用于化學(xué)循環(huán)過程的非線性模型預(yù)測(cè)控制的制作方法
【專利摘要】一種用于優(yōu)化化學(xué)循環(huán)(“CL”)設(shè)備的控制系統(tǒng)包括降階數(shù)學(xué)模型(“ROM”)，該降階數(shù)學(xué)模型通過消除對(duì)結(jié)果具有最小影響的數(shù)學(xué)項(xiàng)而設(shè)計(jì)。非線性優(yōu)化器提供各種輸入至ROM，并且監(jiān)測(cè)輸出以確定接著提供給CL設(shè)備的最優(yōu)輸入。評(píng)估器評(píng)估CL設(shè)備的各種內(nèi)部狀態(tài)變量值。系統(tǒng)具有一個(gè)結(jié)構(gòu)，其適合于控制僅提供CL環(huán)路A和CL環(huán)路B中的壓力測(cè)量值的CL設(shè)備，第二結(jié)構(gòu)，其適合于控制提供環(huán)路A和環(huán)路B兩者中的壓力測(cè)量值和固體水平的CL設(shè)備，以及第三結(jié)構(gòu)，其適合于控制提供內(nèi)部狀態(tài)變量的所有信息的CL設(shè)備。最終結(jié)構(gòu)提供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NMPC控制器以控制環(huán)路A和環(huán)路B的操作。
【專利說明】用于化學(xué)循環(huán)過程的非線性模型預(yù)測(cè)控制
[0001]關(guān)于聯(lián)邦政府資助研究或研發(fā)的聲明
[0002]依據(jù)能源部合同N0.DE-FC26-07NT43095，美國(guó)政府在本發(fā)明中具有某些權(quán)利。
[0003]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0004]本申請(qǐng)要求2012年7月23日提交的標(biāo)題為“用于化學(xué)循環(huán)過程的非線性模型預(yù)測(cè)控制”的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列N0.61/674，659的在先文本的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容由此通過參考并入。
[0005]本發(fā)明涉及2012年4月17日公布的Xinsheng Lou的公布美國(guó)專利8，160, 730 “Fuzzy Logic Control and Optimization System，，；
[0006]2011 年 8 月 4 日公開的 Xinsheng Lou、Abhinaya Josh1、Hao Lei 的美國(guó)專利申請(qǐng)公開 N0.2011/0190939“Control and Optimization System and Method for ChemicalLooping Processes，，；
[0007]2009年9月3日公開的Xinsheng Lou的美國(guó)專利申請(qǐng)公開N0.2009/0222136 “Control and Optimization System，，；
[0008]2009年9月3日公開的Xinsheng Lou的美國(guó)專利申請(qǐng)公開N0.2009/0222108“Integrated Controls Design Optimization”,所有上述文獻(xiàn)通過參考被全部并入。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0009]本發(fā)明涉及用于化學(xué)循環(huán)過程的控制優(yōu)化系統(tǒng)，并且更具體地，涉及采用非線性模型預(yù)測(cè)控制器的用于化學(xué)循環(huán)過程的控制優(yōu)化系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0010]化學(xué)循環(huán)過程
[0011]典型的化學(xué)循環(huán)(CL)系統(tǒng)利用高溫過程，由此諸如鈣或金屬基復(fù)合物的固體例如在被稱作氧化器的第一反應(yīng)器與被稱作還原器的第二反應(yīng)器之間“循環(huán)”。在氧化器中，來(lái)自噴射到氧化器中的空氣的氧氣在氧化反應(yīng)中被固體捕獲。例如，接著，捕獲的氧氣通過氧化的固體運(yùn)送到還原器以用于諸如煤的燃料的燃燒和/或氣化。在還原器中的還原反應(yīng)之后，不再具有捕獲的氧氣的固體返回至氧化器以被再次氧化，并且循環(huán)重復(fù)。
[0012]取決于燃料空氣比，在氧化和還原反應(yīng)中產(chǎn)生不同的氣體。因此，燃料空氣比可控制成使得可以以不同的方式利用CL系統(tǒng)，該不同的方式諸如:作為產(chǎn)生用于燃?xì)鉁u輪、燃料電池和/或其它基于氫氣的應(yīng)用的氫氣的混合式燃燒-氣化過程；作為產(chǎn)生用于燃?xì)鉁u輪和/或燃料電池的包含可變量的氫氣和二氧化碳的合成氣體(合成氣)的混合式燃燒-氣化過程；或者作為用于基于燃燒的蒸汽發(fā)電設(shè)備的燃燒過程。
[0013]例如，CL過程比諸如常規(guī)循環(huán)流化床(CFB)設(shè)備的傳統(tǒng)設(shè)備的過程更復(fù)雜。因此，應(yīng)用于CL過程的傳統(tǒng)設(shè)備控制必然導(dǎo)致用于每個(gè)CL環(huán)路的單獨(dú)的控制環(huán)路。然而，將單獨(dú)的控制環(huán)路用于每個(gè)CL環(huán)路是低效的，并且不優(yōu)化CL過程的性能，這是因?yàn)闇?zhǔn)確控制取決于每個(gè)環(huán)路中的多個(gè)參數(shù)以及在環(huán)路之間交迭的參數(shù)的協(xié)調(diào)控制。
[0014]另外，CL過程具有多相流和化學(xué)反應(yīng)，由于質(zhì)量傳輸和化學(xué)反應(yīng)的速率，該多相流和化學(xué)反應(yīng)以過程非線性和時(shí)間延遲為特征。因此，在過程設(shè)計(jì)早期階段中沒有考慮控制優(yōu)化系統(tǒng)的傳統(tǒng)發(fā)電設(shè)備設(shè)計(jì)對(duì)于過程性能和系統(tǒng)操作性的集成優(yōu)化而言是進(jìn)一步不足的。
[0015]此外，CL過程中的變量中的許多個(gè)與其它變量具有非線性關(guān)系，例如，變量的環(huán)路間相互作用。因此，需要開發(fā)過程模型以便有效地描述這些多互相依賴變量關(guān)系的特征。
