[發(fā)明專利]一種基于熱平衡計算的水泥回轉(zhuǎn)窯溫度實時估計方法

在審

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• 申請日: 2023-03-07
• 公開（公告）號: CN116151022A
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊春節(jié);趙雨辰;肖航
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/08
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 林松海

本發(fā)明公開了一種基于熱平衡計算的水泥回轉(zhuǎn)窯溫度實時估計方法，包括如下6個步驟：步驟1：獲取計算所需參數(shù)數(shù)據(jù)；步驟2：構(gòu)建零維模型；步驟3：設(shè)置物料溫度初始值，初步求解物料化學(xué)反應(yīng)熱；步驟4：通過水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部的物料平衡、熱平衡初步求解回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度；步驟5：利用水泥回轉(zhuǎn)窯輸入輸出的熱平衡對求解效果進行評估；步驟6：使用步驟4得到的溫度參數(shù)求解物料化學(xué)反應(yīng)熱，然后重新求解回轉(zhuǎn)窯溫度，迭代上述過程，輸出回轉(zhuǎn)窯溫度的計算結(jié)果。本發(fā)明實現(xiàn)了水泥回轉(zhuǎn)窯運行數(shù)據(jù)實時輸入、溫度參數(shù)實時輸出的分鐘級、秒級實時溫度估計，顯著提高了水泥回轉(zhuǎn)窯溫度模型的實用性，有助于生產(chǎn)企業(yè)對回轉(zhuǎn)窯溫度進行實時的監(jiān)控和調(diào)整。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水泥生產(chǎn)過程建模、監(jiān)控和仿真領(lǐng)域，特別涉及一種基于熱平衡計算的水泥回轉(zhuǎn)窯溫度實時估計方法。該方法主要適用于分解爐、回轉(zhuǎn)窯、篦冷機等設(shè)備參與的干式水泥生產(chǎn)工藝中水泥回轉(zhuǎn)窯溫度的實時估計。

背景技術(shù)

在水泥生產(chǎn)過程中，水泥回轉(zhuǎn)窯溫度的監(jiān)測是行業(yè)普遍重視的一大問題，其原因有三：其一，企業(yè)常常采用水泥熟料的游離鈣(以下簡稱“f-CaO”)含量作為水泥產(chǎn)品質(zhì)量的評價指標，f-CaO表征了水泥生料煅燒過程中氧化鈣(以下簡稱“CaO”)與二氧化硅(以下簡稱“SiO₂”)、氧化鋁(以下簡稱“Al₂O₃”)和氧化鐵(以下簡稱“Fe₂O₃”)等成分結(jié)合的完全程度，對水泥的強度和安定性影響較大，而水泥熟料的f-CaO含量與水泥回轉(zhuǎn)窯的煅燒溫度高度相關(guān)；其二，燒成系統(tǒng)乃至整個水泥生產(chǎn)過程的煤耗與回轉(zhuǎn)窯的煅燒溫度直接掛鉤，水泥回轉(zhuǎn)窯的溫度監(jiān)測可以為水泥生產(chǎn)的能耗情況提供參考；其三，水泥回轉(zhuǎn)窯溫度的異常可能會引發(fā)紅窯、掉窯磚等問題，對設(shè)備、人員造成損壞和傷害，因此水泥回轉(zhuǎn)窯的溫度監(jiān)測對于水泥回轉(zhuǎn)窯的安全運行起到關(guān)鍵作用。

回轉(zhuǎn)窯溫度的影響因素眾多，包括生料喂料量、生料成分、回轉(zhuǎn)窯喂煤量、二次風(fēng)溫度、二次風(fēng)量等等，甚至回轉(zhuǎn)窯窯速的變化都會對回轉(zhuǎn)窯溫度造成一定的影響。由于回轉(zhuǎn)窯筒體為轉(zhuǎn)動部件，無法安裝熱電偶等接觸式測溫器件，且回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部高溫、高灰的環(huán)境也不利于紅外測溫儀等非接觸式測溫裝置的部署，因此生產(chǎn)過程中大多采用二次風(fēng)溫度、窯尾煙氣溫度等容易測量的運行參數(shù)間接反映回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的溫度，或者通過機理建模、機器學(xué)習(xí)建模等方法，通過已知的運行參數(shù)對回轉(zhuǎn)窯的溫度進行推理和建模。

其中，回轉(zhuǎn)窯溫度的機器學(xué)習(xí)建模方法主要依靠傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)算法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法從標簽數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)、總結(jié)、歸納運行參數(shù)和回轉(zhuǎn)窯溫度之間的關(guān)系，然而機器學(xué)習(xí)模型存在的局部最優(yōu)值問題以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的不穩(wěn)定問題會對模型的可靠性產(chǎn)生很大的影響。

用于回轉(zhuǎn)窯溫度建模的機理模型根據(jù)維度劃分主要分為多維模型和一維模型兩類，多維模型依賴Fluent、COMSOL等CFD軟件對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部空間進行網(wǎng)格劃分，并在所設(shè)定的復(fù)雜邊界條件下開展大量的迭代計算，雖然其建模結(jié)果可以良好地反映窯內(nèi)溫度和氣體流動的分布狀況，但是其建模操作復(fù)雜，計算時間長，且存在計算結(jié)果不收斂的風(fēng)險，從生產(chǎn)應(yīng)用的角度來看，其實用性和可靠性并不強。

一維模型忽略了回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料和能量在除軸向以外其他方向上的運動和傳遞，而只考慮軸向上物質(zhì)和能量的變化情況，相比多維模型在計算速度和靈活性方面有了較為明顯的提升，然而在實際應(yīng)用中，一維模型也暴露出了兩個不可忽視的問題：