CN111665809B - 一种水泥回转窑的分段机理建模方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水泥回转窑的分段机理建模方法及系统，方法包括以下步骤：S1：确定水泥回转窑的稳态参数及其分段参数；S2：对水泥回转窑的输入输出变量进行分析，根据变量是可测或不可测变量确定变量类型；S3：对复杂窑况及次要因素进行假设，推断模型关键参数；S4：根据质量守恒和能量守恒原理对每段区域建立动态模型。本发明基于对水泥回转窑的变量分析，结合质量守恒和能量守恒原理，对水泥回转窑内部进行分段并建立模型，不仅能够反映水泥回转窑的温度场与物料密度场的变化，而且更好地对水泥回转窑进行过程控制。

Description

一种水泥回转窑的分段机理建模方法及系统

技术领域

本发明涉及一种水泥回转窑的分段机理建模方法及系统，属于水泥生产控制技术领域。

背景技术

新型干法水泥的熟料制成阶段，其关键设备为回转窑。回转窑是一个封闭且不停旋转的筒状设备。我国水泥生产控制过程中仅仅实现了自动化控制，并未实现对先进优化控制技术的应用，先进优化控制技术的特点在于，它可以在保证产能的基础上，一定程度上提高产品的质量，降低能耗，这种先进的控制技术正是我国水泥工业的发展需求。目前先进的优化控制技术在国外的水泥生产线上已经得到广泛应用，几乎成为水泥生产线的标配，且使用效果很好。优化控制技术的应用前提是要对被控对象建立较为准确的数学模型。

机理建模是根据实际工业系统的物理化学机理而建立的模型，能够通过质量守恒和能量守恒等定律建立设备涉及的变量之间的精确数学关系。由于回转窑煅烧过程的复杂性和多变性，在建模过程中忽略了一些次要因素，这虽然会导致所建立的模型与实际水泥系统有些差别，但是机理建模还是从根本上建立的模型，相对于一些仅仅根据数据建模等方法，建模结果更具有考究性。它具有比较严格的理论依据，在任何情况下都不会引起定性的错误。因此，为了更好地对水泥回转窑进行过程控制，需要对水泥回转窑的分段机理进行建模。

发明内容

针对以上方法存在的不足，本发明提出了一种水泥回转窑的分段机理建模方法及系统，能够反映水泥回转窑的温度场与物料密度场的变化，更好地对水泥回转窑进行过程控制。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：

一方面，本发明实施例提供的一种水泥回转窑的分段机理建模方法，包括以下步骤：

S1：确定水泥回转窑的稳态参数及其分段参数；

S2：对水泥回转窑的输入输出变量进行分析，根据变量是可测或不可测变量确定变量类型；

S3：对复杂窑况及次要因素进行假设，推断模型关键参数；

S4：根据质量守恒和能量守恒原理对每段区域建立动态模型。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述步骤1，具体为：

根据水泥回转窑煅烧工艺及煅烧机理，将水泥回转窑划分为碳酸盐分解带、升温过渡带、烧成带和冷却带四个工艺带；

对水泥回转窑四个工艺带进行稳态值分析，确定相关参数。

作为本实施例一种可能的实现方式，

所述水泥回转窑的输入变量包括：生料下料量、生料进入温度、窑头喷煤量、窑头二次风送风量和窑头二次风温度；

所述水泥回转窑的输出变量包括：烧成带物料温度、窑头熟料出料温度、窑尾烟气温度和窑尾O₂浓度；

所述变量类型包括：被控变量、操纵变量和主要干扰变量，

所述变量包括烧成带物料温度和窑尾O₂浓度；

所述操纵变量包括窑头喷煤量和窑头二次风送风量；

所述主要干扰变量包括生料下料量和窑转速、生料进入温度和窑头二次风温度。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述步骤3，具体为：