[0016]化學(xué)循環(huán)技術(shù)是熱量產(chǎn)生的方法，其可產(chǎn)生可被隔離的單獨(dú)的CO2流，從而減少溫室氣體的排放。該構(gòu)思基于利用高溫化學(xué)和熱循環(huán)技術(shù)的過程。如在先前項(xiàng)目中研究的，憑借資本成本和電力成本與高達(dá)95%的CO2捕獲，化學(xué)循環(huán)設(shè)備被評(píng)估為非常有利的。然而，由于過程的固有非線性和固體顆粒的多環(huán)路相互作用，故控制顆粒流和使在環(huán)路中傳輸?shù)姆磻?yīng)物(固體)穩(wěn)定使得系統(tǒng)可維持期望的化學(xué)反應(yīng)并且提供穩(wěn)定的能量產(chǎn)生是非常有挑戰(zhàn)性的問題。
[0017]非線性模型預(yù)測(cè)控制
[0018]為了實(shí)現(xiàn)用于化學(xué)循環(huán)過程的穩(wěn)定性和最大收益性的目標(biāo)，先進(jìn)過程控制的設(shè)計(jì)成為該技術(shù)開發(fā)中的重要組成部分中的一個(gè)。模型預(yù)測(cè)控制(“MPC”)是先進(jìn)的基于模型的過程控制的方法。其是使用過程內(nèi)部動(dòng)態(tài)模型和優(yōu)化解算器來(lái)計(jì)算最優(yōu)控制措施的多變量控制算法?；诜蔷€性模型并考慮線性或非線性成本函數(shù)以及狀態(tài)和輸入變量的大體非線性約束的MPC方案被視為非線性模型預(yù)測(cè)控制(NMPC)。在圖1中示意性地提出非線性模型預(yù)測(cè)控制(NMPC)。
[0019]輸入變量(或操縱變量)的值提供給設(shè)備1，其意圖被控制。設(shè)備I產(chǎn)生輸出，其供給至NMPC100，NMPC100包括內(nèi)部非線性模型120，其由至少一個(gè)輸入與至少一個(gè)輸出之間的非線性方程限定。
[0020]非線性模型120是設(shè)備I的各個(gè)過程的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)每個(gè)過程供應(yīng)有相同的輸入時(shí)，其提供與設(shè)備I相似的輸出。
[0021]NMPC100還包括非線性優(yōu)化器130。非線性優(yōu)化器130接收輸入約束范圍和至少一個(gè)目標(biāo)。非線性優(yōu)化器130提供約束范圍內(nèi)的輸入值至產(chǎn)生輸出的非線性模型120。非線性優(yōu)化器130監(jiān)測(cè)并存儲(chǔ)非線性模型120的輸出。當(dāng)監(jiān)測(cè)并存儲(chǔ)輸出時(shí)，非線性優(yōu)化器130為跨越約束范圍的多個(gè)輸入變量值重復(fù)該過程。接著，其分析輸出和目標(biāo)以確定最優(yōu)輸出和與最優(yōu)輸出有關(guān)的輸入。
[0022]評(píng)估器110與非線性模型120相互作用以評(píng)估用于給定輸入和輸出變量的內(nèi)部狀態(tài)變量的值。
[0023]為了開發(fā)NMPC，必須設(shè)計(jì)準(zhǔn)確地描繪化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)和其控制結(jié)構(gòu)的功能的化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。
[0024]通常，這些模型解決非線性問題，并且由于每個(gè)輸出計(jì)算所需的大量計(jì)算，因此在計(jì)算上要求很高。因此，為了為實(shí)用的，必須存在使用模型來(lái)快速獲得評(píng)估的輸出的方式。
[0025]重要的是，考慮運(yùn)行化學(xué)循環(huán)設(shè)備的成本。因此，控制目標(biāo)中的一個(gè)應(yīng)當(dāng)包括操作成本的優(yōu)化，而不是僅僅優(yōu)化操作。因此，當(dāng)前存在對(duì)用于化學(xué)循環(huán)過程的控制器的需要，該控制器可使其操作穩(wěn)定并且最小化其操作成本。[0026]以上所描述的和其它特征通過下列圖和詳細(xì)描述來(lái)舉例說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]現(xiàn)在參考附圖，該附圖是示例性實(shí)施例，并且其中，同樣的元件被相似地標(biāo)記；
[0028]圖1是非線性預(yù)測(cè)控制器的總示意圖。
[0029]圖2是與本發(fā)明相容的化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)的示意圖。
[0030]圖3是也與本發(fā)明相容的化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖。圖4是控制圖2的化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)的非線性模型預(yù)測(cè)控制器(NMPC)的示意圖。
[0031]圖5是采用非線性模型預(yù)測(cè)控制器(“NMPC”)的二級(jí)級(jí)聯(lián)控制結(jié)構(gòu)。
[0032]圖6是采用非線性模型預(yù)測(cè)控制器(“NMPC”)的三級(jí)級(jí)聯(lián)控制結(jié)構(gòu)。
[0033]圖7是用于控制僅壓力測(cè)量值可用的化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)的NMPC的示意圖。
[0034]圖8是用于控制僅壓力測(cè)量值和固體水平測(cè)量值可用的化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)的NMPC的示意圖。
[0035]圖9是用于控制全部測(cè)量值可用的化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)的NMPC的示意圖。
[0036]圖10是用于控制雙環(huán)路化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)的NMPC/PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037]本文中公開的是用于CL設(shè)備的化學(xué)循環(huán)(CL)系統(tǒng)的集成過程設(shè)計(jì)和控制優(yōu)化系統(tǒng)，該CL設(shè)備與US專利N0.7，083，658中更詳細(xì)地描述的設(shè)備相似，該專利通過參考全部并入本文中。
[0038]現(xiàn)在參考附圖，并且更特別地參考圖2，示出了與本發(fā)明相容的化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)。
[0039]由于質(zhì)量傳輸速率和化學(xué)反應(yīng)速率，故CL過程涉及以過程非線性和時(shí)間延遲為特征的多相流和化學(xué)反應(yīng)。因此，如將在下面更詳細(xì)地描述的，非線性優(yōu)化和控制技術(shù)有益于控制CL過程。具體地，示例性實(shí)施例包括從第一定律方程(例如，質(zhì)量、動(dòng)量、能量和化學(xué)物類守恒)推導(dǎo)的非線性動(dòng)態(tài)化學(xué)循環(huán)建模和仿真。建模和仿真包括常微分方程(“0DE”)、代數(shù)方程(“AE”)以及偏微分方程(“PDE”)的任何組合。
