原料煤性质的在线监测方法及装置与流程

1.本公开涉及数据处理技术领域，具体涉及到一种原料煤性质的在线监测方法及装置。


背景技术：

2.煤气化是指煤或焦炭、半焦等固体燃料在高温常压或加压条件下与气化剂在气化炉中进行反应，转化为气体产物和少量残渣的过程。气化剂主要是水蒸气、空气(或氧气)或它们的混合气，气化反应包括了一系列均相与非均相化学反应。所得气体产物以一氧化碳、氢气、水蒸气、二氧化碳为主，煤气化过程可用于生产燃料煤气、制造合成气，作为合成氨、合成甲醇和合成液体燃料的原料。是煤化工的重要过程之一。
3.气流床气化技术是煤气化技术中最重要的一类。由于具有混合较好、生产能力大、适合单系列大型化的发展趋势等优点，成为应用最为广泛的气化技术之一。对气流床煤气化系统而言，最重要的目标是系统运行稳定、其次为经济高效，其中的影响最关键的因素是进入气化炉的原料煤的性质，例如可以包括：工业分析(含水量、固定碳含量、挥发份含量、灰含量)、元素分析(碳、氢、氧、氮、硫、氯、灰含量)、煤热值、煤灰熔融性(变形温度、软化温度、半球温度、流动温度以及灰粘温特性)、煤反应性等等。当原料煤的性质发生变化后，如果不能及时调整其他工艺参数，控制气化炉运行条件，将会对煤气化系统运行产生重大的影响，轻则是系统经济性变差，重则导致排渣不畅、气化炉停车。
4.相关技术中，对气化原料煤的分析监测仍然采用直接检测的方式，一方面成本高，另一方面无法及时了解入炉原料煤质的变化。


技术实现要素：

5.本公开的主要目的在于提供一种原料煤性质的在线监测方法及装置。
6.为了实现上述目的，根据本公开的第一方面，提供了一种原料煤性质的在线监测方法，包括：获取待监控原料煤在气化炉气化过程中、以及气化后的实时工艺数据；在对实时工艺数据预处理后，将预处理后的数据输入至预建立的用于原料煤性质分析的模型中；对模型进行求解，得到待监控原料煤的元素分析结果。
7.可选地，在对模型进行求解过程中，还得到气化过程中气化炉的渣口温度。
8.可选地，方法还包括：基于求解结果，对气化炉的运行条件进行控制，以维护气化炉正常工作状态。
9.可选地，方法还包括预建立原料煤的性质分析模型，包括：建立气化过程中气化炉的质量守恒方程；建立气化过程中气化炉的能量守恒方程；建立气化过程中化学平衡方程。
10.可选地，建立气化过程中变换系统的质量守恒方程，以对气化过程中的预设参数进行修正。
11.可选地，建立气化过程中气化炉的质量守恒方程包括：
[0012][0013][0014][0015][0016]
其中，cc是气化系统碳转化率，m
x
是进气化炉各原料质量流量，hd、cd、od是煤干基h、c、o元素含量，[x]是气化炉出口合成气中各组分体积分数，q是气化炉出口粗合成气量。
[0017]
可选地，建立气化过程中入炉和出炉的能量守恒方程包括：m
coal
*hhv ∑h
in，i
＝∑q
out，j
*h
comb，j
∑h
out，j
q
lost
；其中，mcoal是入炉煤质量流量，hhv是煤高位发热量，hin，i是各入口物流显热，qout，j是各出口物流流量，hcomb，j是各出口物流高位发热量，hout，j是各出口物流显热，qlost是气化炉热损失。
[0018]
可选地，建立气化过程中化学平衡方程包括：可选地，建立气化过程中化学平衡方程包括：其中，[x]是气化炉出口合成气中各组分体积分数，keq1＝f(t)是co-h2变换反应平衡常数，keq2＝g(t)是甲烷化反应的平衡常数，t是气化炉渣口温度。
[0019]
可选地，建立气化过程中变换系统的质量守恒方程包括：
[0020][0021][0022]
其中，conv是变换系统co转化率，[co]
s-g
是气化出口合成气干基co体积分数，[co]
b-g
是变换出口合成气干基co体积分数，q
b-g
是变换出口干合成气量，q
s-g
是校核后的水洗塔出口干合成气量。
[0023]
在本公开实施例原料煤性质的在线监测方法及装置中，包括获取待监控原料煤在气化炉气化过程中、以及气化后的实时工艺数据；在对实时工艺数据预处理后，将预处理后的数据输入至预建立的用于原料煤性质分析的模型中；对模型进行求解，得到待监控原料煤的元素分析结果。通过实时分析原料煤的性质，能够实现实时监测原料煤的性质的效果。解决了相关技术中，原料煤性质分析成本高，以及不具备实时性的缺陷。
附图说明
[0024]
为了更清楚地说明本公开具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]
图1是根据本公开实施例的原料煤性质的在线监测方法流程图；
[0026]
图2是根据本公开实施例的原料煤性质的在线监测方法的应用场景图；
[0027]
