一種基于響應面法的燃燒器結構優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于響應面法的燃燒器結構優(yōu)化方法，具體步驟為：(1)確定燃燒器需要考慮的結構因素，并對其進行編碼變換；(2)采用中心復合設計CCD確定試驗方案；(3)按照CCD試驗方案完成試驗；(4)建立響應面模型，分析試驗結果；(5)進行嶺嵴分析，確定優(yōu)化結構參數組合。本發(fā)明通過中心復合設計CCD法確定試驗方案，并通過響應面軟件分析試驗結果，不僅可以確定各因素對燃燒器燃燒性能的線性項影響和平方項影響，還可以確定各因素的交叉項影響，繼而通過嶺嵴分析確定優(yōu)化的結構參數組合，從而實現低氮燃燒效果。
【專利說明】一種基于響應面法的燃燒器結構優(yōu)化方法
【【技術領域】】
[0001]本發(fā)明涉及燃燒器結構優(yōu)化【技術領域】，具體地說，是一種基于響應面法的燃燒器結構優(yōu)化方法。
【【背景技術】】
[0002]環(huán)境問題關系國家安全，愈發(fā)得到政府和企業(yè)層面的重視。2013年7月30日，中石化宣布實施“碧水藍天”環(huán)保計劃，而氮氧化物就是其重點關注的污染物之一。氮氧化物大量存在于管式加熱爐的出口煙氣中，對環(huán)境安全構成巨大威脅:氮氧化物是光化學煙霧和酸雨的一個重要原因，汽車尾氣中的氮氧化物與碳氫化合物經紫外線照射發(fā)生反應形成的有毒煙霧，稱為光化學煙霧。另外，氮氧化物與空氣中的水反應生成的硝酸和亞硝酸是酸雨的成分。
[0003]低氮燃燒一直以來是煉化企業(yè)以及加熱爐廠家追求的方向。目前，國內廠家對燃燒器的結構進行了一定的改造，通過采用燃氣分級等燃燒技術來實現對燃燒過程中氮氧化物的控制。雖然這些燃燒技術一定程度上降低了 NOx的排放，但是尚不能達到含量低于50ppm的環(huán)保要求。如何在現有燃燒器結構的基礎上采用合理結構尺寸來優(yōu)化燃燒器的燃燒性能，是一個值得考慮的問題。
[0004]經過對現有技術的檢索以及現場調研發(fā)現，加熱爐廠家以及國內學者對燃燒器結構的優(yōu)化主要采用單因素法。李元青，陸曉峰在《南京工業(yè)大學學報(自然科學版)》2010，32(5)上的發(fā)表的文章“石化管式加熱爐燃氣燃燒器的CFD研究”中利用單因素法考察了燃燒器噴射角度和噴口直徑 兩個因素對燃燒過程的影響。王娟，毛羽等人在《煉油技術與工程》2007，37(8)上發(fā)表的文章“燃燒器結構對氣體火焰形狀和爐內溫度分布的影響”中也分別采用單因素法考察了噴孔直徑、噴孔角度、旋流角度的影響。但燃燒器結構較為復雜，單因素試驗無法確定各結構參數之間的交叉影響，因此優(yōu)化數值一般并非目標函數(即出口 NOx含量)的極值區(qū)域。
【
【發(fā)明內容】
】
[0005]本發(fā)明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于響應面法的燃燒器結構優(yōu)化方法。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現的:
[0007]—種基于響應面法的燃燒器結構優(yōu)化方法，其具體步驟為:
[0008](I)確定燃燒器需要考慮的結構因素，并對其進行編碼變換；
[0009]所述的結構因素為燃燒道，噴槍，穩(wěn)燃器，燃燒道形狀，直徑，噴槍位置，噴嘴角度，噴嘴直徑中的一種或者幾種組合；
[0010]所述的編碼變換為:在響應面設計中各結構因素的變化范圍有所不同，某些自變量的范圍差別極其懸殊；為統一處理的方便，將設計參數的取值作編碼變換，建立起結構因素水平值與“編碼”的一一對應關系；編碼是為了解決量綱不同給設計與分析帶來的麻煩；[0011](2)采用中心復合設計CCD確定試驗方案；
[0012]CCD = central composite design 即中心復合設計的簡寫；
[0013]所述的中心復合設計CXD是指:中心復合設計是一種經典的二階設計，試驗點包括立方點，中心點和軸向點三種；
