一种面向甲醇制备过程子系统状态安全控制方法与流程

本发明涉及甲醇制备安全控制，尤其是涉及一种面向甲醇制备过程子系统状态安全控制方法。

背景技术：

1、随着可再生新能源的大规模开发，可再生电力的发展主要受到了两方面因素的限制：其一，可再生电力生产的波动性和不平衡性，将导致电网平衡和消纳难度持续增加，尽管通过电化学储能可以提供系统平衡容量，但系统成本持续升高；其二，可再生电力的开发高度依赖用电负荷，可再生资源和电力需求逆向分布矛盾突出，解决可再生能源丰富的边远地区的绿电送出难题。但大规模特高压输电成本较高，且可再生能源波动对送和受端电网均构成压力。

2、将新能源发电与电化学结合，将绿色电力转化为化学产品，将储电、输电变成化学品储运，可以在扩展绿电消纳空间的同时，极大降低储电输电成本，为偏远地区优质可再生能源开发创造有利条件。相比于抽水蓄能、电化学储能等传统储能方式，氢能是一种优质清洁的大规模储能载体，而甲醇被视为是一种理想的氢气载体。

3、利用可再生绿电制绿色甲醇(以下简称为绿醇)，省去煤气化和净化等复杂工艺环节，降低固定资产投资，将水直接电解成高纯度氢气和氧气，氢气与从生物质燃烧形成的二氧化碳和一氧化碳气发生加氢反应可一步制成绿色甲醇，简化了生产工艺，提高了化工系统可靠性。电解形成的高纯度氧气可供炼钢、煤化工工艺用氧，极大的降低传统的空分制氧能耗。绿色甲醇产品除可制成零碳远洋海运外，还可制成零碳烯烃、零碳芳烃等下游化学品，推动化工产业实现零碳化转型升级。

4、现有技术中已存在对于绿色甲醇的制备方法，如公开号为cn116496141b，名称为一种绿色甲醇制备工艺及系统的中国发明申请，其公开了通过耦合生物质气化和生物质燃料发电，提高了绿醇原料气中co的含量，提高了原料转化率，同时减少了能耗和设备投资；通过可再生能源发电与生物质燃料发电组合以保障整体工艺和系统的用电稳定性和可靠性。现有的设备能够实现对绿色甲醇的制备，但缺少对系统的安全控制，尤其是没有保证系统参数在安全范围内的控制方法，不能保证绿色甲醇制造过程的安全性和可靠性。

技术实现思路

1、本发明主要是解决现有绿色甲醇制备过程中缺少对系统参数安全范围运行控制，不能保证安全性和可靠性的问题，提供了一种面向甲醇制备过程子系统状态安全控制方法。

2、本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种面向甲醇制备过程子系统状态安全控制方法，包括以下步骤：

3、对甲醇制备过程系统进行建模；

4、提取甲醇制备过程子系统关键安全变量，根据关键安全变量的值域范围建立面向子系统的安全状态集；

5、根据安全状态集建立障碍函数，基于向量处于安全状态形成安全性判据，确定子系统的系统动力学模型，结合系统动力学模型构建系统障碍控制函数并求解最优控制律；

6、联立障碍控制函数，求解获取最优控制率。

7、本发明通过对甲醇制备过程子系统的关键安全变量进行安全性分析，建立系统障碍控制函数，通过求解获取最优控制率，以保证系统的参数在安全范围内，实现了对甲醇制备过程子系统的安全控制。

8、作为一种优选方案，所述的提取甲醇制备过程子系统关键安全变量，具体包括：

9、子系统包括电解氢气系统和甲醇合成系统，获取影响子系统安全的关键安全变量，关键安全变量为状态参数的范围值。

10、根据工艺中参数的重要性，提取关键安全变量，该关键安全变量如电解氢气系统的负荷波动范围、氢气泄漏浓度、可承受压强上下限，甲醇合成系统的安全温度范围等。关键安全变量为状态参数的范围值，通过获取这些重要的状态参数范围值来进行安全状态的分析。

11、作为一种优选方案，所述安全状态集包括关键安全变量构成向量和向量函数，向量函数根据关键安全变量单边范围限值计算获得。

12、安全状态集包括第一安全状态集合和第二安全状态集合，第一安全状态集合和第二安全状态集合均包括安全变量构成向量和向量函数，其中向量函数由关键安全变量的上限或下限限定范围转换获得， 分别根据表示上限或下限的向量函数构建第一安全状态集合和第二安全状态集合。

13、作为一种优选方案，所述的根据安全状态集建立障碍函数，基于向量处于安全状态形成安全性判据，具体包括：由向量函数建立障碍函数，分析向量处于安全状态时，障碍函数取值满足关键安全变量范围，形成安全性判据。

14、本方案中根据安全状态集中的向量函数h(x)，建立障碍函数b(x)=h(x)，分析在x处于安全状态时，具有h(x)≥0，得到安全性判据。

15、作为一种优选方案，所述的确定子系统的系统动力学模型，具体包括：

16、a.设定系统动力学方程的一般形式：

17、x'=fi(x)+g(x)u

18、b.收集子系统数据，获取相关变量；

19、c.批量化数据预处理，实现时间对齐；

20、d.获取子系统工况数据；

21、e.确定时间窗口，使用面向复杂网络的神经动力学建模方法，建立系统动力学模型，求解f(x)，根据输入信号得到的系统改变量，获得g(x)，得到子系统的系统动力学方程。

