基于能效分析的氧化铝蒸发过程优化控制

摘要

氧化铝蒸发过程是回收有用资源、排除杂质和维持整个氧化铝生产循环系统中水量平衡的关键工序，也是主要的耗能工序。蒸发过程的母液质量直接影响磨矿和溶出过程的碱粉消耗量，以及全流程生产的稳定性。随着资源、能源危机和市场竞争的日益加剧，在现有工艺设备条件下，利用优化控制技术来降低蒸发过程能耗、保证母液质量，对提高氧化铝生产过程生产效率和降低能耗具有重要意义。
　　然而，氧化铝蒸发过程流程长，过程参数检测存在大滞后，参数间非线性耦合关系强;且过程受其它工序排出溶液、设备结垢等不确定因素的干扰，因此，蒸发过程仍采用人工控制的方法，存在母液和冷凝水质量不合格、生蒸汽使用过量、能耗高等问题。针对上述问题，论文以四效逆流氧化铝蒸发过程为研究对象，开展蒸发过程母液浓度的预测、蒸发过程能耗分析及优化、以达到最优能效状态为目标的蒸发过程控制方法的研究。主要研究工作和创新性成果如下:
　　1)针对长流程的蒸发过程工况复杂，末效出口母液浓度检测滞后的问题，提出了基于最小二乘支持向量机的末效出口母液浓度预测方法。首先采用独立成分分析方法提取蒸发过程非平稳性数据的主要特征信息，在此基础上，建立了基于最小二乘支持向量机的末效出口母液浓度预测模型。工业现场数据实验结果表明预测精度满足现场实际生产工艺要求，为生产操作提供依据。
　　2)针对影响设备性能的关键因素无法检测的问题，提出了基于鲁棒估计函数的蒸发过程数值计算方法，获得各单元母液浓度值。该方法利用末效出口母液浓度预测结果和过程参数检测结果，以测量误差的鲁棒估计函数为评价指标，基于平衡机理级联模型修正数值计算误差。蒸发过程数值计算结果为过程能耗分析奠定了基础。
　　3)针对蒸发过程能耗高，一般优化问题无法兼顾过程能耗和母液质量的问题，构建了最大化蒸发过程用能效率的优化问题。首先，结合蒸发过程工艺机理和能源消耗特点，基于数值计算结果和有效能分析法分析得到了蒸发过程各部分能源损耗情况。在此基础上，建立了以最大化目的(火用)效率和最小化(火用)损失率为目标的蒸发过程能效优化模型，求解获得能效最优操作参数设定值。实际数据实验结果表明，该优化方法保证了母液质量，且过程目的(火用)效率平均提高了3％左右。
　　4)针对数值计算误差修正问题和蒸发过程能效优化问题中约束条件的复杂性特点，设计了基于不可行度的涡旋粒子群算法来求解约束优化问题。该方法将基于不可行解有效信息的不可行度计算函数增广到目标函数中，形成近似优化问题的适应度函数，然后采用具有自组织特性的涡旋粒子群算法来求解近似优化问题。测试函数优化结果表明了优化算法求解约束优化问题的有效性。
　　5)为使蒸发过程过渡到能效最优的操作条件，在研究蒸发过程动态特性的基础上，建立了各单元蒸发室的动态特性模型，并针对动态模型中滞后时间未知的问题，提出了基于多特征时间点的滞后时间辨识方法。该方法以最小化多采样点时刻模型输出与实测值的偏差为目标，通过求解一组辅助时滞系统方程来获得未知时滞参数的梯度信息，然后采用信赖域内点优化方法求解参数辨识问题。数值算例表明了该方法的准确性和快速性，可有效辨识蒸发过程动态模型滞后时间参数。
　　6)提出了以达到能效最优工艺参数设定值和降低汽水比技术指标为目的蒸发过程控制问题及其求解方法。该方法基于控制参数化技术将控制向量用分段常数函数来近似，通过求解一系列近似控制参数优化选择问题实现了带连续状态不等式约束、多时滞系统的优化控制问题的求解。实验结果表明，优化控制有效降低了蒸汽消耗同时实现了能效最优设定参考轨迹的跟踪。

目录

声明

摘要

符号说明

英文缩写说明

第一章 绪论

1．1 课题来源、研究背景及意义

1．2 工业过程能耗分析方法研究现状

1．3 复杂工业过程优化方法研究现状

1．3．1 基于机理模型的优化方法

1．3．2 非机理建模与优化方法

1．4 复杂工业过程控制研究现状

1．5 本文的研究内容和结构安排

第二章 氧化铝蒸发过程工艺分析

2．1 氧化铝蒸发过程工艺

2．1．1 拜尔法氧化铝生产工艺概述

2．1．2 氧化铝蒸发过程工艺流程

2．2 氧化铝蒸发过程工艺指标

2．3 影响蒸发过程工艺指标的主要因素分析

2．4 蒸发过程优化控制框架

2．5 本章小结

第三章 末效出口母液浓度预测

3．1 数据预处理

3．1．1 蒸发过程数据异常原因分析

3．1．2 异常数据剔出及数据归一化处理

3．1．3 蒸发过程数据相关性分析

3．2 基于独立成分分析的过程数据特征信息提取

3．3 基于最小二乘支持向量机的浓度预测模型

3．3．1 最小二乘支持向量机机理

3．3．2 基于滑动时间窗的LSSVM预测模型更新策略

3．4 实验结果及分析

3．5 本章小结

第四章 基于鲁棒估计函数的蒸发过程数值计算

4．1 蒸发过程稳态检测

4．2 蒸发过程机理平衡模型

4．3 基于鲁棒估计函数的机理模型误差修正模型

4．4 基于涡旋运动的粒子群算法

4．4．1 基本粒子群优化算法

4．4．2 具有涡旋特性的粒子群算法

4．4．3 算法验证

4．5 基于不可行度的涡旋粒子群约束优化方法

4．5．1 基于不可行度的约束处理方法

4．5．2 算法有效性分析

4．6 基于涡旋粒子群约束优化方法的数值计算结果及分析

4．7 本章小结

第五章 基于有效能分析的蒸发过程能效优化

5．1 蒸发过程的能效分析

5．1．1 蒸发过程中(火用)计算原理

5．1．2 基于(火用)分析模型的蒸发过程能耗分析

5．1．3 蒸发过程能效评价指标

5．2 基于(火用)评价指标的蒸发过程能效优化模型

5．2．1 优化目标

5．2．2 优化变量

5．2．3 约束条件

5．3 基于涡旋粒子群约束优化方法的能效优化结果及分析

5．4 本章小结

第六章 多特征时间点的非线性时滞系统时滞时间辨识

6．1 非线性时滞系统的时滞时间辨识问题描述

6．2 时滞辨识优化问题求解

6．2．1 重要结论

6．2．2 时滞时间辨识问题的求解方法

6．2．3 Hermite插值法

6．3 数值算例

6．4 蒸发过程动态数学模型

6．4．1 蒸发过程动态模型

6．4．2 蒸发过程动态模型初始条件

6．4．3 蒸发过程时滞参数辨识

6．5 本章小结

第七章 基于控制参数化的多时滞系统优化控制

7．1 多时滞系统控制问题描述

7．2 基于控制参数化方法的优化控制问题求解方法

7．2．1 控制参数化方法

7．2．2 收敛性分析

7．2．3 近似优化控制问题求解

7．3 蒸发过程控制

7．3．1 蒸发过程控制问题描述

7．3．2 蒸发过程优化控制问题求解

7．3．3 仿真结果分析

7．4 本章小结

第八章 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果