图3是根据本公开实施例的电子设备的示意图。
具体实施方式
[0028]
为了使本技术领域的人员更好地理解本公开方案，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本公开保护的范围。
[0029]
需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0030]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
[0031]
相关技术中，采用直接测定法，对气化原料煤性质进行监测通常是直接对采集的煤样进行分析化验。根据需要测定的性质采取的方法各有不同，但是整体上都需要各类不同的实验设备和分析仪器以及专业的实验室和实验人员，此外，还需要专门的人员进行取样、送检、结果填报等业务流程配合。直接测定的方法的优点是：可以准确获得煤的各种性质。直接测定的方法的缺点和问题是：成本较高、时间滞后。对于大部分煤化工生产企业来说，不具备对煤按日或按小时进行分析的能力。对于煤元素分析，大部分企业甚至不具备分析能力，或按周、月为周期进行分析。这样的结果是操作人员无法及时了解入炉煤质的变化，也就难以及时调整工艺参数进行应对。
[0032]
除此以外，还可以通过操作人员严密监控气化炉运行状态(如气化温度、消耗指标、灰渣量、残碳量等)，通过产生的后果来非常粗略地推测煤性质变化。该间接评估的优点是：不需要额外的成本。间接评估的缺点是：
①
只能大体定性，不能定量，没有标准；
②
对操作人员经验要求很高；
③
评估结果不具备严格的逻辑关系，也就是能够观测到的后果有可能是其他原因引起的，这种粗略的评价无法区分各种因素的影响。
[0033]
可用于实现本实施方法的系统包括原料煤的气化系统、变换系统及与之配套的控制系统、业务系统，以及本地服务器或云服务器，本实施例可部署在本地服务器或云服务器中。本地服务器或云服务器可通过数据接口从控制系统或与控制系统相连接的实时数据库中获取需要的工艺参数。本地服务器或云服务器可通过数据接口从业务系统中获取用户通过应用输入的相关数据。在采集到以上数据后，本实施例可实现原料煤性质的在线监测。
[0034]
根据本公开实施例，提供了一种原料煤性质的在线监测方法，如图1所示，该方法包括如下的步骤101至步骤103：
[0035]
步骤101：获取待监控原料煤在气化炉气化过程中、以及气化后的实时工艺数据。
[0036]
在本实施例中，参考图2，实时工艺数据可以是在气化过程中产生的实时数据，可以通过该实时数据进行预设的运算从而可以得到原料煤的性质。实时数据可以包括原料煤
在气化控制系统的实时工艺参数、在变换控制系统的实时工艺参数等等。
[0037]
在本可选的实现方式中，气化控制系统的实时工艺参数可以包括：出气化界区合成气流量、出气化界区合成气成分、出气化界区合成气温度、出气化界区合成气压力、气化炉压力、进气化炉煤浆流量(或粉煤流量)、进气化炉氧气流量、进气化炉水蒸气量(如有)、输送气量及组成(如有)、其他气化剂流量(如有)。
[0038]
待监控原料煤在变换控制系统的实时工艺参数包括变换系统出口合成气量、变换系统出口气体组成；(如没有对应的变换系统，则替换为其他处理工艺出口对应的气体参数)。
[0039]
示例性地，当原料煤为水煤浆状态时，还可获取基本数据，基本数据可以是原料煤的常规工艺参数，包括水煤浆气化时的煤浆浓度。该数据可以是从lims获取，融合两个维度的数据进行分析，可以实时得到原料煤性质，实现原料煤的变化监测。
[0040]
步骤102：在对实时工艺数据预处理后，将预处理后的数据输入至预建立的用于原料煤性质分析的模型中。
[0041]
在本实施例中，在获取到上述数据后，可以对数据进行数据清洗，以使之满足模型求解的需要，可以包括：缺失值处理、异常值处理、数据填充、数据聚合、去噪、移动平均等，目标是消除原始数据中携带的噪声干扰，并将数据频率同步为满足模型计算的要求。而后可以将预处理后的数据输入至预建立的机理模型中。
[0042]
作为本实施例一种可选的实现方式，方法还包括预建立原料煤的性质分析模型，包括：建立气化过程中气化炉的质量守恒方程；建立气化过程中气化炉的能量守恒方程；建立气化过程中气化炉的化学平衡方程。
[0043]
在本可选的实现方式中，气化炉质量守恒模型(包括气化过程中碳、氢、氧、灰质量守恒)、气化炉能量守恒模型(包括气化过程整体能量守恒)、气化炉化学平衡模型(包括汽水变换反应和甲烷化反应)。这些模型共同组成一个非线性方程组，作为本实施例的机理模型。
[0044]
作为本实施例一种可选的实现方式，建立气化过程中气化炉的质量守恒方程包括：
[0045][0046][0047][0048]
