燃烧器故障是常见的异常情况与工业加热器。防止经济损失和重大设备损坏可以达到补偿失去的热量可能由于燃烧器的失败,可以通过定义适当的定位点来重新安排健康燃烧器的燃烧率。在这项研究中,开发了人工神经网络模型估算合适的定位点燃烧控制系统恢复的工业炉火焰加热器异常条件。为此,基于精确的高阶数学模型,使用遗传算法约束非线性优化问题已经解决。对于不同的故障场景,最好的多余的发射率恢复健康的燃烧器炉从异常条件得到培训和数据记录和测试阶段。发达的神经稳态模型的性能通过仿真实验进行了评估。结果表明该技术的可行性处理燃烧系统的失败。
解雇加热器是至关重要的单位在炼油厂和石化行业,用于直接加热烃流体流的处理。热气体燃烧直接提供给多个流管的对流和辐射传热机制。这大大增加了原油的温度过程中,可以输入蒸馏塔被分离成不同的组件(
非均匀温度分布在炉由于燃烧器的燃烧故障和故障可能导致重大质量缺陷蒸馏产品(
策略恢复系统异常特征条件可以通过定义合适的定位点在底层控制器。将专家系统集成到监测和监督控制系统被认为是解决提高工业控制系统的能力在应对意外事件(
许多不同的基于模型的优化技术为提高工业生产过程的操作已报告在文献[
近年来,基于数据的建模方法,如人工神经网络已被广泛用于工业过程的优化
在这项研究中,提出了一种基于模型的优化方法找到最优操作条件的工业炉火焰加热器从可能的燃烧器故障中恢复过来。非线性数学模型由Chaibakhsh等人被扩展,用于优化流程(
一个柜式,single-firebox炉如图
火焰加热器炉的示意图。
在每一个墙,过程流体分为两个逆流流,这是前往中间一侧的炉。每个流还包括24排管。所需的发射率约0.06842千克/ s为每个燃烧器名义炉负荷的11.26公斤/ s。在表
名义炉参数。
| 参数(单位) | 象征 | 价值 |
|---|---|---|
| 过程流体流动速率(千克/秒) |
|
45 |
| 过程流体入口温度(K) |
|
504年 |
| 过程流体出口温度(K) |
|
637年 |
| 过程流体入口压力(kPa) |
|
1036年 |
| 过程流体出口压力(kPa) |
|
371年 |
| 燃料流量(千克/秒) |
|
0.07 |
| 管直径(米) |
|
0.12 |
| 管壁厚度(m) |
|
0.012 |
| 在对流过程流体出口温度第二节(K) |
|
544年 |
| 过程流体出口温度对流部分1 (K) |
|
562年 |
| 在对流过程流体出口压力第二节(kPa) |
|
823年 |
| 在对流过程流体出口压力第一节(kPa) |
|
772年 |
| 燃气热值较低(MJ /公斤) | 低热值 | 48.594 |
| 管长度(米) | l | 3.4 |
| 意味着gas-side传热系数对流部分2 (w / m<年代up>2年代up>K) |
|
238.5 |
| 意味着gas-side在对流传热系数第一节(w / m<年代up>2年代up>K) |
|
277年 |
| 意思是石油在对流传热系数第二节(w / m<年代up>2年代up>K) |
|
4871年 |
| 意思是石油在对流传热系数第一节(w / m<年代up>2年代up>K) |
|
3737年 |
| 意味着gas-side传热系数在辐射部分(w / m<年代up>2年代up>k) |
|
548年 |
| 炉高度(米) | - - - - - - | 12.5 |
| 炉深度(米) | - - - - - - | 5。5 |
| 炉宽(米) | - - - - - - | 5。2 |
| 通过对流和辐射的部分 | - - - - - - | 4 |
| 的行数管的对流部分2 | - - - - - - | 10 |
| 的行数管的对流部分1 | - - - - - - | 3 |
| 管子的数量在一个通过辐射的部分 | - - - - - - | 24 |
一个精确的数学模型是由Chaibakhsh et al .,这是用于优化过程(
在本节中,不同燃烧器的点火能力短缺/失败场景应用到炉的开发模型。然后,优化方法基于遗传算法(GA)应用到模型为了找到合适的为每个燃烧器燃烧率。最大的为每个燃烧器燃烧速度能力,整体油耗,管子的壁温,炉出口温度是限制。基于模型优化的过程如图
过程的优化问题获得适当的发射率。
两个流的平均温度(双方)是最重要的变量,应该保持在637 K(表
