球式熱風爐燒爐過程建模與能耗優(yōu)化方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種球式熱風爐燒爐過程建模與能耗優(yōu)化方法及系統(tǒng)，能實現(xiàn)節(jié)能、降低成本的目的。方法包括：S1、根據(jù)傳熱學和流體力學原理建立熱風爐在燒爐和送風兩個階段的蓄熱室瞬態(tài)傳熱模型，并給出模型計算的邊界條件和初始條件；S2、計算所述蓄熱室瞬態(tài)傳熱模型，根據(jù)所述蓄熱室瞬態(tài)傳熱模型的計算結(jié)果并結(jié)合熱風爐的工作制度，采用分時段優(yōu)化煤氣流量的方法建立以煤氣量為優(yōu)化目標，滿足拱頂溫度、廢氣溫度、熱風流量和溫度以及熱效率等約束條件的優(yōu)化模型；S3、求解所述優(yōu)化模型，得到使得能耗最小的煤氣流量隨時間變化曲線；S4、根據(jù)所述煤氣流量隨時間變化曲線對球式熱風爐燒爐過程的煤氣流量進行控制。
【專利說明】
球式熱風爐燒爐過程建模與能耗優(yōu)化方法及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及熱風爐技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種球式熱風爐燒爐過程建模與能耗優(yōu)化 方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 熱風爐是高爐煉鐵系統(tǒng)中重要的組成部分，為高爐煉鐵過程提供高溫的熱風，是 高爐主要的能量來源。據(jù)統(tǒng)計，熱風溫度每提高l〇〇°C，可提高風口燃燒溫度20~300°C，可 增產(chǎn)3%~5%，可降低焦比4%~7%，還可允許增加噴吹煤粉15~40Kg/t，因此熱風爐對高 爐煉鐵過程節(jié)能減排的實現(xiàn)具有非常重要的作用。熱風爐主要分為燒爐和送風兩個工作階 段，燒爐階段一般是通過燃燒高爐煤氣將熱量貯存到熱風爐的蓄熱室中，對熱風爐系統(tǒng)的 控制主要體現(xiàn)在對燒爐階段的控制。熱風爐工作時使用的高爐煤氣量非常大，而對熱風爐 進行有效地控制既能夠提高蓄熱效率，也能減少高爐煤氣的使用量，從而達到節(jié)能的目的。 現(xiàn)有的熱風爐控制技術(shù)主要有人工智能控制和數(shù)學模型控制方法。
[0003] 常用的人工智能控制有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制和專家系統(tǒng)等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對熱風爐燒 爐過程的自學習能力強，但是由于燒爐過程中的干擾因素比較多，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并不能很好地 反應(yīng)燒爐過程中輸入與輸出變量間的關(guān)系。模糊控制是通過設(shè)定合理的模糊規(guī)則表對熱風 爐進行控制，但是普通的模糊控制器難以保證控制效果最優(yōu)，并且其抗干擾能力不強。專家 系統(tǒng)是根據(jù)以往控制的經(jīng)驗進行總結(jié)和推理得出調(diào)節(jié)方法，然而熱風爐燒爐狀況是實時變 化的，因此專家系統(tǒng)控制的效果并不是很理想。
[0004] 通過建立數(shù)學模型的方法由于其依據(jù)科學原理，準確性和嚴密性比較好，可以實 時地反應(yīng)熱風爐在各個工作階段以及不同爐況下的內(nèi)在規(guī)律。但由于熱風爐內(nèi)存在復(fù)雜的 燃燒和熱量交換過程，建立完整的數(shù)學模型比較困難，因此在此方面的研究比較少并且沒 有形成權(quán)威。
