（控制理论与控制工程专业论文）隧道窖烧成带燃烧过程的建模与优化.pdf

，n i n at h e s i si nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g 蝴 m o d e l i n g a n do p t i m i z a t i o nf o rc o m b u s t i o n p r o c e s si nf i r i n gz o n eo ft u n n e lk i l n b yw a n gb i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rc h a n gy u q i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 il 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 芝捌0 日期： 文n 哮厢力曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名： 立) 疋 签字日期：埘旮7 冈扩目 两年口 导师签名：寡锄话 签字日期：舻矿印7 叼孑日 4 j i 东北大学硕士学位论文 摘要 隧道窑烧成带燃烧过程的建模与优化 摘要 随着我国工业的发展，能源价格不断上涨，研究如何降低燃料消耗，是耐火材料工 业的一项紧迫任务。隧道窑是一种常用的生产耐火材料的设备，该设备通过燃料的燃烧， 将耐火制品加热到工艺要求的温度，燃料燃烧过程直接关系到产品的质量以及企业的经 济效益。因此，针对隧道窑燃料燃烧过程进行建模和优化有重要的实际意义。 本文以某企业隧道窑耐火制品生产设备为研究背景，在深入研究隧道窑相关生产工 艺及燃料燃烧过程原理的基础上，建立了隧道窑烧成带燃料燃烧过程的数学模型，分析 了隧道窑二次风流量和烧成带各车位助燃风流量对燃料消耗的影响；针对本文所建的燃 料燃烧过程模型“梯度 、“连续”以及“可导”等条件未知的特点，提出了改进的模拟 退火遗传算法，并基于此方法实现了优化目标的优化求解。仿真比较证明，改进的模拟 退火遗传算法有着更好的全局寻优能力和更高的寻优精度，同时也证明了该方法解决本 文问题的有效性。 从本文隧道窑烧成带燃料燃烧过程优化的结果分析，本文所建立隧道窑烧成带燃料 燃烧过程的数学模型在一定条件下符合实际，可以用于相关因素对燃料消耗影响的定量 分析，对寻求节能措施具有一定的指导意义。 关键词：隧道窑；烧成带；过程优化；模拟退火遗传算法 一l i - 一 ； j i l 东北大学硕士学位论文 m o d e l i n ga n do p t i m i z a t i o nf o rc o m b u s t i o n p r o c e s si nf i r i n gz o n eo ft u n n e lk i l n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go fi n d u s t r yi nc h i n aa n dt h er i s i n go fe n e r g yp r i c e ，i t sa nu r g e n tt a s k f o rr e f r a c t o r yi n d u s t r yt or e s e a r c hh o wt or e d u c ef u e lc o n s u m p t i o n t u n n e lk i l ni sac o m m o n d e v i c eu s e dt op r o d u c er e f r a c t o r y , w h i c hc a nh e a tr e f r a c t o r yp r o d u c tu pt ot h et e m p e r a t u r eo f t e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t sb yf u e lc o m b u s t i o np r o c e s s t h ef u e lc o m b u s t i o np r o c e s si s d i r e c t l yr e l a t e dt op r o d u c tq u a l i t ya n dt h ee c o n o m i cb e n e f i to fe n t e r p r i s e s oi th a sag r e a t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et om o d e la n do p t i m i z et h ef u e lc o m b u s t i o np r o c e s so ft u n n e lk i l n b a s e do nt h er e s e a r c hb a c k g r