一种基于多相流模型的结圈分析方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于多相流模型的结圈分析方法，将回转烧结装置内部作为控制区域，采用二方程雷诺平均湍流模型构建控制区域中气固混合物的流场模型，浸入式固体边界方法建立预期会发生结圈的第一位置所产生的源项，得到气固混合物的初始的压强场和速度场；欧拉多相流模型计算气固混合物的等效密度；将等效密度修正流场模型获得准确的压强场和速度场；计算气固混合物施加到装置壳体上的压力和剪切力，得到第一位置发生结圈时装置的运转特征频率；构建任一位置发生结圈时装置的运转特征频率与结圈发生位置的函数关系；获取当前回转烧结装置的运转特征频率，得到当前装置的结圈发生位置。通过该发明对回转烧结装置的结圈位置进行精确判断。

说明书

技术领域

本发明涉及过程控制技术领域，尤其涉及一种基于多相流模型的结圈分析方法及系统。

背景技术

回转烧结装置是指旋转煅烧窑（俗称旋窑），按处理物料不同可分为水泥窑、冶金化工窑和石灰窑等。生料粉从窑尾筒体高端的下料管喂入窑筒体内，由于窑筒体的倾斜和缓缓地回转，使物料产生一个既沿着圆周方向翻滚，又沿着轴向从高端向低端移动的复合运动，生料在窑内通过分解、烧成等工艺过程，烧成熟料后从窑筒体的底端卸出，进入冷却机。燃料从窑头喷入，在窑内进行燃烧，发出的热量加热生料，使生料煅烧成为熟料，在与物料交换过程中形成的热空气，由窑进料端进入窑系统，最后由烟囱排入大气。回转烧结装置筒体需要有足够的强度和刚度，筒体刚度主要是筒体截面的巨大横向切力作用下抵抗变形的能力。筒体强度表现为筒体在载荷作用下产生裂纹，尤其是滚圈附近的筒体，引起筒体强度变形和刚度变形的因素就是载荷。

回转烧结装置的结圈是回转烧结装置内高温带内壁发生的炉料环状粘附现象。轻微的粘附现象称为窑皮。如果发生粘附影响炉子正常操作时，即谓结圈。回转烧结装置的结圈达到一定程度后，将会影响到回转烧结装置的运行，必须进行处理。现有技术中，通过窑体外部温度场扫描来分析是否有结圈，该技术方案检测速度慢，效率低，而且受温度和距离的影响，导致检测精度不高，并且无法判断结圈的位置。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种基于多相流模型的结圈分析方法及系统，通过构建的多相流模型，输出回转烧结装置的结圈位置与设备运转特征频率的关系，从而能够精确判断结圈的位置，更加精确地对结圈故障进行处理。

为实现上述目的，本发明提供一种基于多相流模型的结圈分析方法，所述方法包括：

S1、将构建的回转烧结装置几何模型内部作为控制区域，以获取的回转烧结装置运行时的工艺参数作为模型初始条件，采用二方程雷诺平均湍流模型构建所述控制区域中气固混合物的流场模型，在所述控制区域中选取一预期会发生结圈的第一位置，利用浸入式固体边界方法，建立所述第一位置的结圈在所述流场模型中所产生的用于表征结圈的尺寸和形状的源项，得到所述第一位置发生结圈时所述气固混合物的初始压强场和初始速度场；

S2、基于所述流场模型构建所述控制区域中气固混合物的欧拉多相流模型，计算流场中各位置的多相流组分系数，计算所述控制区域中气固混合物的等效密度；

S3、将所述等效密度用于修正所述步骤S1中的流场模型，并获得所述控制区域中气固混合物准确的压强场和速度场；

S4、根据所述气固混合物准确的压强场和速度场，计算所述气固混合物施加到回转烧结装置壳体上的压力和剪切力，对所述压力和剪切力进行傅里叶变换，得到在所述第一位置发生结圈时回转烧结装置的运转特征频率；

S5、在所述控制区域选取多个预期会发生结圈的位置，重复执行所述步骤S1-S4，计算在每一个位置发生结圈时所对应的回转烧结装置的运转特征频率，并构建回转烧结装置内部任意位置发生结圈时回转烧结装置的运转特征频率与结圈发生位置之间的函数关系；