[0005] 申請?zhí)枮镃N102819643A的專利公開了一種熱風爐傳熱蓄熱仿真模型的建模方法 及其應(yīng)用，該專利對格子磚孔的溫度場進行網(wǎng)格劃分，對蓄熱室的導熱及氣體間的換熱情 況建立數(shù)值求解方程，并對溫度隨時間和空間的變化進行求解，從而得到熱風爐傳熱蓄熱 仿真模型。利用建立的熱風爐傳熱蓄熱仿真模型，在相同初始條件下，計算不同燃燒策略下 到達燃燒終點時蓄熱量的增加值及消耗時間，通過比較獲得最佳的燃燒策略。但是該專利 只考慮了熱風爐的燃燒效率，沒有對能耗進行優(yōu)化，并且只對現(xiàn)有的幾種熱風爐燒爐操作 方式進行對比，沒有太大的實際指導價值。
[0006] 申請?zhí)枮镃N203240767U的專利提出了一種熱風爐燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過 0PC上傳接口讀取DCS控制系統(tǒng)中熱風爐的運行參數(shù)，由優(yōu)化控制器根據(jù)實際運行情況計算 出當前工況下的最佳空燃比，并將優(yōu)化后的控制參數(shù)通過0PC下載接口送給DCS控制系統(tǒng)實 現(xiàn)熱風爐的閉環(huán)與優(yōu)化控制。但是該專利是根據(jù)熱風爐的運行情況和主要控制的目標參數(shù) 來進行自尋優(yōu)，由于熱風爐燒爐過程存在時滯會導致自尋優(yōu)的結(jié)果不準確。并且在燒爐期 間不斷優(yōu)化和改變空燃比反而會導致燒爐過程的不穩(wěn)定。
[0007] 申請?zhí)枮镃N102912055A的專利提出了一種高爐熱風爐智能優(yōu)化控制系統(tǒng)，該專利 基于熱平衡實現(xiàn)對蓄熱效率的在線計算，根據(jù)高爐需要的送風總熱量及燒爐時間與熱風爐 蓄熱速率特性，設(shè)定一個合理的蓄熱速率設(shè)定曲線，根據(jù)蓄熱速率實時控制燒爐階段的燃 料量;并以蓄熱速率作為優(yōu)化目標值，采用進退法自尋優(yōu)算法優(yōu)化空燃比，使得燃料利用率 最大。但是該專利注重在同等燃料量下優(yōu)化蓄熱速率，沒有直接對燃料用量進行優(yōu)化，不能 取到較佳的節(jié)能效果;并且采用進退法自尋優(yōu)算法容易陷入局部最優(yōu)解，達不到預(yù)期的目 的。
[0008] 申請?zhí)枮镃N104630403A的專利公開了 一種頂燃式熱風爐的燒爐控制方法及燒爐 控制系統(tǒng)，該專利根據(jù)熱風爐的特點，采用安全吹掃消除安全隱患，采用快速燃燒節(jié)約燃燒 時間，采用改變空氣過剩系數(shù)以節(jié)能并快速蓄熱，最終達到安全、節(jié)能和環(huán)保的目的。該專 利采用快速燃燒方法雖然能節(jié)約燃燒時間，但沒有考慮蓄熱效率，反而造成了煤氣的浪費。 并且由于熱風爐燒爐過程的時滯性，根據(jù)空氣過剩系數(shù)的變化對熱風爐進行調(diào)節(jié)的方法不 能夠及時地改變燒爐狀況，導致燒爐不穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是一種根據(jù)傳熱學、計算流體力學并結(jié)合可檢測的數(shù)據(jù)來建立熱風 爐在燒爐階段和送風階段的蓄熱室瞬態(tài)傳熱模型，然后利用建立的模型和相應(yīng)的邊界條件 計算蓄熱體和煙氣或鼓風的溫度分布，最后對煤氣用量進行優(yōu)化使熱風爐在滿足拱頂溫 度、廢氣溫度、熱風流量和溫度以及換熱效率等約束條件下的煤氣總用量最少。
[0010] -方面，本發(fā)明實施例提出一種球式熱風爐燒爐過程建模與能耗優(yōu)化方法，包括：
[0011] S1、根據(jù)傳熱學和流體力學原理建立熱風爐在燒爐和送風兩個階段的蓄熱室瞬態(tài) 傳熱模型，并給出模型計算的邊界條件和初始條件；
[0012] S2、計算所述蓄熱室瞬態(tài)傳熱模型，根據(jù)所述蓄熱室瞬態(tài)傳熱模型的計算結(jié)果并 結(jié)合熱風爐的工作制度，采用分時段優(yōu)化煤氣流量的方法建立以煤氣量為優(yōu)化目標，滿足 拱頂溫度、廢氣溫度、熱風流量和溫度以及熱效率等約束條件的優(yōu)化模型；
