在生物燃料生产过程中确定分批存量和连续存量的总存量的制作方法

专利名称：在生物燃料生产过程中确定分批存量和连续存量的总存量的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及生物燃料生产领域。更具体地，本发明涉及用于在生
物燃料生产过程中确定分批存量和连续存量的总发酵生物质(biomass )存量的系统和方法。
背景技术：
生物燃料生产厂
在图1中示出生物燃料生产厂或生产过程的示例性概要设计，图1图示如何将生物质通过若干级处理以生产生物燃料和一个或更多个副产品。可以看出，首先，向碾磨和蒸煮过程提供生物质，在碾磨和蒸煮过程，生物质被瓦解以增加表面积与体积比。这样增加表面积允许淡水(FW)与生物质表面积充分作用以实现可发酵糖溶解在水中。于是可以蒸煮生物质/水浆体的混合物以促使增加溶液中生物质-水接触的量并且增加碳水化
合物生物质与非碳水化合物生物质的分离。如图1所示，碾磨/蒸煮过程通常是连续的过程，其中，通过各个碾磨和蒸煮子过程连续处理生物质。
碾磨和蒸煮单元的输出(即发酵:^fr或浆体)于是被传送给发酵过程，在发酵过程， 一个或更多个发酵单元(桶)工作用于使碾磨和蒸煮过程所产生的生物质/水浆体发酵。发酵过程可能需要或不需要向该过程添加额外的淡水以控制给批量发酵单元(在本文中也称为发酵器)的物料的浓度。在发酵单元中，生物质通过酵母和酶被转化成生物燃料，以及副产品如二氧化碳、水和不可发酵的生物质(固体)。随着发酵的进行，发酵醪或浆体中更多的糖被转化成生物燃料。
发酵过程的输出被传送给蒸馏过程，例如一个或更多个蒸馏单元，以将生物燃料与水、二氧化碳和不可发酵的固体分离。如果生物燃料必须被脱水成水分含量少于5% (M积)，则可以通过称为分子筛的处理单元处理生物燃料。然后处理所得到的生物燃料以保证其变性并且不用于人类使用(human-consumption )。蒸馏单元将生物燃料与水分离。沉渣(不可发酵的固体和酵母残留物)，即蒸镏单元的最重的输出，被传送给沉渣处理，以便进一步开发来自生物燃料生产过程的副产品。
沉渣处理单元将额外的水与块状固体分离，并且可以将这些水再循环到碾磨可蒸煮单元。
可以看出，实际的发酵过程为分批过程，其中一个或更多个发酵桶(称为发酵器)(例如并行)操作用于使连续批的生物质/水浆体发酵以生成生物燃料。通常调节分批发酵(包括例如发酵周期时间和固体浓度)以运作整个工厂，可能受到一个或更多个有效过程限制。生物燃料生产过程的其它过程(即子过程)为连续过程，即以过程的基本上连续的输入和输出对基本上连续的物料流进行处理或操作的过程。生物燃料生产过程的连续(子)过程的示例包括、但不限于蒸煮和碾磨、蒸镏和脱水、以及沉渣过程。要注意的是，发酵池提供发酵的生物质给蒸馏/脱水和沉渣过程，蒸馏/脱水和沉渣过程是连续的，因此，尽管从发酵器输入到发酵池为分批过程，但是发酵池的输出通常是连续的。因此，发酵池可以作为一种物料流量緩冲器，允许分批发酵过程与连续的蒸馏/脱水和沉渣过程平稳结合。
在生物燃料生产中，重要的^JL酵池既不溢出也不排干，溢出会引起实质性损害和清除费用及工作，排干也会引起实质性设备损害，例如使泵干转和过热等等。总发酵生物质存量为发酵桶和发酵池中(或者更具体而言，在使发酵容器和关键辅助设备填充、排放和发酵时)的生物质的总量，通常对总发酵生物质存量进行细心管理以保证a)在发酵器注入良酵池中时，存在足够的容量以接受物料传送而不溢出，以及b)在来自发酵池的物料输出时(例如，输出到蒸镏/脱水和沉渣过程)，发酵池从不完全排空。
要注意的是，如果分批时间减少，则不仅到蒸镏的产物速率增加，原因是t酵产物可用时更快从而更频繁，而JL^酵馈i!Ui率必须增加以保证各批与处理顺序一致按时填充。相反，如果分批时间增加，则不仅到蒸馏过程的产物速率下降，而且发酵速率必须放慢以与发酵时间匹配。因此，分批和连续过程在操作上相连接，并且通常必须以集成的方式控制。
如上所述，发酵存量是发酵容器和关键辅助设备的填充、排放和发酵中的合计存量，通常必须监视发酵存量以便管理生物质发酵。如果该总存量水平被控制或保持在可接受的稳定区段内，则跨所有分批顺序操作的发酵容器，可以管理前面的工厂区(即蒸煮/碾磨)和发酵过程以匹配后面的工厂区(即发酵池和蒸馏及沉渣过程)。如果适当控制合计分批量，则通过排放给多个并行的分批发酵容器可以使填充平衡，以避免发酵池超额或不足。
但是，在许多生物燃料工厂，用于确定发酵容器水平(levd)和发酵池水平的水平传感器仅仗基于压力，其中，例如传感器位于容器的底部，并且针对容器的特定几何进行校准以基于压力指示水平值，这提供容器中生
物质体积或量的测量，因为压力通常与深度成比例。因此，这些基于压力的传感器生成以分批发酵器和至少一个发酵池的受控蒸汽空间压力为前提的数据。但是，存在所述过程中出现的可以引起这些传感器指示不正确值的现象，例如瓦解或扰动。例如，这些容器(发酵容器和发酵池)中的每个容器在容器顶部通常具有保留气体(例如，来自发酵过程的二氧化碳)的空间。该气体对水平传感器测得的压力可能有作用，因而导致發溪的水平值。
作为另一更加极端的例子， 一旦发酵器完成一批发酵，经发酵的生物质就被输送给发酵池。这种输ilUl生较快，例如经过l-3小时，并且例如由于发酵器和发酵池中的气体体积的快速变化，通常导致压力的大幅波动，甚至可能导致生物质流量的紊乱。换句话说，在输送过程期间，容器的压力(实际压力)往往以不受控制的方式波动，导致水平传感器的相应的镣溪水平测量。因此，不受控制的影响可能是以分批发酵器和发酵池的受控压力为前提的水平传感器的4m起因。因此，分批存量和连续存量二者对总生物质存量有贡献的情况可能在跟踪总存量中引入错误和复杂化。