22、具体的，对于电解氢气系统，其确定系统动力学模型过程包括：

23、1）设定系统动力学方程的一般形式：

24、x'=fi(x)+g(x)u

25、该方程为示意描述函数，其中fi(x)表示第i种工况下氢气的生成速率，建模时主要包括电解水、纯化、压缩等单元。g(x)表示氢气缓冲罐与出口阀对氢气出口的影响函数。

26、2）收集子系统数据，获取相关变量，包括生产时光照条件、电解槽电流、电解液流量、电解槽电压、电解液浓度、操作温度、电解槽内压力、氢气产量、氢气纯度、能耗、电解液温度、系统压力、电解液ph值。

27、3）批量化数据预处理，实现时间对齐，即根据氢气生产过程的氢气产量的采样频率为基础，整理数据。

28、4）利用氢气产量与氢气纯度，建立离散下的氢气生成速率，记k时刻的氢气产量为q(k)，此时的氢气纯度表示为c(k)，则氢气生成速率用q(k)=c[q(k)- q(k-1)]。

29、5）将氢气生产速率作为新变量，存入数据库，构建向量y=(y1,y2,…,yn)t，其中向量中的元素yi表示生成时光照条件、电解槽电流、电解液流量、电解槽电压、电解液浓度、操作温度、电解槽内压力、能耗、电解液温度、系统压力、电解液ph值。

30、6）基于历史数据，针对向量y与氢气生产速率q，建立y中元素对q影响的热力图，筛选出影响q最大的前5个变量。

31、7）根据所筛选的5个关键变量，利用k-means聚类方法，形成不同工况的数据，标记数据。

32、8）确定时间窗口，根据获得的不同工况模式数据，使用面向复杂网络的神经动力学建模方法（ndcn），建立系统动力学模型，具体如下：

33、 （1）

34、s.t.xh(t)=tanh(x(t)we+be)w0+b0,x0

35、dxh(t)/dt=relu(фxh(t)w+b)

36、x(t)= xh(t)wd+bd

37、其中，t∈[0,t]，x(t)表示负荷状态x的时间序列数组，为在时间t有效的有监督动态信息，||表示l1-范数，we和w0为线性层矩阵用于编码，wd为线性层矩阵用于解码，w为连接层权重，b为连接层的偏置，ф为扩散算子，用于归一化图拉普拉斯算子，ф=d-1/2(d-a)d-1/2，a为ndcn神经网络的连接矩阵，d为网络节点的度。

38、9）确定系统动力学模型后，根据公式（1）最优解得到f(x)，找到u的控制变量及控制单元，给控制单元一个确定的输入信号，得到系统的改变量，由系统的改变量得到g(x)，获得系统动力学方程。

39、对于甲醇合成系统，其确定系统动力学模型过程包括：

40、1）设定系统动力学方程的一般形式：

41、y'=l(y)+m(y)u

42、该方程为示意描述函数，

43、2）收集数据参数：氢气缓冲罐温度、二氧化碳缓冲罐温度、循环气缓冲罐温度、合成反应器催化剂床层中上温度、合成反应器催化剂床层出口温度数据；二氧化碳低压进口压力、二氧化碳脱硫出口压力、氢气进口压力、氢气缓冲罐压力、二氧化碳高压进口压力数据以及精馏塔进料管道流量、精馏塔液位数据。

44、3）批量化数据预处理，实现时间对齐，即根据氢气生产过程的氢气产量的采样频率为基础，整理数据。

45、后续步骤如确定系统动力学模型过程步骤8）、9），得到系统动力学方程。

46、作为一种优选方案，所述的结合系统动力学方程构建系统障碍控制函数，具体包括：

47、采用h'(x)≥-hw(x)形式来设计安全控制，其中h(x)为向量函数，w∈n+；

48、在系统动力学模型满足x'=fi(x)+g(x)u，则具有：

49、h'(x)≥-hw(x)

50、

51、由此，建立控制障碍函数：

52、cbf：。

53、作为一种优选方案，所述的求解最优控制律，包括：

54、根据控制障碍函数，获得最优控制律，具体包括：

55、min||u||22

56、。

57、作为一种优选方案，所述的联立障碍控制函数，求解获取最优控制率，包括：

58、根据关键安全变量建立两个控制障碍函数；

59、联立控制障碍函数，令ui=(u1i, u2i)t；

60、使用二次规划，以(u1i)2+(u2i)2最小原则，计算求得最优控制率u*i。

61、本方案中正对非线性系统x'=fi(x)+g(x)u，构建控制障碍函数，设计安全控制率，在此基础上，考虑以安全且稳定同步控制为目标，以求得足最优控制率。

62、作为一种优选方案，根据制备工艺工序，划分典型工况阶段与模式，通过机理模型和历史数据的融合获取各工序工况阶段下设备、部件等运行状态参量的连续变化数据，建立系统分布式模型框架：

63、x1'(t)=f1(x0(t),x1(t),…xn(t))

64、x2'(t)=f2(x0(t),x1(t),…xn(t))

65、……

66、xn'(t)=fn(x0(t),x1(t),…xn(t))

67、其中，xi=(qi,ti,pi,ci…)t，qi表示第i个设备的流量，x0为系统输入流量，ti，pi，ci分别为温度、压力、浓度状态参数。

68、因此，本发明的优点是：通过对甲醇制备过程子系统的关键安全变量进行安全性分析，建立系统障碍控制函数，通过求解获取最优控制率，以保证系统的参数在安全范围内，实现了对甲醇制备过程子系统的安全控制，保证了绿色甲醇制造过程的安全性和可靠性。