[0013] S3、求解所述優(yōu)化模型，得到使得能耗最小的煤氣流量隨時間變化曲線；
[0014] S4、根據(jù)所述煤氣流量隨時間變化曲線對球式熱風爐燒爐過程的煤氣流量進行控 制。
[0015] 另一方面，本發(fā)明實施例提出一種球式熱風爐燒爐過程建模與能耗優(yōu)化系統(tǒng)，包 括：
[0016] 第一建模單元，用于根據(jù)傳熱學和流體力學原理建立熱風爐在燒爐和送風兩個階 段的蓄熱室瞬態(tài)傳熱模型，并給出模型計算的邊界條件和初始條件；
[0017] 第二建模單元，用于計算所述蓄熱室瞬態(tài)傳熱模型，根據(jù)所述蓄熱室瞬態(tài)傳熱模 型的計算結(jié)果并結(jié)合熱風爐的工作制度，采用分時段優(yōu)化煤氣流量的方法建立以煤氣量為 優(yōu)化目標，滿足拱頂溫度、廢氣溫度、熱風流量和溫度以及熱效率等約束條件的優(yōu)化模型；
[0018] 模型求解單元，用于求解所述優(yōu)化模型，得到使得能耗最小的煤氣流量隨時間變 化曲線；
[0019] 流量控制單元，用于根據(jù)所述煤氣流量隨時間變化曲線對球式熱風爐燒爐過程的 煤氣流量進行控制。
[0020] 本發(fā)明實施例提供的球式熱風爐燒爐過程建模與能耗優(yōu)化方法及系統(tǒng)，基于傳熱 學以及流體力學并結(jié)合熱風爐的工藝特點，建立了球式熱風爐蓄熱室的瞬態(tài)傳熱模型并進 行計算。該模型可以實時真實地反映熱風爐蓄熱室內(nèi)蓄熱情況，并能夠預(yù)測出廢氣溫度，為 能耗優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。根據(jù)熱風爐的操作制度，在瞬態(tài)傳熱模型的基礎(chǔ)上建立了以燒爐階 段煤氣總用量最小為目標，滿足拱頂溫度、廢氣溫度、熱風流量和溫度以及熱效率等約束條 件的優(yōu)化模型，并尋求能耗優(yōu)化模型的最優(yōu)解。瞬態(tài)傳熱模型和能耗優(yōu)化模型為熱風爐的 實際操作提供指導并達到了節(jié)能、降低成本的目的，對實現(xiàn)熱風爐的自動燒爐具有重大意 義。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明球式熱風爐燒爐過程建模與能耗優(yōu)化方法一實施例的流程示意圖；
[0022] 圖2為蓄熱室工藝結(jié)構(gòu)及傳熱分析圖；
[0023]圖3為瞬態(tài)傳熱模型計算流程圖；
[0024]圖4為能耗優(yōu)化模型求解流程圖；
[0025]圖5為煤氣流量最佳給定曲線圖；
[0026] 圖6為本發(fā)明球式熱風爐燒爐過程建模與能耗優(yōu)化系統(tǒng)一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0027] 為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例 中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明 一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有 做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0028] 如圖1所示，本實施例公開一種球式熱風爐燒爐過程建模與能耗優(yōu)化方法，包括：
[0029] S1、根據(jù)傳熱學和流體力學原理建立熱風爐在燒爐和送風兩個階段的蓄熱室瞬態(tài) 傳熱模型，并給出模型計算的邊界條件和初始條件；
[0030] S2、計算所述蓄熱室瞬態(tài)傳熱模型，根據(jù)所述蓄熱室瞬態(tài)傳熱模型的計算結(jié)果并 結(jié)合熱風爐的工作制度，采用分時段優(yōu)化煤氣流量的方法建立以煤氣量為優(yōu)化目標，滿足 拱頂溫度、廢氣溫度、熱風流量和溫度以及熱效率等約束條件的優(yōu)化模型；
[0031 ] S3、求解所述優(yōu)化模型，得到使得能耗最小的煤氣流量隨時間變化曲線；