类似地，生物质流量传感器还可以在不保持在生物燃料过程中(特别地，在发酵过程中)的假设下操作。例如，许多现有技术生物燃料生产过程中的生物质流量传感器以恒定生物质温度和密度为前提，尽管实际的生物质温度和密度在该过程期间可能以不受控制的方式波动。例如，随着生物质在发酵器中发酵，生物质的组成可能改变，导致密度改变。又例如，由于发酵通常是发热过程，所以在发酵过程期间温度也可能改变。因此，发酵过程(包括发酵池工作)中的不受控制的影响可能在以恒定生物质温度和密度为前提的流量传感器的生物质流量测量中引^^發溪。
由于后向适应的高成本、无法接收的生产设备停机时间等等，向这些生物燃料工厂重新装配补偿传感器(例如，压力补偿传感器、温度补偿传感器、和/或密度补偿传感器)可能不是可行的选择。
由于这些不受控制的影响，主要是由于包括分批和连续生物质存量，所以现有技术生物燃料生产过程的操作通常很保守，例如，关于发酵器和发酵池中的生物质水平维持^艮大的安全余量，这导致非最优生产速率，因为是容器必须在明显低于最大或最优容量以下操作。
因此，期望有用于在生物燃料生产过程中确定分批存量和连续存量的总存量的系统和方法。

发明内容
提出了用于在生物燃料生产过程中确定分批存量和连续存量的总存量的系统和方法的各个实施例。
可以接收测量的生物质存量值，包括相应的多个分批发酵器的多个发酵分批存量以及来自从所述多个发酵器接收发酵的生物质的相应的至少一个发酵池的至少一个连续发酵池存量。测量的生物质存量值可以以分批发酵器和至少 一个发酵池的受控蒸汽空间压力为前提，其中蒸汽空间压力以不受控制的方式波动。
可以接收分批发酵器和至少 一个发酵池的至少 一个测量蒸汽空间压力，以瓦基于测量的生物质存量值和所述至少一个测量蒸汽空间压力确定
经压力补偿的测量生物质存量值。可以接收在指定时间段上的到分批发酵器的生物质输入流量的测量值和来自至少一个发酵池的生物质输出流量的测量值。生物质输入流量的测量值和生物质输出流量的测量值可以以恒定生物质温度和密度为前提，其中，生物质温度和密度以不受控制的方式波动。
在特定时间段上的测量的净生物质流量可以基于生物质输入流量和生物质输出流量的测量值确定。于是可以基于测量的净生物质流量和经压力补偿的测量的生物质存量值确定分批存量和连续存量的总存量，其中，分批存量和连续存量的总存量是或者包括测量的净生物质流量和经压力补偿的测量的生物质存量值的归一化的加权和。最后，确定的分批存量和
连续存量的总存量可以^L存储，其中，总存量能够用于控制生物燃料生产过程中的生物质存量。
因此，本文描述的系统和方法的各个实施例可以用于在生物燃料生产过程中确定分批存量和连续存量的总存量。


当结合以下附图考虑以下对优选实施例的详细描述时，能够更好地理
解本发明。在附图中
图1示出根据现有技术的示例性生物燃料处理工厂中的分批处理和连续处理；
图2示出根据一个实施例的生物燃料生产过程中用于确定总发酵生物质存量的方法的高层次流程图3示出根据一个实施例的生物燃料生产过程中的发酵过程的实施；
图4示出根据一个实施例的用于确定总发酵生物质存量的计算框以及
图5示出根据一个实施例的对生物燃料生产过程的模型预测控制。
尽管本发明允许有各种变型和替选形式，以示例的方式在附图中示出本发明的具体实施例，并且将在这里对这些具体实施例进行详细描述。然而，应当理解，附图和对附图的详细描述不是要将本发明限制为所公开的特定形式，相反，本发明将覆盖落入由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有变型、等同内容以及替选内容。
具体实施方式
援引并入
以下参考文献通过引用而完整地并入于此，如同全面、完整地陈述于
此
2007年6月4日提交的、标题为"Model Predictive Control of aFermentation Feed in Biofuel Production"的、序列号为11/757,557的美国专利申请。
2007年9月27日提交的、标题为"Model Predictive Control ofDistillation and Dehydration Sub-Processes in a Biofuel ProductionProcess"的、序列号为11/862,391的美国专利申请。
2007年10月25日提交的、标题为"Model Predictive Control ofIntegrated Stillage Processing in a Biofuel Production Process"的、序歹'J号为11/924,370的美国专利申请。Model PredictiveControl of Batch and Continuous Processes in a Biofuel ProductionProcess"的、序列号为11/928,186的美国专利申请。
2007年10月30日提交的、标题为"Model Predictive Control ofFermentation in Biofuel Production"的、序列号为11/927,889的美国专利申请。
2007年10月30曰提交的、标题为"Nonlinear Model PredictiveControl of a Biofuel Fermentation Process，，的、序列号为11/927,960的美国专利申请。
2007年10月30日提交的、标题为"Model Predictive Control ofFermentation Temperature in Biofuel Production，，的、序列号为11/928,344的美国专利申请。
定义-生物燃料生产过程
生物燃料-从生物质、即从最近活着的有机体或其副产品获得的任何燃料。
生物燃料生产过程—在辅助处理单元环境下用以生产生物燃料、用作燃料的其它发酵酒精以及高性能食品级或化学级酒精的发酵过程。
