氣流床煤氣化工藝性能穩(wěn)健優(yōu)化與控制研究

【摘要】：為了實現(xiàn)煤的高碳資源低碳化利用,必須促進能夠有效提高煤炭轉(zhuǎn)化效率且環(huán)保效益好的以煤氣化為核心的新型煤化工的發(fā)展。氣流床煤氣化技術(shù)具有煤種適應(yīng)廣、氣化效率高、生產(chǎn)負(fù)荷大、環(huán)保效益好等優(yōu)勢,必將在新型煤化工中發(fā)揮著重要作用。氣流床煤氣化工藝性能穩(wěn)健優(yōu)化與控制的研究對于提高煤炭的清潔高效利用,保證氣化生產(chǎn)的經(jīng)濟、穩(wěn)定、安全運行有著重要意義。 本文面向氣流床煤氣化生產(chǎn)過程,以氣流床煤氣化性能的穩(wěn)健優(yōu)化與波動控制為主要研究目的,以典型的氣流床工藝——Shell粉煤加壓氣流床為背景,綜合應(yīng)用實驗設(shè)計、統(tǒng)計分析、穩(wěn)健優(yōu)化和統(tǒng)計控制技術(shù),旨在建立通過調(diào)整和優(yōu)化氣流床煤氣化工藝參數(shù),使得氣流床煤氣化各項工藝性能指標(biāo)在多種隨機噪聲的影響下依然能夠盡最大可能的保持最優(yōu)與穩(wěn)定的理論與方法,為氣流床煤氣化優(yōu)化生產(chǎn)與穩(wěn)定生產(chǎn)提供指導(dǎo)。本文研究主要包括： 1.選擇相互獨立的氣流床煤氣化性能指標(biāo)CO含量百分比、H2含量百分比、產(chǎn)氣率和碳轉(zhuǎn)化率為評價指標(biāo)。以ChemCAD為仿真平臺,采用Gibbs自由能最小化方法,建立了Shell氣流床煤氣化仿真模型。經(jīng)與典型的Shell煤氣化裝置SCGP-1實驗數(shù)據(jù)對比,結(jié)果表明所建仿真模型具有較好精度。 2.設(shè)計了基于Taguchi方法進行可控工藝參數(shù)對氣化性能的穩(wěn)健效應(yīng)分析流程。構(gòu)建了采用對照進行氣流床可控工藝參數(shù)的穩(wěn)健效應(yīng)估計,并基于半正態(tài)概率分布對效應(yīng)估計進行顯著性判別,采用靈敏度分析進行氣流床煤氣化可控工藝參數(shù)對氣化性能進行穩(wěn)健效應(yīng)分析的方法。針對Shell氣化系統(tǒng)進行了實例分析。 3.基于DRSM法開展氣流床煤氣化工藝性能的穩(wěn)健優(yōu)化問題研究。構(gòu)建了氣化性能指標(biāo)與可控工藝參數(shù)的雙響應(yīng)面模型,提出了應(yīng)用改進的損失函數(shù)模型將各氣化性能指標(biāo)的均值和方差統(tǒng)一成一個穩(wěn)健評價指標(biāo),設(shè)計了氣化性能穩(wěn)健優(yōu)化的GA隨機搜索優(yōu)化算法。針對煤氣化性能指標(biāo)為多目標(biāo)的特性,采用AHP1-9標(biāo)度確定各評價指標(biāo)的權(quán)重,然后采用Desirability函數(shù)將各氣化性能評價指標(biāo)集成為一個優(yōu)化目標(biāo),并利用GA隨機搜索優(yōu)化算法進行優(yōu)化求解。最后針對Shell氣化工藝進行了單目標(biāo)穩(wěn)健優(yōu)化與多目標(biāo)穩(wěn)健優(yōu)化,并分別與確定性優(yōu)化結(jié)果加以對比,結(jié)果表明,所提出的氣流床煤氣化性能的單目標(biāo)穩(wěn)健優(yōu)化與多目標(biāo)穩(wěn)健優(yōu)化方法可以實現(xiàn)氣流床煤氣化性能穩(wěn)健優(yōu)化的目的。 4.煤氣化產(chǎn)品需求具有波動性,而JIT精益生產(chǎn)模式是應(yīng)對市場需求波動的先進的管理模式。本文在分析了波動需求條件下煤氣化生產(chǎn)系統(tǒng)JIT精益生產(chǎn)模式的基礎(chǔ)上,針對氣流床煤氣化工藝性能穩(wěn)健性,研究了波動需求導(dǎo)致生產(chǎn)強度動態(tài)調(diào)整的JIT精益生產(chǎn)模式下氣化性能穩(wěn)健優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型,提出來基于“分解——綜合”原則,采用“精英優(yōu)化”的氣化性能的JIT精益穩(wěn)健優(yōu)化求解策略,進而提出了基于非線性偏最小二乘的優(yōu)化方法。