o u n do fp r o d u c t i o ne q u i p m e n tf o rr e f r a c t o r yp r o d u c to fa n e n t e r p r i s et u n n e lk i l n ，am a t h e m a t i c a lm o d e lo ff u e lc o m b u s t i o np r o c e s si nf i r i n gz o n eo f t u n n e lk i l ni se s t a b l i s h e da n dt h ee f f e c to ft h es e c o n d a r ya i rf l o wa n dt h ec o m b u s t i o na i rf l o w i ne v e r yc a rp o s i t i o no ft u n n e lk i l no nf u e lc o n s u m p t i o ni sa n a l y z e di nt h i st h e s i s ，a f t e rt h e r e l a t e dp r o d u c t i o nt e c h n i q u e so ft u n n e lk i l na n dt h ep r i n c i p l eo ff u e lc o m b u s t i o np r o c e s sa r e r e s e a r c h e dd e e p l y b e c a u s et h e g r a d i e n t ，t h ec o n t i n u i t ya n dt h ed e r i v a b i l i t y o ff u e l c o m b u s t i o np r o c e s sm o d e li su n k n o w n ，a l li m p r o v e ds i m u l a t e da n n e a l i n gg e n e t i ca l g o r i t h mi s p r o p o s e da n dt h eo p t i m i z a t i o ns o l u t i o no fo p t i m i z a t i o no b j e c t i v ei sr e a l i z e da c c o r d i n gt ot h e i m p r o v e da l g o r i t h m t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ei m p r o v e ds i m u l a t e da n n e a l i n g g e n e t i ca l g o r i t h m h a st h ea d v a n t a g e so fb e t t e rg l o b a l o p t i m i z a t i o na b i l i t ya n dh i g h e r o p t i m i z a t i o np r e c i s i o n ，a n da l s ot h ee f f e c t i v e n e s so fa l g o r i t h mf o rs o l v i n gt h i sp r o b l e mi s p r o v e di nt h i st h e s i s a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fo p t i m i z a t i o nf o rf u e lc o m b u s t i o np r o c e s si nf i r i n gz o n eo f t u n n e lk i l no ft h a te n t e r p r i s e ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ff u e lc o m b u s t i o np r o c e s si nf i r i n g z o n eo ft u n n e lk i l n ，e s t a b l i s h e di nt h i st h e s i s ，i sb a s i c a l l yi na c c o r d a n c ew i t hp r a c t i c e ，w h i c h c a nb eu s e dt oq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z et h ee f f e c t so fr e l a t e df a c t o r so nf u e lc o n s u m p t i o n i th a s c e r t a i ng u i d i n gs i g n i f i c a n c ef o rs e e k i n g e n e r g ys a v i n gm e a s u r e s k e yw o r d s ：t u n n e lk i l n ；f i r i n gz o n e ；p r o c e s so p t i m i z a t i o n ；s i m u l a t e da n n e a l i n gg e n e t i c a l g o r i t h m _ - i i i _ _ 。 