第22卷第6期動力工程Vol, 22 No. 6. 2088.20102年12月POW ER ENGINEERINGDe 2002文章編號:1000 6761(2002)06 2088 05氣化爐自動建模系統(tǒng)研究白泉，李政，倪維斗(清華大學(xué)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(dǎo)、邏輯關(guān)系推導(dǎo)和編制仿真程序的工作量，設(shè)計了氣化爐自動建模系統(tǒng)。該系統(tǒng)在反應(yīng)物為多種氣體、多種國體(均考慮為單篩分)的條件下,按照小室模型的框架自動列寫.相應(yīng)各個物質(zhì)的質(zhì)量、能量平衡方程。并自動生成相應(yīng)的計算視程序，方便仿真計算。由于該系統(tǒng)避開了工程中常用的純鼓值建模的思路。采用了新的數(shù)學(xué)工具一以符號運算為特長的計算機代數(shù)系統(tǒng)為計算平臺，才使得該系統(tǒng)具有強大的邏輯關(guān)系推導(dǎo)能力。該系統(tǒng)在某氣化爐的建模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模工作量，特別是減少由于化學(xué)反應(yīng)假定的不同帶來的建模復(fù)雜性,對于建模與仿真研究新方法的突破有所貢獻。關(guān)鍵詞:氣化爐:數(shù)學(xué)模型:邏輯關(guān)系:符號運算中圖分類號:TK 229文獻標識碼:A和濃度。反應(yīng)動力學(xué)模型包含了氣化爐中發(fā)生的0引言多種化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)動力學(xué)信息，如:化學(xué)反應(yīng)路氣化爐是一個具有復(fù)雜物理化學(xué)過程的熱動徑、化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)的多樣反應(yīng)物的生成/消耗速率。流動模型和反應(yīng)動力學(xué)性更加深了氣化爐的建模的復(fù)雜性。為了從最大模型為小室內(nèi)物質(zhì)、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(xué)反應(yīng)假定的不同帶來的建模復(fù)雜性,本文設(shè)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(zhì)的質(zhì)量和能量平衡方程。通過求解這些方程,可以得到氣化爐內(nèi)溫度、1氣化爐及其建模反應(yīng)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T2M上拱頃水煤漿在爐內(nèi)經(jīng)歷一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)過程后生成以一氧化碳、氫氣、二氧化碳和水蒸氣為主射流段要成分的濕煤氣及熔渣，二者一并離開反應(yīng)區(qū)后進人底部的急冷室分離，上直簡段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(chǔ)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(yīng)動力學(xué)模下直簡段型和小室內(nèi)物質(zhì)/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益口收端段計算出氣化爐中各個小室內(nèi)氣固兩相物質(zhì)的流速收稿日期:2001-11 20修訂日期:2002-03-22作者簡介:白泉,男,博于研究生。 目前，主要從事新型熱動圖1氣化爐小室 的劃分力設(shè)備的計算機建懶與傷真研究方面的工作。第6期動力工程●2089●2建立氣化爐自動建模系統(tǒng)的動機應(yīng)的反應(yīng)速率到各反應(yīng)物化學(xué)速率的映射關(guān)系，能夠結(jié)合流動模型和其它模型提供的輸入?yún)?shù)，在建模過程中,建模研究者遇到的一個實際推導(dǎo)出氣體、固體的物質(zhì)、能量平衡方程表達式。問題是:氣化爐中同時發(fā)生多種化學(xué)反應(yīng).由這些它還必須能夠處理多種氣體、多種固體反應(yīng)物和化學(xué)反應(yīng)推導(dǎo)各個物質(zhì)的質(zhì)量平衡方程和能鼠平有無能最平衡的情況。