S6、获取当前回转烧结装置振动传感器捕捉到的信号特征频率，基于所述函数关系，获取当前回转烧结装置的结圈发生位置。

优选的，所述步骤S1包括：

S101、所述工艺参数包括入料种类和量、以及鼓风机的压差；

S102、基于所述入料种类和量，获取所述控制区域的气固混合物中的固体密度和初始气固组分系数，根据所述初始气固组分系数计算得到所述控制区域中气固混合物的初始等效密度；

S103、根据湍流动能方程和湍流耗散率方程，以及所述气固混合物的初始等效密度，计算流场的湍流强度和湍流耗散度，并得到流场的湍流初始粘度和气固混合物综合粘度初始值；

S104、设置固相工质的密度和气相工质的密度，根据所述流场的湍流初始粘度、气固混合物的初始等效密度、源项、混合物综合粘度初始值以及流场模型的控制方程，得到所述第一位置发生结圈时回转烧结装置内气固混合物的初始压强场和初始速度场。

优选的，所述步骤S1中源项的构建步骤包括：

获取所述第一位置的结圈在所述控制区域的空间集合；

计算流场中的任意位置与所述空间集合的距离；

根据气-固边界的力传递函数所平滑的狄拉克

优选的，所述步骤S1中流场模型构建包括：

将所述控制区域划分成多个网格，计算每个网格的质量中心点的物理性质，所述物理性质包括所述控制区域中气固混合物的密度、速度、压强和粘度；

通过相邻网格之间物理性质的变化，计算所述物理性质中速度和压强的梯度；

基于所述计算得到的物理性质以及梯度，构建流场模型的控制方程。

优选的，所述步骤S2包括：

根据所述初始速度场和湍流场，计算所述欧拉多相流模型中的多相流组分系数

根据所述设置的固相工质的密度和气相工质的密度，以及所述多相流组分系数

优选的，所述步骤S3包括：

将所述控制区域中气固混合物的等效密度输入所述步骤S1中的流程模型中，重复执行所述步骤S101-S104，进行多次收敛迭代，直到获取的准确压强场和准确速度场与上次得到的压强场和速度场的差值小于一阈值，停止收敛迭代。

优选的，所述步骤S5包括：

根据每一个位置发生结圈时所对应的回转烧结装置的运转特征频率，利用线性拟合方法，构建回转烧结装置内部任意位置发生结圈时回转烧结装置的运转特征频率与结圈发生位置之间的函数关系。

优选的，所述步骤S6包括：

将采集的当前回转烧结装置的振动信号应用集合经验模态分解算法进行分解，并将一正态分布的白噪声加入到所述振动信号中；

将加入的白噪声的信号作为一个整体，进行应用集合经验模态分解，得到各个IMF分量；

重复执行上述步骤，每次加入新的正态分布白噪声序列，将每次得到的IMF分量集成平均处理后得到纯净的振动信号；

对所述纯净的振动信号进行傅里叶变换，得到当前回转烧结装置振动传感器捕捉到的信号特征频率。

为实现上述目的，本发明提供一种基于多相流模型的结圈分析系统，所述系统包括：

流场模型模块，用于将构建的回转烧结装置几何模型内部作为控制区域，以获取的回转烧结装置运行时的工艺参数作为模型初始条件，采用二方程雷诺平均湍流模型构建所述控制区域中气固混合物的流场模型，在所述控制区域中选取一预期会发生结圈的第一位置，利用浸入式固体边界方法，建立所述第一位置的结圈在所述流场模型中所产生的用于表征结圈的尺寸和形状的源项，得到所述第一位置发生结圈时所述气固混合物的初始压强场和初始速度场；

多相流模型模块，用于基于所述流场模型构建所述控制区域中气固混合物的欧拉多相流模型，计算流场中各位置的多相流组分系数，计算所述控制区域中气固混合物的等效密度；

迭代模块，用于将所述等效密度用于修正所述流场模型，并获得所述控制区域中气固混合物准确的压强场和速度场；

特征频率模块，用于根据所述气固混合物准确的压强场和速度场，计算所述气固混合物施加到回转烧结装置壳体上的压力和剪切力，对所述压力和剪切力进行傅里叶变换，得到在所述第一位置发生结圈时回转烧结装置的运转特征频率；

