用于化学循环过程的非线性模型预测控制制造技术

一种用于优化化学循环(“CL”)设备的控制系统包括降阶数学模型(“ROM”)，该降阶数学模型通过消除对结果具有最小影响的数学项而设计。非线性优化器提供各种输入至ROM，并且监测输出以确定接着提供给CL设备的最优输入。评估器评估CL设备的各种内部状态变量值。系统具有一个结构，其适合于控制仅提供CL环路A和CL环路B中的压力测量值的CL设备，第二结构，其适合于控制提供环路A和环路B两者中的压力测量值和固体水平的CL设备，以及第三结构，其适合于控制提供内部状态变量的所有信息的CL设备。最终结构提供神经网络NMPC控制器以控制环路A和环路B的操作。

【技术实现步骤摘要】
用于化学循环过程的非线性模型预测控制关于联邦政府资助研究或研发的声明依据能源部合同N0.DE-FC26-07NT43095，美国政府在本专利技术中具有某些权利。相关申请的交叉引用本申请要求2012年7月23日提交的标题为“用于化学循环过程的非线性模型预测控制”的美国临时申请序列N0.61/674，659的在先文本的优先权，其全部内容由此通过参考并入。本专利技术涉及2012年4月17日公布的Xinsheng Lou的公布美国专利8，160, 730 “Fuzzy Logic Control and Optimization System，，；2011 年 8 月 4 日公开的 Xinsheng Lou、Abhinaya Josh1、Hao Lei 的美国专利申请公开 N0.2011/0190939“Control and Optimization System and Method for ChemicalLooping Processes，，；2009年9月3日公开的Xinsheng Lou的美国专利申请公开N0.2009/0222136 “Control and Optimization System，，；2009年9月3日公开的Xinsheng Lou的美国专利申请公开N0.2009/0222108“Integrated Controls Design Optimization”,所有上述文献通过参考被全部并入。
本专利技术涉及用于化学循环过程的控制优化系统，并且更具体地，涉及采用非线性模型预测控制器的用于化学循环过程的控制优化系统。【
技术介绍
】化学循环过程典型的化学循环(CL)系统利用高温过程，由此诸如钙或金属基复合物的固体例如在被称作氧化器的第一反应器与被称作还原器的第二反应器之间“循环”。在氧化器中，来自喷射到氧化器中的空气的氧气在氧化反应中被固体捕获。例如，接着，捕获的氧气通过氧化的固体运送到还原器以用于诸如煤的燃料的燃烧和/或气化。在还原器中的还原反应之后，不再具有捕获的氧气的固体返回至氧化器以被再次氧化，并且循环重复。取决于燃料空气比，在氧化和还原反应中产生不同的气体。因此，燃料空气比可控制成使得可以以不同的方式利用CL系统，该不同的方式诸如:作为产生用于燃气涡轮、燃料电池和/或其它基于氢气的应用的氢气的混合式燃烧-气化过程；作为产生用于燃气涡轮和/或燃料电池的包含可变量的氢气和二氧化碳的合成气体(合成气)的混合式燃烧-气化过程；或者作为用于基于燃烧的蒸汽发电设备的燃烧过程。例如，CL过程比诸如常规循环流化床(CFB)设备的传统设备的过程更复杂。因此，应用于CL过程的传统设备控制必然导致用于每个CL环路的单独的控制环路。然而，将单独的控制环路用于每个CL环路是低效的，并且不优化CL过程的性能，这是因为准确控制取决于每个环路中的多个参数以及在环路之间交迭的参数的协调控制。另外，CL过程具有多相流和化学反应，由于质量传输和化学反应的速率，该多相流和化学反应以过程非线性和时间延迟为特征。因此，在过程设计早期阶段中没有考虑控制优化系统的传统发电设备设计对于过程性能和系统操作性的集成优化而言是进一步不足的。此外，CL过程中的变量中的许多个与其它变量具有非线性关系，例如，变量的环路间相互作用。因此，需要开发过程模型以便有效地描述这些多互相依赖变量关系的特征。化学循环技术是热量产生的方法，其可产生可被隔离的单独的CO2流，从而减少温室气体的排放。该构思基于利用高温化学和热循环技术的过程。如在先前项目中研究的，凭借资本成本和电力成本与高达95%的CO2捕获，化学循环设备被评估为非常有利的。然而，由于过程的固有非线性和固体颗粒的多环路相互作用，故控制颗粒流和使在环路中传输的反应物(固体)稳定使得系统可维持期望的化学反应并且提供稳定的能量产生是非常有挑战性的问题。