衡方程是一個繁瑣的過程,工作量大,重復(fù)性強，E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(zhì)能量平衡FORTRAN語言)只注重純數(shù)值運算，邏輯推導(dǎo)方程后,據(jù)此編制仿真程序代碼也是一個相對簡功能比較弱.要想完成上述工作.必須突破舊的思單、重復(fù)性強的過程，工.作量大,而且容易出錯。有路,采用更先進的數(shù)學(xué)工具。以符號計算.邏輯關(guān)時手1.推導(dǎo)、編程和檢查工作加起來竟占了所有系推導(dǎo)和復(fù)雜計算見長的計算機代數(shù)系統(tǒng)在此方建模工作量的50%以上。在添加/刪除某個化學(xué)面有著獨到的優(yōu)勢。因此,本文采用計算機代數(shù)系反應(yīng)時,推導(dǎo)和編程工作需要重新進行,工作量較統(tǒng)作為工作平臺。大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椎導(dǎo)平衡(1)輸人參數(shù)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)的輸人可以分為3個部者可以將精力集中在模型的物理、化學(xué)假定是否分:反應(yīng)動力學(xué)部分、流動模型計算結(jié)果和其它建合理上.面,而不是讓繁瑣的推導(dǎo)和編程工作占用立小室模型必需的參數(shù)(圖2)。了過多的時間。①反應(yīng)動力學(xué)部分的輸入本文設(shè)計的氣化爐自動建模系統(tǒng)是為了滿足與反應(yīng)動力學(xué)部分相關(guān)的輸人是指建模時研這種需求研制的。究者假設(shè)的氣化爐中發(fā)生的所有化學(xué)反應(yīng)及其化3氣化爐自動建模系統(tǒng)研究學(xué)反應(yīng)速率(表1)。同時,還需要指明其中的固體反應(yīng)物是單篩分還是寬篩分,是否需要進行能量3.1氣化爐 自動建模系統(tǒng)的設(shè)計思路氣化爐自動建模系統(tǒng)的設(shè)計思路是:借助計平衡計算。表1氣化爐 自動建模系統(tǒng)的輸入算機對輸人的化學(xué)反應(yīng)列表和化學(xué)反應(yīng)速率表達式進行推導(dǎo)，計算出各反應(yīng)物的生成/消耗速率，化學(xué)反應(yīng)方程式對應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)的速率的麗數(shù)名再在此基礎(chǔ)t按照小室模型的框架列寫物質(zhì)、能量平衡方程,然后利用該系統(tǒng)將平衡方程表達式1 | C0+1/20:-002| r=xk1生成FORTRAN程序。通過將平衡方程代碼與流H:+ 1/202=H2Or=xk2動模型和求解算法代碼一起編譯、連接,最終生成TAR+ 1. 165O2- C0:+0.r= rvtar能夠進行仿真計算的氣化爐整體模型(圖2)。345H2O建立的自動建模系統(tǒng)必須能夠處理各化學(xué)反C+ 1/phi*O2= (2- 2/phi)r=a3化學(xué)反應(yīng)列表流動橫型其它參數(shù))00+ (2/phi-- 1CO2化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率5 | C+CO2=2C0CO+H2O=C02+H2r=xk3化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速事C02+H2=C0+ H2()r=xk4技照“小室"模型的振架建立， 8| C+H2O=C0+Hz各小室內(nèi)各個物質(zhì)的質(zhì)量，院平衡方程油自動建模系統(tǒng)代9 C+2H2=CH, .r二u2按照中衡方程表達式進手工推導(dǎo)，編程編制計算機仿真程序|10| (0+H20=CO2+H2r∞u511 | CH,1 H2()=C0+ 3H,r=xk5CH4+ 20):-CO2+ 2H2Or=xk6[分析計算結(jié)果]由于每種化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率計算表達式都圖2氣化爐整體梗型結(jié)構(gòu)和氣化爐自動建模系統(tǒng)的作用范比較復(fù)雜,因此，在輸人時只需要提供相應(yīng)的兩數(shù)名稱，在計算的時候?qū)⒏鞣磻?yīng)速率用獨立的.●2090●動力工程第22卷FORTRAN函數(shù)計算。