生物燃料产量-在分批处理内或在分批处理结束时的生物燃料生产的测量。可以包括量度比如浓度(例如，重量百分比(wt。/。)、体积百分比(volume%)或重量/体积百分比(wt/vol%))、体积(例如，发酵器内的以加仑为单位的当前生物燃料)或质量(例如，发酵器内的以kg为单位的当前生物燃料)。
分批处理-分阶段的不连续处理步骤，与例如在正常工作日或工作周期间连续而没有停顿的连续处理相对比，其包括开始和结束。连续处理通常表现为相当稳定的目标或操作，其中至少一些^在整个分批处理过程中改变。例如，生物燃料产量(例如发酵)在分批处理的开始以低水平开始，并且在整个分批处理过程中升高，在结束时会有或不会有代表降解率高于生产率的降低。类似地，酵母细胞浓度以相当低的水平开始，并且通常在整个分批处理过程中增长，尽管它们在一个分批处理中通常有迟滞(相对恒定的浓度)阶段、指数增长阶段、稳定增长阶段以及降解阶段。浆体-发酵进醪，包括将被发酵的^目(液体和固体)浆体。
固体或固体百分比-固体在发酵iW中所占的部分或百分比。
碾磨和蒸煮过程—用于发酵进料的预发酵的连续处理，其通常包括谷物或茎杆碾磨、蒸煮、与水及处理化学品的混合、用于杀菌和提高固体中的水浓度的蒸煮以及其它预发酵处理。
生物质浓度-由以下中的一项或多项所规定的发酵i^的含量属性奖状固体、液化固体、浆体密度、液化密度、浆体百分比或组分碳水化合物，以及浆体百分比或组分可发酵糖。
水存量信息 一 包括水流量、再循环液体流量、蒸发器冷凝物再循环流量、稀薄爸镭物或离心液再循环流量、新鲜水附加流量、处理过的水的附加流量、浆体流量、醪流量以及用于保持这些流量的存量的各种容器或中间容器的各种水平或重量(例如甲烷转换器进料容器存量、浆体进料容器存量、液化容器存量、蒸镏容器存量、谷物仓存量或其它生物质存量(非水)等)。
液化-用于具有高淀粉含量的谷物，通过添加酶或其它生物制剂而将淀粉液化，以减小其碳水化合物链长度和私度。
热氧化器/热回收蒸汽发生器(HRSG)-过程设备，其用于破坏挥发性有机化合物(VOC)，以从蒼馏物干燥器或蒸发系统中减少空气并除去臭气。热回收蒸汽发生器用于回收破坏VOC所需要的热量，并且通常是生物燃料生产过程的能量中心。
干酒糟(DriedDistillers Grains, DDG)-发酵后的固体残留物，其包括可以被干燥并排放以作为生产副产品(通常作为动物饲料)的未消化谷物残留、其它固体残留物(酶、盐)以及酵母(或其它细胞残留物)。DDG在此也可以被用于包括仅部分被干燥以进行局部消耗(例如无需长期生物稳定性)的WDG (湿酒糟)以及DDGSAVDGS (具有可溶物的干酒糟和具有可溶物的湿酒糟)。可溶物包括可溶于水且因此出现在蒼馏浓缩物中的残留固体。可溶物可以被部分地浓缩(通常利用蒸发)，并添加到DDG或WDG中以提高产率并管理副产品存量。
酶-所添加的用以对发酵过程内的特定反应进行管理的高选择性基于生物的催化剂。现今最常用的催化剂包括用以将淀粉快速分解成糊精的淀粉酶、用以将糊精分解成葡萄糖的葡萄糖淀粉酶以及用以将谷物蛋白分解成可消化蛋白以支持细胞成长的蛋白酶。以与如下所勤目同的方式，通过规范或控制基于淀粉的发酵、特别用于纤维素转化成生物燃料的酶或其它影响酵母的酶(见以下)，可以管理生长有效性或养分有效性。
酵母-生产生物燃料的有机体。酵母目前是乙醇生产中最常用的有机
体，然而其它生产生物燃料的有机体包括遗传工程大肠埃氏菌(E.coli)可以完全替代酵母，因为所述技术可以不专用于酵母，而是可以适用于在发酵过程中使用以生产生物燃料的多种有机体。
蒼馏物/完整蚤镏物-从初级蒸馏单元的底部除去的不可发酵固体和水液。
稀薄蒼馏物-从不可发酵固体蒼馏物分离出的液体。
糖浆-除去了大部分水分的浓缩的稀薄蒼馏物。糖浆中的固体百分比通常在20-45%固体的范围内，但是也可能出现该范围之外的百分比。
共沸混合物-两种化合物的特殊混合物，在平衡时，汽相和液相具有完全相同的成分。这使得难以分离这两种组分以实现更好的纯度。需要特殊分离过程以分解共沸混合物。这些过程包括共沸蒸馏(添加第三化合物以分解共沸混合物)、萃取蒸馏(使用溶剂以分离出第二化合物)或分子筛技术(在分子筛床中优先捕获一种组分的分子，而另一种组分通过分子筛床)。
挥发性有机化合物(VOC)-在大气压和环境温度范围下时易于汽
化的有机化合物。
生产力(capacity)-生产力是在最好操作条件(没有异常约束)下确定的过程、子过程或单元的最大生产率。生产力在现有资本^v内通常是恒定的。对于新单元，其是厂家指定的生产力。对于已建立的单元，生产力通过已表明的历史生产率来确定。
模型- 一种输入/输出表示，其表示各种模型输入的变化关系以及模型输入如何影响每个模型输出。
动态预测模型-系统或过程的一种输入输出表示，其不仅反映当输入变化时输出变化了多少，而且还反映输出将基于一个或多个输入变量变化以何种速度和在何种时间依赖曲线上变化。动态多元预测模型是一种动态预测模型，其对多个参数的关系进行表示或编码，并且可操纵用于接收多个输入并生成多个输出。
模型预测控制(或MPC)-使用多元动态过程模型以使控制器目标(预期的控制器输出和约束)与调节控制器(现有的单输入/单输出控制器，比如比率流量控制器、温度控制器、水平控制器、速度控制器或压力
控制器)在预定时间间隔内(例如，l分^l中、30分钟、2小时、100小时等)相关联。
目标函数-设置过程或单元的整体操作的目的.目标函数提供过程或单元努力实现的一种或多种相容数字度量，过程或单元的性能可以通过所述数字度量被测量，例如，最小化操作成本，或最大化操作利润或产量。
控制变量-控制器/优化器努力使其达到特定目标、例如达到目标值、最大值等的那些变量(也称作受控变量)。
