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沙生灌木发电集料处理机械作业系统优化研究

作　者: 胡艳英
导　师: 王述洋
学　校: 东北林业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 沙生灌木生物质发电作业系统优化生物质集料处理集料处理机械系统
分类号: S776
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

在我国北部沙漠边缘地区,有丰富的沙生灌木资源,这类植物对当地盛态环境保护具有重要意义。沙生灌木有一重要生长特性,在生长3-5年后,需进行平茬复壮,这样才能保证其更好的生存、生长,否则将导致大面积枯萎死亡。由于平茬作业要求高且没有经济收益,在当地几乎没有人愿意从事这项工作。沙生灌木平茬剩余物是很好的生物质资源,若能采用生物质直燃发电技术对其充分利用,不仅企业能获得经济收益,还会给当地农民带来经济收益,同时使沙生灌木获得大面积存活、生长的机会,可谓一举多得。然而在实际操作中,已投资的沙生灌木发电项目并未获得预期利润,其中一个很重要的原因是集料处理成本过高导致发电成本大于发电价格,企业不能生产运营。本文就沙生灌木发电集料处理机械作业系统进行优化研究,以期找到最小成本下的最优工艺路径。针对集料处理机械作业系统中各工序步的作业时间和作业顺序问题,本文基于沙生灌木含水率测定试验进行研究,通过对不同环境、不同处理方式下的灌木平茬剩余物含水率下降速度进行测试,得出主要工序步的作业时间段和作业顺序,从而确定了作业系统的工序步作业起止时间和工艺路径框架。针对工艺路径优化问题,本文采用机械系统优化理论和大系统理论,对沙生灌木发电集料处理机械作业系统实施先分解后协调的研究方法,首先对各子系统进行功能分析和设备选型,然后对各子系统的工艺成本进行算法设计,最后结合实例进行综合计算,检验各算法并对算法进行修正。通过研究得到了最低工艺成本下的最优工艺路径和最小工艺成本,并在研究过程中实现了现有设备的选型、创新、改良。结合计算机程序辅助设计手段,本文基于遗传算法对作业系统进行了优化程序设计,针对所有可能的工序组合进行了全局搜索,最后获得了最小工艺成本下的工艺路径。由于集料处理作业系统属于发电作业系统的一部分,仅对集料处理作业系统的优化尚不能保证发电项目实现赢利目标。文章采用模糊评价法构建了生物质发电项目的评价体系,只有通过评价体系相应评级标准,其集料处理作业系统优化才具有现实操作意义。通过上述研究可知在当前人力资源成本、设备成本、运输成本条件下,沙生灌木集料处理作业成本可降至合理水平,能够实现当前电价下获取利润的目标；通过优化设计获得的工艺路径在实例中操作可行,可进行推广；在研究中创新设计的平茬—切断一体机可节约27%左右的集料处理成本,建议进行更深入细致的研究；以模糊评价法构建的生物质评价体系通过实例验证能推广使用。沙生灌木发电项目是我国刚刚兴起的生物质项目,它的推广对于企业获取经济效益、建厂区域获得良好社会效益和环境效益都有重要作用,希望通过本文研究能够对沙生灌木发电项日推广应用起到有益的作用。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
1 绪论  14-26
  1.1 课题背景  14-15
  1.2 我国生物质概况  15-16
    1.2.1 生物质及林木生物质的含义及分类  15-16
    1.2.2 我国生物质现状  16
  1.3 生物质发电情况概述  16-20
    1.3.1 电力缺口已对我国社会发展造成巨大影响  16-17
    1.3.2 我国生物质发电情况简析  17-18
    1.3.3 国外生物质发电情况概述  18-19
    1.3.4 沙生灌木发电概况  19-20
  1.4 沙生灌木集料处理机械作业系统优化研究现状  20-22
    1.4.1 集料处理机械作业系统相关定义的提出  20
    1.4.2 生物质发电优化研究现状  20-21
    1.4.3 集料处理机械作业系统优化研究现状  21-22
  1.5 本文研究的目的、意义及主要内容  22-26
    1.5.1 本文研究的目的  22-23
    1.5.2 本文研究的意义  23-24
    1.5.3 本文研究的主要内容  24-26
2 基于含水率测定的作业系统工序步作业时间及顺序研究  26-39
  2.1 沙生灌木定义及其植物生长特性  26-27
    2.1.1 沙生灌木平茬的原因  26
    2.1.2 沙生灌木平茬的具体要求  26-27
  2.2 试验设定与准备  27-29
    2.2.1 试验的原材料及测量地选择  27
    2.2.2 测定方法  27-29
    2.2.3 试验的环境情况介绍  29