函数构建模块，在所述控制区域选取多个预期会发生结圈的位置，重复执行所述流场模型模块、多相流模型模块、迭代模块以及特征频率模块，计算在每一个位置发生结圈时所对应的回转烧结装置的运转特征频率，并构建回转烧结装置内部任意位置发生结圈时回转烧结装置的运转特征频率与结圈发生位置之间的函数关系；

分析模块，用于获取当前回转烧结装置振动传感器捕捉到的信号特征频率，基于所述函数关系，获取当前回转烧结装置的结圈发生位置。

与现有技术相比，本发明提供的一种基于多相流模型的结圈分析方法及系统，所带来的有益效果为：通过构建计算机辅助模型，预先获得回转烧结装置体不同位置出现结圈故障的特征信号，再结合实际监测到的信号进行比对，对回转烧结装置的状况进行分析和检测，能够判断结圈的位置，从而能够更加精确地对故障进行处理；响应速度快，能够及时地对回转烧结装置进行维护和检测，减少了设备的损耗，提高了生产的效益。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的基于多相流模型的结圈分析方法的流程示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的回转烧结装置结构示意图。

图3是根据本发明的一个实施例的基于多相流模型的结圈分析系统的系统示意图。

附图说明：

20-回转烧结装置筒体，21-轮带，22-托轮，23-驱动小齿轮，24-驱动减速箱。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如图1所示的本发明的一个实施例，本发明提供一种基于多相流模型的结圈分析方法，所述方法包括：

S1、将构建的回转烧结装置几何模型内部作为控制区域，以获取的回转烧结装置运行时的工艺参数作为模型初始条件，采用二方程雷诺平均湍流模型构建所述控制区域中气固混合物的流场模型，在所述控制区域中选取一预期会发生结圈的第一位置，利用浸入式固体边界方法，建立所述第一位置的结圈在所述流场模型中所产生的用于表征结圈的尺寸和形状的源项，得到所述第一位置发生结圈时所述气固混合物的初始压强场和初始速度场；

S2、基于所述流场模型构建所述控制区域中气固混合物的欧拉多相流模型，计算流场中各位置的多相流组分系数，计算所述控制区域中气固混合物的等效密度；

S3、将所述等效密度用于修正所述步骤S1中的流场模型，并获得所述控制区域中气固混合物准确的压强场和速度场；

S4、根据所述气固混合物准确的压强场和速度场，计算所述气固混合物施加到回转烧结装置壳体上的压力和剪切力，对所述压力和剪切力进行傅里叶变换，得到在所述第一位置发生结圈时回转烧结装置的运转特征频率；

S5、在所述控制区域选取多个预期会发生结圈的位置，重复执行所述步骤S1-S4，计算在每一个位置发生结圈时所对应的回转烧结装置的运转特征频率，并构建回转烧结装置内部任意位置发生结圈时回转烧结装置的运转特征频率与结圈发生位置之间的函数关系；

S6、获取当前回转烧结装置振动传感器捕捉到的信号特征频率，基于所述函数关系，获取当前回转烧结装置的结圈发生位置。

本发明将回转烧结装置的内部作为建模的控制区域，使用二方程雷诺平均模型对控制区域内部的气体工质和固体工质的混合物构建流场模型。基于流场模型，引入多相流组分系数，构建欧拉多相流模型；对发生结圈的位置，使用浸入式固体边界方法，构建流场模型中的源项。在控制区域进行网格划分和控制方程的离散化与求解。求解得到控制区域的速度场和压强场分布，以此计算出回转烧结装置边界处所受的随时间变化的剪切力和压力，对所述剪切力和压力的合力进行傅里叶分析，得到发生结圈时，不同结圈位置所导致的特征频率。基于此，对采集的回转烧结装置的振动信号进行分析，从而得到回转烧结装置内发生结圈的位置，进而对回转烧结装置进行维护和处理。