非线性模型预测控制为了实现用于化学循环过程的稳定性和最大收益性的目标，先进过程控制的设计成为该技术开发中的重要组成部分中的一个。模型预测控制(“MPC”)是先进的基于模型的过程控制的方法。其是使用过程内部动态模型和优化解算器来计算最优控制措施的多变量控制算法。基于非线性模型并考虑线性或非线性成本函数以及状态和输入变量的大体非线性约束的MPC方案被视为非线性模型预测控制(NMPC)。在图1中示意性地提出非线性模型预测控制(NMPC)。输入变量(或操纵变量)的值提供给设备1，其意图被控制。设备I产生输出，其供给至NMPC100，NMPC100包括内部非线性模型120，其由至少一个输入与至少一个输出之间的非线性方程限定。非线性模型120是设备I的各个过程的数学模型，当每个过程供应有相同的输入时，其提供与设备I相似的输出。NMPC100还包括非线性优化器130。非线性优化器130接收输入约束范围和至少一个目标。非线性优化器130提供约束范围内的输入值至产生输出的非线性模型120。非线性优化器130监测并存储非线性模型120的输出。当监测并存储输出时，非线性优化器130为跨越约束范围的多个输入变量值重复该过程。接着，其分析输出和目标以确定最优输出和与最优输出有关的输入。评估器110与非线性模型120相互作用以评估用于给定输入和输出变量的内部状态变量的值。为了开发NMPC，必须设计准确地描绘化学循环系统和其控制结构的功能的化学循环系统的数学模型。通常，这些模型解决非线性问题，并且由于每个输出计算所需的大量计算，因此在计算上要求很高。因此，为了为实用的，必须存在使用模型来快速获得评估的输出的方式。重要的是，考虑运行化学循环设备的成本。因此，控制目标中的一个应当包括操作成本的优化，而不是仅仅优化操作。因此，当前存在对用于化学循环过程的控制器的需要，该控制器可使其操作稳定并且最小化其操作成本。以上所描述的和其它特征通过下列图和详细描述来举例说明。【附图说明】现在参考附图，该附图是示例性实施例，并且其中，同样的元件被相似地标记；图1是非线性预测控制器的总示意图。图2是与本专利技术相容的化学循环系统的示意图。图3是也与本专利技术相容的化学循环系统的另一个实施例的示意图。图4是控制图2的化学循环系统的非线性模型预测控制器(NMPC)的示意图。图5是采用非线性模型预测控制器(“NMPC”)的二级级联控制结构。图6是采用非线性模型预测控制器(“NMPC”)的三级级联控制结构。图7是用于控制仅压力测量值可用的化学循环系统的NMPC的示意图。图8是用于控制仅压力测量值和固体水平测量值可用的化学循环系统的NMPC的示意图。图9是用于控制全部测量值可用的化学循环系统的NMPC的示意图。图10是用于控制双环路化学循环系统的NMPC/PID神经网络控制器的示意图。【具体实施方式】本文中公开的是用于CL设备的化学循环(CL)系统的集成过程设计和控制优化系统，该CL设备与US专利N0.7，083，658中更详细地描述的设备相似，该专利通过参考全部并入本文中。现在参考附图，并且更特别地参考图2，示出了与本专利技术相容的化学循环系统。由于质量传输速率和化学反应速率，故CL过程涉及以过程非线性和时间延迟为特征的多相流和化学反应。因此，如将在下面更详细地描述的，非线性优化和控制技术有益于控制CL本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种优化具有环路A和环路B的化学循环设备的操作的方法，每个环路具有上升器，用于向上运送空气/气体中携带的固体颗粒接着穿过水平上管道至分离单元，所述分离单元适合于从流体分离所述固体颗粒，所述分离单元提供向下穿过下沉路径至密封容器的所述固体颗粒，在相互连接点处，所述密封容器将所述固体颗粒选择性地发送穿过交叉管至相对的环路，或穿过返回路径至下管道，所述流体引入到所述下管道中，将所述固体颗粒从所述下管道吹起并使所述固体颗粒通过所述上升器返回，所述方法包括如下步骤：通过如下创建降阶模型(“ROM”)：采用用于压力、压降、质量流、空气加速度和用于所述上升器、下沉路径和返回路径中的每一个的颗粒的项来创建质量守恒方程；消去除了限定摩擦的这些压降项之外的用于所述返回路径的压降项；消去所述返回路径中的加速度项；将由于摩擦而产生的所述返回路径的压降设定为常数；提供各种输入(ui)至所述ROM并且监测所述ROM的输出(yi)以确定用于所述化学循环设备的最优设定；以及提供所述最优设定至所述化学循环设备以导致所述化学循环设备的最优操作。