[0040]化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)具有第一環(huán)路(環(huán)路A (200))和第二環(huán)路(環(huán)路B (300))。環(huán)路A具有將顆粒物質(zhì)從環(huán)路A傳遞到環(huán)路B的交叉管220。相似地，交叉管320將顆粒物質(zhì)從環(huán)路B運(yùn)送到環(huán)路A。
[0041]磨碎和/或壓碎的含碳燃料(諸如煤)提供到環(huán)路A的入口管219中。
[0042]該含碳燃料與沿返回路徑217落下的顆粒物質(zhì)混合，并且從下管道251、上升器253以及上管道255吹起以由氣體/顆粒分離器(在此示出為旋風(fēng)分離器211)接收。
[0043]氣體從旋風(fēng)分離器211的頂部流出，而顆粒物質(zhì)通過下沉路徑213傳遞到密封容器(seal pot)215。密封容器215具有由信號(hào)F1、F2、F4和F5遠(yuǎn)程地啟動(dòng)的若干輸入閥，以將特定量的顆粒物質(zhì)從密封容器吹動(dòng)到返回路徑217中或到交叉管220中至環(huán)路B。
[0044]相似地，環(huán)路B具有以相同方式運(yùn)行的相似部件。密封容器315具有由信號(hào)S1、S2、S6和S7遠(yuǎn)程地啟動(dòng)的若干輸入閥，以將特定量的顆粒物質(zhì)從密封容器315吹動(dòng)到返回路徑317中或到交叉管320中至環(huán)路A。
[0045]通過調(diào)節(jié)每個(gè)環(huán)路中的氧氣和燃料的量，化學(xué)載體在環(huán)路A中氧化并且在環(huán)路B中還原。
[0046]因?yàn)檩d體僅攜帶氧氣，所以燃料氧化成產(chǎn)生CO2和H2O, CO2和H2O分離成導(dǎo)致CO2被封存。這是將以NMPC控制的過程。
[0047]圖3提供了化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)的可選實(shí)施例。圖3提供了兩個(gè)反應(yīng)器環(huán)路，燃料反應(yīng)器環(huán)路500和空氣反應(yīng)器環(huán)路600。該附圖中提供的500和600系列中的標(biāo)記大體在功能上對(duì)應(yīng)于圖2的200和300系列中提供的標(biāo)記。顆粒物質(zhì)(也被稱為固體或反應(yīng)物)在每個(gè)環(huán)路內(nèi)循環(huán)并且從一個(gè)環(huán)路傳遞到另一個(gè)環(huán)路。通過使用在反應(yīng)器底部處或其附近供應(yīng)的傳輸空氣或氣體，從密封容器中噴出的顆粒物質(zhì)向上傳輸至反應(yīng)器。
[0048]在燃料反應(yīng)器環(huán)路500中，顆粒物質(zhì)穿過管555，并且在旋風(fēng)分離器511A和511B中分離，并且經(jīng)由與旋風(fēng)分離器511A可操作地聯(lián)合的主下沉路徑513A和與旋風(fēng)分離器511B可操作地聯(lián)合的次下沉路徑513B收集在密封容器515A中。接著，顆粒物質(zhì)從密封容器515A穿過返回路徑517至燃料反應(yīng)器523。密封容器515A具有由信號(hào)Fl和F2遠(yuǎn)程地啟動(dòng)的輸入閥，以將特定量的顆粒物質(zhì)從密封容器515A吹動(dòng)至燃料反應(yīng)器523。密封容器515B具有由信號(hào)F4和F5遠(yuǎn)程地啟動(dòng)的輸入閥，以將特定量的顆粒物質(zhì)從密封容器515B吹動(dòng)至燃料反應(yīng)器和空氣反應(yīng)器653。
[0049]在空氣反應(yīng)器環(huán)路600中，顆粒物質(zhì)穿過管655，并且在收集在下沉路徑613中之前在旋風(fēng)分離器611中分離,并且分離到密封容器615A和615B中。密封容器615A具有由信號(hào)S1、S2遠(yuǎn)程地啟動(dòng)的若干輸入閥，以將特定量的顆粒物質(zhì)從密封容器615A吹動(dòng)到返回路徑617中。密封容器615B具有由信號(hào)S6和S7遠(yuǎn)程地啟動(dòng)的若干輸入閥，以將特定量的顆粒物質(zhì)從密封容器615B吹動(dòng)穿過交叉管620到燃料反應(yīng)器523中。
[0050]壓力控制裝置590、690 (諸如真空泵或引風(fēng)機(jī))分別調(diào)整燃料反應(yīng)器環(huán)路和空氣反應(yīng)器環(huán)路的壓力。如關(guān)于圖2和圖4在本文中相似地討論的，NMPC100提供信號(hào)(Pump A)以致動(dòng)調(diào)整燃料反應(yīng)器環(huán)路500的壓力(P2)的壓力控制裝置590。同樣地，NMPC100提供信號(hào)(Pump B)以致動(dòng)調(diào)整空氣反應(yīng)器環(huán)路600環(huán)路B的壓力(P2b)的壓力控制裝置690。
[0051]與圖2相比，圖3中的化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)不利用如圖2所示的下管道251，這是由于來(lái)自密封容器515A和615A的顆粒物質(zhì)分別直接下落到反應(yīng)器523和653。此外，燃料反應(yīng)器環(huán)路500提供兩個(gè)旋風(fēng)分離器和相關(guān)的下沉路徑和兩個(gè)單獨(dú)密封容器515A和515B?？諝夥磻?yīng)器環(huán)路600提供兩個(gè)單獨(dú)密封容器615A和615B。
[0052]為了將非線性模型預(yù)測(cè)控制應(yīng)用于諸如圖2和圖3中描述的化學(xué)循環(huán)過程，存在待解決的若干技術(shù)問題。雖然在下面關(guān)于圖2的化學(xué)循環(huán)實(shí)施例詳細(xì)地描述非線性模型預(yù)測(cè)控制，但是非線性模型預(yù)測(cè)控制可相似地應(yīng)用于圖3的化學(xué)循環(huán)實(shí)施例。
[0053]克服的技術(shù)問題:
[0054]1.如何構(gòu)建非線性預(yù)測(cè)模型
[0055]過程模型在NMPC中扮演著決定性的角色，并且開發(fā)優(yōu)良的過程模型是在工業(yè)中廣泛應(yīng)用NMPC的主要挑戰(zhàn)。
[0056]2.如何減少計(jì)算時(shí)間
[0057]因?yàn)榉蔷€性編程傾向于在計(jì)算上昂貴，所以計(jì)算要求構(gòu)成了 NMPC應(yīng)用的主要限制。將NMPC應(yīng)用于化學(xué)循環(huán)過程的成功需要每個(gè)控制時(shí)間步驟處的計(jì)算時(shí)間應(yīng)當(dāng)在幾分鐘內(nèi)。[0058]3.如何限定控制結(jié)構(gòu)
