系統(tǒng)仿真學(xué)報Vol.17 No. 5●1258.JOURNAL OF SYSTEM SIMULATIONMay 2005煤氣化爐的仿真系統(tǒng)開發(fā)趙冬斌',楊晟剛'，易建強'，張彥2(中國科學(xué)院自動化研究所復(fù)雜系統(tǒng)與智能科學(xué)實驗室,北京10080;0 2兗礦國泰化工有限公司，山東滕州277527)摘要:煤氣化爐是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)的-一個主要設(shè)備。通過建立煤氣化爐仿真系統(tǒng),可以模擬各種工況下，系統(tǒng)輸入量如煤量、氧煤比等參數(shù)同粗煤氣產(chǎn)量之間的變化情況，便于操作工人熟悉系統(tǒng)控制流程，同時可以為系統(tǒng)的分析優(yōu)化提供依據(jù)。以虛擬儀器Labview軟件為設(shè)計平臺，充分利用其豐富的圖形功能和數(shù)學(xué)計算功能，可以快速建立整個仿真系統(tǒng)。所建立的仿真系統(tǒng)試驗結(jié)果表明，仿真界面易于操作，輸出參數(shù)結(jié)果同已知文獻結(jié)果對比吻合。關(guān)鍵詞:煤氣化爐; IGCC; Labview; 仿真文章編號: 1004-731X (2005) 05- 1258-03中圖分類號: TP3919文獻標(biāo)識碼: ADevelopment of Simulation System for Coal GasifierZHAO Dong -bin', YANG Sheng gang', YI Jian-qiang', ZHANG Yan2('L aboratory of Complex Systems and Inelligence Science, Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Bejjing 100080, China;2Yankuang Cathay Coal Chemicals. Co. LTD., Tengzhou, Shandong 277527. China)system of the coal gasifier is to emulate the correlation between inputs such as the amount of coal, the ratio of oxygen to coal,etc. and the raw coal gas outputs under different working conditions. The system is helpful for manipulators to master thecontrol process, and is capable to provide the reference data to actual system analysis and optimization. Based on Labview,the simulation system can be established quickly with the support of the abundant graphic functions and powerfulmathematics solvers. Test results of the system indicate that the interface is easy to operate and the simulation outputs areidentical to the reference data.Keywords: coal gasifier; IGCC; Labview; simulation :引的仿真工作還剛剛起步17。本文擬應(yīng)用Labview的圖形和計算功能，建立-種煤氣整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電是利用煤進行發(fā)電的化爐的仿真系統(tǒng)。