一种面向酿酒工艺的余热梯级耦合系统与智能控制方法与流程

本发明涉及热力学工程，尤其涉及一种面向酿酒工艺的余热梯级耦合系统与智能控制方法。

背景技术：

1、酿酒工业作为传统高耗能产业的典型代表，其能源利用效率提升与工艺流程重构已成为行业转型升级的核心驱动力。白酒、黄酒等酿造过程是涉及多相流传热、生化反应与精馏分离的复杂系统工程，核心工序涵盖原料预热浸渍、高温蒸煮糊化、糖化发酵、蒸馏提纯及洗涤灭菌，各环节均伴随大量高品位蒸汽输入与大规模热质交换。从热力学角度分析，酿酒全流程在消耗能源的同时，产生了分布广泛、温度梯度跨度巨大的余热资源，包括锅炉高温烟气（160-220℃）、蒸馏二次蒸汽（95-100℃）、出甑高热酒糟（80-90℃）及工艺废水（30-40℃）等，具备极高的回收利用潜力。

2、现有酿酒余热回收技术主要分为两类：一类是单一工段的末端治理模式，如在锅炉尾部加装省煤器回收烟气显热，或采用普通板式换热器回收蒸馏残液热量。这类技术仅实现局部能量回收，未打破工序间的能量孤岛，违背高质高用、能级对等的热力学原则，导致高品位热能被降级用于低品位需求，造成严重的熵增与能量浪费。同时，酿酒生产具有极强的批次化、间歇性特征，各工段热负荷在时间序列上高度非同步，传统静态回收系统缺乏柔性储能缓冲，无法调节余热供给与工艺需求的瞬时错位，导致系统频繁出现能量冗余与匮乏交替的现象。

3、另一类是近年来发展的智能化热负荷控制技术，如公开号为cn117078047a专利名称为一种基于lstm的热负荷预测与分配优化方法及系统，通过lstm模型预测热电厂未来热负荷，并结合高背压机组参数优化热负荷分配方案。该技术虽提升了预测精度，但存在显著局限性：其一，应用场景局限于城市集中供热与热电联产系统，未针对酿酒工艺特有的多热源跨工序耦合、复杂介质换热等特征进行设计；其二，仅考虑热网侧与机组运行参数，未纳入酒糟含水率、废水固形物含量等酿酒工艺关键参数，无法适配酿酒生产的动态波动；其三，优化目标仅为机组热负荷承担比，未基于㶲损失最小化原则实现热能品位与工艺需求的精确匹配；其四，缺乏针对酿酒复杂介质的防垢、防腐设计及设备健康管理功能，无法解决换热效率随运行时间衰减的行业痛点。

4、现有控制技术多依赖传统pid控制策略，基于单点参数反馈的调节方式在面对跨工序、多变量耦合的复杂能量网络时，存在严重的滞后性与局限性。在多能互补与梯级利用场景下，各换热支路易产生相互干扰与耦合振荡，不仅无法实现热能最优分配，甚至可能影响酿酒生化反应的稳定性。此外，酒糟、工艺废水等介质含大量纤维碎屑、高浓度有机物及腐蚀性组分，传统换热设备长期运行易结垢、堵塞甚至腐蚀损毁，且缺乏智能化故障诊断与在线监测手段，运维人员难以精准识别能效下降诱因，只能依赖频繁停机维护，大幅增加了企业运营成本。

5、综上所述，现有酿酒余热回收技术未能系统性解决能量流能级不匹配、批次化生产供需错位、复杂介质设备积垢腐蚀、控制响应滞后及全流程协同优化不足等核心问题。因此，亟需开发一种深度契合酿酒动态工艺特征的余热梯级耦合系统与智能控制方法，实现跨工序能量协同、能级精确匹配、柔性储能缓冲、自适应抗垢诊断及预测性维护，从而全面提升酿酒行业能源利用效率，推动产业绿色化、智能化转型。

