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(shí)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(shí)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(shí)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)狻ATLAB 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

檔

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(shí)，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(shí)， 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(shí)，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(shí)，熱值達(dá)到最大，為7.05 MJ/Nm3。