基于天然气改质过程的降低热损失控制专家系统及其应用

摘要

本发明涉及一种基于天然气改质过程降低热损失控制专家系统及其应用，所述的系统包括通信模块、知识库模块、数据库模块、推理机模块和人机交互模块；所述的应用具体为由人机交互模块获取工艺运行参数数据，由通信模块获取在线检测仪表原始数据，在数据库模块中将上述数据进行整合计算，所得到的二次数据与上述工艺运行参数、仪表检测数据一起导入推理机模块，推理机模块通过将接收的数据与知识库模块中的控制规则进行对比匹配来控制催化床加权温度和蒸汽量，直至找到使改质气中甲烷含量达到最低的催化床加权温度与蒸汽使用量值。本发明具有自动调节控制参数，减少能源与热损失等优点，解决天然气改制过程中转化率不高的问题。

说明书

技术领域

本发明属于工程技术、计算机软件技术及自动控制技术的交叉领域，涉及到 一种天然气改质控制系统，尤其是涉及一种基于天然气改质过程的降低热损失控制 专家系统及其应用。

背景技术

常压间歇循环催化工艺的原理是天然气与水蒸气在催化剂的作用下，进行水蒸 汽转化反应，转化成氢气、一氧化碳、二氧化碳等。其反应过程以吸热反应为主， 热量由天然气燃烧产生的高温烟气提供。因而制气生产过程由加热期和制气期循环 交替进行。在加热期和制气期之间设有空气吹扫和蒸汽吹扫阶段。根据上述工艺特 点每组CCR生产装置由两条生产线配对组成，当第一条生产线进行加热阶段时， 第二条生产线正处于制气阶段，以保证整个系统热量及物料平衡。一个完整循环的 基本执行时间为2分钟，程序控制分为8个阶段。根据CCR反应的原理，在改质 阶段，水蒸汽与天然气在催化剂的作用下发生转化反应，生成改质气。在理想状态 下天然气(CH₄)应该全部转化为H₂与CO，但实际情况是改质气中CH₄的含量达 到8.3％，这说明改质反应中天然气转化率不高，发生了能源损失现象。为了减少 热损失，需要尽量减少空气量。但实际生产中的数据可以看出，CCR生产中最后 出烟囱阀的残氧量超过2.7％，说明有过量的空气参加了燃烧过程，从减少排放的 角度考虑，该值偏大。

国内外很多专家学者对如何减少热损失问题进行了大量的研究工作。但由于该 问题的复杂性，目前尚无统一的理论认识和持久有效的控制方法。在生产实践中， 一般采用控制好改质蒸汽流量、催化床温度来减少热损失，但由于操作人员无法及 时得到现场的反馈在调整工艺参数时带有很大的盲目性，所以操作结果并不如意。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种减少天然气 改质过程中热损失、可提高自动控制水平的基于天然气改质过程的降低热损失控制 专家系统及其应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于天然气改质过程的降低热损失控制专家系统，该系统包括通信模块 (1)、知识库模块(2)、数据库模块(3)、推理机模块(4)和人机交互模块(5)，所述的数 据库模块(3)分别连接通信模块(1)、人机交互模块(5)和推理机模块(4)，所述的知识 库模块(2)与推理机模块(4)连接，

所述的通信模块(1)将在线监测仪表获取的原始数据传递给数据库模块(3)；

所述的知识库模块(2)存储基于天然气改质过程运行参数来控制催化床加权温 度和蒸汽量的规则；

所述的数据库模块(3)存储在线监测仪表获取的原始数据、控制过程中产生的 二次数据；

所述的推理机模块(4)根据数据库模块(3)的数据，利用知识库模块(2)中的规则 进行对比匹配得到催化床加权温度和蒸汽量的最优值；

所述的人机交互模块(5)完成用户与专家系统直接的信息交流。

所述的基于天然气改质过程运行参数来控制催化床温度和蒸汽量的规则包括：

1)升高催化床加权温度，若甲烷含量增加值超过甲烷含量增加值合理范围或 催化床加权温度高于催化床加权温度合理范围的高限值或风量大于风量合理范围 的高限值，则跳到规则2)，反之，则继续升高催化床加权温度；

2)降低催化床加权温度，若甲烷含量增加值超过甲烷含量增加值合理范围或 催化床加权温度低于催化床加权温度合理范围的底限值或风量小于风量合理范围 的底限值，则跳到规则3)，反之，则继续降低催化床加权温度；

3)加大蒸汽量，若甲烷含量增加值超过甲烷含量增加值合理范围或蒸汽量大 于蒸汽量合理范围的高限值，则跳到规则4)，反之，则继续加大蒸汽量；

4)减小蒸汽量，若甲烷含量增加值超过甲烷含量增加值合理范围或蒸汽量小 于蒸汽量合理范围的底限值，则结束控制，反之，则继续减小蒸汽量。

所述的甲烷含量增加值合理范围为：0～0.1％V/V；所述的催化床加权温度合 理范围为：650℃～780℃；所述的风量合理范围为：10000m³/h～23000m³/h；所述 的蒸汽量合理范围为：17000m³/h～22500m³/h。