技术实现思路

1、本发明提供一种面向酿酒工艺的余热梯级耦合系统与智能控制方法，以解决现有酿酒余热回收技术仅采用单一工段点对点回收模式与传统静态pid控制，存在能量流能级不匹配、无法应对批次化生产的热量供需时空错位、复杂介质易引发设备积垢腐蚀，且控制响应滞后、多支路耦合扰动大、难以实现全流程水-热-功协同优化的问题。

2、为了解决上述问题，发明所采用的技术方案是：

3、一种面向酿酒工艺的余热梯级耦合系统，包括高温烟气能量回收模块、初级蒸汽冷凝热交换模块、酒糟显热提取模块、工艺废水余热采集模块、能级梯度调节热泵模块、相变储能平滑缓冲模块、多参数实时监测网络以及智能协同控制终端；

4、所述高温烟气能量回收模块设置于锅炉排烟支路，用于回收锅炉排烟显热；所述初级蒸汽冷凝热交换模块连接于蒸馏釜的二次蒸汽出口，用于回收二次蒸汽汽化潜热；

5、所述酒糟显热提取模块用于提取出甑高热酒糟的显热并同步实现物理脱水；所述工艺废水余热采集模块设置于清洗和勾兑废水排出口，用于采集低品位废水热能；

6、所述能级梯度调节热泵模块的输入端连接所述工艺废水余热采集模块的输出端，用于提升低品位余热的能位；

7、所述相变储能平滑缓冲模块分别与所述高温烟气能量回收模块、初级蒸汽冷凝热交换模块及能级梯度调节热泵模块热力耦合，用于调节生产批次间的热量供需错位；

8、所述多参数实时监测网络分布于各换热支路，用于实时采集温度、流量及积垢状态参数；

9、所述智能协同控制终端通过工业总线与各模块的执行机构及所述多参数实时监测网络连接，用于基于能级匹配逻辑和预测性控制算法，对全系统的能量流进行梯级分配与协同优化；所述智能协同控制终端还集成有基于高斯过程回归gpr算法的故障诊断模块，该模块通过分析换热器进出口压降与流量q的历史关联曲线，识别管路堵塞趋势和腐蚀损伤，并计算设备残余寿命rul；当预测的rul低于预设维护阈值时，系统自动生成维护工单并推送至运维人员的移动终端。

10、面向酿酒工艺的余热梯级耦合智能控制方法，包括以下步骤：

11、s1、同步采集各热源点与热需点的关键运行参数，包括锅炉烟气参数、蒸馏蒸汽参数、酒糟初始温度与含水率、工艺废水参数，以及后端工艺的待预热工艺水参数；

12、s2、将历史生产计划、气象环境参数及前序工段运行状态作为输入向量，通过预设的长短期记忆网络（lstm）预测模型，输出未来一个生产周期内各工点的余热产生量预测序列和热负荷需求序列；

13、s3、根据预测结果遵循㶲损失最小化原则，优先调度高温烟气余热和二次蒸汽冷凝热供给对应品位的高温工艺热需求，并根据瞬时供需差值动态调节相变储能平滑缓冲模块的工作状态及能级梯度调节热泵模块的启停；

14、s4、采用自抗扰控制adrc算法，通过扩张状态观测器eso实时估计系统内外部总扰动并生成补偿控制信号，调节各支路循环泵频率和调节阀开度；

15、s5、自适应抗垢诊断：通过超声波积垢监测仪获取换热管壁的声时差特征信号并计算积垢热阻，当积垢热阻超过预设阈值时，自动启动对应换热模块的在线清洗装置，或调整所述酒糟显热提取模块的螺旋传导换热器转速进行机械自清理。