积分变量-积分控制变量是不稳定的、但通常利用作为时间函数的稳定一阶导数进行积分的变量。最常见的积分变量是容器水平，只要输入和输出失衡，容器水平就将升高或降低。因此，当平衡时，输入或输出流量的变化将导致容器随着时间累积而满到溢出或排干。控制器必须4吏用这些积分计算以确定必须在何时以及如何快速地调整输入或输出流量。
操纵变量-如以下所述的一些变量过程或单元的管理方例如通过用在线控制器对过程进行调节而对这些变量具有管理权和控制权，并且这些变量由控制器/优化器来改变或操纵以便实现控制变量的目标或目的。这些变量是其值受约束控制的实际控制变量。就操纵变量可以在特定范围的可控或固定约束内操作这方面而言，这不同于可控约束。管理是过程控制的替选术语。
扰动变量-对过程表现出外部影响的变量，除了目标变量和调节控制器，其也处于控制器控制范围之外，因此其对目标变量起作用，但是独立于所述控制器。扰动变量用于前馈扰动抑制。扰动变量也是过程或单元的管理对其没有直接管理权或控制权的测量的或未测量的变量。例如，温度、湿度、上行流量或质量都可以称为测量的扰动变量。
设置点(目标)-用于操纵变量或预期控制变量的目标信号或值。
约束—约束表示对特定操作变量或条件的限制，其影响生产单元的可实现生产率。约束有两种类型可控的和外部的，如以下所述。约束可以包括但不限于安全性约束、设备约束、设备有效性约束、人员约束、业务执行约束、控制约束、供应链约束、环境许可和法定约束。安全性约束确保设备和人员的安全性。设备约束比如控制阀的最大打开位置、最大容器容量等可以限制单元的物理吞吐量。设备有效性约束可以包括但不限于由于维护规划和调度或由于意外的设^f亭机而引起的就绪状态、由供 应M生产调度系统设置的授权生产水平。人员约束指的是由合同和政策 施加的对业务规则和约束、人员配备和支持功能的有效性的限制。业务执
限制。控制约束是对操纵变量的最大位置和变化率的限制。供应链约束是 对原材料、能量和生产供应的有效性的限制。环境许可和法定约束是对空 气排放、废水和废处理系统的限制，和/或对单元性能有影响的环境约束 比如河流水平以及当前天气施加的限制。
可控约束-对过程或单元的管理方对其不具有管理权和自由控制权 的过程或单元的性能施加的约束。例如，蒸馏塔中的分离可能受蒸馏塔盘 污垢的影响。塔盘污垢受i^被如何处理以及单元被取下线以便清洁的频 率的影响。由管理方判断单元何时接受服务。
外部约束-外部约束是对过程、子过程或单元的管理方对其不具有管 理权或直接控制权的过程、子过程或单元的性能所施加的限制。这些外部 约束分为两种类型受工厂中或供应链中的其它实体或过程控制的外部约 束，以及由物理约束、安全性约束、环境约束或法定约束施加的、且不受 工厂或供应链中的任何一个控制的那些约束。
系统-系统可以由所述系统或过程的输入和特性来限定。在生物燃料 生产过程中，系统可以被限定为完整的生物燃料生产过程、生物生产过 程的子过程比如碾磨和蒸煮过程、或者子过程中的变量比如蒸煮温度。
开环系统-是对输入进行响应的系统，但所迷系统不会由于输出行为 而4皮修改。例如，在生物燃料系统中，如果往复泵不具有压力控制系统， 则往复泵将独立于上行和下行压力而按固定体积的糖浆操作和移动。
闭环系统-系统输入可以净皮调整以补偿输出的变化.这些变化可以是 对系统目标的偏离，对系统或系统变量的约束影响，或输出变量的测量值。 闭环系统可以用于感测变化并针对过程输入反馈信号。在生物燃料系统 中，闭环系统可以占主导地位，因为这些系统可以被调节为经受比如产品 质量、能量消耗、过程单元生产力等的约束。
控制系统-调节水平机构，操纵变量通过其被驱动到设置点。
响应 一 操纵变量的当前位置的测量。响应是响应于控制系统的动作而 尽力将操纵变量移动到设置点以达到设置点的反馈。
目标轮廓-变量值的期望轮廓或轨迹，即，控制变量或操纵变量的预期行为。
控制时间范围(control horizon)-人们计划在此期间移动或改变操 纵变量的从现在延续到将来的时间段。在该时间范围之外，MV被假定为 恒定地停留在其在控制水平中的最后或最近值。
预测时间范围(prediction horizon)-过程或系统响应^:视并与期 望行为相比较的从现在延续到将来的时间段。
确定生物燃料生产过程中的发酵生物质总存量
下面将描述用于确定生物燃料生产过程中的发酵生物质总存量的系 统及方法的各种实施例，尤其是其中水平传感器及生物质流量传感器是以 受控条件为前提的，而实际条件是以非受控方式波动的。应当注意，由这
意生物燃料，并且预期的生物质的类型可以;1任意期望的类型，除了别的 以外还包括(而并不限于)谷物(例如，玉米、小麦、黑麦、大米等)、 蔬茱(例如，马铃薯、豆等)、节茎植物(例如，甘蔗及高粱)、甚至草(例 如，柳枝稷)等。而且，这里所公开的技术还可以适用于其他散料加工， 例如，聚合物的产品、散装食品、石油加工及产品等。
在下面所描述的系统及方法的实施例中，可以经由多种手段来接收或 得出关于生物质存量的信息，并且一起使用这些手段来产生存量信息比这 些手段中的任一种手段单独地提供的信息精度更高。
下面将参照图2来详细地描述该方法。
图2——用于确定发酵生物质总存量的方法
图2是才艮据一个实施例的用于确定生物燃料生产过程中的发酵生物 质总存量的、计算机实现的方法的流程图。在各种实施例中，可以按与所 示出的顺序不同的顺序来同时地进行所示出的方法要素中的一些方法要 素，或者可以省略这些方法要素中的一些方法要素。还可以根据需要而进 行附加的方法要素。如所示出的，该方法可以如下地操作。
在202中，可以接收测得的生物质存量值，包括相应的多个分批发酵 器的多个发酵分批存量以及来自从所述多个发酵器接收经发酵的生物质 的相应的至少一个发酵池的至少一个连续发酵M量。测得的生物质存量 值可以以分批发酵器及至少一个发酵池的受控蒸汽空间压力为前提，而蒸