忽略生料进料成分分解成气体后随尾气排出，则Q_s＝Q_s，out＝Q_s，in，即生料进料量与熟料出料量相等；假设空气为理想气体情况，则：

ρ_a0Q_a0＝ρ_a，TQ_a，T

ρ_g0Q_g0＝ρ_g,TQ_g,T

假设煤炭的C含量为100％，则反应瞬时完全生成CO₂；

忽略一次风量，煤粉燃烧瞬时等效于将O₂部分变成CO₂，则送风体积流量等于尾气体积流量，即Q_a0＝Q_g0。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述步骤4，具体为：

将碳酸盐分解带、升温过渡带、烧成带和冷却带每个区域看作一个一阶模型，即每个区域的物料温度、气体温度、物料质量密度都是均一的；

根据质量守恒和能量守恒原理，建立物料的质量守恒方程、物料的能量守恒方程、气体的能量守恒方程、氧气浓度的守恒方程。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述物料的质量守恒方程为：

下标s：solid，表示物料；下标i：第i个反应器，共4个，i＝0代表输入项，即input；m_s,i：每米的物料质量，称为物料密度；Q_s，i：分段i的物料流量；u_s：物料延窑炉倾斜方向的流动速度，其计算关系为：u_s＝θ*N*πD；

碳酸盐分解带、升温过渡带、烧成带和冷却带的分段物料质量守恒方程为：

物料输入量；m_s,4u_s＝Q_s,out，物料的输出量。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述物料的能量守恒方程为：

c_ps：物料的质量比热容；k_gs：gas-solid的换热系数；ΔH_s，i：第i个反应器的反应焓，碳酸盐分解带和升温过渡带为吸热过程，烧成段为放热过程；k_l：单位长度的热量损耗系数；

将物料的能量守恒方程进行分解整理，得到：

碳酸盐分解带、升温过渡带、烧成带和冷却带的分段物料能量守恒方程为：

作为本实施例一种可能的实现方式，所述气体的能量守恒方程为：

m_g：气体的单位质量；c_pg：气体的质量比热容；ρ_g0：气在标准情况下的密度；Q_g0：气体在标准情况下的流量，即送风量；

气体的流向与物料流向是相反的，有：

ρ_g，1＝ρ_g，2＝ρ_g，3＝ρ_g0，ρ_g，4＝ρ_g，5＝ρ_a0

Q_g，5＝Q_g，4＝Q_g，3＝Q_g，2＝Q_g，1＝Q_a0

T_g，5＝T_a，in

在烧成带有煤粉，有

Q_f，3＝Q_f，Q_f，i≠3＝0

碳酸盐分解带、升温过渡带、烧成带和冷却带的分段气体能量守恒方程：

取气体密度为ρ_g0，体积V＝L*S，S为窑的横截面积，由直径计算得到：

m_g＝ρ_g0S。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述氧气浓度的守恒方程为：

氧气含量质量百分比。

另一方面，本发明实施例提供的一种水泥回转窑的分段机理建模方法，包括：

参数确定模块，用于确定水泥回转窑的稳态参数及其分段参数；

变量类型确定模块，用于对水泥回转窑的输入输出变量进行分析，根据变量是可测或不可测变量确定变量类型；

模型参数推断模块，用于对复杂窑况及次要因素进行假设，推断模型关键参数；

模型建立模块，用于根据质量守恒和能量守恒原理对每段区域建立动态模型。

本发明实施例的技术方案可以具有的有益效果如下：

本发明基于对水泥回转窑的变量分析，结合质量守恒和能量守恒原理，对水泥回转窑内部进行分段并建立模型，不仅能够反映水泥回转窑的温度场与物料密度场的变化，而且更好地对水泥回转窑进行过程控制。本发明适用性和通用性较强，经过参数校正，可满足不同尺寸的水泥厂回转窑精细建模需求，该模型可用于全局优化、局部优化、先进控制和高精度仿真平台等需求。

