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研究生: 黃柏翰
Bo-Han Huang
論文名稱: 熱水鍋爐數據驅動模型與基因演算法之初步研究
Preliminary Research of Optimization of Boiler System Operations Based on Data-Driven Model
指導教授: 董必正
Pi-Cheng Tung
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2020
畢業學年度: 108
語文別: 中文
論文頁數: 72
中文關鍵詞: 工業鍋爐熱效率NOx排放深度學習參數最佳化
外文關鍵詞: Industrial boiler, Thermal efficiency, NOx emission, Deep Learning, Parameter optimization
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  • 鍋爐是現代工業製造過程中提供熱能、熱水、蒸汽等動力的主要來源,廣泛應用於汽電共生廠、化學工業製程加熱、造紙業、食品業之滅菌消毒製程、紡織業染整製程、電子製程清洗等等。其中,由於工業長時間的運轉需求與永續環保意識的提升,使得能源使用以及汙染排放成為評估鍋爐性能的重要指標。而影響鍋爐性能的重要因素除了鍋爐爐體、燃燒器以及熱交換器的設計以外,鍋爐運作仍會受到環境如溫度、氣體溫度等外部條件所影響,造成鍋爐性能的不穩定。因此,如何使鍋爐智慧化,提升鍋爐運作效率與降低污染排放量,是經濟與環保的重要議題。本論文以上述為出發點,於工業用熱水鍋爐建立數據驅動模型,針對鍋爐兩個重要指標:熱水加熱熱效率與氮氧化物排放量(NOx)進行模型建立,並使用基因演算法尋找優化參數組合,以期提升鍋爐性能。


    Boiler is the major source to provide the thermal energy, hot water, steam, and power generation for the manufacturing processes of modern industries, which is widely used in steam-electricity cogeneration plant, process heating of chemical industry, paper manufacturing industry, sterilization processes of food industry, dyeing processes of textile industry, cleaning processes of electronic industry, etc. Hence, how to develop a smart boiler that could improve boiler efficiency and reduce emissions via the feedback control is an important economic and environmental issue. This paper has developed data-driven models from hot-water boiler, which has two important performance index of boiler, heat efficiency and NOx emission. Genetic Algorithm is applied to find the better control parameters of the boiler, which help improve the performance of the boiler.

    摘要 I Abstract III 誌謝 IV 目錄 V 圖目錄 VIII 表目錄 XI 第一章 緒論 1 1.1研究動機與目的 1 1.2文獻回顧 2 1.3文章架構 3 第二章 工業熱水鍋爐與效率指標 4 2.1鍋爐效率指標 4 2.1.1 熱效率 4 2.1.2 熱式氮氧化物(NOx)的生成 5 2.2煙氣再循環技術(Flue Gas Recirculation, FGR) 7 第三章 數據驅動模型介紹 9 3.1受限波茲曼機(restricted Boltzmann machine, RBM) 9 3.1.1 RBM模型架構 9 3.1.2 RBM模型訓練方法 12 3.2深度信念網路(Deep Belief Network, DBN) 13 3.2.1 深度信念網路模型訓練方法 14 3.3倒傳遞類神經網路(Back Propagation Network, BPN) 15 3.3.1 倒傳遞類神經模型架構 16 3.3.2 倒傳遞類神經模型訓練方法 17 3.4參數最佳化演算法 - 基因演算法 19 3.4.1 編碼方式 20 3.4.2 適應函數定義 21 3.4.3 擇優複製(Reproduction) 22 3.4.4 交配(Crossover) 23 3.4.5 突變(Mutation) 24 第四章 實驗規劃與模型設計 25 4.1硬體設備介紹 25 4.1.1 熱水鍋爐設備介紹 25 4.1.2 實驗設計 29 4.1.3 資料蒐集方式 31 4.2軟體程式介紹 31 4.2.1 PLC資料發送程式 32 4.2.2 資料擷取程式 33 4.2.3 資料前處理 43 4.3預測模型訓練 47 4.3.1 模型開發環境 47 4.3.2 模型開發架構 47 第五章 實驗結果 50 5.1模型驗證與收斂情形 50 5.1.1 熱效率模型訓練結果 50 5.1.2 Nox排放模型訓練結果 52 5.1.3 基因演算法-熱效率模型測試成果 53 第六章、結論與未來展望 55 參考文獻 56

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