[0059]由于多環(huán)路相互作用，化學(xué)循環(huán)過程的控制是復(fù)雜的多次輸入和多次輸出控制問題。此外，由于缺少下沉路徑處固體質(zhì)量流和固體存量的長(zhǎng)度的測(cè)量值，因此如何設(shè)計(jì)整個(gè)控制結(jié)構(gòu)以利用NMPC是未解決的問題。
[0060]4.如何設(shè)計(jì)成本函數(shù)和辨識(shí)約束
[0061]NMPC是基于控制策略的非線性優(yōu)化，并且其可基于約束和成本函數(shù)給出下一個(gè)優(yōu)化控制措施。如何設(shè)計(jì)成本函數(shù)確定了將NMPC應(yīng)用于化學(xué)循環(huán)過程的益處，該成本函數(shù)包括直接成本(例如，燃料和功率成本)以及間接成本(例如，控制性能)。
[0062]可能的解決方案
[0063]存在產(chǎn)生用于NMPC的非線性模型的兩種方式。一種是基于測(cè)試數(shù)據(jù)構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。另一種是通過使用質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒以及化學(xué)物類守恒而構(gòu)造第一定律模型。
[0064]對(duì)于第一種方法，存在若干典型的非線性模型辨識(shí)技術(shù)，例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。而對(duì)于第二種方法，Alstom的仿真和控制團(tuán)隊(duì)已研發(fā)出了基于第一定律的用于化學(xué)循環(huán)過程的仿真器。該仿真器提供了開發(fā)用于控制目的的模型的良好起點(diǎn)。
[0065]一個(gè)主要問題在于從NMPC獲得結(jié)果所需的計(jì)算時(shí)間是長(zhǎng)的。這是由于用于NMPC的預(yù)測(cè)模型過于復(fù)雜并且需要長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間來(lái)生成預(yù)測(cè)。然而，這可通過開發(fā)降階模型(ROM)而解決。
[0066]另一個(gè)問題在于待解的結(jié)果方程可不收斂。因此，對(duì)于優(yōu)化軟件，可花費(fèi)長(zhǎng)時(shí)間來(lái)尋找整體最優(yōu)。伴隨近十年內(nèi)大規(guī)模計(jì)算和優(yōu)化的巨大進(jìn)步，用于非線性編程的計(jì)算時(shí)間也顯著地減少。
[0067]簡(jiǎn)化的NMPC解決方案是設(shè)計(jì)基于MPC多操作點(diǎn)(例如，單元負(fù)載條件)的多線性模型。整個(gè)控制策略將使整個(gè)操作包絡(luò)線保持非線性，同時(shí)每個(gè)操作點(diǎn)處的控制器簡(jiǎn)化為線性MPC設(shè)計(jì)。
[0068]利用關(guān)于化學(xué)循環(huán)過程和多環(huán)路中的變量之間的耦合的進(jìn)一步理解，用于NMPC的成本函數(shù)的改進(jìn)設(shè)計(jì)和約束的更好辨識(shí)是可能的。
[0069]新開發(fā)的特征
[0070]1.應(yīng)用成控制化學(xué)循環(huán)過程的NMPC
[0071]雖然MPC已應(yīng)用于石油化學(xué)和精煉工業(yè)，但是仍存在用于NMPC的少數(shù)應(yīng)用實(shí)例。此外，化學(xué)循環(huán)過程是開發(fā)中的新技術(shù)，并且這是首次將NMPC應(yīng)用于該新技術(shù)。
[0072]2.用于化學(xué)循環(huán)的降階模型
[0073]與文獻(xiàn)中的現(xiàn)有建模方法相比，本發(fā)明中提出的用于兩相流的降階建模提供了更容易的方式來(lái)構(gòu)造用于基于模型的控制的簡(jiǎn)單且可靠的模型。此外，利用模型的預(yù)測(cè)，其還可用于優(yōu)化過程。
[0074]3.用于化學(xué)循環(huán)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NMPC
[0075]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于降階或模型辨識(shí)提供了 NMPC建模的可選解決方案。此外，組合第一定律和經(jīng)驗(yàn)建模兩者將為未來(lái)化學(xué)循環(huán)過程仿真和控制優(yōu)化增加價(jià)值。
[0076]4.化學(xué)循環(huán)過程中的NMPC的控制結(jié)構(gòu)
[0077]在本發(fā)明中概括了將NMPC應(yīng)用于化學(xué)循環(huán)過程的三種不同控制結(jié)構(gòu)。這些不同的控制結(jié)構(gòu)基本解決了在控制化學(xué)循環(huán)過程中的NMPC的三種不同角色
[0078]5.成本優(yōu)化(最小化)的設(shè)計(jì)
[0079]為了保持雙環(huán)路或多環(huán)路過程中的固體存量平衡，用于NMPC的成本函數(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)包括壓降的比率。傳統(tǒng)的二次成本函數(shù)可不保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，溫度、壓力、固體流，以及空氣/氣體噴射應(yīng)當(dāng)包括在成本函數(shù)的設(shè)計(jì)中以保持穩(wěn)定反應(yīng)和能量產(chǎn)生。
[0080]實(shí)施描述
[0081]降階數(shù)學(xué)模型(ROM)
[0082]為了設(shè)計(jì)用于NMPC的降階數(shù)學(xué)模型，應(yīng)當(dāng)考慮兩個(gè)要求。一方面，模型應(yīng)當(dāng)足夠準(zhǔn)確以捕捉過程動(dòng)態(tài)并精確地預(yù)測(cè)未來(lái)輸出。另一方面，其應(yīng)當(dāng)足夠簡(jiǎn)單以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制器計(jì)算。在本發(fā)明中，提出了用于控制目的的、被稱為“降階數(shù)學(xué)模型(ROM)”的簡(jiǎn)化第一定律模型。在下面描述如何構(gòu)建用于雙環(huán)路化學(xué)循環(huán)過程的ROM的細(xì)節(jié)。另外，對(duì)于該ROM方法，存在待解決的少數(shù)事情:
[0083]a)該ROM方法提供根據(jù)管中的空氣速度對(duì)固體質(zhì)量流和壓降之間的關(guān)系建模的方式。該關(guān)系還是待用于控制設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵關(guān)系中的一個(gè)。
