一种回转窑焚烧炉数字孪生平台的设计方法技术

本发明专利技术属于固体废物处理领域，具体为一种回转窑焚烧炉数字孪生平台的设计方法，通过数值仿真的方法获得回转窑焚烧炉各物质内部浓度场和出口浓度数据，将相关数据汇总简化为可供机器学习的模拟仿真数据集。基于最小二乘支持向量机对模拟仿真数据进行学习，构建预测模型，实现对回转窑焚烧炉内部各物质浓度场以及出口物质浓度的预测。采用Python软件进行软件编程构建回转窑焚烧炉预测数字孪生平台，设计通用APP，直观简洁地显示了回转窑焚烧炉的预测数据，可在实际生产中为回转窑焚烧炉优化调控提供数据支持。控提供数据支持。控提供数据支持。

【技术实现步骤摘要】
一种回转窑焚烧炉数字孪生平台的设计方法


[0001]本专利技术属于固体废物处理
，具体为一种回转窑焚烧炉数字孪生平台的设计方法。

技术介绍

[0002]随着社会的发展，人类的生产生活产生了大量的固体废物。固体废物成分复杂、污染严重，给社会发展和生态环境带来了严重负担。常见的固体废物处理方法有填埋处理、堆肥处理和焚烧处理。其中焚烧处理法通过焚烧炉使固体废物在炉中高温热解而达到处理的效果，能够快速的处理大量固体废物、彻底消除有害细菌和病毒。且在固体废物焚烧过程中会放出大量的热，这些热量可以进行有效回收实现节能减排。回转窑焚烧炉具有物料适应性好、可以同时处理多种相态废物、入炉尺寸要求不高、操作简单、易于控制等优点，因此被广泛应用于固体废物处理领域。但在工程实践中，回转窑焚烧炉也暴露出一些难以解决的问题。例如，不能很好的监控和分析回转窑焚烧炉的内部状态，难以针对性的调整参数解决污染物排放超标问题。

