锌回转窑关键监测变量软测量方法、装置、终端及介质制造方法及图纸

本发明专利技术公开了锌回转窑关键监测变量软测量方法、装置、终端及介质，包括：分析锌回转窑内温度场守恒理论和化学反应过程，构建锌回转窑温度和化学反应耦合的机理模型；通过预设观测数据分析挖掘，辨识模型关键参数，得到与装备工况一致的回转窑的数字孪生参数；针对窑内气固两相逆流及气固边界条件问题，采用变步长双向有限差分进行数字孪生仿真求解；根据装备调控参数和外部扰动数据的变化，动态更新数字孪生参数并及时仿真得到回转窑内温度和窑内化学成分，实现对调控操作的实时反馈。本发明专利技术提供了锌回转窑数字孪生模型构建与虚实交互方法，并通过数字孪生实现锌回转窑关键监测变量软测量。量软测量。量软测量。

【技术实现步骤摘要】
锌回转窑关键监测变量软测量方法、装置、终端及介质


[0001]本专利技术涉及冶金装备建模与应用
，尤其涉及的是锌回转窑关键监测变量软测量方法、装置、终端及介质。

技术介绍

[0002]有色冶金行业具有能耗大、碳排放高的特点。其中锌回转窑作为锌冶炼工序中回收环节的核心装备，通过锌浸出渣和焦炭混合后的高温燃烧与氧化还原反应实现浸出渣中锌的分离与回收，高能耗高碳排放特点更加明显。然而，原料、焦炭品位、环境、渣炭占比等因素的波动导致回转窑内反应状况随机变化。若窑内反应状况不充分，会导致锌的回收率较低，造成资源浪费；若窑内反应过度，则焦炭消耗过量，造成焦炭使用浪费和碳排放增高，同时导致窑壁烧穿造成安全隐患。工人通过调控窑体转速、进料量以及窑头鼓风状态，来达到窑内最优的反应工况，从而在保证锌回收率≥95％的工艺指标前提下，实现焦炭使用量最少化。为此，要实现锌回转窑节能降碳的最优化运行，必须实时监测体现窑内反应状况的关键变量，来保证锌回转窑内部总是处于最优的稳定反应状态。
[0003]锌回转窑由于轴向尺寸长、高温密闭和连续转动的独有特性，体现窑内反应状况的关键监测变量难以直接获得，导致工人只能依靠人眼观察窑头火焰形貌、窑尾温度和窑渣成分进行装备调控，具有较大盲目性和随机性。为实现窑内反应状况的仿真，传统锌回转窑建模仿真方法多是基于理论和经验假设离线进行的，建立的模型与装备数据融合的不完善造成仿真结果误差较大，同时由于模型未能动态跟踪实际装备的工况变化，导致仿真结果与现场情况不一致，应用价值受限。
[0004]例如，现有方法主要是通过基于质量守恒和能量守恒的温度场分析和反应分析，采用一维有限差分进行回转窑内部成分的仿真，但是由于未考虑时变工况数据的影响，难以应用于实际工况多变的现场环境。再例如，基于热平衡分析采用数值模拟技术建立数值模拟模型和烧结温度机理模型，并通过BP神经网络对建立的模型进行误差补偿，但是未考虑回转窑内复杂的多场耦合和互相影响，构建的模型仅能反应窑内某一单物理特性。
[0005]数字孪生是基于物理模型、历史数据与实时数据更新，集成多学科、多物理量、多尺度的仿真过程，在数字空间与装备虚实同步映射，从而反映装备实际的运行状况。数字孪生机理和数据的有效融合、虚拟模型和真实装备的实时映射是与传统离线建模仿真最大的区别。高精度且动态一致的数字孪生模型是回转窑内部反应状况有效监测的必要手段。通过构建体现锌回转窑反应状况的数字孪生模型，实时地与现场回转窑保持同步映射，弥补传统建模仿真中机理数据融合难、虚实同步难的缺陷。通过数字孪生实时仿真得到窑内关键变量的监测结果包括高温反应区温度、反应速率、锌回收进度和碳消耗进度，从而解决只能间接依赖有限观测数据推断高温区反应状况的问题，对回转窑调控效果进行及时反馈。
[0006]但经检索发现，尚未有基于数字孪生理念在锌回转窑上进行模型构建和验证，进而实现回转窑关键变量软测量方法的报道。
[0007]因此，现有技术还有待改进。