最后針對Shell煤氣化工藝系統(tǒng)進行了實例分析,結(jié)果表明所建立的波動需求條件下的氣流床工藝性能JIT精益穩(wěn)健優(yōu)化方法是切實可行的。 5.以過程能力指數(shù)(PCI)作為氣化性能穩(wěn)健性評價的基本指標(biāo),進行氣流床煤氣化工藝性能穩(wěn)健性的預(yù)測評價,以確定所求解最優(yōu)操作條件是否滿足生產(chǎn)工藝要求或下游產(chǎn)品生產(chǎn)需要。由于煤氣化性能評價屬于多變量過程能力指數(shù)評價問題,而目前多元過程能力指數(shù)存在計算復(fù)雜、難以推廣應(yīng)用等問題,本文提出了一種基于偏差分量模型的線性加權(quán)MPCI,并采用單純型格子點實驗設(shè)計求解線性加權(quán)權(quán)重的方法。進而本文提出了基于蒙特卡羅模擬技術(shù),以線性加權(quán)MPCI作為氣化性能穩(wěn)健性評價指標(biāo)進行煤氣化性能穩(wěn)健性預(yù)測評價。最后針對Shell煤氣化工藝系統(tǒng),在獲得的穩(wěn)健優(yōu)化解的基礎(chǔ)上,進行了預(yù)測評價,結(jié)果表明本文所提的穩(wěn)健性預(yù)測評價方法可以對氣流床煤氣化工藝性能的穩(wěn)健性進行有效評價。 6.針對生產(chǎn)過程中氣流床煤氣化性能的穩(wěn)健性,采用統(tǒng)計過程控制(SPC)技術(shù)進行監(jiān)控。構(gòu)建了基于單變量SPC與多變量MSPC的氣化性能“失控”與“失穩(wěn)”聯(lián)合監(jiān)控框架體系。針對休哈特單變量、Totelling T2多變量統(tǒng)計失控監(jiān)控可能存在漏發(fā)報警的不足,采用基于PCA的多變量統(tǒng)計過程控制監(jiān)控進行氣流床煤氣化性能監(jiān)控驗證。同時針對傳統(tǒng)統(tǒng)計失穩(wěn)判別準(zhǔn)則適用于離散制造系統(tǒng),而氣流床煤氣化性能監(jiān)控要求連續(xù)在線監(jiān)測的特點,開發(fā)了基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的氣流床煤氣化性能統(tǒng)計失穩(wěn)智能診斷模型。最后針對Shell煤氣化工藝系統(tǒng),進行了實例仿真驗證,結(jié)果表明,本文所提的氣流床煤氣化的統(tǒng)計過程控制可以有效監(jiān)測氣流床氣化性能,保證氣流床煤氣化穩(wěn)定生產(chǎn)。 【關(guān)鍵詞】：氣流床 煤氣化 性能優(yōu)化 波動控制 穩(wěn)健優(yōu)化 統(tǒng)計控制
【學(xué)位授予單位】：中南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：TQ546
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-15
• 第一章 緒論15-29
• 1.1 研究背景與課題的提出15-20
• 1.1.1 研究背景15-17
• 1.1.2 課題的提出17-20
• 1.2 國內(nèi)外相關(guān)研究綜述20-25
• 1.2.1 氣流床煤氣化工藝發(fā)展現(xiàn)狀綜述20-22
• 1.2.2 氣流床煤氣化工藝性能研究現(xiàn)狀綜述22-24
• 1.2.3 研究現(xiàn)狀評述24-25
• 1.3 主要研究內(nèi)容與技術(shù)路線25-28
• 1.3.1 研究內(nèi)容25-27
• 1.3.2 技術(shù)路線27-28
• 1.4 研究特色與創(chuàng)新點28-29
• 1.4.1 研究特色28
• 1.4.2 創(chuàng)新點28-29
• 第二章 氣流床煤氣化基本反應(yīng)及典型工藝系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建29-45
• 2.1 氣流床煤氣化反應(yīng)歷程29-32
• 2.1.1 氣化過程中煤的熱解29-30
• 2.1.2 煤氣化反應(yīng)過程30-32
• 2.2 氣化過程的主要反應(yīng)32-35
• 2.2.1 熱解過程的主要反應(yīng)32-33