[0032] S4、根據(jù)所述煤氣流量隨時間變化曲線對球式熱風爐燒爐過程的煤氣流量進行控 制。
[0033]具體實現(xiàn)方案如下：
[0034] (1)蓄熱室機理分析
[0035]本方案研究的對象針對于球式熱風爐，球式熱風爐的蓄熱體為相同物性參數(shù)的蓄 熱球。在燒爐階段，高溫煙氣與蓄熱球之間通過熱對流和熱輻射進行熱量交換，煙氣的熱量 得到釋放而蓄熱球貯存了煙氣釋放的熱量;在送風階段，鼓風與蓄熱球間進行熱量交換，蓄 熱球?qū)隣t階段貯存的熱量釋放給鼓風。無論是燒爐階段還是送風階段，蓄熱室中的熱量 交換主要是煙氣或鼓風沿著蓄熱室的縱向方向流動造成的。蓄熱室工藝結(jié)構(gòu)及傳熱分析圖 如圖2所示。
[0036] (2)蓄熱室瞬態(tài)傳熱模型建立
[0037]根據(jù)（1)中的機理分析，熱風爐燒爐和送風兩個階段的傳熱機理相同，因此只需建 立燒爐階段蓄熱室的瞬態(tài)傳熱模型。首先將蓄熱室空間從縱向上分為任意多個連續(xù)的厚為 dx的微元體，然后綜合考慮蓄熱室中煙氣運動、煙氣與蓄熱球間的熱對流和熱輻射，并忽略 煙氣流動過程中的熱損失和蓄熱球間的熱傳導，建立其一維瞬態(tài)傳熱模型：
[0038]
[0039]
[0040] 其中，公式（1)為蓄熱室中劃分的厚為dx微元體的煙氣的熱量守恒方程，式子左邊 為蓄熱室中煙氣沿縱向方向流動dx距離釋放的熱流量，Tf (X，t)為開始燒爐后t時刻流經(jīng)離 蓄熱室頂部X處的煙氣的溫度，Δχ為蓄熱室縱向方向上的位置微元，和分別為煙 氣沿縱向方向流動時與蓄熱球?qū)α鲹Q的熱流量和福射給蓄熱球的熱流量。公式(2)為對單 個蓄熱球所建立的熱量守恒方程，式子左邊為蓄熱球自身貯存的熱流量，Ts(x，t)為離蓄熱 室頂部X處的蓄熱球在開始燒爐后t時刻的溫度，分別為煙氣與單個蓄熱球?qū)α?換熱的熱流量和煙氣輻射給單個蓄熱球的熱流量。
[0041] 邊界條件的給定：
[0042] Tf(x = 0,t)=Tfin(t) (3)
[0043 ]式(3)表示蓄熱室入口處各時間點的煙氣溫度。
[0044] 初始條件的給定：
[0045] Ts(x,t = 〇)=Tsini(x) (4)
[0046] Tf(x,t = 0)=Tfini(x) (5)
[0047] 求解一維瞬態(tài)傳熱模型需要給定蓄熱室中蓄熱球和煙氣初始的溫度分布，公式 (4)表不初始時刻的蓄熱球溫度分布，公式(5)表不初始時刻的煙氣溫度分布。
[0048] (3)模型參數(shù)確定
[0049] 蓄熱室的瞬態(tài)傳熱模型分為煙氣模型和蓄熱球模型，分別對應(yīng)公式（1)和公式 (2)。在煙氣模型和蓄熱球模型中的部分參數(shù)未確定，需要明確地給出其計算方法：
[0050] 1)煙氣模型參數(shù)
[00511煙氣是高爐煤氣燃燒后的產(chǎn)物，而高爐煤氣的主要成分有0)，0)2，犯，出。在熱風爐 燃燒室中，高爐煤氣與助燃空氣充分燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生的煙氣主要成分為c02，N2，H20，反應(yīng)方 程式如下。
[0052] 2CO+〇2 = 2C〇2 (6)
[0053] 2H2+〇2 = 2H20 (7)
[0054] 煙氣體積流量的確定：
[0055] 根據(jù)高爐煤氣中各成分的體積分數(shù)以及燃燒反應(yīng)的氣體系數(shù)關(guān)系，可以得出煙氣 體積流量與高爐煤氣流量間的關(guān)系如下：
[0056]
[0057]公式(8)中^表示高爐煤氣的體積流量，mCO、?%、"沁和《%^分別表示高爐煤氣 中成分⑶^和說的體積分數(shù)。
[0058]煙氣密度Pf及比熱容cf的確定：
[0059] 根據(jù)煙氣的各成分密度、比熱容及其相應(yīng)體積分數(shù)可得煙氣密度如下，
[0060]
[0061]
[0062]
[0063] 熱流量么_.的確定：