因此,通过定义错误的出口平均温度之间的差异原油流程和所需的温度(637 K),每个燃烧器的优化过度燃烧速度可以减少出口温度计算错误,根据约束变量。目标函数的优化过程可以定义如下:
管的温度辐射的功能部分提出了(
在对流区,(
此外,限制被认为是多余的为每个燃烧器燃烧率如下:
最大的管设计温度是限制
所有的输入和输出通过位于区域1;因此,流程输出的温度<我nline-formula>
在燃烧器在失败的情况下,热损失应该得到补偿增加其他燃烧器的燃烧率。应该注意的是,炉的热区域由于任何火焰高度的变化会改变。为了确定每个部分的热量吸收管,每个分段的视角系数的管子应计算其位置和平均火焰高度。管的几何描述和火焰和火焰的高度的影响因素,提出了在附录。增加管表面的温度是最重要的步进的影响,应限制由于其对炉的安全至关重要的影响。最大的管设计温度大约是900 K;然而,增加管的表面温度可以增加焦炭的形成和内部管污染的危险。因此,最大的目标表面温度被认为是800 K如下:
适当的可以测量每个燃烧器燃烧速度解决非线性优化问题的形式(
的罚函数<我nline-formula>
惩罚功能可以防止管子的表面温度达到最大值。他们有一个零值,如果表面温度小于最大值。excessing考虑限制,罚函数将非零(积极)值,可以考虑一个较大的值放大了点球常数<我nline-formula>
为了弥补热量损失由于燃烧器故障,多余的质量流率的总和在健康燃烧器应该等于错过的流速在错误的燃烧器。然而,通过增加燃烧器的燃烧速度,传热性能将会增加。因此,这个值可以是一个小(大约3%)小于所需的数量。多余的发射率的最大值也限制在30%。它是应用的
限制多余的燃料流量的罚函数可以定义通过以下方程:
罚函数,<我nline-formula>
因此,适应度函数被定义为
遗传算法(GA)方法研究了高效方法获取解决方案非常接近最佳点(
优化过程通过使用MATLAB®进行优化工具箱(MathWorks公司纳蒂克,妈,美国版本。2014)。遗传算法参数的适当选择可以提高算法的性能,大大减少运行时(
GA的优化参数。
| 人口规模 | One hundred. |
| 交叉率 | 0.7 |
| 突变率 | 0.02 |
| 一代又一代 | One hundred. |
| 迁移 | 向前,分数:0.2,int。20 |
| 选择 | 随机均匀 |
| 繁殖 | 精英数:5 |
一个多层感知器(MLP)结构被认为是神经网络(NN)模型。延时是前馈神经网络(FFNN),可用于描述变量之间的复杂关系和预测未来值的过程。延时有一组层(包括输入、隐藏和输出层)和计算单元(激活函数),层的相关节点的权重系数。一般来说,一个或多个隐藏层可以被认为是在中长期规划;然而,一个隐藏层可能足以达到一个可接受的精确度在许多情况下(
神经元的数量,作为主要参数模型中表演,被认为是对输入/输出变量的数量。Azoff建议在隐藏层神经元的数量(<我nline-formula>
集的输入,<我nline-formula>
在本节中,47个不同约束优化问题是解决为了获得适当的燃烧器的燃烧率不同的故障场景。炉用于开发模型优化是一个连续状态模型。发射率离散变量选择的遗传算法,然后,方程解决了为了获得管的温度和网点的传球。在考虑炉中,每个燃烧器具有单独的控制阀,它允许相当大的过度燃烧率高达30%的名义为每个燃烧器燃烧率。在这种情况下,热损失由于单个燃烧器故障或两个或三个燃烧器点火短缺可能补偿。调查的可能性,恢复异常的炉条件下,许多不同的情况下被认为是。燃烧器的失败场景适用于离散变量。仿真实验和优化实验,而可用的射击能力在75年,50岁和25%的名义解雇率也在完成燃烧器故障。燃烧器的点火能力可以通过测量质量流量估计美联储每个燃烧器的燃料。应该注意的是,在优化阶段不应采取控制行动。
应该注意的是,结果是通过耗时的优化过程使用一个高阶非线性模型;因此,只有数量有限的失败场景可以调查。模型用于优化过程是一个模型同1064个国家(ODE方程),在运行时为每个优化过程使用电脑与英特尔®™核心i7 4510 u @2.60 GHz, RAM 8.00 GB,操作系统Windows®8.1 (x64)约为24小时。
暴露在各种扰动,无计划的变化过程中流量和燃料组件或压降的变化可能影响预热炉的操作条件和热性能
图