附图说明：

图1是根据一示例性实施例示出的一种水泥回转窑的分段机理建模方法的流程图；

图2是本发明所述水泥回转窑的工艺带分段示意图；

图3是本发明所述水泥回转窑的温度分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

图1是根据一示例性实施例示出的一种水泥回转窑的分段机理建模方法的流程图。如图1所示，本发明实施例提供的一种水泥回转窑的分段机理建模方法，包括以下步骤：

S1：确定水泥回转窑的稳态参数及其分段参数；

S2：对水泥回转窑的输入输出变量进行分析，根据变量是可测或不可测变量确定变量类型；

S3：对复杂窑况及次要因素进行假设，推断模型关键参数；

S4：根据质量守恒和能量守恒原理对每段区域建立动态模型。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述步骤1，具体为：

根据水泥回转窑煅烧工艺及煅烧机理，将水泥回转窑划分为碳酸盐分解带、升温过渡带、烧成带和冷却带四个工艺带，如图2所示；

对水泥回转窑四个工艺带进行稳态值分析，确定相关参数，见表1。

按照工艺带划分成四段，对回转窑的四段的稳态值分析。结合现场情况，根据建模对象参数及计算精度需要，还可以增加划分区域。

作为本实施例一种可能的实现方式，回转窑是一个多输入多输出、强干扰和强耦合的设备，需要对输入量中哪些是可操纵的，哪些是不可操纵只能作为干扰，输出量中哪些是可测的，哪些不可测进行分析和状态估计。

所述水泥回转窑的输入变量包括：生料下料量、生料进入温度、窑头喷煤量、窑头二次风送风量和窑头二次风温度；

所述水泥回转窑的输出变量包括：烧成带物料温度、窑头熟料出料温度、窑尾烟气温度和窑尾O₂浓度；

所述变量类型包括：被控变量、操纵变量和主要干扰变量，

所述变量包括烧成带物料温度和窑尾O₂浓度；

所述操纵变量包括窑头喷煤量和窑头二次风送风量；

所述主要干扰变量包括生料下料量和窑转速、生料进入温度和窑头二次风温度。

烧成带物料温度(BZT，Burning Zone Temperature)：1450℃左右，实际温度未知，可采用间接参数对温度进行软测量，间接参数有：窑头扭矩(或窑主电机电流)、窑尾氮氧化物指示、窑尾气体温度、窑头气体温度。

作为本实施例一种可能的实现方式，回转窑的煅烧过程是一个复杂多变的过程，需要在建模过程中忽略一些次要因素，使模型的仿真能更接近实际生产工况。所述步骤3具体为：

生料进料有5％的成分分解成气体后随尾气排出，该部分忽略，因此忽略生料进料成分分解成气体后随尾气排出，则Q_s＝Q_s,out＝Q_s，in，即生料进料量与熟料出料量相等；假设空气为理想气体情况，则：

ρ_a0Q_a0＝ρ_a，TQ_a,T

ρ_g0Q_g0＝ρ_g,TQ_g,T

假设煤炭的C含量为100％(理想情况下)，则反应瞬时完全生成CO₂；

忽略一次风量，可将一次风和二次风统一看作进风量，煤粉燃烧瞬时等效于将O₂部分变成CO₂，则送风体积流量等于尾气体积流量，即Q_a0＝Q_g0。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述步骤4，具体为：

回转窑按照机理关系分成四段：分解带、过渡带、烧成带和冷却带。每个区域可看作一个一阶模型，即每个区域的物料温度、气体温度、物料质量密度都是均一的。因此，将碳酸盐分解带、升温过渡带、烧成带和冷却带每个区域看作一个一阶模型，即每个区域的物料温度、气体温度、物料质量密度都是均一的；

根据质量守恒和能量守恒原理，建立物料的质量守恒方程、物料的能量守恒方程、气体的能量守恒方程、氧气浓度的守恒方程。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述物料的质量守恒方程为：

下标s：solid，表示物料；下标i：第i个反应器，共4个，i＝0代表输入项，即input；m_s,i：每米的物料质量，称为物料密度；Q_s，i：分段i的物料流量；u_s：物料延窑炉倾斜方向(轴向)的流动速度，该值与窑转速成比例关系，其计算关系为：u_s＝θ*N*πD；