②流動模型的計算結(jié)果值得指出的是:在某些情況下化學(xué)反應(yīng)方程自動建模系統(tǒng)需要以流動模型的計算結(jié)果作式中的系數(shù)并不是整數(shù),而是一個函數(shù)(如表1中為輸人,因此必須提供各個小室中的流動參數(shù),在的4號反應(yīng)),這給系數(shù)的識別帶來了一定的難輸人的時候只要給出這些參數(shù)的雨數(shù)名即可。度。由于采用符號計算上具.本系統(tǒng)能夠成功識別③其它建立小室模型必需的參數(shù)該系數(shù)，并將其處理成為一個特別的反應(yīng)方程式以小室模型為構(gòu)架列寫平衡方程時，還需要系數(shù)。其它一些變量,如揮發(fā)份分解產(chǎn)物的引人、從各小在建模的時候,并不一定所有的反應(yīng)物都參室排出爐膛的物質(zhì)的量等。如果要列寫能量平衡與物質(zhì)、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(zhì)的名稱。輸人時需要分別給定氣應(yīng)的比焓和受熱面吸熱量等。體物質(zhì)和固體物質(zhì)的名稱和種類。表2其它的參數(shù)列表物質(zhì)名稱摩爾質(zhì)繼本小室中質(zhì)量加入、排出爐膛揮發(fā)份帶人給入、帶出溫百分比排出度下的比焙)21CH4J/......給料中C的話C|體百分含量J所有固體總給料量、受熱面吸熱/散熱損失化學(xué)反應(yīng)吸熱/放熱散熱綜上所述，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(dǎo)的思路,而是采用系數(shù)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(xué)反應(yīng)方程式及反應(yīng)速率,思.可以在這3部分輸人量的基礎(chǔ)上.進行自動推導(dǎo)各路如下:個量之間的關(guān)系,生成質(zhì)量能量平衡表達式和仿首先,將各化學(xué)反應(yīng)方程式寫成反應(yīng)方程式真程序。向量,相應(yīng)的反應(yīng)速率寫成化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率(2)反應(yīng)動力學(xué)模型中物質(zhì)關(guān)系的自動推導(dǎo)向量,再從化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)涉及到的所有物質(zhì)的名稱，組成反應(yīng)物名學(xué)反應(yīng)方程式列表自動推導(dǎo)反應(yīng)方程式和各物質(zhì)稱向量。然后,根據(jù)物質(zhì)名稱向量的順序從各個化的映射關(guān)系(即針對表I的輸人量進行處理),生學(xué)反應(yīng)方程式向量中提取該物質(zhì)在各個反應(yīng)中的成各個反應(yīng)物由化學(xué)反應(yīng)引起的生成/消耗速率:系數(shù)值(根據(jù)生成和消耗的不同將系數(shù)值處理成表達式。正值或者負值),組成化學(xué)反應(yīng)系數(shù)矩陣。此系數(shù)研究人員手工推導(dǎo)時，是按照同一種反應(yīng)物矩陣乘以反應(yīng)物名稱向量后能推出化學(xué)反應(yīng)方程的順序進行的。過程是:先選定某種反應(yīng)物,再從式向量。此系數(shù)矩陣轉(zhuǎn)置后乘以化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)多個化學(xué)反應(yīng)方程式中分布提取該物質(zhì)在各反應(yīng)速率向量后，就能得到綜合考慮所有化學(xué)反應(yīng)時中的系數(shù),然后乘以該反應(yīng)的反應(yīng)速率,這樣得到各個物質(zhì)的反應(yīng)速率向量。下面是一個用3個化該物質(zhì)的生成/消耗速率。這種思路需要重復(fù)搜索學(xué)反應(yīng)說明該過程的簡單示例:多個化學(xué)反應(yīng)方程式，不但繁瑣、而且比較慢。