[0014]具體為以三因子中心復合設計來說，立方點分布于邊長為I的立方體的頂點，中心點位于立方體中心，軸向點又稱始點，星號點，分布在穿過中心點的軸向上，除一個坐標為+α或-α外,其余坐標皆為O;
[0015](3)按照CXD試驗方案完成試驗；
[0016]所述的按照CCD試驗方案完成試驗是指:根據CCD試驗方案，采用熱態(tài)試驗或者計算流體力學CFD軟件完成所有立方點，中心點和軸向點的設計試驗，通過煙氣分析儀或者計算流體力學CFD后處理獲得試驗點的NOx數值。
[0017](4)建立響應面模型，分析試驗結果；
[0018]所述的建立響應面模型，分析試驗結果，是指:將試驗點數據輸入響應面軟件，例如，Statistica, Design-Expert或者SAS ;根據軟件分析結果，提取多項式系數，得到各因素與響應值之間的多項式關系；輸出響應面三維圖并判斷各因素對目標函數的影響情況；根據典型值分析表，判斷是否需要進行嶺嵴分析；
[0019](5)進行嶺嵴分析，確定優(yōu)化結構參數組合。
[0020]所述的嶺嵴分析，是指:以原始設計中心點為球心，對每個坐標從球心開始不斷擴大，在R為半徑的超球面與響應面的交點形成的軌跡范圍內找出最佳響應值，其中，半徑R不能超過試驗范圍。
[0021]所述的交點又名嵴點；
[0022]與現有技術相比，本發(fā)明的積極效果是:
[0023]本發(fā)明優(yōu)于傳統的單因素優(yōu)化方法，比如單因素優(yōu)化方法這樣無法確定噴孔直徑、噴射角度、旋流角度之間的交叉影響。
[0024]本發(fā)明通過中心復合設計CCD法確定試驗方案，并通過響應面軟件分析試驗結果，不僅可以確定各因素對燃燒器燃燒性能的線性項影響和平方項影響，還可以確定各因素的交叉項影響，繼而通過嶺嵴分析確定優(yōu)化的結構參數組合，從而實現低氮燃燒效果。
【【專利附圖】
【附圖說明】】
[0025]圖1三因素CXD試驗點分布；
[0026]圖2響應面三維圖；
[0027](a) H、α對響應值影響；
[0028](b)H、β對響應值影響；
[0029](c) H、Y對響應值影響；
[0030](d) α、β對響應值影響；
[0031](e) α、Υ對響應值影響；
[0032](f) β , Y對響應值影響；
[0033]圖3各結構NO云圖對比；
[0034](a)優(yōu)化結構；[0035](b) 29th 結構；
[0036](c) 16th 結構。
【【具體實施方式】】
[0037]以下提供本發(fā)明一種基于響應面法的燃燒器結構優(yōu)化方法的【具體實施方式】。
[0038]實施例1
[0039]一種基于響應面法的燃燒器結構優(yōu)化方法，其具體步驟為:
[0040](I)確定燃燒器需要考慮的結構因素，并對其進行編碼變換；
[0041]所述的結構因素為燃燒道，噴槍，穩(wěn)燃器，燃燒道形狀，直徑，噴槍位置，噴嘴角度，噴嘴直徑中的一種或者幾種組合；
[0042]所述的編碼變換為:在響應面設計中各結構因素的變化范圍有所不同，某些自變量的范圍差別極其懸殊；為統一處理的方便，將設計參數的取值作編碼變換，建立起結構因素水平值與“編碼”的一一對應關系；編碼是為了解決量綱不同給設計與分析帶來的麻煩；
[0043](2)采用中心復合設計CXD確定試驗方案；
[0044]CCD = cen tral composite design 即中心復合設計的簡寫；
[0045]所述的中心復合設計CXD是指:中心復合設計是一種經典的二階設計，試驗點包括立方點，中心點和軸向點三種；
[0046]具體為以三因子中心復合設計來說，立方點分布于邊長為I的立方體的頂點，中心點位于立方體中心，軸向點又稱始點，星號點，分布在穿過中心點的軸向上，除一個坐標為+α或-α外,其余坐標皆為O;
[0047](3)按照CXD試驗方案完成試驗；
[0048]所述的按照CCD試驗方案完成試驗是指:根據CCD試驗方案，采用熱態(tài)試驗或者計算流體力學CFD軟件完成所有立方點，中心點和軸向點的設計試驗，通過煙氣分析儀或者計算流體力學CFD后處理獲得試驗點的NOx數值。
[0049](4)建立響應面模型，分析試驗結果；