[0084]b)該ROM方法可顯著地對(duì)第一定律模型的復(fù)雜度進(jìn)行降階。例如，其大體需要四個(gè)偏微分方程(“roE”)來(lái)描述管中的固體-氣體流的動(dòng)態(tài)。而在該ROM方法中，僅使用一個(gè)常微分方程(“0DE”)。
[0085]c)該ROM方法基于化學(xué)循環(huán)過程的理解提出了關(guān)于壓力關(guān)系的簡(jiǎn)單描述，例如，相互連接處的參考?jí)毫εc上升器的壓降之間的關(guān)系。
[0086]數(shù)學(xué)ROM的另一個(gè)可選方案是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))和其它類型的非線性模型結(jié)構(gòu)。這是從第一定律模型建立降階模型的可行方法，并且隨后被描述。
[0087]1.在化學(xué)循環(huán)過程中在何處應(yīng)用NMPC
[0088]a)NMPC可作為監(jiān)視控制器應(yīng)用于化學(xué)循環(huán)過程，即，NMPC不直接操縱過程，而是為下級(jí)控制器(例如，線性模型預(yù)測(cè)控制器(“LMPC”)或比例積分微分(“PID”)控制器)提供設(shè)定點(diǎn)。其可構(gòu)造為用于連續(xù)變化過程的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化(“RT0”)引擎。
[0089]b)NMPC作為控制負(fù)載變化中的固體流的直接控制器應(yīng)用于化學(xué)循環(huán)過程。
[0090]作為用于下一代發(fā)電廠的新技術(shù)，期望化學(xué)循環(huán)過程具有快速跟隨來(lái)自電網(wǎng)的負(fù)載需求的能力。這進(jìn)一步要求化學(xué)循環(huán)過程中的控制系統(tǒng)具有在更寬操作范圍內(nèi)改變過程的能力。在該情況下，通常由常規(guī)控制設(shè)計(jì)使用的線性動(dòng)態(tài)假定大體不持有NMPC控制所需要的任何更多建議。在圖4中示出利用NMPC的用于試驗(yàn)化學(xué)循環(huán)過程的負(fù)載變化控制的全視圖。
[0091]圖4提供了關(guān)于圖2的化學(xué)循環(huán)實(shí)施例的NMPC控制。NMPC控制還能夠應(yīng)用于執(zhí)行相似功能的具有相似參考標(biāo)記的圖3的化學(xué)循環(huán)實(shí)施例。用于不同兆瓦需求的請(qǐng)求提供至控制器260和控制器360。
[0092]控制器260評(píng)估主空氣/氣體(Wl) 271、從環(huán)路A到環(huán)路B的質(zhì)量移動(dòng)273，以及用于環(huán)路A的內(nèi)部環(huán)路固體流需求275，以及用于P2A的壓力要求277。
[0093]相似地，控制器360評(píng)估主空氣/氣體(W3) 371、從環(huán)路B到環(huán)路A的質(zhì)量移動(dòng)373，以及用于環(huán)路B的內(nèi)部環(huán)路固體流需求375，以及用于P2B的壓力要求377。
[0094]NMPC100接收控制器260和360的所有輸出，以及測(cè)量的輸入值:用于環(huán)路A的內(nèi)部環(huán)路固體流DP47A279、用于環(huán)路B的內(nèi)部環(huán)路固體流DP47B379、環(huán)路A中的壓力P2A280、環(huán)路A和B的壓力P2A和P2B之間的壓力差385。接著，NMPC100致動(dòng)密封容器215的空氣/氣體入口閥F2。密封容器215控制穿過環(huán)路A的返回路徑217的固體流的量，以及從環(huán)路A到環(huán)路B的固體流的量。
[0095]相似地，接著，NMPC100致動(dòng)密封容器315的空氣/氣體入口閥S2。密封容器315控制穿過環(huán)路B的返回路徑317的固體流的量，以及從環(huán)路B到環(huán)路A的固體流的量。
[0096]相似地，NMPC100提供信號(hào)(Pump A)以致動(dòng)調(diào)整環(huán)路A的壓力(P2)的真空泵(或引風(fēng)機(jī)或壓力控制裝置)290。分別地，NMPC100提供信號(hào)(Pump B)以致動(dòng)調(diào)整環(huán)路B的壓力(P2b)的真空泵(或引風(fēng)機(jī)或壓力控制裝置)390。
[0097]具有NMPC監(jiān)視控制器的控制結(jié)構(gòu)
[0098]具有NMPC的二級(jí)級(jí)聯(lián)控制結(jié)構(gòu)
[0099]圖5示出了具有NMPC的二級(jí)級(jí)聯(lián)控制結(jié)構(gòu)。(該二級(jí)級(jí)聯(lián)控制結(jié)構(gòu)還將參考圖2說明)。在該控制結(jié)構(gòu)中，NMPC100處于監(jiān)視模式。NMPC100為下級(jí)PID控制器410提供設(shè)定點(diǎn)。同時(shí)化學(xué)循環(huán)過程設(shè)備I由PID控制器410根據(jù)由NMPC100分配的設(shè)定點(diǎn)直接調(diào)
難
iF.0
[0100]具有NMPC的三級(jí)級(jí)聯(lián)控制結(jié)構(gòu)
[0101]在圖6中示出具有NMPC100的三級(jí)級(jí)聯(lián)控制結(jié)構(gòu)。在該控制結(jié)構(gòu)中，NMPC100扮演動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化(RTO)的角色。NMPC100對(duì)照多個(gè)約束計(jì)算不同操作點(diǎn)處的獨(dú)立變量的優(yōu)化值。這些值作為外部目標(biāo)傳遞給LMPC420。接著，下級(jí)控制器LMPC420確定如何移動(dòng)關(guān)于這些外部目標(biāo)的設(shè)定點(diǎn)并且將設(shè)定點(diǎn)的下一個(gè)移動(dòng)提供給PID控制器410。PID控制器410直接控制系統(tǒng)的操縱變量并且將系統(tǒng)的受控變量調(diào)整至由LMPC420分配的設(shè)定點(diǎn)。
[0102]伴隨不同的測(cè)量值，NMPC控制結(jié)構(gòu)是不同的。辨識(shí)控制具有不同測(cè)量值的固體質(zhì)量流的三個(gè)典型控制結(jié)構(gòu)。
[0103]下列描述參考圖7。在使用的模型中存在至少14個(gè)狀態(tài)變量，其包括壓力、固體質(zhì)量流和固體水平。如果僅能夠測(cè)量壓力，則為了實(shí)施NMPC，必要的是構(gòu)建觀察器400以評(píng)估固體質(zhì)量流和固體水平的狀態(tài)變量的值。在圖7中示出的控制結(jié)構(gòu)中，DP12/(DPI2+DP12b)是指示兩個(gè)環(huán)路中的固體平衡的關(guān)鍵變量。