[0064] 根據(jù)牛頓冷卻公式，煙氣流過蓄熱室微元體與蓄熱球發(fā)生對流換熱的熱流量為：
[0065]
[0066] 公式(11)中A為煙氣流過蓄熱室微元體時與蓄熱球總的換熱面積，計算公式如下：
[0067] f
[0068] 公式(12)中R為蓄熱室截面半徑，μ為蓄熱室的孔隙率，r為蓄熱球的半徑；
[0069] h為煙氣與蓄熱球的對流換熱系數(shù)，可以通過如下式子得到：
[0070]
[0071]公式(13)中Nu為努塞爾數(shù)，L為蓄熱室的長度，k為煙氣的導熱系數(shù)。
[0072] 熱流量的確定：
[0073]煙氣對蓄熱球熱輻射主要受煙氣中〇)2與出0的影響，可將煙氣看成灰體，根據(jù)斯忒 藩-玻爾茲曼定律，可得在蓄熱室微元體中煙氣對蓄熱球總的輻射熱流量計算公式如下：
[0074] f / \ ~ ^ /
[0075] 公式（14)中<^為煙氣的輻射吸收率，^和^分別為蓄熱球和煙氣的輻射發(fā)射率，〇 為黑體輻射常數(shù)。
[0076] 2)蓄熱球模型參數(shù)
[0077]蓄熱球的物性參數(shù)如密度PS，比熱容Cs是確定的常數(shù)，單個蓄熱球體積1計算公式 如下：
[0078]
[0079] 根據(jù)牛頓冷卻公式，煙氣與單個蓄熱球間對流換熱的熱流量計算如下。
[0080]
[0081]公式(16)中心為單個蓄熱球的表面積，計算公式如下：
[0082] As = 4Jir2 (17)
[0083] 根據(jù)斯或藩-玻爾茲曼定律，可得煙氣對單個蓄熱球福射熱流量計算公式如下：
[0084] \ J / \ J /
[0085] (4)能耗優(yōu)化模型的建立
[0086] 在熱風爐燒爐過程中，需要消耗大量的高爐煤氣，然而現(xiàn)有的燒爐方式?jīng)]有對高 爐煤氣的用量進行有效地優(yōu)化，造成了能量不必要的浪費，因此建立以煤氣用量最小為目 標的優(yōu)化模型是十分必要的。由于對熱風爐煤氣流量的調(diào)節(jié)是通過閥門控制，而出于安全 考慮閥門不能連續(xù)多次調(diào)節(jié)，因此在實際操作中閥門調(diào)節(jié)是分級并且分時段調(diào)節(jié)。將燒爐 時間等分為η段，忽略每段時間內(nèi)煤氣流量的波動，以煤氣總用量最小為目標建立滿足熱風 爐燒爐過程中各約束條件的優(yōu)化模型：
[0087]
[0088]
[0089] 公式（19)中表示第1段燒爐時間高爐煤氣的體積流量，為第1段燒爐時間的時 長，Q為煤氣消耗總量。公式(20)中的不等式分別是對拱頂溫度、廢氣溫度、蓄熱室頂部蓄熱 球溫度以及廢氣溫度與蓄熱室底部蓄熱球溫差的約束。Td表示拱頂溫度，Iw表示廢氣溫度， Ts表示蓄熱球的表面溫度，Tws表示蓄熱室底部蓄熱球的表面溫度，Θ表示廢氣與蓄熱室底部 蓄熱球表面溫度差的絕對值的臨界值，T dmax和Tdmin分別為拱頂溫度Td的上下臨界值， 別為廢氣溫度Iw的上下臨界值，Tsmax和Tsmin分別為蓄熱球的表面溫度Ts的上下臨界 值。從熱風爐工藝和安全角度出發(fā)，拱頂溫度、廢氣溫度、蓄熱球表面溫度不能超過其承受 的最大溫度;而從蓄熱室的熱效率來看，拱頂溫度、廢氣溫度、蓄熱球的表面溫度必須得大 于一定的溫度值。廢氣溫度與蓄熱室底部蓄熱球的溫差代表著蓄熱室蓄熱量的大小，溫差 越小表示蓄熱室中的蓄熱量越大。
[0090] (5)模型求解
[0091]在能耗優(yōu)化模型中的部分參數(shù)是未知并且時變的，需要通過瞬態(tài)傳熱模型計算得 到，所以在求解能耗優(yōu)化模型時需要結(jié)合瞬態(tài)傳熱模型的計算結(jié)果。本方案采用有限差分 的方法求解熱風爐蓄熱室的瞬態(tài)傳熱模型，即將計算域劃分為互不重疊的時間和空間二維 子域來實現(xiàn)瞬態(tài)傳熱模型的離散然后求解離散方程。為簡化模型和提高運算效率，忽略熱 輻射，瞬態(tài)傳熱模型離散后的結(jié)果如下：
[0092]
[0093]