第二部分介紹煤氣化爐的數(shù)學(xué)模型,第三-種高效、 清潔的系統(tǒng),其中煤氣化爐是將煤轉(zhuǎn)換為煤氣的部分介紹基于Labview的仿真系統(tǒng)思路和各個功能模塊的設(shè)備,是整個系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)。整個煤氣化爐設(shè)備龐大復(fù)雜,實現(xiàn)，第四部分為仿真系統(tǒng)的試驗測試結(jié)果，最后為結(jié)論。為確保系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn), - -方 面要分析煤氣化的主要工作機1煤氣化爐的數(shù)學(xué)模型理14，另一方面要對操作人員進行上崗前培訓(xùn)，使其掌握實際系統(tǒng)的控制流程，避免不必要的事故發(fā)生。因此,建立針對噴流床氣化爐，在已知供煤量、供氧量以及氣化爐煤氣化爐的計算機仿真系統(tǒng)可以很好地實現(xiàn)系統(tǒng)分析和人的壓力和溫度的條件下，文獻[1]給出 了粗煤氣產(chǎn)量的預(yù)測員培訓(xùn)的任務(wù)。模型。煤的主要組分包括C、H、0、N和s，氣化爐產(chǎn)生目前，針對化工過程已建立了-些功能強大的仿真系粗煤氣的主要成分包括H2、CO、 CO2、CH、N2和H2O,統(tǒng)，如Aspen plusl5]等，但這些軟件主要面向?qū)ο鬄橄到y(tǒng)研還有一些硫化物H2S、cos和SO2等。假設(shè)煤氣化爐中的氧發(fā)的工程師，而且造價昂貴、開放性差。而選用一種開放式、氣被完全消耗掉，C元素也接近完全轉(zhuǎn)換，則根據(jù)在氣化爐有豐富的圖形功能和數(shù)學(xué)計算功能的軟件平臺來進行仿真中所進行的化學(xué)反應(yīng)，得到質(zhì)量平衡方程系統(tǒng)開發(fā)則是- -種可行的思路。虛擬儀器軟件Labview,是Nc =N,(Yco+Ya +tYau +Yan)滿足.上述功能要求的- -種。基于Labview 已開發(fā)出的成熟的Na =N,(05Yco+ Yco +Yson +05Ycos +05Yrno)1)Nn =N,(Yp +ZYou +Yup +Yup)仿真系統(tǒng)覆蓋航空、汽車、通訊系統(tǒng)等問，而在化工過程上Nx2 =N(Yx)Ns =N(Yso2 +Yxs +Yos)其中Ng為粗煤氣輸出的總摩爾量，Y.分 別為輸出組分的摩收稿日期: 2004-01-06修回日期: 2004-06-10作者簡介:趙冬斌(1972-), 男，黑龍江哈爾濱人，副研究員、博士，研爾百分?jǐn)?shù), N.分別為各個輸入組分的摩爾量。摩爾百分?jǐn)?shù)滿究方向為智能控制、系統(tǒng)仿真;楊晟剛(1975-), 男，湖南邵陽人，博足道爾頓定律,中國煤化工士生，研究方向為智能控制、系統(tǒng)仿真;易建強(1963-),男，江西萍鄉(xiāng)人，研究員、博士，研究方向為智能控制、系統(tǒng)仿真;張彥(1967-), 男，Yoo+YxMHCNMHG* +tmo=l (2)山東滕州人，總工程師、博士生，研究方向為化工過程與IGCC系統(tǒng)。.Vol. 17 No.5●1259●May 2005趙冬斌，等:煤氣化爐的仿真系統(tǒng)開發(fā)同時給出了四個化學(xué)反應(yīng)的平衡系數(shù)將之封裝成子程序。主程序負責(zé)處理輸入和輸出的數(shù)據(jù)顯Yy.Yco. = 00265exp(3956/T )示、子程序的調(diào)用及相互之間的數(shù)據(jù)傳遞。由煤氣化爐的主要數(shù)學(xué)模型可知，計算粗煤氣的產(chǎn)量需要通過迭代計算求解YoY3x,P210= 6.7125x10-14 exp (27020/T)(3)非線性方程組，可以利用Labview 的數(shù)值計算功能。為方便人工操作，需要設(shè)計友好的人機界面和操作故障報警功能。YusYuo =43554x10- exp(26281/T)Yo.Y*m.P2.1數(shù)值計算子程序YmsIco=075134exp(4083/T) .YcosYHno煤氣化爐的數(shù)值計算子程序包括:輸入變量的計算、非其中T和P分別為化學(xué)反應(yīng)的溫度和壓力。