技术实现思路

[0003]数字孪生技术通过在虚拟空间中构建数字孪生体，将物理实体映射在虚拟空间中。虚拟空间的数字孪生体可以实时反映物理实体的各项特征，为物理实体提供信息数据的支撑和指导。而模拟仿真技术是创建和运行数字孪生体的核心技术，其可以在虚拟空间中完美复现物理实体的运行状态。
[0004]本专利技术的目的在于，为了克服现有技术中的上述难以监控和分析回转窑焚烧炉内部状态的问题，提出了一种回转窑焚烧炉数字孪生平台的设计方法，为回转窑焚烧炉优化调控提供数据支持。
[0005]为了达到上述要求，本专利技术所采取的技术方案是：
[0006]一种回转窑焚烧炉数字孪生平台的设计方法，包括以下步骤：
[0007]步骤a、建立回转窑焚烧炉的三维模型并进行网格划分；
[0008]步骤b、使用数值仿真软件COMSOL对不同运行工况下的回转窑焚烧炉进行模拟仿真；
[0009]步骤c、收集整理回转窑焚烧炉的模拟仿真数据，将模拟仿真数据整理成可供机器学习使用的模拟仿真数据集；
[0010]步骤d、建立最小二乘支持向量机预测模型，使用模拟仿真数据集对预测模型进行训练；
[0011]步骤e、使用Python设计回转窑焚烧炉数字孪生平台，实现回转窑焚烧炉内部浓度场和出口浓度的快速预测。
[0012]优选的，所述步骤a中，根据回转窑焚烧炉的实体尺寸，采用四面体网格对三维模型进行网格划分。
[0013]回转窑焚烧炉的物理模型包括圆柱型窑体以及进气口和进料口，在各个工况下进气和进料稳定输入且成分稳定，各工况下回转窑焚烧炉内的燃烧反应均在某一时刻达到稳定状态。根据回转窑焚烧炉的物理模型以及回转窑焚烧炉在全工况内的反应特性，为降低数值计算负荷，使数值模拟仿真能够顺利进行，对回转窑焚烧炉三维模型做如下简化，主要包括：
[0014]1)忽略进料口前端的预热装置，仅对回转窑焚烧炉进行建模；
[0015]2)假设固体废物成分稳定，忽略固体废物成分波动对燃烧的影响；
[0016]3)假设入窑时各风道空气和物料的初始速度和温度均匀分布；
[0017]4)回转窑焚烧炉内的气体视为理想气体。
[0018]根据回转窑焚烧炉的实体尺寸简化后建立三维模型，主要结构包括圆柱形窑体以及窑头进气口和进料口，进气口环绕进料口，采用四面体网格对三维模型进行网格划分后，进行处理量为40t～60t、进气速度为8m/s～12m/s的各工况多物理场数值模拟仿真。
[0019]优选的，所述步骤b中，参考回转窑焚烧炉的实际工况，选择添加流体流动、流体传热、化学反应和物质传递共四个接口，并进行多物理场耦合。具体方法是：基于COMSOL软件构建回转窑焚烧炉多物理场模型，将流体流动、流体传热、物质传递以及化学反应四种物理场相互耦合：使用非等温流动将流体流动与流体传热接口耦合；流体流动会影响物质传递，使用反应流将流体流动与物质传递接口耦合；流体的传热产生的温度可对化学反应速率产生影响，同时反应吸热或放热会影响流体传热的总热量，通过在流体传热接口下添加化学反应热源以及改变化学反应接口下的模型输入温度实现耦合；物质传递场与化学反应相互影响，两者通过浓度变化关系以及反应速率实现相互耦合。
[0020]优选的，所述步骤c中，将模拟仿真数据中的各物质浓度场以及出口浓度随时间变化数据导出，经简化去除坏点后整理成模拟仿真数据集。通过多物理场模拟仿真回转窑焚烧炉不同工况(处理量40t～60t，进气速度8m/s～12m/s)，导出各个工况稳定后回转窑焚烧炉纵切面浓度场分布数据，将数据简化并剔除失真部分后构成模拟仿真数据集。根据不同处理量设置进料量进行仿真，将仿真所得数据剔除坏点后建立回转窑焚烧炉浓度场数据集。
[0021]优选的，所述步骤d中，对最小二乘支持向量机预测模型的程序进行编写，使用模拟仿真数据集对预测模型进行训练。基于最小二乘支持向量机机器学习算法对模拟仿真数据集进行学习，实现回转窑焚烧炉浓度场的预测。本专利技术所述的预测方法中，影响浓度场的因素包括进料量与进气量，将进料量与进气量作为输入量，浓度场数据作为输出量；所述最小二乘支持向量机预测模型为小二乘支持向量机预测模型为径向基核函数RBF为σ是核函数的带宽；y为最小二乘支持向量机输出数据即浓度场数据，x为预测模型的输入数据即进料量与进气量数据，n表示维度的总数；K(x
i
,x)是输入数据到高维空间的非线性映射，其通过径向基核函数运算得到。α
i
表示第i维上的参数，b为待定常数，通过模拟仿真数据集训练预测模型，得到最优化的α
i
和b的值，即完成了最小二乘支持向量机预测模型。
[0022]基于多物理场仿真构建的模拟仿真数据集，使用Python编写预测浓度场以及出口浓度的机器学习程序。本专利技术采用的机器学习类型为最小二乘支持向量机，通过机器学习
多物理场模拟仿真构建的模拟仿真数据集实现对回转窑焚烧炉内浓度场以及出口浓度的实时预测。
[0023]优选的，所述步骤e中，使用Python设计回转窑焚烧炉数字孪生平台，通过回转窑焚烧炉数字孪生平台可以获得物质浓度场云图和出口浓度随时间变化曲线，不同物质的切换只需点击相关面板即可完成。基于Python建立回转窑焚烧炉数字孪生平台：通过QtDesigner布置一氧化碳以及其它物质切换面板，在各自面板下布置相关画布、输入框以及按钮。将最小二乘支持向量机预测模型设置为通过点击相关按钮实现响应，使得通过读取输入框内容，经最小二乘支持向量机预测得到浓度数据后，将浓度数据以云图和曲线形式展现在相应画布上。最后，将回转窑焚烧炉数字孪生平台封装为APP。
[0024]基于Python软件将机器学习代码打包封装成数字孪生平台APP，设计直观的操作界面将数据以云图和曲线的形式直观的展现给使用者。数字孪生平台的使用者可以通过直观的界面进行各种操作，不需理解其原理且可以在任何计算机上使用。
[0025]本专利技术的有益效果：
[0026]本专利技术利用模拟仿真技本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种回转窑焚烧炉数字孪生平台的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤a、建立回转窑焚烧炉的三维模型并进行网格划分；步骤b、使用数值仿真软件COMSOL对不同运行工况下的回转窑焚烧炉进行模拟仿真；步骤c、收集整理回转窑焚烧炉的模拟仿真数据，将模拟仿真数据整理成可供机器学习使用的模拟仿真数据集；步骤d、建立最小二乘支持向量机预测模型，使用模拟仿真数据集对预测模型进行训练；步骤e、使用Python设计回转窑焚烧炉数字孪生平台，实现回转窑焚烧炉内部浓度场和出口浓度的快速预测。2.根据权利要求1所述的回转窑焚烧炉数字孪生平台的设计方法，其特征在于，所述步骤a中，根据回转窑焚烧炉的实体尺寸，采用四面体网格对三维模型进行网格划分。3.根据权利要求1所述的回转窑焚烧炉数字孪生平台的设计方法，其特征在于，所述步骤b中，参考回转窑焚烧炉的实际工况，选择添加流体流动、流体传热、化学反应和物质传递共四个接口，并进行多物理场耦合。4.根据权利要求3所述的回转窑焚烧炉数字孪生平台的设计方法，其特征在于，使用非等温流动将流体流动与流体传热接口耦合；流体流动会影响物质传递，使用反应流将流体流动与物质传递接口耦合；流体的传热产生的温度对化学反应速率产生影响，同时反应吸热或放热影响流体传热的总热量，通过在流体传热接口下添加化学反应热源以及改变化学反应接口下的模型输入温度实现耦合；物质传递场与化学反应相互影响，两者通过浓度变化关系以及反应速率实现相互耦合。5.根据权利要求1所述的回转窑焚烧炉数字孪生平台设计方法，其特征在于，所述步骤c中，将模拟仿真数据中的各物质浓度场...

【专利技术属性】
技术研发人员：余云松，马鹏飞，程鹏，王华通，刘延栋，
申请(专利权)人：山东清博生态材料综合利用有限公司，
类型：发明
国别省市：