(一)原油温度和燃料流量过程。(b)通过与燃料流量的温差。(c)管表面温度和燃料流量。
在图
图
选择遗传算法的主要原因是其能力来寻找最好的结果在全球搜索空间。尽管它有点慢高阶系统来捕捉最佳点,它将确保结果是全局最优的解决方案。通过执行约束优化基于GA,最好为每个燃烧器燃烧率。表
放在失败/发射能力短缺。
| 燃烧器1多余流量(%) | 燃烧器2多余流量(%) | 燃烧器3多余流量(%) | 燃烧器4多余流量(%) | 燃烧器5多余流量(%) | 温度偏差(K) | 总燃料流量变化(%) | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 案例1 |
|
27.74 | 23.79 | 24.23 | 23.79 | 3.8 | −0.45 |
| 案例2 |
|
23.5 | 19.99 | 21.45 | 16.49 | 0.014 | + 6.43 |
| 案例3 |
|
19.99 | 12.69 | 14.44 | 10.64 | 0.006 | + 7.76 |
| 例4 |
|
10.49 | 8.44 | 9.03 | 7.28 | 0.006 | + 10.24 |
| 例5 | 27.74 |
|
24.38 | 23.79 | 23.65 | 3.1 | −0.44 |
| 案例6 | 22.19 |
|
19.12 | 17.51 | 18.82 | 0.011 | + 2.64 |
| 例7 | 17.22 |
|
16.19 | 8.31 | 11.22 | 0.002 | + 2.94 |
| 案例8 | 10.34 |
|
8.89 | 4.50 | 6.40 | 0.002 | + 5.13 |
| 例9 | 24.38 | 26.42 |
|
27.00 | 23.79 | 1.81 | + 1.59 |
| 例10 | 15.32 | 22.19 |
|
21.89 | 15.61 | 0.002 | + 0.01 |
| 例11 | 9.91 | 15.61 |
|
16.05 | 9.62 | 0.001 | + 1.19 |
| 例12 | 5.22 | 9.47 |
|
8.74 | 4.91 | 0.001 | + 3.34 |
| 例13 | 23.65 | 23.79 | 24.38 |
|
27.74 | 2.71 | −0.44 |
| 案例14 | 17.81 | 16.63 | 18.53 |
|
21.63 | 0.011 | + 0.6 |
| 例15 | 10.77 | 8.00 | 15.91 |
|
16.64 | 0.003 | + 1.32 |
| 例16 | 6.11 | 4.21 | 8.74 |
|
9.91 | 0.001 | + 3.97 |
| 例17 | 23.79 | 24.08 | 23.65 | 27.59 |
|
2。8 | −0.89 |
| 例18 | 15.02 | 20.00 | 18.53 | 22.04 |
|
0.013 | + 0.59 |
| 例19 | 9.18 | 12.98 | 11.22 | 18.53 |
|
0.006 | + 1.91 |
| 例20 | 5.82 | 7.57 | 6.99 | 9.03 |
|
0.0021 | + 4.41 |
当接近中心的燃烧器是错误的,温度偏差大大减少。结果表明,炉当然可以从异常状况中恢复过来。然而,增加少量的燃料流量可以观察到,使其经济更可取的。尽管该方法的有效性在处理错误的燃烧器,由于经济原因,也热应力高,炉不能很长一段时间,在这样的条件下运行。
所需的发射率恢复健康的燃烧器炉内的热量平衡两个错误的燃烧器运行在一个较低的能力比他们的名义射击能力给出了表
双头失败/发射能力短缺。
| 燃烧器1多余流量(%) | 燃烧器2多余流量(%) | 燃烧器3多余流量(%) | 燃烧器4多余流量(%) | 燃烧器5多余流量(%) | 温度偏差(K) | 总燃料流量变化(%) | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 例21 |
|
|
28.03 | 26.43 | 27.1 | 7.94 | −18.44 |
| 例22 |
|
|
23.36 | 19.70 | 21.02 | 0.23 | + 14.08 |