  2.3 试验结果与分析  29-34
    2.3.1 不同切削方式对各种沙生灌木含水率的影响  30-32
    2.3.2 采用搭棚方式对灌木含水率变化的影响  32-33
    2.3.3 打捆方式对沙生灌木含水率的影响  33-34
  2.4 沙生灌木平茬剩余物含水率变化对工艺路径的影响  34-38
    2.4.1 含水率变化对工序步的选择及工序步作业时间的影响  34-36
    2.4.2 沙生灌木剩余物在不同处理方式下运输时间段的确定  36-37
    2.4.3 含水率对工序步作业顺序的影响  37-38
  2.5 本章小结  38-39
3 基于机械系统优化及大系统理论的作业系统优化研究  39-69
  3.1 作业优化理论概述  39-45
    3.1.1 机械系统优化理论基础  39-41
    3.1.2 大系统优化理论  41-45
    3.1.3 组合优化理论  45
  3.2 作业系统的优化理论及方法选择  45-47
  3.3 平茬子系统优化分析  47-57
    3.3.1 平茬子系统的设备组成及功能分析  47-48
    3.3.2 现有平茬设备概述  48-54
    3.3.3 灌木平茬子系统工艺要求与机械设备选型研究  54-56
    3.3.4 平茬设备改良优化研究  56-57
  3.4 集散地加工子系统优化分析  57-61
    3.4.1 集散地位置及功能区设置  57-58
    3.4.2 集散地设备选型  58-60
    3.4.3 加工环节的优化原则和方法  60-61
  3.5 运输子系统优化分析  61-68
    3.5.1 沙生灌木的收集机械选型  62-63
    3.5.2 运输子系统车辆选型  63-64
    3.5.3 集散地的选址及个数的算法设计  64-65
    3.5.4 运输路径优化问题研究  65-68
  3.6 本章小结  68-69
4 作业系统的实例检验与优化算法修正  69-90
  4.1 沙生灌木发电厂概况  69-70
  4.2 作业系统规划思路  70-71
  4.3 作业系统成本优化过程  71-84
    4.3.1 平茬子系统优化计算  71-75
    4.3.2 集散地加工子系统优化计算  75-77
    4.3.3 运输子系统优化计算  77-84
  4.4 作业系统工艺成本模型修正  84
  4.5 利用机械优化理论与大系统理论对作业系统的优化结果  84-86
  4.6 平茬—切断一体机设计研究  86-89
  4.7 优化工序的实际应用情况介绍  89
  4.8 本章小结  89-90
5 基于遗传算法的作业系统优化研究  90-104
  5.1 遗传算法介绍  90-91
  5.2 作业系统优化模型设计  91-92
  5.3 作业系统工序的遗传算法设计  92-96
    5.3.1 编码方案设计  92-93
    5.3.2 适应度函数设计  93-94
    5.3.3 原始种群的初始化及选择策略  94
    5.3.4 交叉算子和变异算子的设定  94
    5.3.5 终止准则  94-95
    5.3.6 算法程序实现  95-96
  5.4 程序编码和计算结果分析  96-98
  5.5 运行参数对运算结果的影响  98-102
    5.5.1 初始种群数对运算结果的影响  98-99
    5.5.2 迭代步数对运算结果的影响  99-100
    5.5.3 交叉概率对运算结果的影响  100-101
    5.5.4 变异概率对运算结果的影响  101-102
  5.6 其他案例的遗传算法检验  102-103
  5.7 本章小结  103-104
6 生物质发电项目评价体系构建及意义  104-111
  6.1 评价方法的选择与评价体系构建  104-107
    6.1.1 评价方法的选择  104
    6.1.2 评价指标的确定  104-105
    6.1.3 权重向量设置方法  105-106
    6.1.4 确定评定集E及隶属矩阵R  106-107
  6.2 项目介绍及评价结果  107
  6.3 结果讨论与修正  107-110
    6.3.1 结果与修正  107-108
    6.3.2 修正后的实例检测  108-110
  6.4 评价体系对作业系统的意义  110
  6.5 本章小结  110-111
结论  111-113
参考文献  113-122
附录  122-123
攻读学位期间发表的学术论文  123-124
致谢  124-125

沙生灌木发电集料处理机械作业系统优化研究

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