技术实现思路

[0008]本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术缺陷，本专利技术提供锌回转窑关键监测变量软测量方法、装置、终端及介质，以通过数字孪生实现锌回转窑关键监测变量软测量。
[0009]本专利技术解决技术问题所采用的技术方案如下：
[0010]第一方面，本专利技术提供一种锌回转窑关键监测变量软测量方法，包括：
[0011]分析锌回转窑内温度场守恒理论和化学反应过程，构建锌回转窑温度和化学反应耦合的机理模型；
[0012]通过预设观测数据分析挖掘，辨识模型关键参数，得到与装备工况一致的回转窑的数字孪生参数；
[0013]针对窑内气固两相逆流及气固边界条件问题，采用变步长双向有限差分进行数字孪生仿真求解；
[0014]根据装备调控参数和外部扰动数据的变化，动态更新数字孪生参数并及时仿真得到回转窑内温度和窑内化学成分，实现对调控操作的实时反馈。
[0015]在一种实现方式中，所述分析锌回转窑内温度场守恒理论和化学反应过程，之前包括：
[0016]将回转窑分为窑头区域、高温反应区以及窑尾区域三部分，分段区间内发生复杂的物料、气体和窑壁之间的热量传递过程，以及分段在高温反应区内发生物料与气体内的化学反应过程。
[0017]在一种实现方式中，所述分析锌回转窑内温度场守恒理论和化学反应过程，构建锌回转窑温度和化学反应耦合的机理模型，包括：
[0018]分析烟气、窑壁以及物料之间的对流传热和辐射传热，构建所述烟气、所述物料以及所述窑壁的热量守恒方程；
[0019]挥发窑内主要发生预热段的高温分解和高温反应区的焦炭燃烧、氧化锌的还原、铁化合物的反应；
[0020]基于质量守恒和能量守恒进行化学反应的机理分析，构建所述锌回转窑温度和所述化学反应耦合的机理模型。
[0021]在一种实现方式中，所述构建所述锌回转窑温度和所述化学反应耦合的机理模型，包括：
[0022]单独进行温度场分析和建模，并以温度场初步结果作为化学反应中反应速率的主要计算依据；
[0023]通过化学反应过程中焓变的分析计算进行温度场的修正和耦合建模。
[0024]在一种实现方式中，所述通过预设观测数据分析挖掘，辨识模型关键参数，得到与装备工况一致的回转窑的数字孪生参数，包括：
[0025]通过DCS系统以离散时序数据的形式采集及存储回转窑运行过程中的温度、浓度以及压力数据；
[0026]根据现场看火并调控回转窑的操作模式经验，进行回转窑工况分析指导，分析处理DCS数据和火焰图像观测数据；
[0027]通过时序数据分析和图像处理，提取回转窑状态对应的补全数据。
[0028]在一种实现方式中，所述通过时序数据分析和图像处理，提取回转窑状态对应的补全数据，包括：
[0029]通过所述时序数据分析和所述图像处理，提取所述回转窑状态对应的时域特征、频域特征、火焰图像的静态特征以及所述火焰图像的动态特征。
[0030]在一种实现方式中，所述通过时序数据分析和图像处理，提取回转窑状态对应的补全数据，之后包括：
[0031]每观测一次数据递推计算一次参数估计值，根据预测结果对数字孪生模型进行更新和验证。
[0032]在一种实现方式中，所述针对窑内气固两相逆流及气固边界条件问题，采用变步长双向有限差分进行数字孪生仿真求解，包括：
[0033]将所述回转窑沿轴向分为N个单元，并确定在每个单元内存在的质量守恒公式；
[0034]根据每个单元内存在的质量守恒公式，采用差分的形式进行推导，形成递推公式；