| 例23 |
|
28.03 |
|
27.12 | 26.15 | 4.9 | −18.7 |
| 例24 |
|
22.75 |
|
17.07 | 16.04 | 0.1 | + 5.86 |
| 25例 |
|
28.14 | 26.35 |
|
27.14 | 8.1 | −18.37 |
| 26例 |
|
22.08 | 16.68 |
|
19.01 | 0.31 | + 7.77 |
| 情况下27 |
|
28.03 | 26.15 | 28.33 |
|
9.01 | −17.49 |
| 例28 |
|
22.21 | 17.95 | 21.02 |
|
0.81 | + 11.18 |
| 29例 | 28.33 |
|
|
27.45 | 26.72 | 4.37 | −17.5 |
| 30例 | 17.81 |
|
|
17.1 | 15.32 | 0.11 | + 0.23 |
| 例31 | 27.97 |
|
27.02 |
|
28.03 | 3.21 | −16.98 |
| 例32 | 18.32 |
|
15.89 |
|
17.36 | 0.11 | + 1.57 |
| 33例 | 27.15 |
|
26.02 | 28.03 |
|
3.5 | −18.8 |
| 例34 | 16.23 |
|
14.73 | 19.71 |
|
0.091 | + 0.67 |
| 35例 | 26.57 | 27.45 |
|
|
28.33 | 3.01 | −17.65 |
| 36例 | 14.88 | 16.78 |
|
|
17.22 | 0.09 | −1.12 |
| 37例 | 26.14 | 27.1 |
|
28.03 |
|
3.38 | −18.73 |
| 例38 | 13.76 | 15.37 |
|
21.00 |
|
0.09 | + 0.13 |
| 39例 | 27.1 | 26.13 | 28.03 |
|
|
3.7 | −18.74 |
| 40例 | 15.32 | 13.71 | 21.00 |
|
|
0.1 | + 0.03 |
| 例41 |
|
|
28.03 | 26.3 | 27.09 | 2.98 | + 6.42 |
| 42例 |
|
|
28.12 | 26.45 | 27.16 | 3.7 | + 6.73 |
| 43例 | 24.98 |
|
|
25.38 | 23.96 | 0.11 | −0.68 |
| 例44 | 23.86 | 25.00 |
|
|
24.01 | 0.019 | −2.13 |
| 45例 | 24.99 | 24.16 | 25.86 |
|
|
0.09 | + 0.01 |
| 例46 | 24.73 | 23.92 | 25.48 |
|
|
0.089 | −0.87 |
| 例47 |
|
28.33 | 26.19 | 28.03 |
|
4.96 | + 7.55 |
出口温度偏差达到最大值作为两个燃烧器的点火能力降低50%(表
燃料流量变化对经济运行评价与炉负荷。
| 过程负载(千克/秒) | 过程中负载变化(%) | 燃料流量(千克/秒) | 燃料流量变化(%) | 管表面温度(K) | 效率(%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 7.3190 | −35 | 0.04351 | −36.4075 | 674.5 | 74.32 |
| 7.882 | −30 | 0.04742 | −30.6928 | 675.9 | 75.49 |
| 8.445 | −25 | 0.05126 | −25.0804 | 677.1 | 76.47 |
| 9.008 | −20 | 0.05489 | −19.77 | 679.4 | 77.27 |
| 9.571 | −15 | 0.05839 | −14.659 | 680.4 | 77.94 |
| 10.134 | −10 | 0.06182 | −9.6463 | 681.6 | 78.53 |
| 10.697 | −5 | 0.06519 | −4.7208 | 683年 | 79.05 |