16、本方案的原理与优点在于：

17、本方案的原理是首先通过高温烟气能量回收模块、初级蒸汽冷凝热交换模块、酒糟显热提取模块、工艺废水余热采集模块四大单元，全域收集酿酒生产过程中不同温度品位的分散余热，打破各生产工序之间的能量孤岛；再由能级梯度调节热泵模块对低品位废水余热进行热能升级，弥补低品位热源无法匹配高温工艺需求的短板，同时借助相变储能平滑缓冲模块实现热量的存储与释放，对冲酿酒批次化生产带来的热量供需时空错位问题。依托布设于各换热支路的多参数实时监测网络，实时采集温度、流量、积垢等全维度运行数据并上传至智能协同控制终端，终端以长短期记忆网络模型预判后续热负荷变化，结合㶲损失最小化原则完成全系统热能梯级分配，同时采用自抗扰控制算法实时抑制多换热支路产生的耦合扰动；针对酿酒介质易积垢、腐蚀的特性，系统通过超声波监测手段实时核算积垢热阻，联动执行在线清洗或机械自清理动作，并且依靠高斯过程回归算法开展设备状态监测与寿命预测。

18、与现有技术相比，现有技术多采用单一工段点对点的余热回收模式，仅能利用单一种类余热且普遍存在高品位热能降级使用的问题，本方案整合锅炉烟气、蒸馏蒸汽、高热酒糟、生产废水四类差异化余热，严格遵循能级匹配原则分配热能，大幅减少能量熵增，实测可将系统综合㶲效率提升一倍以上；针对酿酒生产批次间歇性、热负荷波动大的特点，现有静态回收系统无法平衡热量供需差，频繁出现热量富余或供给不足的情况，本方案搭配相变储能模块与热泵模块协同工作，可在余热过剩时储热、余热不足时补热，彻底解决供需时空错位问题，有效降低锅炉辅助加热的能源消耗。在控制层面，传统pid控制面对多支路耦合工况响应滞后、温度波动大，难以满足酿酒生化反应的严苛温度要求，本方案采用lstm热负荷预测结合adrc自抗扰控制，提前预判负荷变化并实时补偿各类扰动，将工艺用水温度波动控制在极小范围，保障酿造工艺稳定性。此外，现有技术缺少针对酒糟、有机废水等复杂介质的在线监测与维护手段，设备易结垢腐蚀、维护频次高，本方案通过超声波积垢监测联动自清理机制，并结合gpr算法实现设备残余寿命预测、自动推送维护工单，将设备运维周期大幅延长，减少停机时长与人工运维成本，实现了余热高效利用、工艺稳定运行、设备长效可靠运行的多重增益。

19、进一步，所述高温烟气能量回收模块内部集成有重力式热管换热器，所述重力式热管换热器包括置于烟气流道内的蒸发段和伸入给水预热箱的冷凝段，热管内部充装有丙酮或甲醇作为传热工质，内部真空度保持在之间；所述初级蒸汽冷凝热交换模块采用壳管式冷凝器，壳程流通二次蒸汽，管程流通待加热工艺用水，管壁采用316l不锈钢材质，且表面涂覆有200nm至500nm厚的纳米级疏水防垢层，重力式热管以丙酮或甲醇为传热工质并维持设定真空度，能够在锅炉烟气常规温度区间内实现高效相变导热，快速将烟气中的显热传递至给水预热箱，显著提升烟气余热的回收效率，同时热管结构换热阻力小、运行稳定，可长期适应烟气工况；壳管式冷凝器选用316l不锈钢管壁，能够有效抵御蒸馏二次蒸汽中微量有机物与腐蚀性组分侵蚀，避免管壁锈蚀损坏，而管壁外涂覆的200nm至500nm纳米疏水防垢层，既可以降低冷凝液表面张力、强化滴状冷凝效果，进一步提升蒸汽潜热回收能力，又能阻碍有机杂质附着结焦，减缓换热面结垢速率，保障初级蒸汽冷凝热交换模块长期维持高换热效率，整体从传热效率、耐腐蚀、防结垢多个维度提升了两大换热模块的运行性能与使用寿命。

