / 摩尔2C0 = C+C02+Q2C0+2H2 = CH4+C02+QC02+4H2 = CH4+2H20+Q C0+H2 = C+H20-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。I)质量衡算变换炉I的工艺参数如下进变换炉的上段水煤气2流量为Cwl、温度为Til，进变换炉的中段水煤气3流量为Cw2、温度为Ti2，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。ng为变换炉出口生成气4的总摩尔量，η*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。Cd = Cwl+Cw2Nc = CdMco / 28.0 + CdMmi / 44.0 + CdMcos / 60.0N0 = CdMco 128.0 + 2-( 144.0 + CdMcos /60.0 + CdMnp /18.0Nh =2-CdMlli /2.0 + 2·CclMlli0/18.0 + 2·CdMius /34.0
Ns = CdM11^s / 34.0 + CdMcos / 60.0Nn = 2/ 28.0根据质量守恒，有如下等式存在Nc = nco + wco: + YicosN0 = nco + Inc0i + η
COS + nH2ONh = 2πΗι + 2 叹 + 2nHpNs = nHiS + (Nx = 2ηΧι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w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
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
51、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；
52、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；
53、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；
54、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；
55、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I所述的变换炉的控制方法，其特征在于，在步骤SI中建立的变换炉的仿真模型为原料为水煤气，其组分包含C0、C02、H2、H20、C0S ;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CCHH2O = C02+H2,COS水解反应C0S+H20 = C02+H2S等其他化学反应；其中变换反应的频率因子Icr1，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I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Cwl、温度Til，进变换炉的中段水煤气流量cw2、温度Ti2，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ng，以及生成气中各组分的摩尔量η*。
4.如权利要求I所述的变换炉的控制方法，其特征在于，在步骤S3中，参数kri要据下式进行计算
5.如权利要求I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I所述的变换炉的控制方法，其特征在于，在步骤S3中，参数Iiivhr2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Qd= (1-hr) · (N⑶-nco) · AH^(IHir2) · (N⑶s_ncos) · AH2。
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。
文档编号G05B17/02GKSQ
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发明者刘德荣, 魏庆来, 黄玉柱, 赵冬斌 申请人:中国科学院自动化研究所 上传我的文档
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& CO等温低温变换反应器成功投运，工业炉高CO尾气无处可藏
CO等温低温变换反应器成功投运，工业炉高CO尾气无处可藏
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来源：中国产业经济信息网&&&&&
　　日前，湖南安淳高新技术有限自主开发、设计、制造的一氧化碳（CO）等温低温变换反应器成功投运，高CO等温低温变换技术正式应用于电石炉尾气综合利用工艺。该技术实现了合成氨高CO煤气变换、工业炉高CO尾气的利用，破解了长期困扰企业的技术装备难题，为实现资源综合利用、碳减排、环境净化闯出了新路。
　　如何变换利用浓度高达75%~85%的CO一直是业内的难题，国内外尚无成熟、合理的解决方法。传统技术需采用4~5台变换炉，中间配装繁杂的控温，不仅反应流程长，而且阻力大，系统阻力达到0.4~0.6兆帕，操作难度也较大。
　　该技术国内外尚无先例，等温低温变换反应器是其核心装备。此次成功投运表明，该技术具有显著优势：一是进入系统的CO浓度高达75%~80%，为高CO原料气；二是床层温度轴向、径向各点温度均稳定在219℃~222℃，彻底解决了超温飞温问题；三是等温变换炉阻力几乎为零，系统阻力小于0.01兆帕；四是该技术可根据后续产品对CO的要求，调节水汽比即可轻松控制出口变换气中CO浓度；五是通过控制汽包蒸汽压力可以轻松调节床层温度；六是变换反应热几乎全部利用产生的中压蒸汽，反应器水汽系统无动力自然循环；七是饱和蒸汽经过系统过热后可外送或本系统使用。
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