碳酸盐分解带、升温过渡带、烧成带和冷却带的分段物料质量守恒方程为：

物料输入量；m_s，4u_s＝Q_s，out，物料的输出量。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述物料的能量守恒方程为：

c_ps：物料的质量比热容；k_gs：gas-solid的换热系数，这里假设每段都有一个换热系数，是为了校正模型；ΔH_s，i：第i个反应器的反应焓，碳酸盐分解带和升温过渡带为吸热过程，烧成段为放热过程；k_l：单位长度的热量损耗系数；

将物料的能量守恒方程进行分解整理，得到：

碳酸盐分解带、升温过渡带、烧成带和冷却带的分段物料能量守恒方程为：

作为本实施例一种可能的实现方式，假设气体的单位质量为m_g，在整个窑内保持恒定，

所述气体的能量守恒方程为：

m_g：气体的单位质量；c_pg：气体的质量比热容；ρ_g0：气在标准情况下的密度；Q_g0：气体在标准情况下的流量，即送风量；

气体的流向与物料流向是相反的，有：

ρ_g，1＝ρ_g，2＝ρ_g，3＝ρ_g0，ρ_g，4＝ρ_g，5＝ρ_a0

Q_g，5＝Q_g，4＝Q_g，3＝Q_g，2＝Q_g，1＝Q_a0

T_g，5＝T_a，in

在烧成带有煤粉，有

Q_f，3＝Q_f，Q_f，i≠3＝0

碳酸盐分解带、升温过渡带、烧成带和冷却带的分段气体能量守恒方程：

取气体密度为ρ_g0，体积V＝L*S，S为窑的横截面积，由直径计算得到：

m_g＝ρ_g0S。

作为本实施例一种可能的实现方式，由于煤粉在烧成段完全燃烧，因此氧气在烧成带瞬间消耗，在冷却段的氧气含量与送风量氧气含量一致，质量百分比为

而其它三个区域，氧气含量相同，因此直接采用代数方程来描述氧气含量：所述氧气浓度的守恒方程为：

氧气含量质量百分比。

基于上述方法，本发明还实施例提供了一种水泥回转窑的分段机理建模方法，包括：

参数确定模块，用于确定水泥回转窑的稳态参数及其分段参数；

变量类型确定模块，用于对水泥回转窑的输入输出变量进行分析，根据变量是可测或不可测变量确定变量类型；

模型参数推断模块，用于对复杂窑况及次要因素进行假设，推断模型关键参数；

模型建立模块，用于根据质量守恒和能量守恒原理对每段区域建立动态模型。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

表1：已知参数、未知参数及稳态工况参数表

通过稳态工况判断未知参数。

(1)质量守恒方程的稳态关系

当稳态时，有：

u_s表示转速D和其它参数的关系：

u_s＝θ*N*πD＝0.07*4*5.2不＝274.2m/h

m_s＝1.1t/h

(2)氧气浓度方程判断送风量

稳态时，

进风量可由氧气富余量计算：

将参数代入，得到空燃比γ_af＝11055Nm³/t。由空燃比和Q_f＝12t/h，得到Q_a0＝132660Nm³/h。

(3)气体和物料能量守恒方程的稳态关系联立求解

假设T_s分布已知，反应焓忽略不计，其偏差由k_gs参数校正，由两个守恒方程计算T_g与k_gs分布。

①稳态方程

②确定热损失系数

按上节稳态关系推导，得到热损失系数，热损失占煤粉热值比值为35.78％，有如下关系：

k_l(L₁T_s，1+L₂T_s，2+L₃T_s，3+L₄T_s，4)＝0.3578Q_fΔH_C

代入Q_f＝12t/h，ΔH_f＝-26240kJ/kg.K，L＝78m，Li＝(18％：35％：41％：6％)*L，T_s，i＝900℃，1100℃，1350℃，1300℃(计算时，温度换算成开尔文温度)，得到：

k_l＝1MJ/m.K.h

代回各方程的热损失部分，得到各段热损失占总热损失的百分比分别为：14.72％、32.29％、46.40％、6.58％。

③假设料温分布

经第④步计算后，发现T_g分布不理想，需要重新调整料温分布，修改为：T_s，1＝900℃，T_s，2＝1050℃，T_s，3＝1350℃，T_s，4＝1300℃。再代入第④步反复计算，直到找到合理分布的T_g和k_gs为止。