[0094]其中i表示蓄熱室中煙氣或蓄熱球的位置，j表示熱風爐燒爐的時間，表示第 i+Ι空間迭代步，第j時間迭代步的煙氣溫度，Ts(1d表示第i空間迭代步，第j時間迭代步的 蓄熱球溫度，At為每個時間迭代步的步長。公式(21)是瞬態(tài)傳熱模型中煙氣模型離散后的 結(jié)果，根據(jù)此方程可以得出蓄熱室中煙氣溫度的時空分布;公式(22)是對蓄熱球模型離散 后的方程，可以通過此方程計算出蓄熱球溫度的時空分布。如圖3所示，蓄熱室瞬態(tài)傳熱模 型的具體計算流程如下：
[0095] Stepl:初始化蓄熱室的煙氣和蓄熱球溫度分布，即給定煙氣初始溫度分布為 ，蓄熱球的初始溫度分布為=7^;給定邊界條件，即蓄熱室入口的煙氣 溫度定燒爐時間迭代初值j = 0,最大的空間迭代步數(shù)和時間迭代步數(shù)； [0096] Step2:空間迭代步數(shù)賦初值i = l，時間迭代步j(luò) = j+Ι;
[0097] Step3:利用瞬態(tài)傳熱模型的離散方程式(21)和(22)計算第i空間迭代步，第j時間 迭代步的煙氣溫度分布Γ,(Λ/Ι和蓄熱球溫度分布ΓΜ，空間迭代步數(shù)i=i+l;
[0098] Step4:判斷空間迭代步數(shù)是否達到迭代終止條件，若是則停止迭代，轉(zhuǎn)到Step5; 否則繼續(xù)執(zhí)行Step3;
[0099] Step5:判斷時間迭代步數(shù)是否達到迭代終止條件，若是則停止迭代，結(jié)束整個計 算過程;否則轉(zhuǎn)到Step2。
[0100] 根據(jù)熱風爐的操作制度，采用分時段枚舉煤氣流量的方法來尋求能耗優(yōu)化模型的 最優(yōu)解。能耗優(yōu)化模型中將燒爐時間等分為η段，每段時間給定一個煤氣流量值進行計算。 但實際上熱風爐會存在一個可控煤氣流量范圍，而且流量調(diào)節(jié)閥不宜頻繁調(diào)節(jié)，因此將可 控范圍的煤氣流量等分為d級。因為在熱風爐燒爐初期需迅速提升拱頂溫度，所以在每個燒 爐時段按從大到小的順序依次枚舉煤氣流量，每次枚舉各時段煤氣流量的組合都是能耗優(yōu) 化模型的一個可能解，共有d n種能耗優(yōu)化模型的可能解，d和η的取值由計算機的運算效率 和熱風爐操作制度決定。如圖4所示，能耗優(yōu)化模型的詳細求解步驟如下：
[0101] Stepl:給定燒爐時間段數(shù)η，煤氣流量級數(shù)d，最小能耗min并賦予較大初值優(yōu)化模 型可能解的枚舉計數(shù)P = 〇;
[0102] Step2:初始化煙氣和蓄熱球的溫度分布，燒爐時間段計數(shù)賦初值q = l，p = p+l; [0103] Step3:結(jié)合瞬態(tài)傳熱模型按第p種可能解給出的各燒爐時段煤氣流量計算第q段 燒爐時間末的煙氣、蓄熱球溫度分布；
[0104] Step4:時間段計數(shù)q = q+l;判斷q是否大于n，若是則轉(zhuǎn)到step5,否則轉(zhuǎn)到step3;
[0105] Step5:計算當前可能解的總能耗Y，判斷其是否小于最小能耗并且滿足給定的約 束條件，若是則更新最小能耗，否則轉(zhuǎn)到step6;
[0106] Step6:判斷p是否大于dn，若是則停止迭代，結(jié)束整個計算過程，得出能耗優(yōu)化模 型的最優(yōu)解即最佳的煤氣流量給定曲線，否則轉(zhuǎn)到step2。
[0107] 本發(fā)明從機理的角度對球式熱風爐蓄熱室中的瞬態(tài)傳熱過程和流體運動進行分 析，根據(jù)蓄熱室中熱量交換情況可以得出熱風爐的蓄熱效率和能耗與蓄熱室中煙氣和蓄熱 球的溫度有強相關(guān)性;根據(jù)傳熱學和流體力學原理建立熱風爐在燒爐階段蓄熱室瞬態(tài)傳熱 模型，給出模型計算的邊界條件和初始條件;并結(jié)合熱風爐的工藝參數(shù)以及實時采集的數(shù) 據(jù)確定瞬態(tài)傳熱模型中的變量;結(jié)合熱風爐的工作制度并利用蓄熱室瞬態(tài)傳熱模型的計算 結(jié)果，采用分時段優(yōu)化煤氣流量的方法建立以煤氣量為優(yōu)化目標，滿足拱頂溫度、廢氣溫 度、熱風流量和溫度以及熱效率等約束條件的優(yōu)化模型;采用有限差分法計算瞬態(tài)傳熱模 型，得出煙氣和蓄熱球溫度的時空分布。并采用采用分時段枚舉煤氣流量的方法來尋求能 耗優(yōu)化模型的最優(yōu)解，得出最節(jié)能且熱效率最高的煤氣流量隨時間變化曲線。基于上述特 征，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能、降低成本的目的，對實現(xiàn)熱風爐的自動燒爐具有重大意義。