j l 东北大学硕士学位论文 目录 独创性声明 k 摘要 、 目录 a b s t r a c t 第1 章绪论 1 1 隧道窑生产过程工艺简介 1 1 1 隧道窑的基本结构 1 1 2 隧道窑的工作原理 1 1 2 隧道窑生产过程优化的意义 1 3 隧道窑生产过程的建模方法 1 4 过程优化概述 1 4 1 过程优化的基本概念 1 4 2 过程优化的基本算法 1 5 本文的主要工作 第2 章烧成带燃烧过程模型的建立 2 1 建立燃烧过程模型的目的和意义 2 2 燃烧过程的影响因素分析 2 3 模型的假设 2 4 建模方法概述 2 5 燃烧过程模型 2 5 1 燃料燃烧特性方程 2 5 2 传热前烧成带末端车位热量平衡方程 2 5 3 烧成带末端车位物质平衡方程 2 5 4 传热前烧成带其它车位热量平衡方程 2 5 5 烧成带其它车位物质平衡方程 一l v 一 1 2 3 4 5 5 6 7 9 9 9 9 0 0 0 2 3 6 6 j-jj_j_l 东北大学硕士学位论文 目录 2 5 6 烟气放热平衡方程 1 8 1 8 2 1 2 1 2 6 燃烧过程数学模型的计算流程 第3 章模拟退火遗传算法简介 3 1 遗传算法 3 1 1 遗传算法的基本思想 3 1 2 遗传算法的基本操作 3 1 3 简单遗传算法的基本流程 3 1 4 遗传算法的优缺点 3 2 模拟退火算法 2 2 2 7 3 2 1 模拟退火的基本思想 3 2 2 标准模拟退火算法的基本流程 3 2 3 模拟退火关键参数设计 3 2 4 模拟退火算法的不足 3 3 模拟退火遗传算法 3 3 1 模拟退火遗传算法的基本思想 3 3 2 模拟退火遗传算法混合策略的基本流程 3 3 3 算法效率的定性分析 第4 章模拟退火遗传算法的改进与仿真 4 1 模拟退火遗传算法研究现状 4 2 改进模拟退火遗传算法的基本思想 4 3 改进模拟退火遗传算法关键操作的设计 4 3 1 编码及初始种群的产生 4 3 2 适应度函数及尺度变换的设计 4 3 3 实数编码交叉算子的设计 4 3 4 实数编码变异算子的设计 4 3 5 选择算子的设计 一v 一 8 9 9 0 l 4 4 4 6 8 1 1 2 2 2 3 5 5 6 勰 凹 凹 孔 弘 舛 舛 弘 弘 钉 钉 钇 舵 轮 躬 钙 稻 牾 东北大学硕士学位论文 目录 4 3 6 初温的确定和退温操作 4 3 7m a r k o v 链长度的调节 4 3 8 自适应交叉变异概率 4 4 改进模拟退火遗传算法基本流程 4 5 算法仿真分析与比较 4 5 1 测试函数一 4 5 2 测试函数二 4 6 4 6 4 7 4 9 5 0 第5 章改进算法在燃烧过程优化中的应用 5 1 优化模型分析 5 2 模型参数确定 5 3 5 3 燃烧过程优化及结果 5 3 1 适应度函数的选取 5 3 2 优化模型约束条件的处理 5 3 3 优化过程及结果。 第6 章结论与展望 6 1 结论 6 2 展望 参考文献 致谢 一v l 一 5 5 6 7 7 7 8 1 1 1 3 7 孓 s & 箩 s s 5 6 6 6 6 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 隧道窑生产过程工艺简介 隧道窑是一种重要的高温烧成设备，主要用来生产高质量的镁铬砖、刚玉砖、尖晶 石砖和高纯镁砖等耐火材料。7 0 年代后期，为满足钢铁、建材等高温工业生产对耐火材 料的需要，我国从国外引进了高温隧道窑。高温隧道窑是定型耐火材料制品生产的一个 重要环节，它承担着耐火材料的干燥、预热、烧成、冷却等工序，对耐火材料的性能、 产量、经济效益等有重要影响。因此，保持隧道窑运作稳定、安全生产和窑炉寿命长是 耐火材料企业的必然要求。近年来，在引进国外窑炉设计的先进技术和设备的基础上， 我国窑炉设计水平显著提高，耐火材料工业的整体实力增强，耐火材料工业取得了前所 未有的长足发展，技术进步成效显著，产生了明显的经济和社会效益。 1 1 1 隧道窑的基本结构 隧道窑是目前耐火材料工业生产中比较先进的窑炉，为便于研究，将隧道窑分为窑 体结构( 主要包括窑墙、窑顶和刚架结构) 、预热带结构( 主要包括排烟系统) 、烧成带结 构( 主要包括燃烧系统) 、冷却带结构( 主要包括冷却系统) 及其它结构( 包括窑车结构及车 下冷却结构等) 。