氧化铝回转窑温度过程动态模型及仿真研究

论文摘要

回转窑由于其可提供良好的混合性能和高效的传热能力,能适应于多种工业原料的烧结、焙烧、挥发、煅烧、离析等过程,因而被广泛地应用于水泥、冶金、纸浆、化工、环保等行业。但由于回转窑的过程机理复杂,具有运行工况变化频繁,多变量,强耦合,强非线性,大惯性、不确定性等控制难题,目前尚无有效的控制方法对其实现自动控制,从而导致产品质量不稳定、设备运转率低、能耗高等问题。因此研究回转窑的自动控制和优化控制技术,对提高产品质量和生产效率具有重要意义。由于回转窑过程是一个典型的分布参数系统,沿窑轴长方向的气相和固相温度分布相互关联,不同时间尺度的控制变量的调整和过程干扰对整个窑内的气相和固相温度分布都会造成影响,过程在相当长时间内的各种干扰和操作条件的调整对窑温分布的影响随着物料的缓慢运动进行累积,因此很难通过获取有效的生产测试数据来辨识过程模型,分析过程输入输出动态特性;通过机理动态模拟,使研究回转窑过程的长时间、大范围内动态行为成为可能,在此基础上可以进行控制系统分析和设计,在实验室仿真验证后再用于实际生产过程,从而提高了在工业装置上实施的安全可靠性和控制性能。本文依托东北大学“985工程”流程工业综合自动化科技创新平台建设项目,为深入地研究回转窑过程的优化控制技术,进行了氧化铝回转窑温度过程动态模型和仿真模拟的研究,为进行控制系统分析、设计提供了必要的研究平台。本文主要完成了如下几方面的工作:（1）深入研究了氧化铝回转窑的物料运动、传热、物理化学反应的机理,基于质量和能量守恒原理,建立了较为全面的回转窑温度过程的动态数学模型,可以描述输入变量燃料流量、燃烧空气量、生料流量、窑体转速、生料成分等和输出变量窑内气体温度、物料温度、内衬温度之间的内在关系;考虑到数学模型主要用于系统动态特性和控制结构的研究,模型不能过于复杂,但又要有一定的准确性,本文对氧化铝熟料烧结反应提出了简化的物料组分四集总动力学模型,气体质量平衡和能量平衡按拟稳态处理,窑筒体传热过程采用了非稳态导热传热模型。采用有限体积法和有限差分法对窑轴向、径向进行空间离散化处理,得到由24×N个微分代数方程联立的方程组模型形式;（2）对上述模型形式进行了微分代数方程组（DAEs）指标和刚性程度的分析,为解决微分代数方程组（DAEs）要求初始条件一致相容性难题和刚性微分方程组求解计算效率低问题,提出一种求解该模型合适的算法,即嵌套-变阶变步长向后差分算法。（3）采用RSView32,VBA和Matlab平台工具软件开发了回转窑温度过程的实时仿真软件,主要包括工艺流程画面、参数设置画面、趋势显示画面等前台人机交互界面,后台模型与求解算法程序以及前后台通讯接口,具有温度过程实时动态模拟、仿真进程控制、操作参数设置、边界条件在线修改等功能。（4）在仿真软件平台上进行了改变操作变量和边界条件的各种阶跃实验,考察了过程的开环动态特性和稳态特性,从回转窑运行机理角度定性验证了动态模型的正确性和仿真算法的有效性,为下一步深入进行控制系统分析、设计提供了必要的研究平台。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 主要符号说明
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 国内外回转窑建模方法的研究现状
• 1.3 过程数值模拟求解方法
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 氧化铝回转窑熟料烧成过程描述
• 2.1 氧化铝回转窑烧成过程工艺流程的简介
• 2.2 氧化铝熟料烧成回转窑控制目标及控制难点
• 2.2.1 氧化铝熟料烧成回转窑控制目标
• 2.2.2 氧化铝回转窑控制难点
• 2.3 窑内物料运动过程机理分析
• 2.3.1 物料在窑内的运动方式
• 2.3.2 物料移动速度和停留时间
• 2.3.3 物料填充率、中心角与料床深度
• 2.4 窑内传热机理分析
• 2.5 氧化铝熟料烧成过程化学反应过程机理分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 氧化铝回转窑温度过程动态模型的建立
• 3.1 建模前若干重要问题的分析及其模型基本假设的提出
• 3.1.1 物料组分及化学反应集总
• 3.1.2 燃料的选择
• 3.1.3 控制体的划分
• 3.1.4 模型基本假设的提出
• 3.2 物料运动方程
• 3.3 窑内气体与物料质量守恒方程
• 3.3.1 窑内物料质量守恒方程
• 3.3.2 窑内气体质量守恒方程
• 3.4 窑内气体、物料与窑壁能量守恒方程
• 3.4.1 窑内物料能量守恒方程
• 3.4.2 窑内气体能量守恒方程
• 3.4.3 窑壁能量守恒方程
• 3.5 熟料烧成过程化学反应动力学方程
• 2的化学反应动力学方程'>3.5.1 碳酸盐热分解反应释放CO₂的化学反应动力学方程
• 2O蒸发的化学反应动力学方程'>3.5.2 H₂O蒸发的化学反应动力学方程
• MO向Rst_MO转换的化学反应动力学方程'>3.5.3 Rct_MO向Rst_MO转换的化学反应动力学方程
• 4燃烧的化学反应动力学方程'>3.5.4 CH₄燃烧的化学反应动力学方程
• 3.6 模型中相关参数的确定
• 3.6.1 对流换热表面传热系数的确定
• 3.6.2 传热面积的确定
• 3.6.3 比热的确定
• 3.6.4 导热系数的确定
• 3.6.5 密度的确定
• 3.7 模型的总结
• 3.8 本章小结
• 第4章 回转窑温度过程动态模型的数值求解算法
• 4.1 窑壁能量守恒方程的空间离散化处理
• 4.2 模型数值求解若干问题的分析
• 4.2.1 模型方程组指标问题的分析
• 4.2.2 模型方程组刚性问题的分析
• 4.3 模型数值求解算法的选择分析
• 4.3.1 Index-1的微分代数方程组的求解方法
• 4.3.2 刚性微分方程组的求解算法
• 4.4 模型数值求解算法的总结
• 4.5 本章小结
• 第5章 回转窑温度过程动态仿真软件的开发
• 5.1 仿真软件的功能
• 5.2 软硬件平台
• 5.3 仿真软件的开发
• 5.3.1 前后台接口的开发
• 5.3.2 人机界面的开发
• 5.3.3 后台程序实现
• 5.4 本章小结
• 第6章 仿真实验研究
• 6.1 稳态特性分析
• 6.2 动态特性分析
• 6.2.1 入口生料量阶跃变化的开环仿真实验及结果分析
• 6.2.2 燃料量阶跃变化的开环仿真实验及结果分析
• 6.2.3 风量阶跃变化的开环仿真实验及结果分析
• 6.2.4 窑体转速改变的开环仿真实验及结果分析
• 6.3 本章小结
• 第7章 结论和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的主要工作