石灰炉在线仿真技术与炉况诊断及复杂系统智能控制研究

摘要

石灰的烧成是一门古老的技术，近代以前石灰多用于建筑工程。随着近代化工和冶金工业的兴起，石灰的用途急剧增大，石灰生产技术和设备的开发研究工作才得到重视。石灰生产设备以前多用土窑，近代开始采用机械化立窑，其生产能力和劳动生产率成倍增长而能耗成倍降低，但仍难以满足现代工业快速增长的高效益、低成本、高自动化的要求，这种状况制约着化工、冶金及造纸等相关行业的发展。石灰的生产是一个连续的过程，石灰炉本身是一个连续的反应器，原料和燃料不断输入，产品和二氧化碳等尾气不断输出。以往产品质量的判断主要靠产品产出后样品的化验，化验的结果固然可靠，但存在严重滞后，不能作为在线决策控制的依据。本文以φ4×21m石灰竖炉为研究对象，在原有检测系统的基础上，通过增加必要的在线检测手段，充分收集石灰炉生产过程的在线信息，实现了石灰炉的“全息监测”。 通过综合运用炉窑热工及反应动力学原理，开发了石灰炉在线仿真优化模型及软件。在线仿真系统能实时计算石灰石煅烧分解率、出口RO2(指二氧化碳、二氧化硫等)浓度、“三带”(预热带、煅烧带、冷却带)高度及炉内温度分布，并由计算机在线显示、记录运行历史曲线，为现场的考核与管理提供依据。在“全息监测”与在线仿真的基础上，结合石灰炉工艺的特点与工程技术人员、熟练操作工人的经验，首次建立了石灰炉炉况诊断专家系统，为生产运行和操作提供在线指导。炉况诊断专家系统具有自动报警、故障解释及对策分析等多重功能。 基于神经网络理论，本文开发了具有自组织与自学习功能的生石灰质量预报模型，该系统以历史数据作为训练样本，对神经网络进行离线训练，训练后的网络用在线信息检验发现，生石灰质量的实测值与预报值有很好的拟合程度，平均预报误差为3.2％，为控制操作提供了准确依据。 石灰生产过程中原料成分、含水量、进料速度、焦炭成分等生产条件经常变化，根据传热、传质过程建立的模型中有很多参数必须通过机理分析、假设或大量实验来确定，此外还需要检测难以测量的诸多状态变量。从过程控制的角度看，这种建模方法是很难实现的。基于模糊理论与模糊神经网络理论，本文采用系统辨识方法将石灰炉看作一个“黑箱”，不分析其内部的反应机理，而只研究其主要控制变量和输出变量之间的相互关系，充分吸收工艺操作知识，研究出石灰炉顶温模糊控制器与多台石灰炉出灰智能控制系统。前者将顶温动态控制在不同生产条件时仿真优化目标所确定的理想范围；后者在综合考虑了某厂石灰炉出灰系统复杂，非线性显著的特点及现场多台炉窑共用一套出灰线路，炉子之间彼此强烈耦合、重要工艺参数难以检测等实际情况后，以石灰炉料层高度智能控制系统为基础，实现了出灰过程智能化。 本文的创新之处在于首次将数值模拟在线仿真技术与人工智能技术进行有机结合，以在线仿真结果为目标，以智能控制为手段，实现了石灰炉的智能控制。

目录

文摘

英文文摘

前言

论文说明：符号说明

第一章 石灰生产工艺的发展及本课题研究的意义

1.1石灰烧成工艺的发展与现状

1.1.1石灰烧成的生产方法与用途

1.1.2石灰炉研究现状

1.2炉窑热工过程研究的发展与石灰煅烧技术的进步

1.2.1炉窑热工过程研究方法的发展

1.2.2石灰煅烧技术的进步

1.3本课题研究意义与研究内容

1.3.1课题意义

1.3.2课题研究内容

第二章石灰立窑设备及煅烧过程

2.1引言

2.2混料式机械化立窑

2.2.1混料式机械化立窑的结构

2.2.2混料式机械化立窑的发展

2.3石灰煅烧原理

2.3.1焦炭的燃烧

2.3.2石灰石的分解

2.4物料的传热与生石灰的冷却

2.4.1混合料的预热过程

2.4.2生石灰的冷却过程

2.5本章小结

第三章石灰炉重要工艺参数全息监测与炉内过程在线仿真研究

3.1引言

3.2石灰炉全息监测

3.3石灰炉热平衡分析

3.3.1热平衡测算基本原理

3.3.2鼓风量与尾气成分的关系

3.4参数预处理

3.5石灰石煅烧分解率在线监测模型

3.5.1气体平衡方程与CO2预报模型

3.5.2分解率在线分析模型

3.6炉内温度分布与“三带”高度在线仿真模型

3.6.1模型假设与计算区域划分

3.6.2数学模型

3.6.3计算方法

3.7炉况仿真结果及模型校验

3.7.1在线检测参数的修正与处理

3.7.2气体成分的在线检测与计算

3.7.3仿真模型的校验与修正

3.7.4热平衡与分解率的计算结果

3.8本章小结

第四章石灰炉炉况诊断专家系统的研究

4.1引言

4.1.1专家系统概述

4.1.2建立石灰炉炉况诊断专家系统的必要性

4.1.3建立石灰炉炉况诊断专家系统的难点

4.2石灰炉炉况诊断专家系统的建立

4.2.1概述

4.2.2数据的表示及组织

4.2.3知识的表示及组织

4.2.4概率性推理

4.2.5基于LISP语言的软件实现方法

4.2.6控制策略

4.2.7石灰炉炉况诊断专家系统的硬件

4.3石灰炉炉况诊断专家系统的应用

4.4本章小结

第五章生石灰质量预报模型及石灰炉智能控制系统研究

5.1引言

5.1.1模糊数学与模糊控制

5.1.2神经网络

5.1.3模糊神经网络与智能控制

5.1.4研究石灰炉智能控制系统的必要性

5.2 基于模糊神经网络的生石灰质量预报模型的研究

5.2.1冶金石灰质量指标及其影响因素

5.2.2 Modular网络建模

5.2.3 石灰质量预报的Modular模型研究

5.3石灰炉炉顶烟气温度模糊控制器的设计

5.3.1 石灰炉产量与炉顶烟气温度的关系

5.3.2模糊控制器的输入、输出量与控制结构

5.3.3隶属度函数

5.3.4模糊控制规则

5.3.5模糊逻辑推理

5.3.6石灰炉顶温模糊控制器的应用

5.4基于模糊神经网络的多台石灰炉出灰智能控制系统研究

5.4.1石灰炉出灰系统概述

5.4.2多台石灰炉出灰系统智能控制的基础条件

5.4.3基于模糊神经网络的石灰炉料层高度智能控制系统研究

5.4.4多台石灰炉出灰操作协调与决策系统

5.5本章小结

第六章系统运行与维护

6.1引言

6.2系统启动与初始化

6.2.1系统启动方法

6.2.2系统的初始化

6.3系统功能介绍

6.3.1在线全息仿真功能

6.3.2炉况诊断系统功能

6.3.3智能控制系统功能

6.4系统运行时的功能切换

6.4.1自动与手动的功能切换

6.4.2下拉菜单的使用

6.4.3出灰功能切换

6.5系统提示与报警

6.5.1提示信息

6.5.2报警信息

6.6系统运行维护

6.6.1软件系统的维护

6.6.2硬件系统的维护

6.7系统应用

6.8本章小结

第七章结论与建议

参考文献

附录1

附录2

附录3

致谢

攻读学位期间主要的研究成果