隧道窑的工作结构图i i 】如下图1 1 所示： 燃料与助燃风 图1 1 隧道窑的结构 f i g 1 1s t r u c t u r eo ft u n n e lk i l n 窑体由窑墙、窑顶和窑车衬砖围成了码烧砖坯的空间，也就是隧道，在这里将燃料 进行燃烧将热传给砖坯，使其焙烧成产品，所以隧道窑主要是传热和砖坯进行物化反应 的场地。 燃烧设备包括燃烧室( 又称火箱) 和烧嘴，在这里燃料燃烧，燃烧产物进入隧道窑， 一1 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 将热传递给制品。 通风设备包括排烟系统，气幕和气体的循环装置以及冷却系统。它们是由排烟机、 烟囱、鼓风机及各种烟道、管道组成。其作用是使窑内气体按一定的方向流动，排除烟 气，供给空气，抽出热空气等，并维持窑内一定的温度、气氛和压力制度。 隧道窑属于逆流操作的热工设备，即载有砖坯的窑车，在隧道内沿着与气流相反方 向作连续或间歇移动，并沿窑车前进方向依次完成预热、烧成和冷却过程。 ( 1 ) 隧道窑预热带结构 窑车刚开始进入隧道窑的前面部分，预热带在内窑墙上设有废气孔，窑墙内中空， 设置有排废气管道。废气孔的数量根据排出的废气量来设定，保证预热带第一号车位至 第三号车位废气温度不能超过规定的温度。 ( 2 ) 隧道窑烧成带结构 隧道窑中间制品被烧成的区域，烧成带烧嘴的数量多少主要根据烧成制品的种类以 及制品在烧成带需要的高温时间的多少来决定。 ( 3 ) 隧道窑冷却带结构 隧道窑末端冷却的部分，从冷却带鼓入冷空气( 生产i - - _ n 集中风) 的量比燃料燃烧所 需要的量要大若干倍，这些冷空气将制品冷却而本身被预热。被预热的空气一部分作为 助燃的二次空气使用，直接从冷却带流入烧成带；另一部分由抽热风机抽出，分别送到 每一个烧嘴作一次空气使用，或送至其他的地方作干燥制品的热源。为了满足工艺的要 求，有时需要在烧成带结束，冷却带开始的区间设置急冷风，用急冷风机将窑外的冷空 气鼓入窑内，其作用是使制品进行快速冷却，同时阻挡烟气倒流，即防止冷却带空气大 量进入烧成带，破坏烧成带的制度，增加燃料消耗。 隧道窑的冷却带的送风装置采用分散送风。在窑墙的两侧设置分散送风口，布置在 最后几个车位上，每个车位布置一对。 另外隧道窑的前后两端各装设窑门一个，两门通过卷扬传动机构，借助于终点开关 和相应的电气设备进行控制，使两端窑门工作协调一致，同时升降。安装时必须调整好 窑门下降的极限位置，使得窑门下部的封口和窑门框上左右曲臂结构的橡胶挡板分别与 窑车台面和窑门混凝土基础面贴封良好，以免漏气。当窑门上升以后，曲臂结构必须完 全摆开，不得妨碍窑车通行。 1 1 2 隧道窑的工作原理 隧道窑是属于逆流操作连续作业的热工设备，整个隧道窑沿窑车的进行方向分为预 热、烧成、冷却三个带。在耐火砖的生产时，按规定的时间将装好砖坯的一辆窑车由前 推车机推入窑内，同时在窑尾有一辆装有烧好的耐火制品的窑车被顶出。装有砖坯的窑 一2 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 车一辆接一辆地在狭长的隧道窑内沿着与气流相反的方向移动。而后缓慢地进入烧成 带，达到所需要的最高烧成温度，再经过一段时间的保温，砖坯被烧成制品；最后进入 冷却带，同从窑尾鼓入的大量冷空气进行热交换，制品将本身的热量传给空气，使空气 预热时制品本身的温度降低，经冷却的制品被退出窑外。 空气的流动方向：冷却耐火制品的空气用冷却风机从冷却带两侧窑墙和窑顶鼓入窑 内，空气在冷却制品的同时被加热。由于冷却制品用的风量较大，超出燃料燃烧所需要 的空气量，抽出热风的一部分可作一次空气；另一部分则可送至干燥器作为干燥热源； 而燃料在烧成带燃烧后所产生的高温气体，沿窑内隧道流入预热带，在加热砖坯时被冷 却，最后在预热带经排烟口、支烟道、主烟道、烟囱被排出。 由于隧道窑中制品和气流按逆流方式运动，烧成制品及燃烧产物的热量都得到较为 充分的利用。因此隧道窑的热效率高、产量大、劳动条件好。多用于生产量大、品种较 为单一的制品。 1 2 隧道窑生产过程优化的意义 随着人类社会的发展，能源消费量不断增多，历史上曾因能源资源不足，能源科学 技术滞后及政治风云诱发多起波及面很广的能源危机。近半个世纪以来，由于社会现代 化进程加速，能源消费量成倍增长。在消耗的能源中，主要是煤、石油和天然气等常规： 能源，它占能源消费总量的9 7 以上，其中又以石油和天然气的消耗量居多。然而，石 油、天然气资源毕竟是有限的。据估计，全世界已探明的各种石油、天然气资源只够人 类使用1 0 0 多年了。地球上的煤炭资源虽然比较丰富，也不过够人类开采数百年而已。 由于当今世界对能源的需求越来越大，而石油、天然气等优质能源越用越少，新能源的 开发利用还处在研究阶段，尚未出现重大突破，近期内的能源消费结构上主要依靠石油、 天然气和煤的状况不会发生本质上的改变，目前世界的能源供应正处于“青黄不接 的 低谷时期，国际社会潜伏着近期难以解决的能源危机。 我国的能源资源丰富，地质贮藏量居世界第三位，但我国人口众多，从人均能源占 有量来看，我国却是能源贫国。另一方面，从我国的能源构成上看，能源的质量较差， 这对能源的开发、运输和利用等各个方面都有诸多不利。