| 11.26 | 名义上的 | 0.06842 | 名义上的 | 683.9 | 79.5 |
| 11.823 | + 5 | 0.07161 | + 4.6624 | 685.4 | 79.9 |
| 12.386 | + 10 | 0.07465 | + 9.1055 | 685.9 | 80.25 |
| 12.949 | + 15 | 0.07751 | + 13.2856 | 687.1 | 80.56 |
| 13.512 | + 20 | 0.08038 | + 17.4803 | 688.5 | 80.84 |
| 14.075 | + 25 | 0.08321 | + 21.6165 | 690年 | 81.1 |
| 14.638 | + 30 | 0.08594 | + 25.6065 | 691.4 | 81.34 |
应该注意的是,火焰加热器炉运行在低负载条件下不是经济适用,由于巨大的能源浪费在上游和下游单位(
从优化过程获得的数据被用来发展异常的神经网络模型为核心的管理系统(AMS)。提出了系统的结构如图
神经网络模型的结构。
为了评估发达的性能模型,确定系数(<我nline-formula>
发达的神经网络估计量的表演。
| 神经网络模型 | 燃烧器1 | 燃烧器2 | 燃烧器3 | 燃烧器4 | 燃烧器5 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
|
|
火车 | 0.9997 | 0.9991 | 0.9969 | 0.9999 | 0.9991 |
| 测试 | 0.9931 | 0.9992 | 0.9901 | 0.9944 | 0.99601 | |
| 验证 | 0.9941 | 0.9943 | 0.9975 | 0.9987 | 0.9921 | |
|
|
||||||
| 均方误差 | 火车(×10<年代up>−5年代up>) | 7.3233 | 3.2427 | 3.99622 | 36.274 | 73.379 |
| 测试(×10<年代up>−4年代up>) | 6.3474 | 17.91 | 22.217 | 6.1263 | 11.521 | |
| 验证(×10<年代up>−4年代up>) | 0.11646 | 24.157 | 17.34 | 51.057 | 34.751 | |
发达的神经网络被重新选点燃烧器的控制系统根据检测到的故障。发达的神经网络模型可以通过插值估计每个燃烧器的参考定位点在新的情况下未经训练的输入。
为了评估提出了控制系统的性能,仿真实验进行了MATLAB仿真软件环境。炉控制系统的原理图呈现在图
一个火焰加热器炉控制系统配置示意图。
操作员能够关闭燃烧器通过命令或旅行可以设置新的定位点流量控制器的控制面板。手动关闭阀或控制燃烧器的燃料流量领域也可以检测到的控制系统。异常情况或燃烧器故障,控制系统能够响应适当的新条件。在图
(一)系统的仿真结果。(b)燃烧器的阀门位置响应当燃烧器3失去了80%的名义热容。
这个例子表明,AMS能够检测到故障发生后立即修改燃烧器的阀位,如图
在这项研究中,稳态神经网络模型为评估开发的燃料流量选点燃烧控制系统恢复的工业炉火焰加热器异常条件。约束非线性优化问题解决了使用遗传算法来计算合适的发射率对健康燃烧器以补偿热损失失败,记录的数据用于训练神经网络模型。提出系统的性能评估在不同燃烧器的失败的情况。结果表明基于模型的优化方法的适用性,找到所需的发射率恢复炉从异常条件。这提供了概念性的基础设计实时管理系统(AMS)异常火焰加热器熔炉。
稳态神经模型可用于实时优化以提高控制系统的操作性能。通过考虑经济指标,开发的神经网络模型可以也使用经济模型预测控制器的核心(EMPC)。获得更高的控制性能和减少能源浪费会通过结合这些技术。
在图
视角系数平面和圆柱形状。
视图节点2倍躺在圆柱表面(管)和节点1躺在平面工件(火焰)可以计算由以下关系(
此外,<我nline-formula>
每个管的火焰的整体视角系数分段可以通过积分获得<我nline-formula>
视图因素获得的积分方程的数值评估在MATLAB。由于燃烧室的几何对称,视图因素计算只在一边,这将大大减少计算工作。
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
作者宣称没有利益冲突。