[0104]在圖7中，在僅環(huán)路A和B的壓力測(cè)量值可用的設(shè)備中采用NMPC100。NMPC100接收期望的設(shè)定點(diǎn):
[0105]DP47-上升器的壓差(環(huán)路A)
[0106]P2-交匯處壓力(環(huán)路A)
[0107]DP12/(DPI 2+DP 12b)_環(huán)路A與環(huán)路B之間的壓降比率
[0108]P2b_交匯處壓力(環(huán)路B)
[0109]DP47b_上升器的壓差(環(huán)路B)
[0110]NMPC100計(jì)算下列操縱變量的值，并且將它們提供到環(huán)路A:
[0111]F1/F2-至密封容器閥的信號(hào)(環(huán)路A)
[0112]PumpA-至真空泵或引風(fēng)(ID)機(jī)的信號(hào)(環(huán)路A)
[0113]F4/F5-至密封容器閥的信號(hào)(環(huán)路A)。
[0114]其還計(jì)算下列操縱變量值，并且將它們提供給環(huán)路B。[0115]S1/S2-至密封容器閥的信號(hào)(環(huán)路B)
[0116]S6/S7-至密封容器閥的信號(hào)(環(huán)路B)
[0117]觀察器400測(cè)量環(huán)路A和B中的各個(gè)壓力，并且將固體質(zhì)量流和固體水平提供回到NMPC100以用于下一次計(jì)算。
[0118]在圖8中示出本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。NMPC100接收期望的設(shè)定點(diǎn):
[0119]DP47-上升器的壓差(環(huán)路A)
[0120]P2-交匯處壓力(環(huán)路A)
[0121]Ld-下沉路徑水平
[0122]NMPC100還接收下列的可變值:
[0123]Wl-主空氣/氣體(環(huán)路A)
[0124]ms_inA_質(zhì)量輸入(環(huán)路A)
[0125]S6/S7-至密封容器閥的信號(hào)(環(huán)路B)
[0126]W3-主空氣/氣體(環(huán)路B)
[0127]NMPC100還計(jì)算下列操縱變量值，并且將它們提供給環(huán)路A:
[0128]F1/F2-至密封容器閥的信號(hào)(環(huán)路A)
[0129]F4/F5-至密封容器閥的信號(hào)(環(huán)路A)
[0130]PumpA-至真空泵引風(fēng)機(jī)的信號(hào)(環(huán)路A)。
[0131 ] 下列輸入直接提供給環(huán)路A:
[0132]Wl-主空氣/氣體(環(huán)路A)
[0133]ms_inA_質(zhì)量輸入(環(huán)路A)
[0134]NMPC100還計(jì)算下列操縱變量值，并且將它們提供給環(huán)路B。
[0135]S1/S2-至密封容器閥的信號(hào)(環(huán)路B)
[0136]S8/S9-至密封容器閥的信號(hào)(環(huán)路B)
[0137]PumpB-至真空泵引風(fēng)機(jī)的信號(hào)(環(huán)路B)
[0138]W3-主空氣/氣體(環(huán)路B)
[0139]S6/S7-至密封容器閥的信號(hào)(環(huán)路B)
[0140]觀察器400測(cè)量環(huán)路A和B中的各個(gè)壓力并確定固體質(zhì)量流，并且將該信息提供回到NMPC100。環(huán)路A和B中的固體水平和固體質(zhì)量流將用于下一次計(jì)算。
[0141]在圖9中示出在所有信息控制結(jié)構(gòu)下利用NMPC的、用于化學(xué)循環(huán)過程中的負(fù)載變化的典型動(dòng)態(tài)響應(yīng)。此處，環(huán)路A200和B300提供內(nèi)部狀態(tài)變量的所有信息。
[0142]神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
[0143]除第一定律模型之外，如直到該點(diǎn)描述和顯示的，還可集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵钥刂苹瘜W(xué)循環(huán)過程。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是用于非線性系統(tǒng)的系統(tǒng)辨識(shí)方法中的一種。在圖10中示出具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的用于化學(xué)循環(huán)過程的NMPC。
[0144]圖10是用于控制雙環(huán)路化學(xué)循環(huán)系統(tǒng)的NMPC/PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的示意圖。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性模型預(yù)測(cè)控制器(“NN NMPC")接收環(huán)路A和環(huán)路B中的壓降測(cè)量值(DP47A)和(DP47B)作為輸入。從這些輸入中，其提供其預(yù)編程的輸出(F1/F2)、(S1/S2)至環(huán)路A的密封容器閥和環(huán)路B的密封容器閥。差別裝置920基于壓力輸入P2A和P2B的差別產(chǎn)生壓差信號(hào)(DP6)，并且將信號(hào)(DP6)提供給比例積分微分器(PID2)950。PID2950以信號(hào)(Pump B)運(yùn)行環(huán)路B的真空泵/引風(fēng)機(jī)。
[0145]比率裝置930接收環(huán)路A中的壓降(DP12A)和環(huán)路B中的壓降(DP12B)，并且產(chǎn)生基于輸入比率的壓差信號(hào)(DP12Ratio)。信號(hào)(DP12Ratio)提供給操作環(huán)路B的密封容器閥(S6/S7)的 PID2950。
[0146]基于負(fù)載的FF控制器940控制環(huán)路A的信號(hào)(Wl)，(F4/F5)和環(huán)路B的信號(hào)(W3)。環(huán)路A分別提供壓力(P2A)、壓差(DP12A)和壓差(DP47A)至差別裝置920、比率裝置930和NN NMPC910作為反饋。
[0147]相似地，環(huán)路B分別提供壓力(P2B)、壓差(DP12B)和壓差(DP47B)至差別裝置920、比率裝置930和NN NMPC910作為反饋。
[0148]雙環(huán)路中的固體平衡
[0149]化學(xué)循環(huán)過程的不同部分處的壓力比率應(yīng)當(dāng)包括在成本函數(shù)中，用于不具有水平傳感器的控制情況。