[0108] 實施例：
[0109] 本實施例在某鋼廠2650m3高爐的熱風爐上進行測試。利用本發(fā)明建立的瞬態(tài)傳熱 模型和能耗優(yōu)化模型，并按照模型計算的步驟得出最優(yōu)的煤氣流量給定曲線。具體而言：
[0110] 首先，根據(jù)熱風爐的工藝參數(shù)和檢測的數(shù)據(jù)，包括熱風爐蓄熱室的半徑、蓄熱室頂 部到底部的長度、蓄熱球的半徑和物性參數(shù)、熱風爐的拱頂溫度、煤氣流量，對建立的瞬態(tài) 模型的參數(shù)進行確定。接著將燒爐時間分為4段，每段時間為30min，煤氣流量級數(shù)分為20 級。最后按照能耗模型的計算步驟進行迭代計算得到最佳煤氣流量給定曲線如圖5所示。實 際燒爐過程所用煤氣總量為145672立方米，優(yōu)化后模型計算的煤氣總用量為122710立方 米，節(jié)約煤氣量為22962立方米?？梢姳緦嵤├?jié)省了大量的煤氣，達到了節(jié)能的效果，提高 了整個高爐煉鐵過程的經(jīng)濟效益。
[0111] 如圖6所示，本實施例公開一種球式熱風爐燒爐過程建模與能耗優(yōu)化系統(tǒng)，包括：
[0112] 第一建模單元1，用于根據(jù)傳熱學和流體力學原理建立熱風爐在燒爐和送風兩個 階段的蓄熱室瞬態(tài)傳熱模型，并給出模型計算的邊界條件和初始條件；
[0113] 第二建模單元2，用于計算所述蓄熱室瞬態(tài)傳熱模型，根據(jù)所述蓄熱室瞬態(tài)傳熱模 型的計算結(jié)果并結(jié)合熱風爐的工作制度，采用分時段優(yōu)化煤氣流量的方法建立以煤氣量為 優(yōu)化目標，滿足拱頂溫度、廢氣溫度、熱風流量和溫度以及熱效率等約束條件的優(yōu)化模型；
[0114] 模型求解單元3,用于求解所述優(yōu)化模型，得到使得能耗最小的煤氣流量隨時間變 化曲線；
[0115] 流量控制單元4,用于根據(jù)所述煤氣流量隨時間變化曲線對球式熱風爐燒爐過程 的煤氣流量進行控制。
[0116]雖然結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的實施方式，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā) 明的精神和范圍的情況下做出各種修改和變型，這樣的修改和變型均落入由所附權(quán)利要求 所限定的范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種球式熱風爐燒爐過程建模與能耗優(yōu)化方法，其特征在于，包括： 51、 根據(jù)傳熱學和流體力學原理建立熱風爐在燒爐和送風兩個階段的蓄熱室瞬態(tài)傳熱 模型，并給出模型計算的邊界條件和初始條件； 52、 計算所述蓄熱室瞬態(tài)傳熱模型，根據(jù)所述蓄熱室瞬態(tài)傳熱模型的計算結(jié)果并結(jié)合 熱風爐的工作制度，采用分時段優(yōu)化煤氣流量的方法建立W煤氣量為優(yōu)化目標，滿足拱頂 溫度、廢氣溫度、熱風流量和溫度W及熱效率等約束條件的優(yōu)化模型； 53、 求解所述優(yōu)化模型，得到使得能耗最小的煤氣流量隨時間變化曲線； 54、 根據(jù)所述煤氣流量隨時間變化曲線對球式熱風爐燒爐過程的煤氣流量進行控制。