線性方程組的構(gòu)造、非線性方程組的求解、計算結(jié)果的舍取、式(1)-(3)中， 未知數(shù)為Ng和Y,-共十個,對應(yīng)有十個和輸出變量的轉(zhuǎn)換，G語言界面的--部分如圖1所示。從方程，可以求解。而式(3)為非線性方程組，通常需要通過Labview的編程風(fēng)格可見，同Matlab的Simulink編程類似，迭代計算來求解。采用圖形化、模塊化方式，程序結(jié)構(gòu)清晰，計算流程-目了煤氣化爐的輸入?yún)?shù)包括水煤漿流量Cw和濃度C(或然。這種編程方法便于向非專業(yè)技術(shù)人員的應(yīng)用領(lǐng)域推廣。干煤總量Cg和水蒸汽量W)、氧煤比Rdo等。煤的各個組分非線性方程組的求解是關(guān)鍵模塊，采用數(shù)學(xué)工具箱的百分含量表示為Yc, Yz,Yo2,Xv,Yso通過下式將實際系統(tǒng)(Mathematics)中的非線性系統(tǒng)求解(Nonlinear system solver)的輸入?yún)?shù)轉(zhuǎn)換為上述模型所需的輸入?yún)?shù)漠塊，計算原理依據(jù)是Newton Rampson算法。只需要對該模塊的外部數(shù)據(jù)接口進行定義即可完成非線性方程組的求解。本文中,將所產(chǎn)生的粗煤氣總摩爾量和煤氣各組分的摩Nc= CsYc /12.011No, = CaYo, /32.0+ W: /(18.016x2)(4)爾百分?jǐn)?shù)定義為待求解變量(對應(yīng)圖中間部分的m,a,b, ..NH2 =CJYH; 12.016+ W; /18.016變量初始值的取值范圍為1000~ 1000(摩爾總量),0~1(各組Nw, =CJYN: 128.014Ns= CjYs 132.066分摩爾百分?jǐn)?shù))，迭代計算的收斂精度為1E-5, 非線性方程2基于Labview的仿真系統(tǒng)組的表達式由輸入數(shù)值參數(shù)進行字符串的轉(zhuǎn)換的連接構(gòu)造而成。氣化爐的數(shù)值計算求解是整個仿真系統(tǒng)的核心部分,因此,系統(tǒng)設(shè)計的思路是首先建立底層計算程序，確認(rèn)無誤后煤組分z"皿總摩爾勢m*(b+c+d+h)ZL0D 2尿煤漿流量KgI]C02三200歐煤漿濃(廈購區(qū) ↓ tDBL- 8k100-m*(a+2*d+f+9)上廚“福把2.016四DD1B10.00 m*(b/2+/2+h/2+)/)E5Ftarl電氧煤比36.032)-DBL1面2F少ETrue 工目出。m*e/卜氣號|%28.014m*(g+h+i)/百思。網(wǎng)0E32.066a+b+c+d+e+f+g+h+i-1平衡反應(yīng)速率1- 0.0265*exp(3956/)F中國煤化工圖1 用于煤氣化爐數(shù)值計算的子程序MYHCNMH G.Vol. 17 No.5●1260●系統(tǒng)仿真學(xué)報May 2005非線性方程組的求解可能得到多組解,而實際系統(tǒng)的輸測試過程中，調(diào)整工作溫度、壓力、水煤漿流量等輸入出只有-種情況，因此需要通過判斷進行多組解的取舍。根參數(shù),可以看到輸出參數(shù)如粗煤氣總摩爾量和各組分百分含據(jù)待求解變量的定義，不難選擇出判據(jù)條件，如a,h,.i的量的顯示儀表實時變化。若總摩爾量超過設(shè)定的上下界,則值大于0且小于1時為有效解。通過若干次的試驗驗證，所煤氣化爐的顏色變化報警。選用的判據(jù)條件可以得到非線性方程組的唯-解。煤氣化爐仿真系統(tǒng)的計算結(jié)果同文獻[1 ]中的結(jié)果比較2.2主程序界面如表2所示。其中第一-行數(shù)據(jù)為實際煤氣化爐的運行工況，主程序的界面設(shè)計包括輸入變量的調(diào)解，輸出變量的顯第二、四行數(shù)據(jù)分別為文獻[1 ]在不同溫度下的計算結(jié)果，示和異常工況的報警。輸入變量包括煤的組分、水煤漿流量、第三、五行數(shù)據(jù)分別為本文的仿真系統(tǒng)在不同溫度下的計算水煤漿濃度、氧煤比、工作壓力和溫度。可以人為改變煤的結(jié)果。