一种辊道窑工艺参数的分析与优化方法技术

本发明专利技术提供一种辊道窑工艺参数的分析与优化方法，包括以下步骤：S1：对陶瓷辊道窑进行数值模拟；S2：根据数值模拟结果，分析辊道窑结构参数对温度均匀性的影响；S3：采用正交试验分析辊道窑工艺参数对温度均匀性的影响；S4：建立BP神经网络并分析工艺参数与温度均匀性的关系；S5：根据BP神经网络确定优化问题；S6：采用Pareto遗传算法求解优化问题，从而对工艺参数进行多目标优化，得到优化后的工艺参数。本发明专利技术提供一种辊道窑工艺参数的分析与优化方法，解决了目前没有根据辊道窑工艺参数与温度均匀性系数之间的关联对辊道窑工艺参数进行优化的问题。

Analysis and optimization of process parameters of roller kiln

【技术实现步骤摘要】
一种辊道窑工艺参数的分析与优化方法
本专利技术涉及辊道窑工艺参数优化
，更具体的，涉及一种辊道窑工艺参数的分析与优化方法。
技术介绍
辊道窑是一种比较复杂的设备，每次生产之前的调试都会花去很多时间，而且由于调试困难，经常采取一次调试然后进行大批量生产的方式来进行作业。从而使得同一批次的产品生产的越多，整体生产效率越高。由于不同的产品对温度场的要求也不一样，所以导致对于某些小批量的产品效益并不高。国家近年在推行绿色生产，节能减排政策，为了减少窑炉的能耗同时也提高生产质量，已经有相当一批国内的学者通过对窑炉进行数值模拟的办法对窑炉进行了分析和研究，但难以获得辊道窑工艺参数与温度均匀性系数之间的关联，没有根据辊道窑工艺参数与温度均匀性系数之间的关联对辊道窑工艺参数进行优化。冯青，陆琳，曾德生，等，辊道窑烧嘴安装位置对窑内气流影响的研究[C]//中国硅酸盐学会陶瓷分会2003年学术年会论文集，2003，通过改变烧嘴的安装位置来影响窑内气流的流动从而提高热传效率及温度场的均匀性。童剑辉，冯青，汪和平，辊道窑烧成带气体流场与温度场的三维数值模拟[J]，中国陶瓷，2006，042(005)：27-31，使用数值模拟的办法对辊道窑烧成带进行建模，研究了窑内烟气的流动对各种场及对流换热的影响。曾令可，张功元，陶瓷坯体烧成过程中温度场的三维有限元分析[J]，材料研究学报，1994，8(3)：245-252，建立了陶瓷胚体的三维数值模型，研究了在不同工况条件下，陶瓷表面温度与陶瓷内部温度的变化规律。<br>孙宇彤，曾令可，程小苏，宽断面隧道窑冷却带的计算机模拟[J]，陶瓷，2000，000(002)：7-11，通过对隧道窑的冷却带建立数值模型，研究了在不同窑炉冷却曲线下产品的温度变化规律。张柏清，卢立用，黄志诚，气烧明焰辊道窑烧嘴的三维数值模拟[J]，陶瓷学报，2005，026(003)：153-157，对气焰明窑的烧嘴进行了研究，通过对烧嘴结构进行三维数值建模，研究了烧嘴的热性能，并对烧成带烟气在不同流速的情况下对窑内的温度及燃料消耗速度产生的影响规律进行了研究。
技术实现思路
本专利技术为克服现有技术没有根据辊道窑工艺参数与温度均匀性系数之间的关联对辊道窑工艺参数进行优化的技术缺陷，提供一种辊道窑工艺参数的分析与优化方法。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：一种辊道窑工艺参数的分析与优化方法，包括以下步骤：S1：对陶瓷辊道窑进行数值模拟；S2：根据数值模拟结果，分析辊道窑结构参数对温度均匀性的影响；S3：采用正交试验分析辊道窑工艺参数对温度均匀性的影响；S4：建立BP神经网络并分析工艺参数与温度均匀性的关系；S5：根据BP神经网络确定优化问题；S6：采用Pareto遗传算法求解优化问题，从而对工艺参数进行多目标优化，得到优化后的工艺参数。优选的，在步骤S1中，对陶瓷辊道窑进行数值模拟包括：S1.1：建立辊道窑三维模型；S1.2：建立数值物理模型；S1.3：根据实际设定边界条件。