其中，cc是气化系统碳转化率，m
x
是进气化炉各原料质量流量，hd、cd、od是煤干基h、c、o元素含量，[x](例如，[h2]等等)是气化炉出口合成气中各组分体积分数，q是气化炉出口粗合成气量。q可通过水洗塔出口合成气量等计算。
[0049]
作为本实施例一种可选的实现方式，建立气化过程中气化炉的能量守恒方程包括：
[0050]mcoal
*hhv ∑h
in，i
＝∑q
out，j
*h
comb，j
∑h
out，j
q
lost
；其中，mcoal是入炉煤质量流量，hhv是煤高位发热量，hin，i是各入口物流显热，qout，j是各出口物流流量，hcomb，j是各出口物流高位发热量，hout，j是各出口物流显热，qlost是气化炉热损失。
[0051]
作为本实施例一种可选的实现方式，建立气化过程中气化炉的化学平衡方程包括：
[0052][0053][0054]
其中，[x]是气化炉出口合成气中各组分体积分数，keq1＝f(t)是co-h2变换反应平衡常数，keq2＝g(t)是甲烷化反应的平衡常数，t是气化炉渣口温度。
[0055]
作为本实施例一种可选的实现方式，方法包括：建立气化过程中变换系统的质量守恒方程，以对气化过程中的预设参数进行修正。
[0056]
在本可选的实现方式中，由于气化炉出口粗合成气量q无法计量，而气化系统水洗塔出口合成气量往往计量不准，因此可通过变换系统质量守恒模型对水洗塔出口干合成气量(预设参数)进行校准，从而进一步使计算出的气化炉出口粗合成气量q更准确。
[0057]
作为本实施例一种可选的实现方式，建立气化过程中变换系统的质量守恒方程包括：
[0058][0059]
其中，conv是变换系统co转化率，[co]
s-g
是气化出口合成气干基co体积分数，[co]
b-g
是变换出口合成气干基co体积分数，q
b-g
是变换出口干合成气量，q
s-g
是校核后的水洗塔出口干合成气量。
[0060]
在本可选的实现方式中，通过校核后的q
s-g
，可以对气化炉出口粗合成气q进行精准地计算。
[0061]
可以理解的是，本实施例的模型还可以是，对整个气化系统建立界区进出口元素平衡，以得到上述实施例相同的输出。
[0062]
步骤103：对模型进行求解，得到待监控原料煤的元素分析结果。
[0063]
在本实施例中，参考图2，可以利用支撑模块、求解模块对方程组进行求解，支撑模块可以包括物性模型库，对机理模型计算中涉及的各种物料的物理、化学性质进行估算；求解模块对机理模型进行数值求解，可以包括线性方程组求解器和非线性方程组求解器。示例性地，线性方程组可以使用gauss-seidel迭代或sor方法求解，非线性方程组可以采用拟牛顿broyden方法求解，可以理解的是上述求解方法仅仅是示意性的，还可以根据现有的其他求解方法、或者将来公开的求解方法进行求解，在此不做限定。
[0064]
通过求解可以得到包括：碳含量、氢含量、氧含量、灰含量。本实施例直接计算获得定量的煤主要成分的元素分析结果，对操作人员具有更直接的指导意义
[0065]
煤的性质中对气流床煤气化系统运行稳定和经济高效影响最大的几个指标除了元素分析(主要是灰、碳、氧、氢含量)之外，还可以是煤灰流动温度。
[0066]
作为本实施例一种可选的实现方式，在对模型进行求解过程中，还得到气化过程中气化炉的渣口温度。
[0067]
在本可选的实现方式中，气流床气化炉通常采用液态排渣方式，也就是把煤中的
灰渣烧融成液态，而这就要求气化炉渣口温度高于灰流动温度一定程度，以确保灰渣呈现良好的流动性，保证气化炉排渣顺利。因此，获得气化炉渣口温度，可以直接对比煤灰熔融性分析结果，判断气化炉排渣是不是顺畅，有没有堵渣风险，这对气化炉平稳运行非常重要。
[0068]
通过利用机理模型计算煤质的过程中，可以在求解气化炉化学平衡模型的过程中，计算出气化炉渣口温度，采用这种方式方法需要的生产数据较少，且分析出的准确度也较高。
[0069]
作为本实施例一种可选的实现方式，方法还包括：基于求解结果，对气化炉的运行条件进行控制，以维护气化炉正常工作状态。
[0070]
在本可选的实现方式中，通过对原料煤的性质进行分析，当原料煤的性质发生变化后，可以及时调整其他工艺参数，控制气化炉运行条件，避免对煤气化系统运行产生重大的影响，例如系统经济性变差，或排渣不畅、气化炉停车。
[0071]
本实施例不依赖现有的分析检测技术，而是通过对整个气化系统及下游工艺流程中的在线监测数据、在线分析数据、企业中已存在的常规分析数据进行融合，对气化系统建立基于质量守恒、能量守恒、化学反应平衡和相平衡的机理模型，通过模型计算得到进入气化炉的煤的元素分析结果，指导气化炉操作。
[0072]