[0150]在用于化學(xué)循環(huán)雙環(huán)路過程的控制設(shè)計(jì)中，主要控制目標(biāo)中的一個(gè)是平衡兩個(gè)環(huán)路之間的固體運(yùn)輸。然而，由于關(guān)鍵可測(cè)量變量中的一些的缺乏(例如，從SPCV流出的固體質(zhì)量流速率和下沉路徑中的固體水平)，故傳統(tǒng)的具有可測(cè)量變量(例如，系統(tǒng)中的壓力或壓降)的二次成本函數(shù)可不在該情形下實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。原因中的一個(gè)是雖然壓力和壓降與固體質(zhì)量流速率高度相關(guān)，但是它們?nèi)菀资芷渌粗兞康挠绊憽?br> [0151]然而，如從實(shí)際設(shè)施觀察和基于理論分析計(jì)算的，當(dāng)化學(xué)循環(huán)雙環(huán)路過程在穩(wěn)定模式中運(yùn)行時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)處于壓力平衡。因此，系統(tǒng)的不同部分中的壓降比率應(yīng)當(dāng)提供固體質(zhì)量流和下沉路徑存量水平的合理指示。因此，壓降比率應(yīng)當(dāng)包含在成本函數(shù)中以保持整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0152]用于部分I中的管道的降階數(shù)學(xué)模型
[0153]使用的術(shù)語(yǔ)
[0154]
【權(quán)利要求】
1.一種優(yōu)化具有環(huán)路A和環(huán)路B的化學(xué)循環(huán)設(shè)備的操作的方法，每個(gè)環(huán)路具有上升器，用于向上運(yùn)送空氣/氣體中攜帶的固體顆粒接著穿過水平上管道至分離單元，所述分離單元適合于從流體分離所述固體顆粒，所述分離單元提供向下穿過下沉路徑至密封容器的所述固體顆粒，在相互連接點(diǎn)處，所述密封容器將所述固體顆粒選擇性地發(fā)送穿過交叉管至相對(duì)的環(huán)路，或穿過返回路徑至下管道，所述流體引入到所述下管道中，將所述固體顆粒從所述下管道吹起并使所述固體顆粒通過所述上升器返回，所述方法包括如下步驟: 通過如下創(chuàng)建降階模型(“ROM”): 采用用于壓力、壓降、質(zhì)量流、空氣加速度和用于所述上升器、下沉路徑和返回路徑中的每一個(gè)的顆粒的項(xiàng)來(lái)創(chuàng)建質(zhì)量守恒方程； 消去除了限定摩擦的這些壓降項(xiàng)之外的用于所述返回路徑的壓降項(xiàng)； 消去所述返回路徑中的加速度項(xiàng)； 將由于摩擦而產(chǎn)生的所述返回路徑的壓降設(shè)定為常數(shù)； 提供各種輸入(Ui)至所述ROM并且監(jiān)測(cè)所述ROM的輸出(yi)以確定用于所述化學(xué)循環(huán)設(shè)備的最優(yōu)設(shè)定；以及 提供所述最優(yōu)設(shè)定至所述化學(xué)循環(huán)設(shè)備以導(dǎo)致所述化學(xué)循環(huán)設(shè)備的最優(yōu)操作。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，非線性優(yōu)化器與所述ROM相互作用以提供各種輸入值(Ui)至所述ROM并監(jiān)測(cè)所述ROM的輸出(yi)以確定所述最優(yōu)輸入設(shè)定(Ui)。
3.一種用于優(yōu)化具有環(huán)路A和環(huán)路B的化學(xué)循環(huán)設(shè)備的操作的控制器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 非線性模型預(yù)測(cè)控制器(“NMPC”)，其適合于: 接收環(huán)路A和環(huán)路B兩者的多個(gè)用戶設(shè)定點(diǎn)、壓力測(cè)量值、固體質(zhì)量流和固體水平；為環(huán)路A和環(huán)路B產(chǎn)生用于密封容器和真空泵/引風(fēng)機(jī)的最優(yōu)信號(hào)(F1/F2，F(xiàn)4/F5，SI/S2, S4/S5)、(Pump A, Pump B)； 向環(huán)路A提供所述信號(hào)(F1/F2，F(xiàn)4/F5)、(Pump A)以控制密封容器閥和真空泵/引風(fēng)機(jī)； 向環(huán)路B提供計(jì)算的設(shè)定(S1/S2，S4/S5)、(Pump B)以控制密封容器閥和真空泵/引風(fēng)機(jī)； 觀察器，其適合于: 接收來(lái)自環(huán)路A和環(huán)路B的壓力和壓差測(cè)量值； 計(jì)算環(huán)路A和環(huán)路B中的固體質(zhì)量流和固體水平；以及 將所述環(huán)路A和環(huán)路B的固體質(zhì)量流和固體水平提供至所述NMPC。
4.如權(quán)利要求3所述的控制器系統(tǒng)，其特征在于，所述用戶設(shè)定點(diǎn)是環(huán)路A的壓差(DP47)和環(huán)路B的壓差(DP47b)、F2、F2b，以及環(huán)路A中的壓差與環(huán)路A和環(huán)路B兩者的總壓力差的比率(DP12/(DP12+DP12b))。
5.一種用于優(yōu)化具有環(huán)路A和環(huán)路B的化學(xué)循環(huán)設(shè)備的操作的控制器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 非線性模型預(yù)測(cè)控制器(“NMPC”)，其適合于: 接收環(huán)路A和環(huán)路B兩者的多個(gè)用戶設(shè)定點(diǎn)、壓力測(cè)量值、固體質(zhì)量流和固體水平； 產(chǎn)生用于環(huán)路A和環(huán)路B的密封容器的最優(yōu)信號(hào)(F1/F2，F(xiàn)4/F5，S1/S2，S6/S7)和用于環(huán)路A和環(huán)路B的真空栗/引風(fēng)機(jī)的最優(yōu)信號(hào)(Pump A, Pump B)； 提供所述信號(hào)(F1/F2，F(xiàn)4/F5)、(Pump A)以控制環(huán)路A的密封容器閥和真空泵/引風(fēng)機(jī)； 提供所述信號(hào)(S1/S2，S6/S7)、(Pump B)以控制環(huán)路B的密封容器閥和真空泵/引風(fēng)機(jī)； 觀察器，其適合于: 接收來(lái)自環(huán)路A和環(huán)路B的壓力和壓差測(cè)量值； 計(jì)算環(huán)路A和環(huán)路B中的固體質(zhì)量流；以及 將所述環(huán)路A和環(huán)路B的固體質(zhì)量流提供至NMPC。
6.如權(quán)利要求5所述的控制器系統(tǒng)，其特征在于，所述用戶設(shè)定點(diǎn)是DP47、DP47b、F2、F2b 以及 DP12/(DP12+DP12b)。
