一种甲醇水蒸气重整制氢热管理系统参数快速预估方法

本发明属于重整制氢反应器综合热管理，涉及一种基于神经网络的甲醇水蒸气重整制氢反应器热管理系统供热参数快速预估方法。

背景技术：

1、甲醇作为一种氢载体，因其易得、易储存、低毒性、氢碳比高、不含硫等优势，在众多制氢原料中脱颖而出。随着高效、低成本催化剂的问世，甲醇水蒸气重整制氢也因过程中得氢率高、反应温和、反应温度较低(250-300℃)，且可以利用工业废热作为热源为其供热等特点引起业界广泛关注。

2、重整反应器是实现甲醇水蒸气重整制氢反应的装置。甲醇在重整反应器装置中进行强吸热反应，其重整效率受催化剂活性等因素影响，而重整反应器中温度的均匀性、稳定性又是影响催化剂活性的主要因素。为了有效提高重整反应器中甲醇转化率、得氢率及降低装置能耗，重整反应器通常应该有较高的比表面积和较高的传热效率，能充分利用外部热源提供的热量来实现甲醇的高效重整。

3、在实际燃料电池发电系统设计过程中，通常能根据负载功率需求确定需要重整反应器提供的产氢量(产氢率)，然而，产氢量不仅与通入重整器的甲醇量相关，同时也与重整制氢过程中催化剂活性、重整温度、水碳比及供热情况等参数相关。因此，为了确保通入重整装置的甲醇量既能满足燃料电池发电需求，又能尽可能提高甲醇转化率和利用率，就需要对通入重整反应器甲醇及供热参数进行合理匹配，即在确定的反应器结构下，对甲醇水蒸气重整制氢反应器的反设计研究。确保满足供氢需求的前提下，尽可能保证重整反应器有较高的燃料转化效率，以提高整个系统效率。而在已知供氢需求的前提下，如何匹配通入重整反应器燃料及热风的问题属于反设计问题。通常来说，反设计问题求解过程中需要有明确的正问题模型、反问题模型和反问题优化算法。然后，通过设计合理的目标函数，来实现对多个可调参数的优化设计。反设计研究过程中，通常需要对正问题进行多次调用，通过多次迭代计算得到的目标函数值来确定可调参数的优化方向。

4、传统方法对甲醇水蒸气重整制氢反应器采用三维模型进行cfd计算后，为借助反设计技术来实现对重整反应器的可调参加进行优化，每次迭代求解都需要调用重整器三维数值模型，该过程会耗费大量的时间和计算资源。

技术实现思路

1、为快速获取不同边界条件下重整反应器的性能并考虑下游供氢需求，本发明的目的在于提供一种甲醇水蒸气重整制氢热管理系统参数快速预估方法，通过神经网络建立cfd计算的输入和输出之间的映射关系，然后结合下游功率需求实现对反应器进口参数的快速评估，完成对相应输出功率下实时匹配输入参数。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种甲醇水蒸气重整制氢热管理系统参数快速预估方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、步骤一：建立双套管式甲醇水蒸气重整制氢反应器仿真模型，包括反应器物理模型、数学模型以及反应器供热方案，并加载到醇水蒸气重整制氢反应器有限元模型。

5、步骤二：根据实际供热条件确定工况参数，获得特征变量(热空气的温度tair、热空气的速度vair、反应气的温度tre、反应气速度vre以及水碳比s/c)的变化范围。

6、步骤三：在步骤二所述的特征变量范围内采用正交实验设计的方式，考虑到5个输入量选择采用正交阵列法进行实验设计，生成正交设计田口表作为输入参数。

7、步骤四：基于步骤三所设计的正交设计工况表，将参数输入步骤一所述的有限元计算模型，基于cfd结果得到出口各产物组分，进而计算出甲醇转化率η和产氢率α，进一步完善输出数据库。

8、步骤五：将步骤四获得的输入及输出数据集随机划分为训练集、测试集、验证集，分别用于双套管式甲醇水蒸气重整制氢反应器性能快速预估代理模型中参数的拟合、优化以及验证。

9、步骤六：基于神经网络模型，将步骤五中的训练集、测试集分别作为深度神经网络模型的输入与输出，进行多次训练与测试得到tair、vair、tre、vre、s/c与甲醇转化率η和产氢率α之间的映射关系，可在毫秒级时间内获得的反应器的重整性能。此后，将验证集的数据输入到代理模型，用于验证该模型精度与泛化能力，由此可得到一个高效与高精度并存的反应器重整性能快速预估模型。