一种基于天然气改质过程的降低热损失控制专家系统的应用，该应用包括以下 步骤：

步骤一：由人机交互模块(5)获取参数数据，参数数据包括工艺运行参数；

步骤二：由通信模块(1)获取现场数据，现场数据包括在线检测仪表获取的原 始数据；

步骤三：在数据库模块(3)中整合数据，把步骤一中的工艺运行参数和步骤二 中的在线检测仪表获取的原始数据整合，得到二次数据；

步骤四：把步骤一、步骤二、步骤三得到的数据导入推理机模块(4)；

步骤五：推理机模块(4)通过将接收的数据与知识库模块(2)中的规则来进行对 比匹配，控制加热阶段催化床加权温度和改质阶段蒸汽量，直至找到催化床加权温 度的最优值和蒸汽量的最优值，退出系统。

所述的催化床加权温度的最优值的范围为680℃～720℃；所述的蒸汽量的最 优值的范围为17000m³/h～19500m³/h。

所述的步骤一中的工艺运行参数包括甲烷含量增加值合理范围、催化床温度合 理范围、风量合理范围和蒸汽量合理范围；所述的步骤二中的在线监测仪表获取的 原始数据包括产品气中甲烷含量、催化床各点温度、风量和蒸汽量。

所述的步骤三中的二次数据为对催化床各点温度进行加权平均后的催化床加 权温度。

本发明以天然气改质过程中各种运行指标(包括产品气中甲烷含量、催化床 加权温度、风量和蒸汽量)的变换为依据，建立天然气改质过程中减少热损失的调 控规则，构建降低热损失控制专家系统，通过内部专家系统的内部推理，完成自动 调控功能，最终实现的高效稳定运行，并提高自动控制水平。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明以天然气改质过程运行情况指 示变化为主要依据，自动调节控制参数，减少能源和热损失，解决了现有改质炉操 作人员由于得不到及时的反馈在调整工艺参数时带有很大的盲目性、操作结果往往 落后与偏离实际的需求、容易出现人为原因操作失误的缺陷。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为本发明系统应用的流程示意图；

图3为本发明减少热损失自动调节规则的决策树示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种基于天然气改质过程的降低热损失控制专家系统，其特征在 于，该系统包括通信模块1、知识库模块2、数据库模块3、推理机模块4和人机 交互模块5，所述的数据库模块3分别连接通信模块1、人机交互模块5和推理机 模块4，所述的知识库模块2与推理机模块4连接；

通信模块1，用于将在线监测仪表获取的原始数据传递给数据库模块3；

知识库模块2，用于存储基于天然气改制过程运行参数来控制催化床加权温度 和蒸汽量的规则，知识库模块中规则的建立基于工艺运行参数和产品气产量的变 化；

数据库模块3，用于存储在线监测仪表获取的原始数据、控制过程中产生的二 次数据；

推理机模块4根据数据库模块3的数据，利用知识库模块2中的规则进行对比 匹配得到催化床加权温度和蒸汽量的最优值；

人机交互模块5，采用C#可视化编程语言开发，完成用户与专家系统直接的 信息交流。

图3给出了减少热损失自动调节规则的决策树，具体规则如下：

1)升高催化床加权温度，若甲烷含量增加值超过甲烷含量增加值合理范围或 催化床加权温度高于催化床加权温度合理范围的高限值或风量大于风量合理范围 的高限值，则跳到规则2)，反之，则继续升高催化床加权温度；

2)降低催化床加权温度，若甲烷含量增加值超过甲烷含量增加值合理范围或 催化床加权温度低于催化床加权温度合理范围的底限值或风量小于风量合理范围 的底限值，则跳到规则3)，反之，则继续降低催化床加权温度；

3)加大蒸汽量，若甲烷含量增加值超过甲烷含量增加值合理范围或蒸汽量大 于蒸汽量合理范围的高限值，则跳到规则4)，反之，则继续加大蒸汽量；

4)减小蒸汽量，若甲烷含量增加值超过甲烷含量增加值合理范围或蒸汽量小 于蒸汽量合理范围的底限值，则结束控制，反之，则继续减小蒸汽量。

所述的甲烷含量增加值合理范围为：0～0.1％V/V；所述的催化床加权温度合 理范围为：650℃～780℃；所述的风量合理范围为：10000m³/h～23000m³/h；所述 的蒸汽量合理范围为：17000m³/h～22500m³/h。

如图2所示，基于天然气改质过程的降低热损失控制专家系统的应用，包括以 下步骤：

步骤一：由人机交互模块(5)获取参数数据，参数数据包括工艺运行参数；

工艺运行参数包括甲烷含量增加值合理范围、催化床加权温度合理范围、风量 合理范围和蒸汽量合理范围；

步骤二：由通信模块(1)获取现场数据，现场数据包括在线检测仪表获取的原 始数据；

在线监测仪表获取的原始数据包括产品气中甲烷含量、催化床各点温度、风量 和蒸汽量；

步骤三：在数据库模块(3)中整合数据，把步骤一中的工艺运行参数和步骤二 中的在线检测仪表获取的原始数据整合，得到二次数据，该二次数据为对催化床各 点温度进行加权平均后的催化床加权温度；

步骤四：把步骤一、步骤二、步骤三得到的数据导入推理机模块(4)；

步骤五：推理机模块(4)通过将接收的数据与如图3所示的知识库模块2中的 规则来进行对比匹配，控制加热阶段催化床加权温度和改质阶段蒸汽量，直至找到 催化床加权温度的最优值和蒸汽量的最优值，退出系统。

所述的催化床加权温度的最优值的范围为680℃～720℃；所述的蒸汽量的最 优值的范围为17000m³/h～19500m³/h。