20、进一步，所述酒糟显热提取模块包括螺旋传导换热器，所述螺旋传导换热器由中心旋转轴、螺旋叶片及外部夹套组成；所述螺旋叶片的螺距从进料口的p1渐变至出料口的p2，p2/p1的比例为0.6-0.8；所述中心旋转轴内部设有中空通道，与所述外部夹套共同构成双面换热结构；所述螺旋传导换热器连接有变频电机，所述智能协同控制终端根据酒糟含水率和初始温度调节变频电机转速，转速调节范围为5rpm-30rpm，螺旋传导换热器依托渐变螺距设计，出料端螺距缩小使酒糟在输送过程中受到逐步增大的挤压作用，一方面能够强化酒糟与换热结构之间的接触换热效果，提升显热提取效率，另一方面可对酒糟实现物理脱水，降低后续处理工序的能耗；中心旋转轴中空通道与外部夹套形成双面换热结构，大幅拓展了有效换热面积，进一步强化整体传热能力。同时，智能协同控制终端可根据酒糟含水率、初始温度实时调节变频电机转速，在5rpm至30rpm区间灵活适配不同工况下的酒糟输送与换热需求，既能避免转速过快导致换热不充分，也可防止转速过慢造成物料堆积，让酒糟显热提取模块始终保持高效、稳定的运行状态。

21、进一步，所述工艺废水余热采集模块采用宽流道板式换热器，流道间隙为8mm-12mm；板片采用哈氏合金c-276材质，表面通过等离子喷涂工艺制备有二氧化钛光催化自洁涂层；所述工艺废水余热采集模块内设有紫外光源，用于诱导所述二氧化钛涂层产生强氧化性基团，分解附着在板片表面的有机污染物，本模块采用8mm-12mm的大间隙流道设计，可有效容纳酿酒废水中的纤维碎屑、悬浮颗粒物等杂质，避免流道堵塞，保障废水正常流通与连续换热；板片选用哈氏合金c-276材质，能够耐受酿酒废水的酸性环境与有机组分腐蚀，延长设备整体使用寿命；板片表面通过等离子喷涂形成的二氧化钛涂层，搭配内置紫外光源使用时，可光催化产生强氧化性基团，持续分解附着在板面上的有机污染物与生物膜，实现换热面在线自清洁，有效抑制结垢现象，让宽流道板式换热器长期维持稳定的换热效率，减少停机清洗频次与运维成本。

22、进一步，所述能级梯度调节热泵模块采用r1234ze工质，配备磁悬浮离心式压缩机，通过调节压缩机转速和电子膨胀阀开度，使制热性能系数cop在3.5-5.0；所述相变储能平滑缓冲模块括复合相变材料储热罐，内部填充有两级相变单元，第一级相变温度为45℃-55℃，用于匹配洗涤用水蓄热，第二级相变温度为75℃-85℃，用于匹配糖化糊化用水蓄热；储热罐外层包覆有厚度≥100mm、导热系数＜0.024w/(mk)的聚氨酯发泡保温层，能级梯度调节热泵模块选用环保型r1234ze工质搭配磁悬浮离心式压缩机，通过动态调整压缩机转速与电子膨胀阀开度，可将制热性能系数稳定控制在3.5~5.0区间，既能高效提升工艺废水这类低品位余热的热能品位，又具备能耗低、运行能效高的优势；复合相变材料储热罐设置两级相变单元，分别对应45℃-55℃洗涤用水、75℃-85℃糖化糊化用水的温度需求，可依据不同工艺的用热要求精准完成热量存储与释放，有效平抑酿酒批次化生产带来的热量供需波动，解决热能供需时空错位问题；储热罐外侧包覆厚度不低于100mm、导热系数小于0.024w/(mk)的聚氨酯发泡保温层，能够大幅降低罐体静态散热损失，减少储热过程中的能量损耗，保障储能热量可以稳定供给至各用热工段。