1汽空间压力是以非受控方式波动的。例如，测得的生物质存量值可以由未 经压力补偿的水平传感器来提供，这样，该测得的生物质存量值会经受非 受控压力波动，该波动会将误差或噪声引入到测量值中。注意，水平传感 器可以提供原始的水平数据，(基于已知的、容器的几何形状)将该原始 的水平数据转换成体积量或质量量，或者可以将水平传感器构造成直接地 提*积测量或质量测量。
图3是才艮据一个实施例的示例性生物燃料生产i殳备的高层次图。图3
的系统中，如下面将更详细地;论的。如图3所示，^以通过碾磨处理及 蒸煮处理来对生物质(例如，谷物、节茎植物、草等)进行处理，将得到 的生物质浆体或发酵物揭^供给多个分批发酵器(例如，发酵桶)，在本示 例性情况中为四个发酵器，而在其他实施例中，可以根据需要而使用任意 数量的发酵器。如上所述，发酵器按分段的方式操作，并将各自批次的经 发酵的生物质提供给至少一个发酵池，然后，该至少一个发酵池以基本上 连续的方式将发酵生物质提供给蒸馏/脱水处理及蒼镏物处理。
如图3中所指示的，可以将发酵处理构造成提供关于发酵处理(包括 发酵池)的生物质存量的信息。在一个实施例中，可以使用多个水平传感 器来提供发酵生物质水平信息。例如，如可以看到的，在本示例性实施例 中，可以在各发酵器(例如，桶)以A^酵池中放置水平传感器。液面指 示器可能未经压力补偿，因此可能会经受由于非受控压力波动而引起的误 差，如上面所讨论的。因此，多个水平传感器可以包括耦接到对应的第一 组多个分批发酵器并被构造成测量这些分批发酵器的各自的发酵分批存 量的第 一组多个水平传感器，以及耦接到对应的至少 一个发酵池并被构造 成测量发酵池存量的至少一个水平传感器。如上面所提及的，多个7JC平传 感器可以在分批发酵器及至少一个发酵池的受控蒸汽空间压力的假设下 操作，而其中，蒸汽空间压力是以非受控方式波动的。
在204中，可以接收分批发酵器及至少一个发酵池的至少一个测得的 蒸汽空间压力(值)。例如，所述至少一个测得的蒸汽空间压力可以由耦 接到分批发酵器及至少一个发酵池并被构造成测量分批发酵器及至少一 个发酵池的蒸汽空间压力的相对应的至少 一个压力传感器来4^供。
再转回图3，如所指示的，可以使用至少一个压力传感器来检测或测 量发酵桶;SJL酵池中的压力。存在可以实现该目的的大量的途径。例如， 在所示出的实施例中，发酵桶与发酵池通过气体输运(例如，导管)而连接起来，使得这些容器中的蒸汽空间压力快速地趋向平衡，因此示出了标 有"P，，的、用于测量容器的7>共压力的单个压力传感器。在其他实施例 中，可以根据需要而配置并使用多个压力传感器。这样，可以4吏用一个或 更多个压力传感器来提供分批发酵器或发酵池的蒸汽空间压力测量。
在206中，可以基于测得的生物质存量值及至少一个测得的蒸汽空间 压力来确定经压力补偿的测得的生物质存量值。换言之，可以基于测得的 蒸汽空间压力度量来对由(未经压力补偿的)水平传感器所提供的、生物 质存量的测量值进行调整。该调整可以提高水平度量的精度。注意，可以 将这些测得的(并经补偿的)水平值加起来以指示发酵处理(例如，发酵 器及发酵池)(以及各种附属装置(例如，输运管等))的总存量的值(通 常有噪声)。
在208中，可以接收指定的时间段上的到分批发酵器的生物质输入流 量及来自至少一个发酵池的生物质输出流量的测量值。生物质输入流量及 生物质输出流量的测量值可以以恒定的生物质温度及生物质密度为前提，
而生物质温度及生物质密;1A以非受控方式波动的。
例如，测得的生物质输入流量及输出流量度量可以由未经温度或密度 补偿的生物质流量传感器来提供，因此可能经受非受控温度或密度波动， 这些波动会将误差或噪声引入到测量值中。因此，系统(例如，生物燃料 生产工厂或处理)可以包括耦接到分批发酵器并被构造成测量到这些分批 发酵器的生物质输入流量的生物质输入流量传感器以及耦接到至少一个 发酵池并被构造成测量来自该至少一个发酵池的生物质输出流量的至少 一个输出流量传感器，其中，生物质输入流量传感器及至少一个生物质输 出流量传感器在恒定的生物质温度及生物质密度的假设下操作，而生物质
温度及生物质密;IA以非受控方式波动的.
再转回图3，示出了被构造成测量发酵处理的生物质输入及输出流量
的生物质流量传感器。更具体地说，在对到发酵桶的发酵物流量进行调节
的阀处或该阀的附近示出了标有"Fin"的生物质输入流量传感器，在对 来自发酵池的输出进行调节的阀处或该阀的附近示出了标有"F。ut"的生 物质输出流量传感器。当然，在例如使用多个发酵池的其他实施例中，可 以根据需要而4吏用多个输出流量传感器。
在210中，可以基于生物质输入流量及生物质输出流量的测量值来确 定指定的时间段上的测得的净生物质流量。在优选的实施例中，指定的时理中的总净生物质的测量的时间窗。针对移动的时间窗，可以按迭>^的方 式多次地产生该存量信息，其中，针对窗的特定实例(即，上迷指定的时 间段)来确定特定的净流量值。因此，基于质量平衡的考虑，可以确定发 酵处理的总存量的其他(通常有噪声)值。
在一些实施例中，针对移动的时间窗，可以按迭代的方式多次地产生 该存量信息，其中，针对窗的特定实例(即，上述指定的时间段)来确定 特定的净流量值，如下面将更详细地讨论的。
这样，根据202至206，可以使用水平测量或体积测量来确定发酵生 物质总存量的第一值，根据210，还可以使用质量平衡法来确定发酵生物 质总存量的第二值。换言之，根据上述内容，可以使用两种不同的手段或 信息的通道来确定发酵生物质总存量的值，具体地i兑，才艮据水平指示，并 根据质量平衡考虑，尽管两个值都有可能包含由于没有对传感器进行补偿 而导致的误差或噪声。
在212中，可以基于测得的净生物质流量及经压力补偿的测得的生物 质存量值来确定分批存量和连续存量的总存量。在一个实施例中，分M 量和连续存量的总存量可以是、或者包含测得的净生物质流量与经压力补 偿的测得的生物质存量值的归一化的加权和。