可見，相同溫度本文的計算結(jié)果同文獻[1 ]中基本一分以觀察對所產(chǎn)生粗煤氣成分的影響，同實際系統(tǒng)相連接時致，存在- - -定的誤差。誤差的來源可能是實際檢測數(shù)據(jù)包括該窗口屬性可以變?yōu)橹蛔x，監(jiān)測煤的組分變化。輸出變量包溫度和組份百分?jǐn)?shù)的舍入誤差，也可能是公式(3)中化學(xué)反括粗煤氣的總摩爾量和各組分的摩爾百分?jǐn)?shù),各個儀表盤的應(yīng)平衡常數(shù)的誤差?？梢圆捎脙?yōu)化等方法,對化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)進行修正，使誤差為零。但所計算的誤差在仿真系統(tǒng)允屬性為只讀。.人員在實際操作時，可以通過調(diào)整輸入變量的旋鈕或按動許的范圍內(nèi)，因此通?？梢圆蛔鲂拚?，直接利用該仿真模型增減箭頭來改變輸入變量值，調(diào)用氣化爐數(shù)值計算子程序進行來模擬實際系統(tǒng)的運行情況。若計算溫度取低于實際氣化爐迭代求解，實際計算表明僅通過幾步迭代即可求得非線性方程溫度175度時，計算結(jié)果(第五行)同實際煤氣化爐數(shù)據(jù)吻合組的解，因此可以將計算結(jié)果實時顯示在輸出儀表盤上。更好,精度更可靠,因此,也可以采用這種簡單的修正方法。在程序中設(shè)置了氣化爐輸出粗煤氣的總摩爾量上下界表2粗煤氣中主要 參數(shù)的計算結(jié)果報警，以氣化爐的顏色變化指示。還可以根據(jù)需要設(shè)置其它實際值1589K 41.0 29.8 10.2 0.3 0.8 1.1 17.1參數(shù)的越界報警。文獻[1]1589K 42.5 28.9 8.5 0.01 0.93 1.01 18.11本文1589K 43.04 29.05 8.49 0.0002 0.4 1.03 17.95一工0停止文獻[1] 1414K 41.0 30.1 10.0 0.15 0.93 1.02 16.81414K 41.64 30.42 9.87 0.002 0.4 1.04 16.58-3- O:4結(jié)論本文基于虛擬儀器Labview軟件平臺,建立了煤氣化爐: O:的仿真系統(tǒng)。整個仿真系統(tǒng)具有界面友好、計算速度快、精氣化護度高的特點，便于進行操作人員培訓(xùn)和系統(tǒng)的仿真分析?；鶊D2煤氣化爐仿真 系統(tǒng)的主程序界面于所提出的建模思想,可以進一步 建立整個煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型。3測試試驗結(jié)果參考文獻:針對所建立的煤氣化爐仿真系統(tǒng),需要通過測試驗證非[1] A.P.Watkinson, JP.Lucas and CJLim. A prediction of performance線性方程組求解的精度，以及主程序和子程序之間數(shù)據(jù)傳遞of conmercial coal gifier[J], Puel. 1991. 70: 519-527.的準(zhǔn)確性。測試試驗的輸入數(shù)據(jù)同文獻1 - 致，包括Ilinois[2] 李政，王天驕，韓志明. Texaco煤氣化爐數(shù)學(xué)模型的研究(1)- -建6#煤、工作溫度和壓力等，如表1所示。模部分[].動力工程. 2001, 21(2): 1-116.1168.李政，王天驕,韓志明.Texaco煤化爐數(shù)學(xué)模型研究(2) -計算結(jié)表1文獻 1提供的煤氣化爐輸入變量果及分析[].動力工程, 2001, 21(4): 1316- 1319.煤的組分(%)4] 于遵厚,沈才大，王輔臣等.水煤漿氣化爐的數(shù)學(xué)模擬([].燃料化學(xué)學(xué)報, 1993, 21(2): 191-198.69.6 5.3 101.3 3,9 9.9[5] 陳可，張琴舜，沈秀中等.蒸汽發(fā)生器實時動態(tài)仿真[].鍋爐技術(shù),水煤漿流量氧煤比 水煤漿濃度壓力2001, 3211): 1-6, 32.(Kgh)(Mpai(K)625050.8666.674.0831589中國煤化工MHCNMH G.