本实施例相对分析直接测定而言，不增加额外分析设备和人员成本；同时由于接入的参数几乎均为实时在线监测数据，因此可以实现实时监测入炉煤的性质变化，时效性强，几乎为实时监测入炉煤的性质变化；相对间接粗略评估可以精确获得煤的相关性质。
[0073]
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
[0074]
根据本公开实施例，还提供了一种用于实施上述原料煤性质的在线监测方法的装置，该装置包括：获取单元，被配置成获取待监控原料煤在气化炉气化过程中、以及气化后的实时工艺数据；分析单元，被配置成在对实时工艺数据预处理后，将预处理后的数据输入至预建立的用于原料煤性质分析的模型中；求解单元，被配置成得到待监控原料煤的元素分析结果。
[0075]
作为本实施例一种可选的实现方式，在对模型进行求解过程中，还得到气化过程中气化炉的渣口温度。
[0076]
作为本实施例一种可选的实现方式，还包括：基于求解结果，对气化炉的运行条件进行控制，以维护气化炉正常工作状态。
[0077]
作为本实施例一种可选的实现方式，获取待监控原料煤在气化炉气化过程中的实时工艺数据包括：获取待监控原料煤在气化控制系统的实时工艺参数；获取待监控原料煤在变换控制系统的实时工艺参数；获取待监控原料煤的基本数据包括：获取待监控原料煤在水煤浆气化时的煤浆浓度。
[0078]
作为本实施例一种可选的实现方式，还包括预建立原料煤的性质分析模型，包括：建立气化过程中气化炉的质量守恒方程；建立气化过程中气化炉的能量守恒方程；建立气化过程中气化炉的化学平衡方程。
[0079]
作为本实施例一种可选的实现方式，建立气化过程中变换系统的质量守恒方程，
以对气化过程中气化炉的质量守恒方程进行修正。
[0080]
本公开实施例提供了一种电子设备，如图3所示，该电子设备包括一个或多个处理器31以及存储器32，图3中以一个处理器31为例。
[0081]
该控制器还可以包括：输入装置33和输出装置34。
[0082]
处理器31、存储器32、输入装置33和输出装置34可以通过总线或者其他方式连接，图3中以通过总线连接为例。
[0083]
处理器31可以为中央处理器(centralprocessingunit，cpu)。处理器31还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0084]
存储器32作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本公开实施例中的控制方法对应的程序指令/模块。处理器31通过运行存储在存储器32中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例的原料煤性质的在线监测方法。
[0085]
存储器32可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据服务器操作的处理装置的使用所创建的数据等。此外，存储器32可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器32可选包括相对于处理器31远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至网络连接装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
[0086]
输入装置33可接收输入的数字或字符信息，以及产生与服务器的处理装置的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置34可包括显示屏等显示设备。
[0087]
一个或者多个模块存储在存储器32中，当被一个或者多个处理器31执行时，执行如图1所示的方法。
[0088]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各电机控制方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)、随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)、快闪存储器(flashmemory)、硬盘(harddiskdrive，缩写：hdd)或固态硬盘(solid-statedrive，ssd)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
[0089]
虽然结合附图描述了本公开的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。