第6期動力工程●2091●(+1+I(RC+1 +1O(C+O2 CO2系數(shù)矩陣轉(zhuǎn)置| RO,+10!C+C02- 2COi CO(2C0+0;-2C02)| RC0)!RC0, |借助計算機代數(shù)系統(tǒng)的多項式符號運算功則是:能，可以從化學(xué)反應(yīng)方程式向量中分離出物質(zhì)名外部供入該小室的質(zhì)量+上一個小室流入本稱向量和系數(shù)矩陣,借助符號運算和矩陣運算功小室的質(zhì)量-離開本小室的該物質(zhì)的量-本小室能、可以完成系數(shù)矩陣和表達式向量的邏輯與數(shù)流人到下一個小室的質(zhì)量+化學(xué)反應(yīng)生成/消耗值關(guān)系推導(dǎo),最終得到各個物質(zhì)由丁化學(xué)反應(yīng)引的質(zhì)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(zhì)有進入、流出本小室的所有氣體、固體物質(zhì)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(xué)反應(yīng)產(chǎn)生/吸收的熱量、小氮氣、水蒸氣)、1種固體物質(zhì)(碳)的物質(zhì)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]中的輸人為例,9種物質(zhì)在發(fā)生12種化學(xué)反應(yīng)的情況下.計算結(jié)果如圖3所示:外部供入該小室的所有物質(zhì)帶來的能量+上()2一rphi3--1. 165rvtar xK1_xk2_ 2xk6一個小室流入本小室的所有物質(zhì)帶來的能量離開本小室的所有物質(zhì)帶走的能量-本小室流人到ch=a2-xk5- xk6下一個小室的所有物質(zhì)帶走的能量+化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)co-a1+2a4-a5+a3(2- pmixk1 xk3+xk4 t xk5 :生/吸收的熱量+受熱面的吸熱/放熱量--散熱損失=0.ro2-a1 +as+a3(-1+pal! trlar + xk1+xk3-在化學(xué)反應(yīng)生成/消耗速率表達式的基礎(chǔ)上,xk4+結(jié)合流動和其它輸人,自動建模系統(tǒng)可以按照上h28s=:0述規(guī)則自動選擇合適的參數(shù)，“搭建"生成各小室h2- al - 2a2+a5- xk2+xk3 - xk4 + 3xk5內(nèi)各個物質(zhì)的質(zhì)量平衡表達式和小室能量平衡表n2=0h2o=-a1-n5 + 0.345rviar + xk2-xk3+ xk4 - xk5十達式的形式。搭建過程中也需要針對物質(zhì)名稱向量和其它2xk6參數(shù)進行邏輯關(guān)系推導(dǎo)。例如:在能量平衡方程式e=-al-u2- a3-a4圖3化學(xué)動力學(xué)鎮(zhèn)壁自動建模的結(jié)果中、自動建模系統(tǒng)需要根據(jù)某物質(zhì)流的物質(zhì)類別(3)建立小室內(nèi)物質(zhì)、能量平衡方程及表2中相應(yīng)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(zhì)總焓值的表達式。建立小室內(nèi)部各物質(zhì)的質(zhì)量能量平衡表達式。(4)計算機代碼的生成氣化爐某小室內(nèi)部的氣體、固體平衡關(guān)系示以前研究人員在推導(dǎo)得到物質(zhì)、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(zhì)的質(zhì)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個京的質(zhì)、能址平衡表達式的功能,而且能夠自動在表達氣體院人民團體洗人式的基礎(chǔ)上建立FORTRAN語言程序代碼，在該代碼基礎(chǔ)上經(jīng)過部分加工后可以將這些代碼生成橫入的_標準的FORTRAN語言子程序模塊。與氣化爐其戶生的輝發(fā)分00.光體生它部分(如流動模型和數(shù)學(xué)求解模型)放在-起編詳連接后,就能夠生成氣化爐整體模型的仿真程↓化學(xué)反應(yīng)序。這是該自動建模系統(tǒng)能夠完成的第二個重要本小室的本個室的生成通耗功能。圖4小室鎖型示意圖總之,本氣化爐自動建模系統(tǒng)能夠根據(jù)輸人●2092.動力工程第22卷的化學(xué)反應(yīng)列長和各反應(yīng)的反應(yīng)速率自動推導(dǎo)各.學(xué)反應(yīng)假定提供了極人的方便,節(jié)省了大量推導(dǎo)、個反應(yīng)物的生成/消耗速率,再在此基礎(chǔ).上按照小:編程的工作量，節(jié)約了大鼠時間。室模型的思路結(jié)合流動等其它參數(shù)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(zhì)的質(zhì)量,能量平衡方程表達式.最終研究人員減少在公式推演、邏輯關(guān)系推導(dǎo)和編寫生成計算機程序代碼。