氧化鋁回轉(zhuǎn)窯溫度過(guò)程動(dòng)態(tài)模型及仿真研究.pdf

1、回轉(zhuǎn)窯由于其可提供良好的混合性能和高效的傳熱能力，能適應(yīng)于多種工業(yè)原料的燒結(jié)、焙燒、揮發(fā)、煅燒、離析等過(guò)程，因而被廣泛地應(yīng)用于水泥、冶金、紙漿、化工、環(huán)保等行業(yè)。但由于回轉(zhuǎn)窯的過(guò)程機(jī)理復(fù)雜，具有運(yùn)行工況變化頻繁，多變量，強(qiáng)耦合，強(qiáng)非線性，大慣性、不確定性等控制難題，目前尚無(wú)有效的控制方法對(duì)其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，從而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率低、能耗高等問(wèn)題。因此研究回轉(zhuǎn)窯的自動(dòng)控制和優(yōu)化控制技術(shù)，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率具有重要意義。

2、r>　　 由于回轉(zhuǎn)窯過(guò)程是一個(gè)典型的分布參數(shù)系統(tǒng)，沿窯軸長(zhǎng)方向的氣相和固相溫度分布相互關(guān)聯(lián)，不同時(shí)間尺度的控制變量的調(diào)整和過(guò)程干擾對(duì)整個(gè)窯內(nèi)的氣相和固相溫度分布都會(huì)造成影響，過(guò)程在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的各種干擾和操作條件的調(diào)整對(duì)窯溫分布的影響隨著物料的緩慢運(yùn)動(dòng)進(jìn)行累積，因此很難通過(guò)獲取有效的生產(chǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)辨識(shí)過(guò)程模型，分析過(guò)程輸入輸出動(dòng)態(tài)特性；通過(guò)機(jī)理動(dòng)態(tài)模擬，使研究回轉(zhuǎn)窯過(guò)程的長(zhǎng)時(shí)間、大范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)行為成為可能，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行控制系統(tǒng)分析

3、和設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)室仿真驗(yàn)證后再用于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，從而提高了在工業(yè)裝置上實(shí)施的安全可靠性和控制性能。
　　 本文依托東北大學(xué)“985工程”流程工業(yè)綜合自動(dòng)化科技創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目，為深入地研究回轉(zhuǎn)窯過(guò)程的優(yōu)化控制技術(shù)，進(jìn)行了氧化鋁回轉(zhuǎn)窯溫度過(guò)程動(dòng)態(tài)模型和仿真模擬的研究，為進(jìn)行控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)提供了必要的研究平臺(tái)。
　　 本文主要完成了如下幾方面的工作：
　　 (1)深入研究了氧化鋁回轉(zhuǎn)窯的物料運(yùn)動(dòng)、傳熱、物理化學(xué)反應(yīng)

4、的機(jī)理，基于質(zhì)量和能量守恒原理，建立了較為全面的回轉(zhuǎn)窯溫度過(guò)程的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，可以描述輸入變量燃料流量、燃燒空氣量、生料流量、窯體轉(zhuǎn)速、生料成分等和輸出變量窯內(nèi)氣體溫度、物料溫度、內(nèi)襯溫度之間的內(nèi)在關(guān)系；考慮到數(shù)學(xué)模型主要用于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和控制結(jié)構(gòu)的研究，模型不能過(guò)于復(fù)雜，但又要有一定的準(zhǔn)確性，本文對(duì)氧化鋁熟料燒結(jié)反應(yīng)提出了簡(jiǎn)化的物料組分四集總動(dòng)力學(xué)模型，氣體質(zhì)量平衡和能量平衡按擬穩(wěn)態(tài)處理，窯筒體傳熱過(guò)程采用了非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱傳熱模型。采用有

5、限體積法和有限差分法對(duì)窯軸向、徑向進(jìn)行空間離散化處理，得到由24×N個(gè)微分代數(shù)方程聯(lián)立的方程組模型形式；
　　 (2)對(duì)上述模型形式進(jìn)行了微分代數(shù)方程組(DAEs)指標(biāo)和剛性程度的分析，為解決微分代數(shù)方程組(DAEs)要求初始條件一致相容性難題和剛性微分方程組求解計(jì)算效率低問(wèn)題，提出一種求解該模型合適的算法，即嵌套-變階變步長(zhǎng)向后差分算法。
　　 (3)采用RSView32,VBA和Matlab平臺(tái)工具軟件開(kāi)發(fā)了回轉(zhuǎn)窯溫

6、度過(guò)程的實(shí)時(shí)仿真軟件，主要包括工藝流程畫面、參數(shù)設(shè)置畫面、趨勢(shì)顯示畫面等前臺(tái)人機(jī)交互界面，后臺(tái)模型與求解算法程序以及前后臺(tái)通訊接口，具有溫度過(guò)程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬、仿真進(jìn)程控制、操作參數(shù)設(shè)置、邊界條件在線修改等功能。
　　 (4)在仿真軟件平臺(tái)上進(jìn)行了改變操作變量和邊界條件的各種階躍實(shí)驗(yàn)，考察了過(guò)程的開(kāi)環(huán)動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性，從回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行機(jī)理角度定性驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)模型的正確性和仿真算法的有效性，為下一步深入進(jìn)行控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)提供了必要的