10、步骤七：确定多目标优化函数，以甲醇水蒸气重整反应器在质子交换膜燃料电池一个工作周期内负载需求为主要目标，实时调整反应器的输出产氢量并维持较高的甲醇转化率。

11、步骤八：决策变量的选取。将热空气流量n_air、重整气流量n_reform和进口水蒸气质量分数作为反应器的决策变量。

12、步骤九：设定考虑反应器在一定的范围以及条件下运行限制因素的多目标优化模型的约束条件。

13、步骤十：采用反设计技术基于甲醇水蒸气重整反应器在质子交换膜燃料电池一个工作周期内负载需求计算出热空气和反应气的输入参数(温度，速度)的取值。

14、进一步，所述步骤一中，反应器物理模型主要是指根据实际需要设计的几何尺寸。

15、所述步骤四中，甲醇转化率η可由公式(1)计算所得，产氢率α可由cfd计算软件读取：

16、

17、式中表示进口甲醇的质量分数，表示出口甲醇的质量分数。

18、所述步骤七中，甲醇水蒸气重整反应器的多优化目标函数为：

19、

20、式中：p*为负载需求功率；pnet为反应器产氢量对应的输出功率；η为装置甲醇转化率；r1和r2是各项权重系数。公式右边第一项是使装置输出产氢量能够实时调整以满足负载需求，第二项是使得甲醇水蒸气重整反应器的甲醇转化率能够最大化。

21、所述步骤十采用融合差分进化算法的改进人工蜂群优化算法作为反设计算法。

22、本发明中，为快速获取不同边界条件下重整反应器的性能并考虑下游供氢需求，首先，通过正交实验设计(orthogonal experiment design,oed)的方法，用正交实验方案选取训练学习样本集，计算出边界范围内的典型工况制成正交设计实验表；随后，通过训练集用bp神经网络代理模型进行构建，并初步验证了模型的精度；最后，基于改进的人工蜂群算法(iabc)对一个工作周期内重整反应器的性能进行评估，实现重整反应器供热参数反问题研究。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

24、本发明能根据反应器重整性能与热力学边界条件之间的关系，构建重整反应器快速预估模型，实现毫秒级时间内反应器性能的获得。同时，可以借助改进的人工蜂群算法，基于甲醇水蒸气重整反应器在质子交换膜燃料电池一个工作周期内负载需求计算出热空气和反应气的输入参数(温度、速度以及水碳比)的取值，以更好的满足实际需求。

技术特征：

1.一种甲醇水蒸气重整制氢热管理系统参数快速预估方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种甲醇水蒸气重整制氢热管理系统参数快速预估方法，其特征在于：所述步骤一中，反应器物理模型是指根据实际需要设计的几何尺寸。

3.根据权利要求1所述的一种甲醇水蒸气重整制氢热管理系统参数快速预估方法，其特征在于：所述步骤四中，甲醇转化率η由公式(1)计算所得，产氢率α由cfd计算软件读取：

4.根据权利要求1所述的一种甲醇水蒸气重整制氢热管理系统参数快速预估方法，其特征在于：所述步骤七中，甲醇水蒸气重整反应器的多优化目标函数为：

5.根据权利要求1所述的一种甲醇水蒸气重整制氢热管理系统参数快速预估方法，其特征在于，所述步骤十采用融合差分进化算法的改进人工蜂群优化算法作为反设计算法。

技术总结
本发明公开了一种甲醇水蒸气重整制氢热管理系统参数快速预估方法。首先，通过正交实验设计(OrthogonalExperimentDesign,OED)的方法，用正交实验方案选取训练学习样本集，计算出边界范围内的典型工况制成正交设计实验表；随后，通过训练集用BP神经网络代理模型进行构建，并初步验证了模型的精度；最后，基于人工蜂群算法优化重整反应器系统供热参数，达到对相应输出功率下实时匹配输入参数的目的。本发明借助改进的人工蜂群算法，基于甲醇水蒸气重整反应器在质子交换膜燃料电池一个工作周期内负载需求计算出热空气和反应气的输入参数的取值，以更好的满足实际需求。

技术研发人员：朱瑞韩,贺振宗,蒋新宇,孙仕杰,毛军逵,梁凤丽
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14