优选的，建立辊道窑三维模型包括以下步骤：S1.1.1：选取宽体辊道窑作为研究对象；S1.1.2：根据宽体辊道窑的实际结构参数，选取宽体辊道窑的一节烧成带，将烧嘴结构简化为圆柱体结构，以设定的物理边界条件代替宽体辊道窑的物理结构，建立宽体辊道窑的简化三维模型；S1.1.3：根据宽体辊道窑的实际外形和结构将宽体辊道窑的简化三维模型网格化。优选的，数值物理模型包括流动控制方程、湍流模型、燃烧模型、辐射模型；其中，流动控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分质量守恒方程；湍流模型为基于湍流动能κ和湍流耗散率ε的方程：燃烧模型为非预混燃烧模型中的混合分数概率密度函数PDF燃烧模型；PDF燃烧模型包括平均混合分数和平均混合分数均方值的方程，平均混合分数的方程为：平均混合分数均方值的方程为：辐射模型为P-1辐射模型：其中，t为时间，ρ为密度，k为流体的传热系数，xi为沿x方向的i分量，ui为速度矢量u沿x方向的i分量，xj为沿x方向的j分量，μ称之为动力粘度，μt为径向动力粘度，Gk表示由层流速度梯度的变化而产生的湍流动能，Gb表示由浮力产生的湍流动能，Yk为在可压缩湍流中过度的扩散过程中产生的波动，ε为耗散率，C1ε、C2ε、C3ε、Cg、Cd均为经验常数，σk是湍动能对应的普朗特数，σε是耗散率对应的普朗特数，Sk和Sε为用户定义的源项，模型常数的取值分别为：C1ε＝1.44,C2ε＝1.92,Cμ＝0.09,σk＝1.0,σε＝1.3；为y方向的平均分量，f为混合分数，Sm为质量由液体燃料或反应颗粒传入气相时的源项，Suser为用户定义的源项，常数σt、Cg、Cd分别取0.85、2.86、2.0；qr为，σs为散射系数，a为吸收系数，G为入射辐射性相功能系数，C为线性各相异性相位函数系数。优选的，在步骤S2中，分析辊道窑的平顶与拱顶结构、四对烧嘴与六对烧嘴结构对温度均匀性的影响，且采用变异系数来评价温度均匀性；即温度均匀性为：其中，t为变异系数，即温度均匀性系数；tij为第i组工况窑内第j个点的温度值，为第i组工况窑炉的平均温度。优选的，利用四对烧嘴拱顶的辊道窑并建立四因素五水平的正交表试验得到助燃空气温度、天然气质量流量、助燃空气质量流量和烟气质量流量对温度均匀性的影响。优选的，在步骤S4中，具体包括以下步骤：S4.1：初始化BP神经网络，设置BP神经网络的输入层、隐含层、输出层和权值的参数；S4.2：选择BP神经网络的训练模式，根据正交试验得到的数据建立输入矩阵并作为BP神经网络的输入向量，设置BP神经网络的输出向量为温度场均匀性与平均温度；S4.3：开始BP神经网络的训练，对每个输入向量进行计算，得到网络输出和误差；S4.4：判断误差是否收敛；若收敛，则执行步骤S4.6；若不收敛，则执行步骤S4.5；S4.5：进行反向传播过程计算，计算每层的各个单元的局部梯度，对权值进行修正并返回执行步骤S4.3；S4.6：完成训练学习过程，得到合适的BP神经网络，并利用该BP神经网络分析工艺参数与温度均匀性的关系。优选的，在步骤S5中，以温度均匀性系数与燃烧过程中的能耗为优化目标，确定优化问题为：Find(MNh天然气，MNh助燃风，tzk)Minimize：l(MNh天然气，MNh助燃风，tzk)Maxmize：η(MNh天然气，MNh助燃风，tzk)l(MNh天然气，MNh助燃风，tzk)＝net(MNh天然气，MNh助燃风，tzk)Rang:2.4131kg/h≤MNh天然气≤5.1712kg/h26.4479kg/h≤MNh助燃本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种辊道窑工艺参数的分析与优化方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：对陶瓷辊道窑进行数值模拟；/nS2：根据数值模拟结果，分析辊道窑结构参数对温度均匀性的影响；/nS3：采用正交试验分析辊道窑工艺参数对温度均匀性的影响；/nS4：建立BP神经网络并分析工艺参数与温度均匀性的关系；/nS5：根据BP神经网络确定优化问题；/nS6：采用Pareto遗传算法求解优化问题，从而对工艺参数进行多目标优化，得到优化后的工艺参数。/n