几十年来，我国虽然尚未发生 过突发性大范围的能源危机，但长期存在这能源供应不足的情况，能源供给紧张成为长 期困扰国民经济发展的重大问题。 要想加快国民经济的发展速度，首先就必须有充足稳定的能源供应作保证，而采取 节能措施可以节约大量的能源，于是，人们把节能与煤炭、石油( 包括天然气) 、水力、 核能四大常规能源相并列，誉之为第五大能源。我国由于工业技术装配水平比较落后， 企业管理水平低，与国外相比能源消耗高、浪费大、能源的经济效益低，因此节能的潜 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 力很大i z j 。 隧道窑是耐火材料生产中一种重要的高温烧成设备，也是能耗较多的设备，作为耐 火材料生产中的一个重要环节，我国耐火材料工业中现有隧道窑的热能利用水平却普遍 较低，如果能对隧道窑的耗能进行详细的定量分析，制订出相应的节能措施，找出有效 的节能途径，其节约的燃料将是十分可观的，有着重要的经济和社会意义。 1 3 隧道窑生产过程的建模方法 近年来，对隧道窑的生产过程模型研究主要是集中在计算机的数值模拟方面，计算 机数值模拟的方法不仅可以应用于单一过程模型，而且更适合于多过程综合模拟。 谷同恩和宋嵩于1 9 8 5 年提出了建立包括制品传热、窑车散热、窑体散热、冷空气 漏入、流量分配以及烟气组成分配等多种过程的火焰隧道窑预热带数学模型i 引。 吴建青于1 9 8 6 年研究了陶瓷制品与窑车的传热。他做了如下假设：料垛、窑车垫 饼物理性质相同。作为一均匀体处理。沿窑车长度方向料垛间隔很小。在此方向的热传 递与窑宽方向两次的热传递相比是微不足道的。所以认为沿长度方向无热传递。料垛和 窑车在加热过程中会发生一系列物理化学变化产生热效应，但和外界传给料垛和窑车的 热量相比完全可以忽略。这样认为料垛和窑车的传热是无内热源的二维非稳态传热。 郁伯铭于1 9 8 7 年，以气体连续方程、热平衡方程、物料平衡方程以及制品和窑车 衬砖的瞬态导热方程为基础，推导出隧道窑动态数学模型，并作了数值模拟实验研究【4 】。 宋嵩在1 9 9 8 年利用计算机，根据热平衡、物料平衡和传热平衡，模拟了陶瓷隧道 窑热耗，建立了包括传热、散热和燃烧等子模型的隧道窑热耗模型【5 l 。 1 9 9 9 年，曾令可、程小苏、张明等，通过应用v b5 0 语言w i n d o w s 9 5 平台上开 发出“宽断面隧道窑计算机优化与模拟一系统。该系统采用可视化软件技术，除了可以 对隧道窑的烧成带、冷却带、预热带进行模拟研究外，还可以进行窑炉结构的优化、综 合热耗模拟及热平衡热效率计算等1 6 j 。 2 0 0 1 年，李竟先、吴基球、尹虹，对原型先进窑炉结合实际测定和理论计算研究的 基础上，应用热工理论和软件技术研究了宽断面隧道窑的综合热耗与窑炉结构、材质、 燃料以及产品烧成曲线之间的关系，应用计算机模拟仿真，优化各项参数，可以简单而 迅速地在输入参数下得到相应条件下的烧成温度曲线和综合热耗的最佳值【7 1 。 在2 0 0 6 年，姜山根据隧道窑热工过程原理，采用数值传热学的研究方法，针对隧 道窑内制品的加热过程，建立了隧道窑动态数学模型，利用该模型除了可以预测制品和 车衬中的温度分布、蓄热量、废气成分等，还可以用来描述隧道窑的热动态过程，帮助 指导隧道窑的优化设计与优化操作嗍。 国内外学者从不同角度，用不同方法对隧道窑进行了研究，已经开发出隧道窑局部 一4 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的数学模型，如一维、二维、三维数学模型，绝大多数数学模型还是局部的，且多为静 态的，用于全窑的、动态的模型很少且不完善。对于节能非常重要的热耗数学模型以及 影响隧道窑燃料消耗量的定量分析研究还尚感欠缺，把数学模型应用于隧道窑自动化作 的还不够。 1 4 过程优化概述 1 4 1 过程优化的基本概念 优化( 或称最优化，o p t i m i z a t i o n ) 已经是人们非常熟悉的一个名词，在各种场合广泛 运用。被优化的过程本身一定有多种运行策略，现在要从中找出最优的一种。例如从甲 地到乙地旅行，可以选择不同的途径，不同的旅行工具。优与不优是按照某种评价函数 来评定的，如时间是否最短，费用是否最省，舒适程度是否最高等。按不同的评价函数， 得出的最优策略往往是不同的。令评价函数是，运行变量( 即可以调整的自变量) 的集 合是向量z 一眩，z ：，乙r ，则优化就是调整z 的各元素数值以使j 达到极小值( 或极大 值) 的过程。优化过程要受到来自两方面的约束，一是运行变量( 各个z j ) 与环境条件变量 ( ，一【 ，厂2 ，厶r ) 间存在着一定的函数关系，二是运行变量的值要受到可观条件的限 制，如上述中旅行费用受到个人经济能力的限制等。 ，中的各元素与运行变量z j 之间的关系，以及它们与各环境条件正之间的关系，z j 值 的上限或下限约束等，汇合在一起构成优化的数学模型。数学模型可以是定量的，在有 些时候也可以是定性的；数学模型可以由过程的内在机理导出，也可以由输入输出数据 导出，前者是解析的，后者是经验的或半经验的。 