在214中，可以将所确定的、分批存量和连续存量的总存量存储起来， 其中，总存量可用于控制生物燃料生产过程中的生物质存量。
下面是对以上存量确定的示例性的数学描述，但是应当注意，在其他 实施例中，可以根据需要而使用其他公式。
基于水平的发酵存量可以由下式来表示
、=分批存量(发酵器)+连续存量(发酵池)
或者、w;)， (i)
i
其中，w表示分批发酵器的数量，r(A)及r(i:，)分别M^示基于水平
测量的、分批发酵器;5Lt酵池的生物质的体积(或者更一般地为"量")。
类似地，基于质量平衡的发酵存量可以由下式来表示
:"A^腦(2)其中，Af^，,表示在指定的时间段上积聚的、生物质的体积或量，^及 F。,',分别地表示输入及输出生物质流量，T为指定的时间段(时间窗)。
现在，如以上所指示的，由于没有对传感器进行补偿，因此这些存量 值中的各存量值通常有噪声^/或误差。然而，通过以加权和的方式(上 述212)来对这些值进行组合，可以确定出比单独的任一组成的值更精确 的结果值.这种加权和的一个示例为
其中，"及办为总和为1的权重系数(例如，0.5和0.5、 0.2和0.8 等)，并且其中，^表示调整后的发酵总存量。通过为这些系数选择适当 的值(例如，通过针对特定的工厂而调整这些系数)，可以确定总存量的 更精确的值。
例如，在优选的实施例中，生物燃料生产工厂或处理可以包括或耦接 到计算装置，例如，具有存储有处理器可执行来实现这里所描述的方法的 实施例的程序指令的存储器的一个或更多个计算机或控制器。更具体地 说，在一个实施例中，程序指令可以实现被构造成接收测得的压力值及水 平值以及积聚体积的计算块或功能块，并确定加权和(即，所确定的总存 量)。图4中示出了这种示例性的计算块，其中，分批发酵器瓦&酵池的 基于水平的体积()(在这种情况下，基于测得的压力而得到补偿) 以及根据流量传感器而确定的积聚的质量流量体积被输入到计算块，并且 输出总存量。
注意，取决于所接收到的数据的确切形式，计算块可以进行一个或更 多个辅助操作。例如，在一些实施例中，计算块可以接收未经补偿的体积 (或水平)值及压力测量，并可以进行补偿。
还应当注意，由于基于质量流量的积聚变化体积(即，/~ )是针对
指定的时间段r的，因此必须将基于7jc平的度量转换成相对应的形式。例 如，水平(和压力)度量可以包括针对指定的时间段的开头及末尾的值， 计算出各发酵器及发酵池的差异(例如，r")。-r(i,丄)，由此给出针对指
定的时间段的基于水平的存量值，然后可以在对总存量的确定中使用该存 量值。
作为另一种选择，例如可以通过将针对指定的时间段的积聚体积加到 先前的总体积值(例如，可以从过程的开头起对其进行跟踪)中来将基于质量流量的积聚变化体积转换成绝对的项，并且在对总存量的确定中，基 于水平的(经补偿的)度量使用该绝对值。
因此，用于计算总存量的数据采用多种形式中的任一种形式，并且计 算块可以根据需要而对输入数据中的一些或全部进行转换或修改，以确定 总存量。
在一些实施例中，该方法可以包括确定测得的净生物质流量及经压力 补偿的测得的生物质存量值的归一化的加权和的这些权重系数。
例如，在一个实施例中，这些系数可以如下地确定可以接收测得的 生物质存量的历史值、测得的蒸汽空间压力及测得的生物质输入流量及生 物质输出流量，并确定历史值中的其中蒸汽空间压力、生物质温度及生物 质密度受到控制的子集。然后，对所确定的、历史值的子集进行回归分析， 以确定权重系数。
在另 一实施例中，权重系数可以通过以下步骤来确定确定计算出的、 分批存量和连续存量的总存量，并使用多个候选权重系数值来多次地操作 生物燃料生产过程，以产生所确定的、分批存量和连续存量的总存量的对 应的多个测试值。然后，可以对测试值及计算出的总存量进行分析，以确 定与计算出的总存量最密切地相匹配的测试值，其中，所确定的权重系数
与测试值相对应。注意，确定计算出的、分批存量和连续存量的总存量可 以包括基于已知的、发酵器到发酵池的生物质输送速率(例如，基于发酵 器/发酵池输送处理/设备的指定的行为或设计)来确定计算出的、分批存 量和连续存量的总存量。
应当注意，以上仅描述了用于确定权重系数的两个示例性的技术，可 以根据需要而使用任意其他技术，除了别的以外还包括统计技术或随机搜 索技术(例如，模拟退火、列维飞行等)。
其他实施例
下面将描述以上讨论的系统及方法的各种其他实施例，并且示出示例 性技术并4吏用本发明的例示性变型例。
例如，在一个实施例中，在生物燃料生产过程中，分批存量和连续存 量的总存量可以通过以下步骤来确定测量生物质存量值，其中，测量是 以受控的蒸汽空间压力为前提的，而实际的蒸汽空间压力是以非受控方式 波动的；测量至少一个测得的蒸汽空间压力；基于测得的生物质存量值及 至少 一个测得的蒸汽空间压力来确定经压力补偿的测得的生物质存量值；测量指定的时间段上的生物质输入流量及生物质输出流量的值，其中，测 量生物质输入流量及生物质输出流量的值是基于恒定的生物质温度及生
物质密度的，而实际的生物质温度及生物质密度是以非受控方式波动的； 以及基于经压力补偿的测得的生物质存量值以及生物质输入流量及生物 质输出流量的测量值来确定分批存量和连续存量的总存量，其中，所确定 的、分批存量和连续存量的总存量可用于控制生物燃料生产过程中的生物 质存量。
在一个实施例中，该方法可以包括将所确定的、分批存量和连续存量 的总存量作为输入而提供给模型预测控制器，并且该模型预测控制器基于 所确定的总存量来控制生物燃料生产率，以在从分批发酵器中的任一分批 发酵器到发酵池的分批输送的过程中将发酵池存量保持在指定的最小水 平与最大水平之间。换言之，所确定的总存量可以用作到自动的基于模型 的控制器的输入，然后相应的是，该自动的基于模型的控制器可以自动地 控制生物燃料生产过程。