• 2.2.2 氣化過程的主要反應(yīng)33-35
• 2.3 氣流床煤氣化工藝性能主要評價指標(biāo)35-37
• 2.4 典型工藝系統(tǒng)37-39
• 2.4.1 SCGP工藝流程37-38
• 2.4.2 主要設(shè)備38-39
• 2.5 仿真模型的構(gòu)建39-44
• 2.5.1 基本問題概述39-40
• 2.5.2 氣化反應(yīng)模型40-41
• 2.5.3 仿真模型的構(gòu)建41-43
• 2.5.4 模型的驗證43-44
• 2.6 本章小節(jié)44-45
• 第三章 基于Taguchi方法的氣流床煤氣化可控工藝參數(shù)的穩(wěn)健效應(yīng)分析45-68
• 3.1 引言45
• 3.2 理論基礎(chǔ)45-48
• 3.2.1 穩(wěn)健優(yōu)化的Taguchi方法45-47
• 3.2.2 多噪聲條件下的綜合設(shè)計47-48
• 3.3 氣流床煤氣化工藝性能的影響因素分析48-52
• 3.3.1 可控工藝參數(shù)的影響分析48-50
• 3.3.2 煤種與煤性質(zhì)的影響分析50-51
• 3.3.3 不可控噪聲因子的影響分析51-52
• 3.4 可控工藝參數(shù)的穩(wěn)健效應(yīng)分析與判別方法研究52-56
• 3.4.1 分析流程設(shè)計52-53
• 3.4.2 煤氣化工藝參數(shù)的效應(yīng)估計方法53-54
• 3.4.3 基于半正態(tài)概率分布的效應(yīng)判別方法54-55
• 3.4.4 基于靈敏度的煤氣化工藝參數(shù)穩(wěn)健效應(yīng)分析方法55-56
• 3.5 實驗設(shè)計56-58
• 3.5.1 實驗方案56-58
• 3.5.2 實驗結(jié)果58
• 3.6 結(jié)果分析58-67
• 3.6.1 可控工藝參數(shù)對CO%的穩(wěn)健效應(yīng)分析59-61
• 3.6.2 可控工藝參數(shù)對H2%的穩(wěn)健效應(yīng)分析61-63
• 3.6.3 可控工藝參數(shù)對產(chǎn)氣率的穩(wěn)健效應(yīng)分析63-65
• 3.6.4 可控工藝參數(shù)對碳轉(zhuǎn)化率的穩(wěn)健效應(yīng)分析65-67
• 3.7 本章小結(jié)67-68
• 第四章 基于DRSM的氣流床煤氣化工藝性能穩(wěn)健優(yōu)化研究68-94
• 4.1 引言68
• 4.2 基于DRSM的氣化性能穩(wěn)健優(yōu)化模型68-71
• 4.2.1 RSM概述68-70
• 4.2.2 氣化性能穩(wěn)健優(yōu)化的DRSM模型構(gòu)建70-71
• 4.3 基于MLF準(zhǔn)則與GA隨機搜索的氣化性能單目標(biāo)穩(wěn)健優(yōu)化建模與算法設(shè)計71-77
• 4.3.1 問題描述71-73
• 4.3.2 基于MLF的氣化性能穩(wěn)健評價準(zhǔn)則研究73-75
• 4.3.3 基于GA隨機搜索的氣化性能單目標(biāo)穩(wěn)健優(yōu)化算法設(shè)計75-77
• 4.4 基于Desirability函數(shù)的氣化性能的多目標(biāo)穩(wěn)健優(yōu)化建模與算法設(shè)計77-81
• 4.4.1 問題描述77-78
• 4.4.2 氣化性能多目標(biāo)穩(wěn)健優(yōu)化Desirability函數(shù)構(gòu)建78-80
• 4.4.3 氣化性能指標(biāo)權(quán)重的確定80-81
• 4.5 實驗設(shè)計與DRSM模型的構(gòu)建81-86
• 4.5.1 實驗方案81-83
• 4.5.2 模型構(gòu)建83-84
• 4.5.3 模型檢驗與精度分析84-86
• 4.6 氣化性能的穩(wěn)健優(yōu)化86-93
• 4.6.1 氣化性能穩(wěn)健性的單目標(biāo)優(yōu)化86-90
• 4.6.2 氣化性能穩(wěn)健性多目標(biāo)優(yōu)化90-93
• 4.7 本章小結(jié)93-94
• 第五章 波動需求條件下的氣流床煤氣化工藝性能精益穩(wěn)健優(yōu)化研究94-111
