水泥回转窑温度场与物料密度的计算方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种水泥回转窑温度场与物料密度的计算方法及系统，方法包括以下步骤：S1：确定水泥回转窑的状态变量和状态方程及参数；S2：对状态方程进行分析，简化水泥回转窑的机理模型；S3：基于水泥回转窑的机理模型，计算水泥回转窑的温度场和物料密度。本发明专利技术基于对水泥回转窑工艺机理及控制需求，结合扩展卡尔曼滤波方法，提出了一种新的基于扩展卡尔曼滤波的水泥回转窑温度场与物料密度的计算方法，能够计算水泥回转窑的温度场和物料密度。

【技术实现步骤摘要】
水泥回转窑温度场与物料密度的计算方法及系统
本专利技术涉及一种水泥回转窑温度场与物料密度的计算方法及系统，属于水泥生产控制

技术介绍
水泥生产过程可简要地概括为“两磨一烧”，其中“两磨”指的是原料粉磨成生料和熟料粉磨成水泥，“一烧”指的是将生料煅烧形成熟料。水泥生产过程的大型设备主要有回转窑、篦式冷却机以及制粉系统的球磨机。对于回转窑生产过程，存在窑内流场、温度场、浓度场、燃烧释热场多场的耦合，参数之间相互影响、互相耦合、存在大滞后环节、扰动因素多的特点，长期以来都只能由有经验的操作人员进行手动控制。由于该回转窑生产过程复杂，包括流体力学、热力学、热传导等物理化学反应过程，并且其中只有少数参数可以直接测量，大部分依靠间接方式和经验推断。水泥回转窑的窑内烧成过程是整个水泥生产的关键环节，水泥回转窑温度场和物料密度决定了水泥熟料的烧成质量，但是水泥回转窑烧成过程具有很强的非线性，因此，窑内温度场(尤其是烧成带温度)和物料密度估计问题是水泥生产质量得到保障所亟需解决的问题。
技术实现思路
针对以上方法存在的不足，本专利技术提出了一种水泥回转窑温度场与物料密度的计算方法及系统，能够计算水泥回转窑的温度场和物料密度，以便更好地对水泥回转窑进行过程控制。本专利技术解决其技术问题采取的技术方案是：一方面，本专利技术实施例提供的一种水泥回转窑温度场与物料密度的计算方法，包括以下步骤：S1：确定水泥回转窑的状态变量和状态方程及参数；S2：对状态方程进行分析，简化水泥回转窑的机理模型；S3：基于水泥回转窑的机理模型，计算水泥回转窑的温度场和物料密度。作为本实施例一种可能的实现方式，所述步骤1，具体为：将水泥回转窑分成分解带、过渡带、烧成带和冷却带，并分别对分解带、过渡带、烧成带和冷却带建立模型得到状态方程；对状态方程参数进行定义。作为本实施例一种可能的实现方式，所述状态方程为：式中，状态变量x＝[ms,1,ms,2,ms,3,ms,4,Ts,1,Ts,2,Ts,3,Ts,4,Tg,1,Tg,2,Tg,3,Tg,4,fo2]T，Li为分解带、过渡带、烧成带和冷却带的分段长度，ρa0为标准情况下的空气密度，ρg0为标准情况下的尾气密度，cpg为气体比热，为空气中的氧气质量百分比，ΔHf为燃烧焓，为单位C需氧量，cps为物料的比热，L为长度，D为直径，mg为炉内单位长度气体质量，kgs,i为分解带、过渡带、烧成带和冷却带的气体与固体的换热系数，kl为热量损耗系数，Qs,in为生料下料量，Ts,in为生料进入温度，Qf为窑头喷煤量，Ta,in为窑头送风温度，N为窑转速，fo2为氧气富余百分比，us为物料速度，Qa0为窑头送风量。作为本实施例一种可能的实现方式，所述步骤2，具体为：对状态方程进行分析，忽略物料质量密度方程，并对氧气浓度方程进行计算；对非线性模型进行简化处理；代入状态变量得到水泥回转窑的机理模型。作为本实施例一种可能的实现方式，简化处理的非线性模型为：作为本实施例一种可能的实现方式，所述代入状态变量得到水泥回转窑的机理模型，具体为：状态变量x＝[Ts，1,Ts，2,Ts，3,Ts，4,Tg，1,Tg，2,Tg，3,Tg，4]＝[x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8]，控制输入u＝Qf，干扰输入为d＝[Qs,Qa0,Ts,in,Ta,in]T＝[d1,d2,d3,d4]T，得状态方程：得量测方程：yk＝Cx+vk过程噪声w是协方差为Q的连续时间白噪声，即：w～(0,Q)量测噪声vk是协方差为R的离散时间白噪声，即：vk～(0,R)则得到水泥回转窑的一个带有离散量测量的连续时间系统方程：yk＝Cx+vkw～(0,Q)vk～(0,R)。作为本实施例一种可能的实现方式，所述步骤3，具体为：初始化连续时间系统方程的滤波器：对初始状态的估计采用初始状态的均值：初始误差协方差计算公式如下对状态方程进行线性化处理，计算A(t)，计算公式如下：循环k＝1,2,...,n完成以下2个步骤：③对状态估计和它的协方差从时刻(k-1)+到时刻k-积分，如下所示：积分过程从k-1时刻后验状态估计和后验偏差协方差开始，在积分结束时我们得到k时刻的先验状态估计和先验偏差协方差④计算k时刻卡尔曼滤波器增益Kk：由卡尔曼增益和k时刻量测值，对模型状态值进行偏差补偿，得到偏差校正后的状态后验估计：计算k时刻的偏差协方差矩阵后验，用于下一步迭代使用：作为本实施例一种可能的实现方式，所述计算方法还包括以下步骤：S4：根据水泥回转窑的温度场和物料密度的计算结果对水泥回转窑进行过程控制。另一方面，本专利技术实施例提供的一种水泥回转窑温度场与物料密度的计算系统，包括：状态方程确定模块，用于确定水泥回转窑的状态变量和状态方程及参数；模型建立模块，用于对状态方程进行分析，简化水泥回转窑的机理模型；计算模块，用于基于水泥回转窑的机理模型，结合扩展卡尔曼滤波方法，计算水泥回转窑的温度场和物料密度。作为本实施例一种可能的实现方式，所述计算系统还包括：控制模块，用于根据水泥回转窑的温度场和物料密度的计算结果对水泥回转窑进行过程控制。本专利技术实施例的技术方案可以具有的有益效果如下：本专利技术基于对水泥回转窑工艺机理及控制需求，结合扩展卡尔曼滤波方法，提出了一种新的基于扩展卡尔曼滤波的水泥回转窑温度场与物料密度的计算方法，能够计算水泥回转窑的温度场和物料密度。本专利技术在输入信息已知和模型精度更高的情况下，EKF的模型精度更高，可以采用非线性模型作为先验估计，其估计效果更好，动态过程更加平滑，稳态值更准确。本专利技术采用机理模型和可测输出，重构简化窑炉的状态变量，这里的状态变量指冷却带气温和料温，估计出的状态变量可用于实时MPC控制或SCADA监控平台显示，或故障诊断与检测等。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温度场与物料密度的计算方法的流程图；图2是根据一示例性实施例示出的另一种水泥回转窑温度场与物料密度的计算方法的流程图；图3是根据一示例性实施例示出的一种水泥回转窑温度场与物料密度的计算系统的结构图；图4是本专利技术利用卡尔曼滤波算法计算水泥回转窑的温度场和物料密度的流程图。具体实施方式下面结合附图与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水泥回转窑温度场与物料密度的计算方法，其特征是，包括以下步骤：/nS1：确定水泥回转窑的状态变量和状态方程及参数；/nS2：对状态方程进行分析，简化水泥回转窑的机理模型；/nS3：基于水泥回转窑的机理模型，计算水泥回转窑的温度场和物料密度。/n