在可替选的实施例中，该方法可以包括例如在操作员工作站的计算机 显示器上向生物燃料生产过程的操作者指示所确定的、分批存量和连续存 量的总存量。然后，操作员可以使用所确定的总存量，来在从分批发酵器 中的任一分批发酵器到发酵池的分批输送的过程中将发酵池存量保持在 指定的最小水平与最大水平之间。换言之，操作人员可以使用所确定的总 存量值来控制生物燃料生产过程，从而例如做出关于工厂的操作的决策。
无论是以自动的方式还是以手动的方式，可以使用总存量(具体地说， 发酵存量)来控制生物燃料生产，以便例如通过以最大生产力或接近最大 生产力运作工厂来使生产最大化或最优化。
例如，在一个实施例中，该方法可以包括使用所确定的、分批存量和 连续存量的总存量来控制生物燃料生产过程中的生物燃料生产率，并以迭 代的方式多次地执行以下操作以控制生物燃料生产进行上述的接收测得 的生物质存量值，接收至少一个测得的蒸汽空间压力，确定经压力补偿的 测得的生物质存量值，接收到分批发酵器的生物质输入流量及来自至少一 个发酵池的生物质输出流量的测量值，确定测得的净生物质流量，确定分 批存量和连续存量的总存量，存储所确定的、分批存量和连续存量的总存 量，以及控制生物燃料生产过程中的生物燃料生产率。
图5-生物燃料生产过程的模型预测控制如上所述，在优选实施例中，系统可包括一个或多个计算装置，例如 计算机，被配置用于存储和执行实现本发明的实施例的程序指令。例如， 所述程序指令可执行用于实现模型预测控制器，所，型预测控制器可执
行用于接收到模型预测控制器的所述确定的分批和连续存量的总存量作 为输入，以及基于所确定的总存量来控制生物燃料生产率以在从任一分批 发酵器到发酵池的分批输送过程中使发酵池存量保持在指定的最高水平 和最低水平之间。
图5示出了用于生物燃料生产工厂514的自动化控制系统的简化图。 如图所示，所述系统可包括一个或多个与被控制的生物燃料工厂514交互 作用的计算机系统512。所述计算机系统512可表示执行根据本发明各实 施例的软件程序的各种类型的计算机系统或计算机系统网络中的任一种。 如所指出的，所述计算机系统存储(和执行)用于管理生物燃料工厂514 中的发酵的软件。所述软件程序可执行对总发酵生物质存量的上述确定， 以及用于管理在生物燃料工厂514中的发酵，例如，可能包括所述发酵过 程的模型化、预测、最佳化和/或控制的各个方面。由此，所述控制系统 可实现对在生物燃料工厂或过程中的发酵和/或其他过程或子过程的预测 模型控制。所述系统可进一步提供用于使用最佳化解决器(即优化器)进 行最佳决策以及进行例如这些决策以控制工厂的环境。
由此，所述系统可提供用于以下调度处理的环境程序化地检索与所 述工厂的处理相关的过程信息516，如上所述地确定生物质存量，以及产 生动作518 (例如控制动作)，以控制所逸发酵过程，例如包括控制生物 燃料工厂或处理的批量和连续发酵存量。
所述一个或多个计算机系统512优选地包括其上存储有才艮据本发明 的计算机程序的存储介质。换句话说，这里描述的方法的实施例可通过软 件来实现，其中，所述软件存储在所述系统中或与该系统耦接的存储介质 上。术语"存储介质"旨在包括各种类型的存储器或储存器，包括安装介 质，例如，CD-ROM或软盘， 一个或多个计算机系统存储器或随机访问 存储器，例如DRAM， SRAM, EDO RAM, Rambus RAM等，或者如磁介 质的非易失性存储器，例如硬盘驱动器或光学存储器。所述存储介质也可 包括其他类型的存储器或其组合。此外，所述存储介质可位于其中执行程 序的第一计算机内，或可位于通过网络连接到所述第一计算机的不同的笫 二计算机内。在后一情况下，所述第二计算机向第一计算机提供用于执行 的程序指令。所述存储介质可包括可能分布于多个计算机系统中的多个存储介质。
此外，如上指出的，所述计算机系统512可采取多种形式，包括个人 计算机系统、主计算机系统、工作站、嵌入式控制器、网络设备、因特网 设备或其他设备。 一般地，术语"计算机系统"可被广义地限定为包括具 有执行来自存储介质的指令的处理器(多个处理器)的任何设备(或设备 的集合)。
所述存储^Kt (其可包括多个存储介质)优选存储一个或多个用于执 行上述方法的实施例的软件程序，且还可实现模型预测控制和最佳化的各 个方面。所述软件程序优选地使用基于组件的技术和/或面向对象的技术 来实现。例如，可根据需要使用ActiveX控制、C++对象、Java对象，微 ItS础类(MFC)或其他技术或方法来实现所述軟件程序。所述软件程序 还可根据需要包括一个或多个非线性模型，例如人工神经网络、支撑矢量 机等。执行来自存储介质的代码和数据的CPU，例如主机CPU,包括用 于创建和执行根据下述方法或流程的软件程序的装置。在一些实施例中， 如上所指出的，所迷一个或多个计算机系统可实现一个或多个控制器。
应当注意，如这里所使用的，所述术语"最大"、"最小"以及"最佳" 可分别指"基本上最大"、"基本上最小"以及"基本上最佳，，，其中，"基 本上"是指在理论极值、最佳值或目标值的某一可接受的限度之内的值。 例如，在一个实施例中，"基本上，，可表示在理i^值的10%以内的值。 在另一个实施例中，"基本上"可表示在理论值的5%以内的值。在另一 实施例中，"基本上，，可表示在理论值的2。/。以内的值。在又一实施例中， "基本上"可表示在理论值的1%以内的值。换句话说，在所有实际的 情况下(非理论的)，存在最终和中间控制元件的物理限制，对用于稳定 控制的可接受时间频率的动态限制，或基于当前理解的化学和物理关系的 基本限制。在这些限制之内，所述控制系统通常将试图实现最佳操作，即 以尽可能靠近的目标值或约束(最大或最小)来进行操作。
用于生物燃料生产过程的虚拟分析器
在一些实施例中，可通过虛拟在线分析器(VOA)来实现上迷方法。典 型的VOA是计算机实现的过程，通过该过程可估计或计算通过直接测量 不易获得的过程的值或参数，用于替代测量的数据进行使用。在本发明的 一些实施例中，通过VOA来执行如上所述的对总发酵生物质存量的确定。