7.一種用于優(yōu)化具有環(huán)路A和環(huán)路B的化學(xué)循環(huán)設(shè)備的操作的控制器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 非線性模型預(yù)測(cè)控制器(“NMPC”)，其適合于: 接收環(huán)路A和環(huán)路B兩者的多個(gè)用戶設(shè)定點(diǎn)、多個(gè)內(nèi)部狀態(tài)變量的值； 產(chǎn)生用于環(huán)路A和環(huán)路B的密封容器的最優(yōu)信號(hào)(F1/F2，F(xiàn)4/F5，S1/S2，S6/S7)和用于環(huán)路A和環(huán)路B的真空栗/引風(fēng)機(jī)的最優(yōu)信號(hào)(Pump A, Pump B)； 提供所述信號(hào)(F1/F2，F(xiàn)4/F5)、(Pump A)以控制環(huán)路A的密封容器閥和真空泵/引風(fēng)機(jī)； 提供所述信號(hào)(S1/S2，S6/S7)、(Pump B)以控制環(huán)路B的密封容器閥和真空泵/引風(fēng)機(jī)； 其中，環(huán)路A將其內(nèi)部狀態(tài)變量值提供至NMPC ；并且 環(huán)路B將其內(nèi)部狀態(tài)變量值提供至NMPC。
8.如權(quán)利要求7所述的控制器系統(tǒng)，其特征在于，用戶設(shè)定點(diǎn)是環(huán)路A中的固體質(zhì)量流速率(msA)，環(huán)路B中的固體質(zhì)量流速率(msB)，從環(huán)路A到環(huán)路B的固體質(zhì)量流(msAtoB)，從環(huán)路B到環(huán)路A的固體質(zhì)量流(msBtoA)以及下沉路徑Ld處的固體水平。
9.一種用于優(yōu)化具有環(huán)路A和環(huán)路B的化學(xué)循環(huán)設(shè)備的操作的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NN)控制器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性模型預(yù)測(cè)控制器(“NN NMPC”)，其適合于: 接收環(huán)路A的壓差(DP47)和環(huán)路B的壓差(DP47B)； 為環(huán)路A的密封容器閥產(chǎn)生最優(yōu)信號(hào)(F1/F2)和為環(huán)路B的密封容器閥產(chǎn)生最優(yōu)信號(hào)(S1/S2)，為環(huán)路A和環(huán)路B的真空泵/引風(fēng)機(jī)產(chǎn)生最優(yōu)信號(hào)； 提供所述信號(hào)(F1/F2)和(S1/S2)以分別控制環(huán)路A和環(huán)路B的密封容器閥； 提供所述信號(hào)(S1/S2，S6/S7)、(Pump B)以控制環(huán)路B的密封容器閥和真空泵/引風(fēng)機(jī)； 差別裝置，其適合于從環(huán)路A接收壓力(P2A)和從環(huán)路B接收壓力(P2B)并產(chǎn)生壓差信號(hào)(DP6)； PID2，其連接于所述差別裝置以接收所述壓差信號(hào)(DP6)并產(chǎn)生信號(hào)(Pump B)以運(yùn)行環(huán)路B的空氣泵；比率裝置，其適合于從環(huán)路A接收壓差(DP12A)并從環(huán)路B接收壓差(DP12B)并且產(chǎn)生與輸入比率相關(guān)的信號(hào)(DP12Ratio)； PID1，其連接于所述比率裝置，適合于接收所述信號(hào)(DP12Ratio)并產(chǎn)生操作所述環(huán)路B的密封容器閥的信號(hào)(S6/S7)； 基于負(fù)載的FF控制器，其產(chǎn)生提供給環(huán)路A的信號(hào)Wl和提供給環(huán)路B的信號(hào)W3 ;并且 其中，環(huán)路A分別將信號(hào)(P2A)、(DP12A)和(DP47A)提供給差別裝置、比率裝置和NNNMPC ;并且 環(huán)路B分別將信號(hào)(P2B)、(DP12B)和(DP47B)提供給差別裝置、比率裝置和NN NMPC0
10.一種優(yōu)化具有燃料反應(yīng)器環(huán)路和空氣反應(yīng)器的化學(xué)循環(huán)設(shè)備的操作的方法， 所述燃料反應(yīng)器環(huán)路具有燃料反應(yīng)器，用于向上運(yùn)送空氣/氣體中攜帶的固體顆粒接著穿過水平上管道至第一分離單元，所述第一分離單元適合于從流體分離所述固體顆粒，所述分離單元提供向下穿過主下沉路徑至第一密封容器的所述固體顆粒，所述第一密封容器將所述固體顆粒發(fā)送穿過返回路徑至所述燃料反應(yīng)器，所述燃料反應(yīng)器與第二密封容器操作性地有關(guān)，所述第二密封容器將所述顆粒選擇性地發(fā)送穿過交叉管至空氣反應(yīng)器環(huán)路，或向上傳輸至所述燃料反應(yīng)器； 所述空氣反應(yīng)器環(huán)路具有空氣反應(yīng)器，用于向上運(yùn)送空氣/氣體中攜帶的固體顆粒接著穿過水平上管道至分離單元，所述分離單元適合于從所述流體分離所述固體顆粒，所述分離單元提供向下穿過下沉路徑至第三密封容器和第四密封容器的所述固體顆粒，所述第三密封容器將所述固體顆粒選擇性地發(fā)送穿過返回管至所述空氣反應(yīng)器，所述第四密封容器將所述顆粒選擇性地發(fā)送穿過交叉管至所述燃料反應(yīng)器環(huán)路，所述方法包括如下步驟:通過如下創(chuàng)建降階模型(“ROM”): 采用用于壓力、壓降、質(zhì)量流、空氣加速度和用于所述上升器、下沉路徑和返回路徑中的每一個(gè)的顆粒的項(xiàng)來(lái)創(chuàng)建質(zhì)量守恒方程； 消去除了限定摩擦的這些壓降項(xiàng)之外的用于所述返回路徑的壓降項(xiàng)； 消去所述返回路徑中的加速度項(xiàng)； 將由于摩擦而產(chǎn)生的所述返回路徑的壓降設(shè)定為常數(shù)； 提供輸入(Ui)至所述ROM并且監(jiān)測(cè)所述ROM的輸出(yi)以確定用于所述化學(xué)循環(huán)設(shè)備的最優(yōu)設(shè)定；以及 提供所述最優(yōu)設(shè)定至所述化學(xué)循環(huán)設(shè)備以導(dǎo)致所述化學(xué)循環(huán)設(shè)備的最優(yōu)操作。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，非線性優(yōu)化器與所述ROM相互作用以提供各種輸入值(Ui)至所述ROM并監(jiān)測(cè)所述ROM的輸出(yi)以確定所述最優(yōu)輸入設(shè)定(Ui)。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK103576551SQ201310424232
【公開日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月23日
【發(fā)明者】A·喬施, H·雷, 婁新生 申請(qǐng)人:阿爾斯通技術(shù)有限公司