在过程工业中，有可能实行优化的内容很多，评价函数总与经济效益密切相关。或 者可以分为两大类，一是设计中的优化，此时工艺流程、设备类型和尺寸、生产中的操 作条件都可以调整，但在一经确定之后，通常不需随时修整，二是运行中的优化，此时 工艺流程、设备类型和尺寸都已确定，只有操作条件可以变动，它们也就是生产优化命 题中的运行变量；当环境条件变量变动时，运行变量值需要及时作相应的调整。 生产过程优化能带来显著的经济效益，理论分析和现场的成功经验都证实了这一 点。优化是一种不需增加设备投资的“软件 手段。按照广义的理解，在下列三个方面 可进行优化【9 j ： ( 1 ) 优化控制( 或称最优化控制) ，其评价函数是被控过程的某项动态品质指标，例 如动态偏差的某种积分鉴定值( 如i s e ，i t a e 等) ，或是兼顾动态偏差与控制作用波动的 二次型函数( l q r ) 等；运行变量是控制作用“( f ) ( 时间连续情况) 或“( 七) ( 时间离散情况) 。 其解可以将控制作用表述为时间t 或是采样次数k 的函数，也可以将控制作用表述为状 一5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 态x 或被控量y 的函数。前者称为开环表述形式，后者称为闭环表述形式；后者代表反 馈结构，更为合宜。系统的扰动则是环境条件变量厂。 除了现代控制理论专著中讨论的各种典型最优控制命题外，近年来发展迅速的预测 控制和自校正控制显然也属最优控制，预测控制采用滚动优化策略，自校正控制则是系 统辩识和最优控制的结合。 ( 2 ) 操作优化，其评价函数是体现经济效益的某项指标，如追求产量最高，成本最 低，能耗最小等，而以几个关键被控变量的设定值为运行变量。生产过程优化的狭义理 解就是指操作优化。 操作优化本质上是稳态优化。操作优化常采用递阶系统结构，优化层位于直接控制 层之上，由上位机给出几个控制器的设定值。由于环境条件变量( 也包括负荷、进料成 分等) 的值经常有变动，因此为使操作点达到和保持最优，这些控制器的设定值须经常 调整。 本文所讨论的隧道窑燃烧过程优化就属于这一种情况，目的是求隧道窑烧成带各车 位助燃流量的设定值和二次风流量的设定值，使隧道窑按要求稳定生产时，燃料消耗量 达到最小。 ( 3 ) 生产计划与调度的优化，它们是生产管理层次的优化，是综合自动化的重要内 容。计划是决定年、季、月的产品产量，以及原料、辅料、水、电和燃料( 或蒸汽) 的需 要量。调度是计划的具体实现方案，决定在每个时刻、每个设备的生产内容和任务，并 确定原料、燃料、水、电和蒸汽的调配等。在市场经济条件下，计划和调度的优化所带 来的经济效益相当显著。 1 4 2 过程优化的基本算法 所谓优化算法，其实就是一种搜索过程或规则，它是基于某种思想和机制，通过一 定的途径或规则来得到满足用户要求的问题的解。 就优化机制与行为而分，目前工程中常用的优化算法主要可分为【1 0 l ：经典算法、构 造算法、改进型算法、基于系统动态演化的算法和混合型算法等。 ( 1 ) 经典算法。包括线性规划、动态规划、整数规划和分支定界等运筹学中的传统 算法，其算法计算复杂性一般很大，模型依赖性较强，只适于求解小规模问题，在工程 中往往不实用。 ( 2 ) 构造算法。用构造的方法快速建立问题的解，通常算法的优化质量差，难以满 足工程需要。譬如，调度问题中的典型构造型方法有：j o h n s o n 法、p a l m e r 法、g u p t a 法、c d s 法、d a u n e n b r i n g 的快速接近法、n e h 法等。 ( 3 ) 改进型算法，或称邻域搜索算法。从任一解出发，对其邻域的不断搜索和当前 一6 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 解的替换来实现优化。根据搜索行为，它又可分为局部搜索法和指导性搜索法。局部搜 索法，以局部优化策略在当前解的邻域中贪婪搜索，如只接受优于当前解的状态作为下 一当前解的爬山法；接受当前解邻域中的最好解作为下一当l j i 解的最陡梯度下降法等。 指导性搜索算法，利用一些指导规则来指导整个解空间中优良解的探索，如模拟退火算 法s a 、遗传算法g a 、进化规划算法e p 、进化策略算法e s 、粒子群算法p s o 和禁忌 搜索算法t s 等。 ( 4 ) 基于系统动态演化的方法。将优化的过程转化为系统动态的演化过程，基于系 统动态的演化来实现优化，如神经网络和混沌搜索等。 ( 5 ) 混合型算法。指上述各算法从结构或操作上相混合而产生的各类算法。 1 5 本文的主要工作 本文的主要工作如下： ( 1 ) 查阅相关资料，了解了隧道窑的结构和相关工艺，学习了工业窑炉中热工理论 与相关知识，分析了隧道窑生产过程建模以及模拟退火遗传算法的研究现状。 ( 2 ) 以某企业镁砖隧道窑为研究对象，采用机理分析与计算机迭代计算相结合的方 法，建立了隧道窑烧成带燃烧过程的数学模型，分析了隧道窑二次风流量和烧成带各车 位助燃风流量对燃料消耗的影响； ( 3 ) 本文在对隧道窑燃烧过程进行优化的过程中，采用了模拟退火遗传算法，通过 对模拟退火遗传算法的研究，对模拟退火遗传算法进行了改进、实现以及仿真比较； ( 4 ) 用改进的模拟退火遗传算法，对该企业隧道窑烧成带燃烧过程进行优化，在隧 道窑稳定生产时，求得使燃料消耗量最少的二次风流量和烧成带各个车位助燃风流量的 稳态设定值。 一7 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 一8 一 东北大学硕士学位论文 第2 章烧成带燃烧过程模型的建立 第2 章烧成带燃烧过程模型的建立 2 1 建立燃烧过程模型的目的和意义 随着我国工业的发展，能源价格不断上涨，研究如何降低能源消耗，是耐火材料工 业的一项紧迫任务。隧道窑是一种常用的生产耐火材料的设备，也是一种燃料消耗较大 的设备，隧道窑的燃料消耗指标是窑炉设计、选材、制造以及管理水平的重要指标，直 接影响企业的经济效益，因此对隧道窑在生产过程中的燃烧过程进行建模和优化有重要 的意义。 在充分了解隧道窑耐火材料生产过程的基础上，通过机理分析结合计算机模拟的方 法，建立了隧道窑烧成带的燃烧过程模型，反映了烧成带各车位助燃风流量和二次风流 量等因素对燃料消耗影响，为进一步进行燃烧过程的优化奠定基础。 2 2 燃烧过程的影响因素分析 在隧道窑耐火材料生产过程中，燃烧嘴通常布置在烧成带，所以通常燃料消耗也都 集中在烧成带。其燃烧过程主要受隧道窑烧成带烧成制度、燃烧嘴特性、窑车吸热、制 品吸热、窑墙散热、各车位助燃风流量以及从冷却带到烧成带的二次空气量等因素影响。 烧成制度是根据烧成制品特点以及生产要求来制订的，比如合理的升降温曲线，最高烧 成温度和保温时间等，当烧成制品以及生产要求确定时，烧成制度通常也是确定的。烧 嘴在选定以后，其特性也就固定下来，通常也看作是不变的。窑车吸热、制品吸热和窑 墙散热等因素在制品特性、窑体结构、烧成制度和推车制度确定的情况下，通常也是确 定的。所以，这里选择对燃烧过程影响较大而又便于调节的各个烧嘴在两次推车时间间 隔如内，助燃风量【4 ( 1 ) ，爿( 2 ) ，彳o ) 】，和从冷却带流向烧成带的二次空气量k 作为 自变量，分析其对各车位在推车时间间隔d c 内燃料消耗量【f ( 1 ) ，f ( 2 ) ，f 0 ) 】的影响。 2 3 模型的假设 隧道窑是逆流连续的热工烧成设备，烟气从烧成带末端向预热带流动，把热量传递 给制品，自身温度逐步降低；制品则从预热带向烧成带运动，从烟气中吸收热量，温度 逐步升高，为建立模型需要，本文做如下假设： ( 1 ) 助燃风和二次空气成分与环境空气成分相同，且不考虑空气中水汽和稀有气体， 认为干空气由体积为2 1 的q 和体积为7 9 的2 所组成。 ( 2 ) 由于烟气从烧成带末端向预热带流动，忽略下游烟气对上游烟气的影响。 一9 一 东北大学硕士学位论文 第2 章烧成带燃烧过程模型的建立 ( 3 ) 忽略制品中水分对隧道窑烧成带车位烟气成分的影响。 ( 4 ) 假设窑体密封良好，车位漏风量对燃料消耗的影响忽略不计。 ( 5 ) 在耐火材料稳定生产时，供应的重油成分稳定不变，或者其成分波动对重油关 键特性参数的影响忽略不计。 ( 6 ) 在推车时间间隔内，制品充分吸收热量，使其温度可以达到车位温度制度要求。 ( 7 ) 在耐火材料稳定生产时，窑车的装砖密度和装砖方法不变，推车时间间隔不变， 在推车时间间隔内，各车位窑体散热、窑车蓄散热及制品吸热等能量消耗的总量固定不 变，为分别为常量。 2 4 建模方法概述 在进行耐火材料生产时，燃料消耗主要集中在烧成带，本文研究的隧道窑其烧成带 共有1 0 个车位，从烧成带与预热带交界处的车位到烧成带末端最后一个车位依次编号 为从1 到1 0 ，燃烧过程模型采用计算机迭代的方法，以各个车位在推车时间间隔如内 助燃风量m ( 1 ) ，彳( 2 ) ，a 0 0 ) 】和从冷却带流向烧成带的二次空气量比为输入变量，从 最末端车位1 0 开始，在保证各个车位烧成制度和窑内能耗需要的情况下，利用燃料燃 烧方程、物质平衡方程和热平衡方程等，对该车位在一个推车时间间隔如内的燃料消 耗量、产生烟气量、各成分含量和比热等进行计算，并把上一车位传热后的烟气量、烟 气各成分含量和比热、温度等关键参数代入下一车位继续迭代，直至烧成带第一个车位 为止，从而求解出烧成带各车位燃料消耗i f ( 1 ) ，( 2 ) ，f 0 0 ) 】以及总燃料消耗量f 。 2 5 燃烧过程模型 2 5 1 燃料燃烧特性方程 在建立燃烧过程模型的过程中，需要确定燃料的一些关键特性参数，这些关键特性 参数包括燃料的低位发热量既、单位质量燃料燃烧所需要的理论空气量口以及单位质 量燃料燃烧所生成的理论烟气中各成分的含量。 2 5 1 1 燃料的组成及表示。 固体和液体燃料都是由极其复杂的有机化合物所组成。通常包括碳c 、氢h 、氧d 、 氮、硫s 五种元素及部分矿物杂质灰分a 和水分m 。其中，灰分a 即是燃料中 不能燃烧的矿物杂质，灰分的主要成分为甄d 2 、4 f ：0 3 、心d 3 、c a o 、u g o 、溉、 n a ，0 和匠d ，不参与燃料燃烧反应的进行1 1 本文涉及的主要燃料是重油，采用元素分析的方法，这是采用最普遍的一种分析方 法。