[0035]采用所述变步长双向有限差分进行数字孪生仿真求解。
[0036]在一种实现方式中，所述采用所述变步长双向有限差分进行数字孪生仿真求解，包括：
[0037]针对锌回转窑内物料和气体相逆流及边界条件不在同一位置的问题，在回转窑窑头定义窑头物料成分矩阵MH1，并在回转窑窑尾定义窑尾物料成分矩阵本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锌回转窑关键监测变量软测量方法，其特征在于，包括：分析锌回转窑内温度场守恒理论和化学反应过程，构建锌回转窑温度和化学反应耦合的机理模型；通过预设观测数据分析挖掘，辨识模型关键参数，得到与装备工况一致的回转窑的数字孪生参数；针对窑内气固两相逆流及气固边界条件问题，采用变步长双向有限差分进行数字孪生仿真求解；根据装备调控参数和外部扰动数据的变化，动态更新数字孪生参数并及时仿真得到回转窑内温度和窑内化学成分，实现对调控操作的实时反馈。2.根据权利要求1所述的锌回转窑关键监测变量软测量方法，其特征在于，所述分析锌回转窑内温度场守恒理论和化学反应过程，之前包括：将回转窑分为窑头区域、高温反应区以及窑尾区域三部分，分段区间内发生复杂的物料、气体和窑壁之间的热量传递过程，以及分段在高温反应区内发生物料与气体内的化学反应过程。3.根据权利要求1所述的锌回转窑关键监测变量软测量方法，其特征在于，所述分析锌回转窑内温度场守恒理论和化学反应过程，构建锌回转窑温度和化学反应耦合的机理模型，包括：分析烟气、窑壁以及物料之间的对流传热和辐射传热，构建所述烟气、所述物料以及所述窑壁的热量守恒方程；挥发窑内主要发生预热段的高温分解和高温反应区的焦炭燃烧、氧化锌的还原、铁化合物的反应；基于质量守恒和能量守恒进行化学反应的机理分析，构建所述锌回转窑温度和所述化学反应耦合的机理模型。4.根据权利要求3所述的锌回转窑关键监测变量软测量方法，其特征在于，所述构建所述锌回转窑温度和所述化学反应耦合的机理模型，包括：单独进行温度场分析和建模，并以温度场初步结果作为化学反应中反应速率的主要计算依据；通过化学反应过程中焓变的分析计算进行温度场的修正和耦合建模。5.根据权利要求1所述的锌回转窑关键监测变量软测量方法，其特征在于，所述通过预设观测数据分析挖掘，辨识模型关键参数，得到与装备工况一致的回转窑的数字孪生参数，包括：通过DCS系统以离散时序数据的形式采集及存储回转窑运行过程中的温度、浓度以及压力数据；根据现场看火并调控回转窑的操作模式经验，进行回转窑工况分析指导，分析处理DCS数据和火焰图像观测数据；通过时序数据分析和图像处理，提取回转窑状态对应的补全数据。6.根据权利要求5所述的锌回转窑关键监测变量软测量方法，其特征在于，所述通过时序数据分析和图像处理，提取回转窑状态对应的补全数据，包括：通过所述时序数据分析和所述图像处理，提取所述回转窑状态对应的时域特征、频域
特征、火焰图像的静态特征以及所述火焰图像的动态特征。7.根据权利要求5所述的锌回转窑关键监测变量软测量方法，其特征在于，所述通过时序数据分析和图像处理，提取回转窑状态对应的补全数据，之后包括：每观测一次数据递推计算一次参数估计值，根据预测结果对数字孪生模型进行更新和验证。8.根据权利要求1所述的锌回转...

【专利技术属性】
技术研发人员：骆伟超，梁骁俊，张超波，任浩，唐鹏，黄科科，阳春华，桂卫华，
申请(专利权)人：鹏城实验室，
类型：发明
国别省市：