回转烧结装置几何模型根据其结构形状和关键部位的尺寸进行构建。将构建的回转烧结装置几何模型内部作为控制区域，在所述控制区域选取一预期会发生结圈的第一位置，利用浸入式固体边界方法，建立所述第一位置的结圈在所述流场模型中所对应的源项，所述源项用于表征结圈的尺寸和形状。由结圈的位置来决定源项，不同位置的结圈对应的源项不同，无结圈所对应的源项为零。由浸入式固体边界方法确定的源项，其对流场控制方程的作用形式为气-固边界的力传递函数所平滑的狄拉克

具体地，所述源项的计算公式为式（1）：

其中，

采用二方程雷诺平均湍流模型构建所述控制区域中气固混合物的流场模型。具体地，将所述控制区域划分成多个网格，计算每个网格的质量中心点的物理性质，代表所述计算网格所占区域的物理性质，所述物理性质包括所述控制区域中气固混合物的密度、速度、压强和粘度，通过相邻网格之间物理性质的变化，计算所述物理性质中速度和压强的梯度；基于所述计算得到的物理性质以及梯度，构建流场模型的控制方程。所述气固混合物包括气体和粉尘。

具体地，所述步骤S1包括：

S101、所述工艺参数包括入料种类和量、以及鼓风机的压差；

获取回转烧结装置系统运转时的工艺参数，所述工艺参数包括入料种类和量、以及鼓风机的压差。获取鼓风机运行的额定功率、额定压差以及实时功率，计算所述鼓风机的实时压差。鼓风机运行的额定功率和额定压差通过系统设定的，可以参考系统设定获取这些信息。鼓风机的实时功率可通过系统的仪表采集。工艺参数为流场模型的初始边界条件。

S102、基于所述入料种类和量，获取所述控制区域的气固混合物中的固体密度和初始气固组分系数，根据所述初始气固组分系数计算得到所述控制区域中气固混合物的初始等效密度；

S103、根据湍流动能

湍流动能

其中，

气固混合物综合粘度K由方程（5）定义；

其中，

回转烧结装置在工作中始终转动，其内部空气会被持续扰乱，引发湍流，在本方法中使用湍流动能

S104、设置固相工质的密度和气相工质的密度，根据所述流场的湍流初始粘度、气固混合物的初始等效密度、源项、混合物综合粘度初始值以及流场模型的控制方程，得到所述第一位置发生结圈时回转烧结装置内气固混合物的初始压强场和初始速度场。

流场模型的控制方程为：

其中，

基于速度场的分析，要求满足质量守恒条件，确定回转烧结装置混合物的速度场为方程式（8）；

其中，

基于所述流场模型构建所述控制区域中气固混合物的欧拉多相流模型，计算流场中各位置的多相流组分系数，计算所述控制区域中气固混合物的等效密度。具体地，根据所述初始速度场和湍流场，计算所述欧拉多相流模型中的多相流组分系数，所述多相流组分系数

回转烧结装置中的气体和固体混合物工质的物性，由其组分的比例决定。其中，固态粉尘的比例系数为

气体和固体混合物工质的有效密度由方程（9）计算得到：

欧拉多相流混合模型和二方程模型中的各变量互相影响，高度耦合，使用数值方法，进行需要进行联立迭代求解。将所述控制区域中气固混合物的等效密度输入所述步骤S1中的流程模型中，重复执行所述步骤S101-S104，即重新计算式（1）-（10），进行多次收敛迭代，直到获取的准确压强场和准确速度场与上次得到的压强场和速度场的差值小于一阈值，停止收敛迭代。所述阈值设置为0.001。

根据所述气固混合物准确的压强场和速度场，计算所述气固混合物施加到回转烧结装置壳体上的压力和剪切力，压力和剪切力为随时间变化的物理量，对所述压力和剪切力进行傅里叶变换，得到在所述第一位置发生结圈时回转烧结装置的运转特征频率。该频率不同于回转烧结装置硬件设备自身的固有频率，也不同于减速箱等传动链的特征频率。