23、步骤s3中所述㶲损失最小化原则的数学描述为：在满足所有工艺热需求的约束下，通过优化各热交换支路的质量流率，使系统总产熵率降至最低；所述总产熵率的表达式为：

24、,其中，为第j条支路流体的定压比热容，和分别为第j条支路流体的进口和出口热力学温度，为第k个不可逆过程的换热量，为对应过程的平均热力学温度；所述优化过程采用改进的粒子群优化算法pso，其中惯性权重随迭代次数k动态衰减，表达式为：,其中，为初始惯性权重，取值0.9；为最终惯性权重，取值0.4；为最大迭代次数，以㶲损失最小化为核心优化目标，依托总产熵率公式精准量化系统内各类不可逆过程造成的能量损耗，在全面满足各工段工艺热需求的前提下，通过优化各热交换支路的质量流率，最大限度减少热能梯级分配过程中的能量贬值与浪费，严格践行高质高用、能级对等的热能利用原则；同时采用惯性权重动态衰减的改进粒子群优化算法开展求解，该算法初始阶段取较大惯性权重0.9，可强化全局搜索能力，快速锁定最优解大致区间，随着迭代次数增加，惯性权重逐步降至0.4，能够增强局部精细搜索能力，提升解的收敛精度，有效平衡算法的全局寻优与局部收敛性能，既避免传统优化算法易陷入局部最优解的缺陷，又能快速、稳定地得到各支路最佳质量流率配比，让全系统始终维持在低熵增、高能效的运行状态。

25、进一步，步骤s4中所述自抗扰控制adrc算法包括跟踪微分器td、扩张状态观测器eso和非线性组合控制律nlsef；所述跟踪微分器td用于安排温度设定值的过渡过程并提取微分信号；所述扩张状态观测器eso的输出向量用于实时重构系统可测状态变量及不可测的内生扰动；所述非线性组合控制律nlsef根据温度偏差和扰动补偿量生成控制信号，通过脉冲宽度调制pwm信号驱动变频执行机构，将各工艺节点的出口温度波动控制在±0.5℃以内，采用的自抗扰控制算法整合跟踪微分器、扩张状态观测器与非线性组合控制律三大核心部分，其中跟踪微分器能够合理规划温度设定值的过渡过程并精准提取微分信号，可有效规避指令突变引发的系统震荡；扩张状态观测器可同步辨识系统可测状态与流量波动、介质物性变化等不可测内生扰动，实现对各类耦合干扰的全方位感知；非线性组合控制律结合温度偏差与扰动补偿量生成精准控制指令，并借助脉冲宽度调制方式驱动变频执行机构完成无级调节，最终将各工艺节点出口温度波动稳定控制在±0.5℃范围内。相较于传统pid控制，该控制架构无需依赖精确的系统数学模型，可实时补偿多换热支路带来的耦合扰动与外界工况变化，控制响应速度更快、抗干扰能力更强，既能保障酿酒工艺对温度环境的严苛要求，又能维持整个余热回收系统长期平稳运行。

26、进一步，步骤s5中所述积垢热阻的计算表达式为：其中，为换热管壁清洁状态与积垢状态下的超声波声时差，为换热管壁材料的导热系数，为换热管壁材料的密度，为超声波在换热管壁材料中的传播速度；当超过预设阈值时，系统自动启动宽流道板式换热器的在线超声波空化清洗装置，或提升螺旋传导换热器的转速，依托超声波声时差、管壁材质相关参数精准量化换热设备的积垢热阻，直观反映换热面的积垢程度，实现对积垢状态的定量化、实时在线监测；当积垢热阻超出预设阈值时，系统可针对性启动对应清理手段，对宽流道板式换热器启用超声波空化清洗，利用空化效应剥离板片表面附着的有机污染物与杂质，同时通过提升螺旋传导换热器的转速，借助物料流动产生的机械剪切力完成自清洁作业，两种清理方式分别适配不同换热设备的结构与介质特性，无需人工停机检修即可完成除垢作业，有效抑制积垢带来的换热效率衰减，保障整套余热回收系统持续高效运转，同时降低设备运维工作量与停机损失。