【技术特征摘要】
2012.07.23 US 61/674659;2013.07.19 US 13/9461151.一种优化具有环路A和环路B的化学循环设备的操作的方法，每个环路具有上升器，用于向上运送空气/气体中携带的固体颗粒接着穿过水平上管道至分离单元，所述分离单元适合于从流体分离所述固体颗粒，所述分离单元提供向下穿过下沉路径至密封容器的所述固体颗粒，在相互连接点处，所述密封容器将所述固体颗粒选择性地发送穿过交叉管至相对的环路，或穿过返回路径至下管道，所述流体引入到所述下管道中，将所述固体颗粒从所述下管道吹起并使所述固体颗粒通过所述上升器返回，所述方法包括如下步骤: 通过如下创建降阶模型(“ROM”): 采用用于压力、压降、质量流、空气加速度和用于所述上升器、下沉路径和返回路径中的每一个的颗粒的项来创建质量守恒方程； 消去除了限定摩擦的这些压降项之外的用于所述返回路径的压降项； 消去所述返回路径中的加速度项； 将由于摩擦而产生的所述返回路径的压降设定为常数； 提供各种输入(Ui)至所述ROM并且监测所述ROM的输出(yi)以确定用于所述化学循环设备的最优设定；以及 提供所述最优设定至所述化学循环设备以导致所述化学循环设备的最优操作。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，非线性优化器与所述ROM相互作用以提供各种输入值(Ui)至所述ROM并监测所述ROM的输出(yi)以确定所述最优输入设定(Ui)。3.一种用于优化具有环路A和环路B的化学循环设备的操作的控制器系统，所述系统包括: 非线性模型预测控制器(“NMPC”)，其适合于: 接收环路A和环路B两者的多个用户设定点、压力测量值、固体质量流和固体水平；为环路A和环路B产生用于密封容器和真空泵/引风机的最优信号(F1/F2，F4/F5，SI/S2, S4/S5)、(Pump A, Pump B)； 向环路A提供所述信号(F1/F2，F4/F5)、(Pump A)以控制密封容器阀和真空泵/引风机； 向环路B提供计算的设定(S1/S2，S4/S5)、(Pump B)以控制密封容器阀和真空泵/引风机； 观察器，其适合于: 接收来自环路A和环路B的压力和压差测量值； 计算环路A和环路B中的固体质量流和固体水平；以及 将所述环路A和环路B的固体质量流和固体水平提供至所述NMPC。4.如权利要求3所述的控制器系统，其特征在于，所述用户设定点是环路A的压差(DP47)和环路B的压差(DP47b)、F2、F2b，以及环路A中的压差与环路A和环路B两者的总压力差的比率(DP12/(DP12+DP12b))。5.一种用于优化具有环路A和环路B的化学循环设备的操作的控制器系统，所述系统包括: 非线性模型预测控制器(“NMPC”)，其适合于: 接收环路A和环路B两者的多个用户设定点、压力测量值、固体质量流和固体水平； 产生用于环路A和环路B的密封容器的最优信号(F1/F2，F4/F5，S1/S2，S6/S7)和用于环路A和环路B的真空栗/引风机的最优信号(Pump A, Pump B)； 提供所述信号(F1/F2，F4/F5)、(Pump A)以控制环路A的密封容器阀和真空泵/引风机； 提供所述信号(S1/S2，S6/S7)、(Pump B)以控制环路B的密封容器阀和真空泵/引风机； 观察器，其适合于: 接收来自环路A和环路B的压力和压差测量值； 计算环路A和环路B中的固体质量流；以及 将所述环路A和环路B的固体质量流提供至NMPC。6.如权利要求5所述的控制器系统，其特征在于，所述用户设定点是DP47、DP47b、F2、F2b 以及 DP12/(DP12+DP12b)。7.一种用于优化具有环路A和环路B的化学循环设备的操作的控制器系统，所述系统包括: 非线性模型预测控制器(“NMPC”)，其适合于: 接收环路A和环路B两者的多个用户设定点、多个内部状态变量的值； 产生用于环路A和环路B的密封容器的最优信号(F1/F2，F4/F5，S1/S2，S6/S7)和用于环路A和环...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·乔施，H·雷，娄新生，
申请(专利权)人：阿尔斯通技术有限公司，
类型：发明
国别省市：