由此，上述系统和方法的实施例可操作来根据对具体地来自分批发酵器和至少一个发酵池的分批和连续的存量的噪声和/或误差度量而确定生 物燃料生产过程的总发酵生物质存量，然后其可被用于以基本最佳的方式 来操作所述生物燃料生产过程。
尽管已结合优选实施例描述了本发明的系统和方法，然而本发明的系 统和方法并非限于这里提出的特定的形式，相反地，本发明的系统和方法 可以覆盖这样的替换、修改和等同内容，如可以合理地包括在由所附权利 要求限定的本发明的精神和范围内的那样。
权利要求
1.一种计算机实现的方法，该方法用于确定生物燃料生产过程中的分批存量和连续存量的总存量，该方法包括接收(202)测得的生物质存量值，包括相应的多个分批发酵器的多个发酵分批存量以及来自从所述多个发酵器接收经发酵的生物质的相应的至少一个发酵池的至少一个连续发酵池存量，其中，所述测得的生物质存量值是以所述分批发酵器及所述至少一个发酵池的受控蒸汽空间压力为前提的，其中，蒸汽空间压力以非受控方式波动；接收(204)分批发酵器及至少一个发酵池的至少一个测得的蒸汽空间压力；基于所述测得的生物质存量值及所述至少一个测得的蒸汽空间压力来确定(206)经压力补偿的测得的生物质存量值；接收(208)指定的时间段上的到所述分批发酵器的生物质输入流量及来自所述至少一个发酵池的生物质输出流量的测量值，其中，生物质输入流量及生物质输出流量的所述测量值是以恒定的生物质温度及生物质密度为前提的，其中，生物质温度及生物质密度以非受控方式波动；基于生物质输入流量及生物质输出流量的所述测量值来确定(210)所述指定的时间段上的测得的净生物质流量；基于所述测得的净生物质流量及所述经压力补偿的测得的生物质存量值来确定(212)分批存量和连续存量的总存量，其中，分批存量和连续存量的所述总存量包含所述测得的净生物质流量与经压力补偿的测得的生物质存量值的归一化的加权和；以及存储(214)所确定的、分批存量和连续存量的总存量，其中，所述总存量可用于控制所述生物燃料生产过程中的生物质存量。
2. 根据权利要求l所述的方法，该方法还包括将所确定的、分批存量和连续存量的总存量作为输入而提供给模型预 测控制器；以及所,型预测控制器基于所确定的总存量来控制生物燃料生产率，以 在从所述分批发酵器中的任一分批发酵器到所述发酵池的分批输送的过 程中将发酵池存量保持在指定的最小水平与最大水平之间。
3. 根据权利要求l所述的方法，该方法还包括向所述生物燃料生产过程的操作者指示所确定的、分批存量和连续存 量的总存量，其中，所述操作者可使用所确定的总存量，在从所述分批发酵器中的 任一分批发酵器到所述发酵池的分批输送的过程中将发酵池存量保持在 指定的最小水平与最大水平之间。
4. 根据权利要求l所述的方法，该方法还包括确定所述测得的净生物质流量及所述经压力补偿的测得的生物质存 量值的归一化的加权和的权重系数，包括接收测得的生物质存量的历史值、测得的蒸汽空间压力及测得的 生物质输入流量及生物质输出流量；确定历史值的、其中所述蒸汽空间压力、所述生物质温度及所述 生物质密度受到控制的子集；以及对所确定的、所述历史值的子集进行回归分析，以确定所^重 系数。
5. 根据权利要求l所述的方法，该方法还包括确定所述测得的净生物质流量及所述经压力补偿的测得的生物质存 量值的归一化的加权和的权重系数，包括确定计算出的、分批存量和连续存量的总存量；使用多个候选权重系数值来多次地操作所述生物燃料生产过程， 以产生所确定的、分批存量和连续存量的总存量的相应的多个测试 值；以及对所述测试值及所述计算出的总存量进行分析，以确定与所迷计 算出的总存量最密切^目匹配的测试值，其中，所确定的权重系数与 该测试值相对应。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中，所述的确定计算出的、分批 存量和连续存量的总存量包括基于已知的、发酵器到发酵池的生物质输送率来确定计算出的、分批 存量和连续存量的总存量。
7. 根据权利要求l所述的方法，该方法还包括使用所确定的、分批存量和连续存量的总存量来控制所述生物燃料生产过程中的生物燃料生产率；以及以迭代的方式多次地执行下列操作，以控制生物燃料生产所述的接 收测得的生物质存量值，所述的接收至少一个测得的蒸汽空间压力，所述 的确定经压力补偿的测得的生物质存量值，所述的接收到所述分批发酵器 的生物质输入流量及来自所述至少一个发酵池的生物质输出流量的测量 值，所述的确定测得的净生物质流量，所述的确定分批存量和连续存量的 总存量，所述的存储所确定的、分批存量和连续存量的总存量，以及所述 的控制所述生物燃料生产过程中的生物燃料生产率。
全文摘要
本发明提供了用于确定生物燃料生产过程中的分批生物质存量和连续生物质存量的总存量的系统及方法。接收测得的生物质存量值，包括来自多个分批发酵器的分批存量及至少一个连续发酵池存量。这些值是以分批发酵器及发酵池的受控蒸汽压力为前提的，而压力是以非受控方式波动的。接收分批发酵器及发酵池的测得的蒸汽压力，并基于测得的存量及压力值来确定经压力补偿的存量值。接收测得的到分批发酵器的生物质输入流量及来自发酵池的输出流量，它们是以恒定的生物质温度及生物质密度为前提的，而生物质温度及生物质密度是以非受控方式波动的。基于测得的流量及经压力补偿的存量值来确定分批存量和连续存量的总存量，并存储该总存量。
文档编号G05B19/418GK101539776SQ200910129649
公开日2009年9月23日 申请日期2009年3月20日 优先权日2008年3月20日
发明者布赖恩·K·斯蒂芬森, 帕特里克·D·诺尔, 马伊纳·A·马查里亚 申请人:洛克威尔自动控制股份有限公司