④计算各段的T_g和k_gs

冷却段物料与气体能量守恒方程：

c_psm_s，3u_s(T_s，3-T_s，4)+k_gs，4L₄(T_g，4-T_s，4)-k_lL₄T_s，4＝0

c_pgρ_a0Q_a0(T_a，in-T_g，4)-k_gs，4L₄(T_g，4-T_s，4)＝0

烧成段物料与气体能量守恒方程：

过渡段物料与气体能量守恒方程：

分解段物料与气体能量守恒方程：

通过已知参数和稳态方程，依次求解，得到T_g和k_gs的分布情况如下：

T_g，4＝1230，T_g，3＝1757，T_g，2＝1243，T_g，1＝1050

k_gs,1＝18.561，k_gs，2＝19.6877，k_gs,3＝14.3914，k_gs,4＝46.1352

可以看出k_gs,1，k_gs,2和k_gs，3接近，k_gs,4很大，因为在冷却段是由料加热气体，其传热速度远大于气体加热固体。温度分布如图3所示：

从图3分析可知，由模型计算的气温及物料与气体之间的温差，基本符合之前假设的窑的分段温度，可以看出本发明的建模方法适用性和通用性较强，经过参数校正，可满足不同尺寸的水泥厂回转窑精细建模需求，该模型可用于全局优化、局部优化、先进控制和高精度仿真平台等需求。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视作为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种水泥回转窑的分段机理建模方法，其特征是，包括以下步骤：