【技术特征摘要】
1.一种辊道窑工艺参数的分析与优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对陶瓷辊道窑进行数值模拟；
S2：根据数值模拟结果，分析辊道窑结构参数对温度均匀性的影响；
S3：采用正交试验分析辊道窑工艺参数对温度均匀性的影响；
S4：建立BP神经网络并分析工艺参数与温度均匀性的关系；
S5：根据BP神经网络确定优化问题；
S6：采用Pareto遗传算法求解优化问题，从而对工艺参数进行多目标优化，得到优化后的工艺参数。


2.根据权利要求1所述的一种辊道窑工艺参数的分析与优化方法，其特征在于，在步骤S1中，对陶瓷辊道窑进行数值模拟包括：
S1.1：建立辊道窑三维模型；
S1.2：建立数值物理模型；
S1.3：根据实际设定边界条件。


3.根据权利要求2所述的一种辊道窑工艺参数的分析与优化方法，其特征在于，建立辊道窑三维模型包括以下步骤：
S1.1.1：选取宽体辊道窑作为研究对象；
S1.1.2：根据宽体辊道窑的实际结构参数，选取宽体辊道窑的一节烧成带，将烧嘴结构简化为圆柱体结构，以设定的物理边界条件代替宽体辊道窑的物理结构，建立宽体辊道窑的简化三维模型；
S1.1.3：根据宽体辊道窑的实际外形和结构将宽体辊道窑的简化三维模型网格化。


4.根据权利要求2所述的一种辊道窑工艺参数的分析与优化方法，其特征在于，数值物理模型包括流动控制方程、湍流模型、燃烧模型、辐射模型；其中，
流动控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组分质量守恒方程；
湍流模型为基于湍流动能κ和湍流耗散率ε的方程：






燃烧模型为非预混燃烧模型中的混合分数概率密度函数PDF燃烧模型；PDF燃烧模型包括平均混合分数和平均混合分数均方值的方程，
平均混合分数的方程为：



平均混合分数均方值的方程为：



辐射模型为P-1辐射模型：
其中，t为时间，ρ为密度，k为流体的传热系数，xi为沿x方向的i分量，ui为速度矢量u沿x方向的i分量，xj为沿x方向的j分量，μ称之为动力粘度，μt为径向动力粘度，Gk表示由层流速度梯度的变化而产生的湍流动能，Gb表示由浮力产生的湍流动能，Yk为在可压缩湍流中过度的扩散过程中产生的波动，ε为耗散率，C1ε、C2ε、C3ε、Cg、Cd均为经验常数，σk是湍动能对应的普朗特数，σε是耗散率对应的普朗特数，Sk和Sε为用户定义的源项，模型常数的取值分别为：C1ε＝1.44,C2ε＝1.92,Cμ＝0.09,σk＝1.0,σε＝1.3；为y方向的平均分量，f为混合分数，Sm为质量由液体燃料或反应颗粒传入气相时的源项，Suser为用户定义的源项，常数σt、Cg、Cd分别取0.85、2.86、2.0；qr为，σs为散射系数，a为吸收系数，G为入射辐射性相功能系数，C为线性各相异性相位函数系数。...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨海东，朱成就，徐康康，印四华，田力，胡罗克，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44