[0050]所述的建立響應面模型，分析試驗結果，是指:將試驗點數據輸入響應面軟件，例如，Statistica, Design-Expert或者SAS ;根據軟件分析結果,提取多項式系數,得到各因素與響應值之間的多項式關系；輸出響應面三維圖并判斷各因素對目標函數的影響情況；根據典型值分析表，判斷是否需要進行嶺嵴分析；
[0051](5)進行嶺嵴分析，確定優(yōu)化結構參數組合。
[0052]所述的嶺嵴分析，是指:以原始設計中心點為球心，對每個坐標從球心開始不斷擴大，在R為半徑的超球面與響應面的交點形成的軌跡范圍內找出最佳響應值，其中，半徑R不能超過試驗范圍。
[0053]具體如下:
[0054]1、確定需要考慮的結構因素
[0055]本實施例主要優(yōu)化某再沸爐的燃燒器結構，該燃燒器為燃氣分級燃燒器。通過分析燃燒器結構發(fā)現，主、輔噴槍相對高度H、主噴槍噴嘴夾角α、輔噴槍噴嘴夾角β、Y等四因素為影響燃燒器燃燒性能的主要因素?？紤]到計算時間等問題，其他因素諸如風道長度等暫且沒有考慮。[0056]2、編碼變換
[0057]本實施例以H的編碼變換為例說明編碼變換的規(guī)則?？紤]到燃燒器以及爐膛的尺寸，H的變化范圍是(Hmin = 130，Hmax180)，則H的編碼變換如下:
[0058]區(qū)間的半長
【權利要求】
1.一種基于響應面法的燃燒器結構優(yōu)化方法，其特征在于，具體步驟為: (1)確定燃燒器需要考慮的結構因素，并對其進行編碼變換； (2)采用中心復合設計CCD確定試驗方案； (3)按照CCD試驗方案完成試驗； (4)建立響應面模型，分析試驗結果； (5)進行嶺嵴分析，確定優(yōu)化結構參數組合； 所述的嶺嵴分析，是指:以原始設計中心點為球心，對每個坐標從球心開始不斷擴大，在R為半徑的超球面與響應面的交點形成的軌跡范圍內找出最佳響應值，其中，半徑R不能超過試驗范圍。
2.如權利要求1所述的一種基于響應面法的燃燒器結構優(yōu)化方法，其特征在于，在所述的步驟(I)中，所述的結構因素為燃燒道，噴槍，穩(wěn)燃器，燃燒道形狀，直徑，噴槍位置，噴嘴角度，噴嘴直徑中的一種或者幾種組合。
3.如權利要求1所述的一種基于響應面法的燃燒器結構優(yōu)化方法，其特征在于，在所述的步驟(I)中，所述的編碼變換為:在響應面設計中各結構因素的變化范圍有所不同，某些自變量的范圍差別極其懸殊；為統一處理的方便，將設計參數的取值作編碼變換，建立起結構因素水平值與“編碼”的一一對應關系。
4.如權利要求1所述的一種基于響應面法的燃燒器結構優(yōu)化方法，其特征在于，在所述的步驟(2)中，所述的中心復合設計CCD是指:中心復合設計是一種經典的二階設計，試驗點包括立方點，中;點和軸向點三種。
5.如權利要求1所述的一種基于響應面法的燃燒器結構優(yōu)化方法，其特征在于，在所述的步驟(2)中，所述的中心復合設計CCD具體為以三因子中心復合設計來說，立方點分布于邊長為I的立方體的頂點，中心點位于立方體中心，軸向點又稱始點，星號點，分布在穿過中心點的軸向上,除一個坐標為+α或-α外,其余坐標皆為O。
6.如權利要求1所述的一種基于響應面法的燃燒器結構優(yōu)化方法，其特征在于，在所述的步驟(3)中，所述的按照CCD試驗方案完成試驗是指:根據CCD試驗方案，采用熱態(tài)試驗或者計算流體力學CFD軟件完成所有立方點，中心點和軸向點的設計試驗，通過煙氣分析儀或者計算流體力學CFD后處理獲得試驗點的NOx數值。
7.如權利要求1所述的一種基于響應面法的燃燒器結構優(yōu)化方法，其特征在于，在所述的步驟(4)中，所述的建立響應面模型，分析試驗結果，是指:將試驗點數據輸入響應面軟件，根據軟件分析結果，提取多項式系數，得到各因素與響應值之間的多項式關系；輸出響應面三維圖并判斷各因素對目標函數的影響情況；根據典型值分析表，判斷是否需要進行嶺嵴分析。
【文檔編號】G06F19/00GK104036075SQ201410246922
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月5日 優(yōu)先權日:2014年6月5日
【發(fā)明者】王元華, 吳曉磊, 劉波, 徐宏, 費達 申請人:華東理工大學