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        基于HYSYS 和MATLAB 下吸式生物質(zhì)氣化爐仿真系統(tǒng)

        2021-03-04 03:17:44張彪許東來
        能源與環(huán)境 2021年1期

        張彪 許東來

        (北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院 北京 100124)

        0 引言

        生物質(zhì)氣化是生物質(zhì)原料在高溫不完全燃燒的條件下,以空氣中的氧氣、水蒸氣等作為氣化劑,經(jīng)過一系列熱化學(xué)反應(yīng),生成一氧化碳、氫氣、甲烷等可燃?xì)怏w的過程。 生物質(zhì)氣化過程復(fù)雜,大致分為4 個階段:干燥、熱解、氧化、還原。 在此過程中,爐溫決定生物質(zhì)氣化速率和燃?xì)馄焚|(zhì)。本文利用HYSYS軟件模擬生物質(zhì)氣化過程, 利用MATLAB 軟件建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制器,MATLAB 利用HYSYS 中spreadsheet 實(shí)時對流股中的參數(shù)進(jìn)行讀取,并將讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,同時將處理的結(jié)果寫入流股中,控制空氣和水蒸氣進(jìn)氣量,進(jìn)而控制氣化溫度,模擬氧化層和還原層的溫度對熱值的影響,并將模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。 研究結(jié)果對生物質(zhì)氣化爐工業(yè)操作提供參考。

        1 建立下吸式生物質(zhì)氣化爐仿真模型

        下吸式生物質(zhì)氣化爐是原料從爐頂進(jìn)入, 空氣從氧化層通入,水蒸氣從還原層通入,產(chǎn)生的可燃?xì)怏w從爐底抽出。 氣化爐的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

        圖1 下吸式生物質(zhì)氣化爐的結(jié)構(gòu)示意圖

        爐體內(nèi)的物料根據(jù)反應(yīng)階段分為干燥層、 熱解層、 氧化層、還原層。 干燥層:生物質(zhì)原料在高溫條件下失去水分,一般不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 熱解層:高分子碳?xì)浠衔锸軣岱纸鉃樾》肿游镔|(zhì),其主要成分是碳。 氧化層:熱解過程分解的產(chǎn)物與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)并釋放大量的熱量, 為整個氣化過程提供熱量。 在物料一定的情況下,氧化層的溫度取決于通入空氣中氧氣的量,其主要的化學(xué)反應(yīng)如式(1)~(5)所示[1-2]:

        還原層:氧化過程的產(chǎn)物和水蒸氣發(fā)生還原反應(yīng),生成可燃?xì)怏w,其過程為吸熱反應(yīng)。 還原層的溫度主要取決于通入水蒸氣的量,其主要的化學(xué)反應(yīng)如式(6)~(10)所示[1-2]:

        由于生物質(zhì)熱解階段復(fù)雜, 但其熱解產(chǎn)物的主要成分是碳,所以本文用HYSYS 軟件仿真生物質(zhì)氣化過程的氧化階段和還原階段,其生物質(zhì)氣化流程的模型如圖2 所示,物料的成分是碳,空氣的成分是氧氣,氮?dú)夂退魵?,吉布斯反?yīng)器1代表氧化層,吉布斯反應(yīng)器2 代表還原層。

        2 基于MATLAB 的控制算法

        2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID

        由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)以及非線性逼近能力,可以根據(jù)控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況在線調(diào)整PID 的kp、ki、kd三個參數(shù),所以本文運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID[3-4]控制氣化模型的氧化層和還原層的溫度,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

        圖2 生物質(zhì)氣化流程模型圖

        圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 的結(jié)構(gòu)圖

        輸入層的輸入:

        隱含層的輸入、輸出:

        式中:wij(2)為隱含層加權(quán)系數(shù)。

        隱含層神經(jīng)元的活化函數(shù)取正負(fù)Sigmoid 函數(shù):

        輸出層的輸入、輸出:

        輸出層神經(jīng)元的活化函數(shù)取非負(fù)的Sigmoid 函數(shù):

        性能指標(biāo)函數(shù)為:

        網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值系數(shù)是根據(jù)梯度下降法調(diào)整的, 加上一個快速收斂全局極小的慣性項(xiàng), 同時乘上一個學(xué)習(xí)速率η 來補(bǔ)償計(jì)算誤差。

        輸出層權(quán)值系數(shù)的調(diào)整公式:

        隱含層權(quán)值系數(shù)的調(diào)整公式:

        式中:η 為學(xué)習(xí)速率;a 為慣性系數(shù)。

        生成的可燃?xì)怏w的主要成分為一氧化碳、 二氧化碳、氫氣、甲烷、氮?dú)?。MATLAB 利用HYSYS 中spreadsheet 對其含量進(jìn)行讀取。 可燃?xì)怏w熱值的計(jì)算公式為:

        式中:Q 為可燃?xì)怏w的熱值;VCO、VCO2、VCH4、VH2、VN2分別為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下可燃?xì)怏w中一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氫氣、氮?dú)獾捏w積;HCO、HCH4、HH2分別為一氧化碳、甲烷、氫氣的低位熱值。

        3 建立HYSYS 和MATLAB 通訊

        基于ActiveX 控件技術(shù), 建立HYSYS 和MATLAB 通訊,本文是在MATLAB 的環(huán)境下,運(yùn)行HYSYS 軟件,對生物質(zhì)氣化過程的某些參數(shù)進(jìn)行讀寫[5]。 具體操作如下:

        在MATLAB 中輸入

        H=actxserver(‘HYSYS.Application’)建立Matlab 與HYSYS 連

        接,H 代表HYSYS 軟件

        ActiveDocument=H.ActiveDocument 獲取當(dāng)前打開的HYSYS 文

        F=Active Document.Flowsheet 獲取當(dāng)前文檔的流程

        stream=F.MaterialStream 獲取流股模塊接口

        stream1=stream.Item(‘物料’)連接物料流股接口

        stream1.MolarFlow.SetValue(M1)向物料流股中寫入數(shù)據(jù)

        stream2=stream.Item(‘水蒸氣’)連接水蒸氣流股接口

        stream2.MolarFlow.SetValue(M2)向水蒸氣流股中寫入數(shù)據(jù)

        stream3=stream.Item(‘空氣’)連接空氣流股接口

        stream3.MolarFlow.SetValue(M3)向空氣流股中寫入數(shù)據(jù)

        Temperature1=stream.Item(‘流股1’)連接流股1 接口

        T1=Temperature1.Temperature.GetValue 讀出流股1 的溫度,即

        氧化層的溫度

        Temperature2=stream.Item(‘流股3’)連接流股3 接口

        T2=Temperature2.Temperature.GetValue 讀出流股3 的溫度,即

        還原層的溫度

        4 模型驗(yàn)證

        4.1 記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

        某工廠氣化爐運(yùn)行情況:物料為棉柴,進(jìn)料量為500 kg/h,每隔20 min 記錄1 次熱解層、氧化層、還原層的溫度,見表1所示。

        表1 生物質(zhì)氣化溫度

        運(yùn)行期間采集4 次燃?xì)猓錈嶂狄姳? 所示。

        表2 可燃?xì)怏w的熱值 單位:MJ/Nm3

        4.2 氣化模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 的參數(shù)設(shè)置

        棉柴中碳含量大約為46%, 所以設(shè)定物料流股中碳的消耗率為500×46%=230 kg/h,溫度為676 ℃。 設(shè)定空氣流股的成分,氧氣為20%,氮?dú)鉃?5%,含水量為5%。 設(shè)定水蒸氣流股的溫度為100 ℃。 在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 中將控制目標(biāo)氧化層溫度設(shè)定為878 ℃,還原層溫度設(shè)定為814 ℃。

        4.3 仿真的結(jié)果

        用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 進(jìn)行爐溫調(diào)控,將氧化層溫度調(diào)控到878℃, 大約調(diào)控了260 次, 如圖4 所示。 將還原層溫度調(diào)控到814 ℃,大約調(diào)控了250 次,如圖5 所示。

        圖4 氧化層溫度調(diào)控圖

        圖5 還原層溫度調(diào)控圖

        表3 為通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 調(diào)控,達(dá)到設(shè)定溫度時,可燃?xì)怏w熱值的模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對比結(jié)果。 從表3 中可以看出,模擬值與實(shí)驗(yàn)值誤差非常小。 在誤差允許的范圍內(nèi),可以用該模型來分析氧化層溫度和還原層溫度對可燃?xì)怏w熱值的影響。

        表3 燃?xì)鉄嶂祵Ρ缺?/p>

        5 生物質(zhì)氣化溫度對熱值的影響

        在進(jìn)料量為500 kg/h(碳含量為230 kg/h),空氣中含水率為5%時, 氧化層和還原層溫度在700 ℃~1 100 ℃范圍內(nèi),熱值隨氧化層溫度和還原層溫度的變化情況如圖6 所示。 當(dāng)氧化層溫度為950 ℃,還原層溫度為700 ℃時,熱值達(dá)到最大為7.05 MJ/Nm3。

        圖6 氣化溫度對燃?xì)鉄嶂档挠绊?/p>

        6 結(jié)論

        (1)本文建立的生物質(zhì)氣化模型具有一定的可信度,對生物質(zhì)氣化爐實(shí)際操作提供理論依據(jù)。

        (2)本文通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 調(diào)控空氣和水蒸氣進(jìn)氣量,使氣化溫度達(dá)到設(shè)定值。

        (3)本文模擬了氣化溫度對熱值的影響,當(dāng)氧化層溫度為950 ℃,還原層溫度為700 ℃時,熱值達(dá)到最大,為7.05 MJ/Nm3。

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