此代碼與其它部分結(jié)合組仿真程序等簡單、低水平的細節(jié)工作上的投入，轉(zhuǎn)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(xué)背景及模型假定本身的正確與否上.有較大的實用價值。4自動建模系統(tǒng)的驗證木文針對原有的德士古氣化爐整體模型進行參考文獻:了驗證和示范,該模型將整個爐膛劃分為15個小l11李改.王天新。等。 Texaco煤氣化爐數(shù)學(xué)模型研究--建模室，每個小室中考慮了8種氣體.2種固體的質(zhì)量部分[J].動力工程.2001.21(2).[2]李政、十天驕，等 Texaco煤氣化爐數(shù)學(xué)模型研究-計算平衡和小室能量平衡。結(jié)果及分析[].動力工程20121(4)實踐表明:自動建模系統(tǒng)生成的程序和手工[37白 泉,李政.倪維4.計算機代數(shù)在動力系統(tǒng)建模與仿真編寫的程序計算結(jié)果一致，這驗證I該系統(tǒng)推導(dǎo)中的應(yīng)用J]動力工程.2001.21(5>.1469~- 1473.結(jié)果的正確性。在刪除某化學(xué)反應(yīng)時,手工推導(dǎo)至[4] Silva A s. Castier M. Auonaic iffrencirtion and Imple-mentation of Thermodynapie Models Using a Computer Al少要花費一天其至幾天生成新的模型計算程序，grbra System[( 1. European Symuposium on Computer Aidel自動建模系統(tǒng)可以在幾秒鐘內(nèi)完成。Prucess Fngineering. 1996.5結(jié)論L5」陳宗海過程系統(tǒng)建模與仿真[M].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版杜。1997.氣化爐自動建模系統(tǒng)的使用不但能夠大大減[6] Abraham I, Beltzer.利用符號運算進行工程分析- - 。-個突少該氣化爐模型第一次建模中遇到的繁瑣的表達破[]。力學(xué)進展,1994,May 25.式推導(dǎo)工作,而且為模型建立以后修改模型的化[7」黃新生.黃圳生,朱小謙多剛體系統(tǒng)計算機代數(shù)動力學(xué)建模研究[]1.國防科技大學(xué)學(xué)報1998.02.Study of Gasifier Auto-Modeling SystemBAI Quun， LI Zheng， NI Wei-dou .(Dep1. of Thermal Engrg.，Qinghua Univ.，Beiing 100081, China)Abstract:In order to reduce the modeling work of model deduction, logic relationship Ircatment andwriting simulation programs in gasifer modeling procedure. a gasifier auto modeling system is estab-lished. Such a system can deduct mass and energy balance equations based on cell model modelingmethod [or multi gas and solid substances, and generate corresponding computer subroutine program.In 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 human's work to simplify gasifier modeling procedure, especially to reducedthe modeling complexity brought by the variation o{ chemnical reaction assumption.' Moreover, thegasifier auto modeling system is a new sample of how to use computer to substitute human's modelingwork. Figs 4, tables 2 and re[s 7.Key words :gasifier; mathematical model; logic rclat ionship ; symbolic calculation