在所述控制区域选取多个预期会发生结圈的位置，重复执行所述步骤S1-S4，计算在每一个位置发生结圈时所对应的回转烧结装置的运转特征频率。本发明的一具体实施例，在所述控制区域等间距设置5~10个预期会发生结圈的位置。每一个位置发生结圈时所对应的回转烧结装置的运转特征频率

获取当前回转烧结装置振动传感器捕捉到的信号特征频率，基于所述函数关系，获取当前回转烧结装置的结圈发生位置。如图2所示，回转烧结装置一般包括回转烧结装置筒体20、轮带21、托轮22、驱动小齿轮23和驱动减速箱24，可在回转烧结装置的托轮22的轴承座、驱动小齿轮23的轴承座以及驱动减速箱24处各部署多个振动传感器。通过这些振动传感器采集振动信号。本发明的一具体实施例，将采集的振动信号应用集合经验模态分解算法进行分解，将一正态分布的白噪声加入到振动信号中，将加入的白噪声的信号作为一个整体，进行应用集合经验模态分解，得到各个IMF（Intrinsic Mode Function，本征模函数）分量，重复执行上述步骤，每次加入新的正态分布白噪声序列，将每次得到的IMF集成平均处理后得到纯净的振动信号。通过该实施例，对振动信号进行降噪处理。对所述纯净的振动信号进行傅里叶变换，得到当前回转烧结装置振动传感器捕捉到的信号特征频率。根据上述步骤获取的回转烧结装置内部任意位置发生结圈时回转烧结装置的运转特征频率

如图3所示的本发明的一个实施例，本发明提供一种基于多相流模型的结圈分析系统，所述系统包括：

流场模型模块30，用于将构建的回转烧结装置几何模型内部作为控制区域，以获取的回转烧结装置运行时的工艺参数作为模型初始条件，采用二方程雷诺平均湍流模型构建所述控制区域中气固混合物的流场模型，在所述控制区域中选取一预期会发生结圈的第一位置，利用浸入式固体边界方法，建立所述第一位置的结圈在所述流场模型中所产生的用于表征结圈的尺寸和形状的源项，得到所述第一位置发生结圈时所述气固混合物的初始压强场和初始速度场；

多相流模型模块31，用于基于所述流场模型构建所述控制区域中气固混合物的欧拉多相流模型，计算流场中各位置的多相流组分系数，计算所述控制区域中气固混合物的等效密度；

迭代模块32，用于将所述等效密度用于修正所述流场模型，并获得所述控制区域中气固混合物准确的压强场和速度场；

特征频率模块33，用于根据所述气固混合物准确的压强场和速度场，计算所述气固混合物施加到回转烧结装置壳体上的压力和剪切力，对所述压力和剪切力进行傅里叶变换，得到在所述第一位置发生结圈时回转烧结装置的运转特征频率；

函数构建模块34，在所述控制区域选取多个预期会发生结圈的位置，重复执行所述流场模型模块、多相流模型模块、迭代模块以及特征频率模块，计算在每一个位置发生结圈时所对应的回转烧结装置的运转特征频率，并构建回转烧结装置内部任意位置发生结圈时回转烧结装置的运转特征频率与结圈发生位置之间的函数关系；

分析模块35，用于获取当前回转烧结装置振动传感器捕捉到的信号特征频率，基于所述函数关系，获取当前回转烧结装置的结圈发生位置。

获取回转烧结装置系统运转时的工艺参数，所述工艺参数包括入料种类和量、以及鼓风机的实时压差。流场模型模块构建回转烧结装置几何模型，并将回转烧结装置几何模型内部作为控制区域，以工艺参数作为模型初始条件，采用二方程雷诺平均湍流模型构建所述控制区域中气固混合物的流场模型，在所述控制区域中选取一预期会发生结圈的第一位置，利用浸入式固体边界方法，建立所述第一位置的结圈在所述流场模型中所产生的用于表征结圈的尺寸和形状的源项，得到所述第一位置发生结圈时所述气固混合物的初始压强场和初始速度场。不同位置的结圈对应的源项不同。多相流模型模块基于所述流场模型构建所述控制区域中气固混合物的欧拉多相流模型，计算流场中各位置的多相流组分系数，所述多相流组分系数

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。