对重油进行元素分析可确定重油中各成分的百分含量，从而帮助判断重油的化学性 一1 0 一 东北大学硕士学位论文第2 章烧成带燃烧过程模型的建立 质。重油的组成通常用各种元素成分的百分数来表示，由于重油开采、运输和储存的条 件不同，同类重油的组成往往有较大变动，特别是其中的水分和灰分含量。因此，表明 重油的组成时，必须说明所选用重油的基准。下面介绍一下收到基的概念： 收到基是指使用单位收的重油的组成，也即是实际使用的重油的组成。在各组成的 右下角以“a r 表示。 c 4 ，+ h 。，+ o 。+ 虬，+ ，+ 4 ，+ m 。，= 1 0 0 ( 2 1 ) 式中的c 口，、h 。，、o 。，、心、s 。，、4 ，、m 。，分别表示c 、h 、d 、 s 、a 、m 在收到基组成中的质量百分数。为简化公式，本文中用符号c 、h 、d 、 s 、a 、m 表示收到基中各元素质量百分数。 2 5 1 2 低位发热量q 甜的计算 单位质量或体积的燃料完全燃烧，当燃烧产物冷却到燃烧前的温度时所放出的热量 称为燃料的发热量或热值，单位为，船( j i n m 3 ) 。 燃料的发热量有高位发热量q 0 和低位发热量纰两种。高位发热量是指燃料完全 燃烧，并当燃烧产物中的水蒸气( 包括燃料中所含水分生成的水蒸气和燃料中的氢燃烧 时生成的水蒸气) 全部凝结为水时所放出的热量；低位发热量则是指燃料完全燃烧后， 其燃烧产物中的水蒸气仍以气态存在时所放出的热量。 实际燃烧时，温度很高，燃烧产物中的水蒸气均以气态存在，不可能凝结为水而放 出汽化热。故燃烧计算中应以燃料收到基低位发热量( ，瞎) 为基准，其计算公式为f 1 1 】： q 0l ( 3 3 9 x c + 1 0 3 0 x h - 1 0 9 x ( o - s ) 一2 5 x m ) x 1 0 0 0( 2 2 ) 2 5 1 3 理论空气量口以及各成分含量的计算 理论氧气量吆系指理论上燃料中可燃组份完全氧化所需的氧气量，即单位质量燃 料刚好完全燃烧所需要的氧气量，对固体或液体燃料来说，其组份系以质量百分数表示， 单位是n m 3 k ，其计算公式为【1 1 l ： p 尝( c | 1 2 + 日4 + s 3 2 - o 3 2 ) x 0 2 2 4 ( 2 3 ) 理论空气量( 砌3 b ) ： 口呓百1 0 0 o 0 8 9 c + o 2 6 7 h + o 0 3 3 一d ) ( 2 4 ) 理论烟气量v o 系指当燃料与理论空气量进行完全燃烧时所得的烟气量，即单位质 量燃料刚好完全燃烧所产生的烟气量，单位是n m ，k ，其计算公式为【1 2 l ： v o 0 0 8 9 x c + 0 3 2 3 h + 0 0 1 2 4 x m + 0 0 3 3 x s + 0 0 0 8 x n 一0 0 2 6 3 x 0 ( 2 5 ) 一1 1 东北大学硕士学位论文 第2 章烧成带燃烧过程模型的建立 理论烟气中其它成分及计算公式为l i l l ： m 气含量( 3 他) ： w c o , 一( c 1 2 ) 0 2 2 4 ( 2 6 ) s 0 2 气含- 量( n m 3 脑) ： 囔= ( s 3 2 ) x 0 2 2 4( 2 7 ) h ：d 水蒸气含量( 3 瞎) ： 吃= ( h 2 + m 1 8 ) x o 2 2 4 ( 2 8 ) n ：气含量( 3 瓜) ： 嚷- ( n 2 8 ) 0 2 2 4 + 呓x ( 7 9 2 1 ) ( 2 9 ) 2 5 2 传热前烧成带末端车位热量平衡方程 烧成带末端1 0 号车位在推车时间间隔d c 内，烟气与制品传热前热量平衡方程为： t s o o ) 。c 0 0 ) v , o o ) 一k 气k + 4 ( 1 0 ) c 4 乞+ f ( 1 0 ) c ，。t ，+ f 0 0 ) 。q 甜 ( 2 1 0 ) 式中各变量含义： 乞( 1 0 ) 一传热前烧成带末端1 0 号车位燃料燃烧后总烟气的温度，这里要求为隧道 窑温度制度曲线所决定的该车位温度，单位是： q o o ) 一传热前烧成带末端1 0 号车位燃料燃烧后总烟气比热，单位是j 砌3 ； v , o o ) 一传热前烧成带末端1 0 号车位燃料燃烧后总烟气量，单位是砌3 如； k 一从冷却带流入烧成带的二次风温度，单位是； 气一从冷却带流入烧成带的二次风比热，单位是j 砌3 ； k 一从冷却带流入烧成带的二次风流量，单位是n m 3 玉； a ( a o ) 一烧成带末端l o 号车位助燃风流量，单位是砌3 如； c i 一烧成带末端1 0 号车位助燃风比热，撇j n m 3 ； 乞一烧成带末端l o 号车位助燃风温度，单位是； f 0 0 ) 一烧成带末端1 0 号车位燃料消耗量，单位是船如； c ，一燃料比热，单位是j 砌3 ； 一1 2 东北大学硕士学位论文第2 章烧成带燃烧过程模型的建立 t ，一燃料燃烧前温度，单位； q 一一燃料低位发热量，