【技术特征摘要】
1.一种水泥回转窑温度场与物料密度的计算方法，其特征是，包括以下步骤：
S1：确定水泥回转窑的状态变量和状态方程及参数；
S2：对状态方程进行分析，简化水泥回转窑的机理模型；
S3：基于水泥回转窑的机理模型，计算水泥回转窑的温度场和物料密度。


2.根据权利要求1所述的水泥回转窑温度场与物料密度的计算方法，其特征是，所述步骤1，具体为：
将水泥回转窑分成分解带、过渡带、烧成带和冷却带，并分别对分解带、过渡带、烧成带和冷却带建立模型得到状态方程；
对状态方程参数进行定义。


3.根据权利要求2所述的水泥回转窑温度场与物料密度的计算方法，其特征是，所述状态方程为：












式中，状态变量x＝[ms,1,ms,2,ms,3,ms,4,Ts,1,Ts,2,Ts,3,Ts,4,Tg,1,Tg,2,Tg,3,Tg,4,fo2]T，Li为分解带、过渡带、烧成带和冷却带的分段长度，ρa0为标准情况下的空气密度，ρg0为标准情况下的尾气密度，cpg为气体比热，为空气中的氧气质量百分比，ΔHf为燃烧焓，为单位C需氧量，cps为物料的比热，L为长度，D为直径，mg为炉内单位长度气体质量，kgs,i为分解带、过渡带、烧成带和冷却带的气体与固体的换热系数，kl为热量损耗系数，Qs,in为生料下料量，Ts,in为生料进入温度，Qf为窑头喷煤量，Ta,in为窑头送风温度，N为窑转速，fo2为氧气富余百分比，us为物料速度，Qa0为窑头送风量。


4.根据权利要求3所述的水泥回转窑温度场与物料密度的计算方法，其特征是，所述步骤2，具体为：
对状态方程进行分析，忽略物料质量密度方程，并对氧气浓度方程进行计算；
对非线性模型进行简化处理；
代入状态变量得到水泥回转窑的机理模型。


5.根据权利要求4所述的水泥回转窑温度场与物料密度的计算方法，其特征是，简化处理的非线性模型为：


























6.根据权利要求5所述的水泥回转窑温度场与物料密度的计算方法，其特征是，所述代入状态变量得到水泥回转窑的机理模型，具体为：
状态变量x＝[Ts，1,Ts，2,Ts，3,Ts，4,Tg，1,Tg，2,Tg，3,Tg，4]＝[x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8]，控制输入u＝Qf，干扰输入为d＝[Q...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋萍，李实，李兆刚，王孝红，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东;37