• 5.1 引言94-95
• 5.2 波動需求條件下的煤氣化性能JIT精益穩(wěn)健優(yōu)化建模研究95-97
• 5.2.1 波動需求條件下以煤氣化為基礎(chǔ)的煤炭轉(zhuǎn)化系統(tǒng)JIT精益生產(chǎn)描述95-96
• 5.2.2 煤氣化性能的JIT精益穩(wěn)健優(yōu)化數(shù)學(xué)建模研究96-97
• 5.3 氣化過程JIT精益穩(wěn)健優(yōu)化策略研究97-99
• 5.3.1 問題分析97-98
• 5.3.2 優(yōu)化策略98-99
• 5.4 氣化過程JIT精益穩(wěn)健優(yōu)化的NPLS方法研究99-104
• 5.4.1 問題的提出99-100
• 5.4.2 PLS算法概述100-102
• 5.4.3 煤氣化性能JIT精益穩(wěn)健優(yōu)化的NPLS算法設(shè)計102-104
• 5.5 實驗研究104-110
• 5.5.1 實驗方案104-107
• 5.5.2 NPLS建模107-109
• 5.5.3 優(yōu)化結(jié)果109-110
• 5.6 本章小結(jié)110-111
• 第六章 基于MPCI的氣流床煤氣化工藝性能穩(wěn)健性預(yù)測評價研究111-127
• 6.1 引言111-112
• 6.2 PCI理論基礎(chǔ)112-115
• 6.2.1 單變量PCI112-113
• 6.2.2 多變量MPCI113-114
• 6.2.3 PCI的評價準(zhǔn)則114-115
• 6.3 基于偏差分量模型的線性加權(quán)MPCI研究115-119
• 6.3.1 問題分析115-116
• 6.3.2 線性加權(quán)MPCI的形式表達116-117
• 6.3.3 基于偏差分量模型的線性加權(quán)MPCI構(gòu)建117-119
• 6.4 基于單純型格子點設(shè)計的權(quán)重確定方法研究119-122
• 6.4.1 問題分析119-120
• 6.4.2 算法設(shè)計120-122
• 6.5 基于蒙特卡羅模擬的氣化性能穩(wěn)健性預(yù)測評價方法研究122-124
• 6.5.1 基于蒙特卡洛模擬的預(yù)測評價流程122-123
• 6.5.2 精度分析與樣本量的確定123-124
• 6.6 實例評價124-126
• 6.7 本章小結(jié)126-127
• 第七章 氣流床煤氣化工藝性能穩(wěn)健性的統(tǒng)計過程控制研究127-148
• 7.1 引言127-128
• 7.2 氣流床氣化性能的SPC框架模型構(gòu)建128-133
• 7.2.1 氣流床氣化異常工況分析128-129
• 7.2.2 SPC理論基礎(chǔ)129-131
• 7.2.3 氣流床氣化性能SPC框架模型構(gòu)建131-133
• 7.3 基于PCA的氣流床氣化性能MSPC統(tǒng)計失控識別研究133-135
• 7.3.1 問題分析133-134
• 7.3.2 基于PCA的氣化性能穩(wěn)健性的MSPC134-135
• 7.4 基于RBFNN的煤氣化性能SPC統(tǒng)計穩(wěn)態(tài)的智能診斷研究135-140
• 7.4.1 智能診斷模型的構(gòu)建136-137
• 7.4.2 樣本數(shù)據(jù)的產(chǎn)生137-138
• 7.4.3 模型的訓(xùn)練與檢驗138-140
• 7.5 仿真研究140-147
• 7.5.1 仿真方案140-142
• 7.5.2 單變量監(jiān)控結(jié)果142-144
• 7.5.3 多變量監(jiān)測結(jié)果144-147
• 7.6 本章小結(jié)147-148
• 第八章 結(jié)論與展望148-151
• 8.1 主要結(jié)論148-150
• 8.2 研究展望150-151
• 參考文獻151-168
• 致謝168-169
• 攻讀博士學(xué)位期間主要的研究成果169-170
• 攻讀博士學(xué)位期間公開發(fā)表的論文169
• 攻讀博士學(xué)位期間主編教材169-170
• 攻讀博士學(xué)位期間主持和參加的科研項目170

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