S1：确定水泥回转窑的稳态参数及其分段参数；

S2：对水泥回转窑的输入输出变量进行分析，根据变量是可测或不可测变量确定变量类型；

S3：对复杂窑况及次要因素进行假设，推断模型关键参数；

S4：根据质量守恒和能量守恒原理对每段区域建立动态模型；

所述步骤3，具体为：

忽略生料进料成分分解成气体后随尾气排出，则Q_s＝Q_s,out＝Q_s,in，即生料进料量与熟料出料量相等；假设空气为理想气体情况，则：

ρ_a0Q_a0＝ρ_a,TQ_a,T

ρ_g0Q_g0＝ρ_g,TQ_g,T

假设煤炭的C含量为100％，则反应瞬时完全生成CO₂；

忽略一次风量，煤粉燃烧瞬时等效于将O₂部分变成CO₂，则送风体积流量等于尾气体积流量，即Q_a0＝Q_g0。

2.根据权利要求1所述的一种水泥回转窑的分段机理建模方法，其特征是，所述步骤1，具体为：

根据水泥回转窑煅烧工艺及煅烧机理，将水泥回转窑划分为碳酸盐分解带、升温过渡带、烧成带和冷却带四个工艺带；

对水泥回转窑四个工艺带进行稳态值分析，确定相关参数。

3.根据权利要求2所述的一种水泥回转窑的分段机理建模方法，其特征是，

所述水泥回转窑的输入变量包括：生料下料量、生料进入温度、窑头喷煤量、窑头二次风送风量和窑头二次风温度；

所述水泥回转窑的输出变量包括：烧成带物料温度、窑头熟料出料温度、窑尾烟气温度和窑尾O₂浓度；

所述变量类型包括：被控变量、操纵变量和主要干扰变量，

所述被控变量包括烧成带物料温度和窑尾O₂浓度；

所述操纵变量包括窑头喷煤量和窑头二次风送风量；

所述主要干扰变量包括生料下料量和窑转速、生料进入温度和窑头二次风温度。

4.根据权利要求3所述的一种水泥回转窑的分段机理建模方法，其特征是，所述步骤4，具体为：

将碳酸盐分解带、升温过渡带、烧成带和冷却带每个区域看作一个一阶模型，即每个区域的物料温度、气体温度、物料质量密度都是均一的；

根据质量守恒和能量守恒原理，建立物料的质量守恒方程、物料的能量守恒方程、气体的能量守恒方程、氧气浓度的守恒方程。

5.根据权利要求4所述的一种水泥回转窑的分段机理建模方法，其特征是，所述物料的质量守恒方程为：

下标s：solid，表示物料；下标i：第i个反应器，共4个，i＝0代表输入项，即input；m_s,i:每米的物料质量，称为物料密度；Q_s,i:分段i的物料流量；u_s：物料延窑炉倾斜方向的流动速度，其计算关系为：u_s＝θ**D；

碳酸盐分解带、升温过渡带、烧成带和冷却带的分段物料质量守恒方程为：

物料输入量；m_s,4u_s＝_s,out，物料的输出量。

6.根据权利要求4所述的一种水泥回转窑的分段机理建模方法，其特征是，所述物料的能量守恒方程为：

c_ps：物料的质量比热容；k_gs：gas-solid的换热系数；ΔH_s,i:第i个反应器的反应焓，碳酸盐分解带和升温过渡带为吸热过程，烧成段为放热过程；k_l：单位长度的热量损耗系数；

将物料的能量守恒方程进行分解整理，得到：

碳酸盐分解带、升温过渡带、烧成带和冷却带的分段物料能量守恒方程为：

7.根据权利要求4所述的一种水泥回转窑的分段机理建模方法，其特征是，所述气体的能量守恒方程为：

m_g：气体的单位质量；c_pg：气体的质量比热容；ρ_g0：气在标准情况下的密度；Q_g0：气体在标准情况下的流量，即送风量；

气体的流向与物料流向是相反的，有：

ρ_g,1＝ρ_g,2＝ρ_g,3＝ρ_g0，ρ_g,4＝ρ_g,5＝ρ_a0

Q_g,5＝Q_g,4＝Q_g,3＝Q_g,2＝Q_g,1＝Q_a0

T_g,5＝T_a,in

在烧成带有煤粉，有

Q_f,3＝Q_f，Q_f,i≠3＝0

碳酸盐分解带、升温过渡带、烧成带和冷却带的分段气体能量守恒方程：

取气体密度为ρ_g0，体积V＝L*S，S为窑的横截面积，由直径计算得到：

m_g＝_g0S。

8.根据权利要求4所述的一种水泥回转窑的分段机理建模方法，其特征是，所述氧气浓度的守恒方程为：

氧气含量质量百分比。

9.一种水泥回转窑的分段机理建模方法，其特征是，包括：

参数确定模块，用于确定水泥回转窑的稳态参数及其分段参数；

变量类型确定模块，用于对水泥回转窑的输入输出变量进行分析，根据变量是可测或不可测变量确定变量类型；

模型参数推断模块，用于对复杂窑况及次要因素进行假设，推断模型关键参数；

模型建立模块，用于根据质量守恒和能量守恒原理对每段区域建立动态模型；

所述模型参数推断模块，具体用于：

忽略生料进料成分分解成气体后随尾气排出，则Q_s＝Q_s,out＝Q_s,in，即生料进料量与熟料出料量相等；假设空气为理想气体情况，则：

ρ_a0Q_a0＝ρ_a,TQ_a,T

ρ_g0Q_g0＝ρ_g,TQ_g,T

假设煤炭的C含量为100％，则反应瞬时完全生成CO₂；

忽略一次风量，煤粉燃烧瞬时等效于将O₂部分变成CO₂，则送风体积流量等于尾气体积流量，即Q_a0＝Q_g0。

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