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的球式熱風爐燒爐過程建模與能耗優(yōu)化方法，其特征在于，所述 蓄熱室瞬態(tài)傳熱模型包括:煙氣模型和蓄熱球模型;其中， 所述煙氣模型為，所述蓄熱球模型為其中，Pf為煙氣密度， 佑巧、口而和戶啤)分別為煙氣中的C02、N2和也O的密度，mco、Wc〇;、《^和7%;分別為高爐煤氣 中的C O、C O 2、H 2和N 2的體積分數(shù)，/為煙氣體 積流量，為高爐煤氣的體積流量，為高爐煤氣中的H 2的體積分數(shù)，-，Cf為煙氣比熱容，Gca' ew;和 Ch:。分別為煙氣中的C〇2、化和也O的比熱容，Tf(x，t)為開始燒爐后t時刻流經(jīng)離蓄熱室頂部X 處的煙氣的溫度，A X為蓄熱室縱向方向上的位置微]為煙氣沿縱向方向流動時與蓄熱球?qū)α鲹Q的熱流i1為煙氣與蓄熱球的對流換 熱系數(shù)，Nu為努塞爾數(shù)，k為煙氣的導熱系數(shù)，L為蓄熱室的長度：，k為 煙氣流過蓄熱室微元體時與蓄熱球總的換熱面積，R為蓄熱室截面半徑，y為蓄熱室的 孔隙率，r為蓄熱球的半徑，dx為蓄熱室空間從縱向上被劃分成的多個連續(xù)的微元體的 厚度，T S ( X，t )為離蓄熱室頂部X處的蓄熱球在開始燒爐后t時刻的溫度，婦煙氣沿縱向方向流動時福射給蓄熱 球的熱流量，Es為蓄熱球的福射發(fā)射率，O為黑體福射常數(shù)，Qf為煙氣的福射吸收率，Ef為煙 氣的福射發(fā)射率，Ps為蓄熱球的密度Vs為單個蓄熱球體積，Cs為蓄熱球的比熱 容：則因氣與單個蓄熱球間對流換熱的熱流量，As =如 r2, As為單個蓄熱球的表面積J煙氣 對單個蓄熱球福射熱流量。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的球式熱風爐燒爐過程建模與能耗優(yōu)化方法，其特征在于，所述 計算所述蓄熱室瞬態(tài)傳熱模型，包括： 521、 初始化蓄熱室的煙氣和蓄熱球溫度分布，即給定煙氣初始溫度分布為 r嚴=碟，蓄熱球的初始溫度分布為r尸=Oi =蝴;;給定邊界條件，即蓄熱室入口的煙氣 溫度?/;給定燒爐時間迭代初值j = 〇,最大的空間迭代步數(shù)和時間迭代步數(shù)，i 表示蓄熱室中煙氣或蓄熱球的位置； 522、 空間迭代步數(shù)賦初值i = 1，時間迭代步j(luò) = j+1; 523、 利用瞬態(tài)傳熱模型的離散方程式計算第i空間迭代步，第j時間迭代步的煙氣溫度分 布巧W)和蓄熱球溫度分布Tf'1誼間迭代步數(shù)i = i+l，其中，瞬態(tài)傳熱模型的離散方程式包括巧+W唉示第i + 1空間迭代步，第j時間迭代步的煙氣溫度，7：心表示第i空間迭代步，第j時 間迭代步的蓄熱球溫度，A t為每個時間迭代步的步長； 524、 判斷空間迭代步數(shù)是否達到迭代終止條件，若是則停止迭代，轉(zhuǎn)到S25;否則繼續(xù) 執(zhí)行S23; 525、 判斷時間迭代步數(shù)是否達到迭代終止條件，若是則停止迭代，結(jié)束整個計算過程； 否則轉(zhuǎn)到S22。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的球式熱風爐燒爐過程建模與能耗優(yōu)化方法，其特征在于，所述 優(yōu)化模型為：其中， Q為煤氣消耗總量，n為燒爐時間被等分的段數(shù)，F(xiàn)g,表示第1段燒爐時間高爐煤氣的體積 流量，tl為第1段燒爐時間的時長，Tdmax和Tdmin分別為拱頂溫度Td的上下臨界值，T^ax和T^in 分別為廢氣溫度Tw的上下臨界值，Tsmax和Tsmin分別為蓄熱球的表面溫度Ts的上下臨界值，Tws 表示蓄熱室底部蓄熱球的表面溫度，0為預(yù)設(shè)的常數(shù)。 5 .根據(jù)權(quán)利要求4所述的球式熱風爐燒爐過程建模與能耗優(yōu)化方法，其特征在于，所述 S3,包括： S31、給定煤氣流量級數(shù)d，最小能耗min并賦予較大初值優(yōu)化模型可能解的枚舉計數(shù)P =0; 532、 初始化煙氣和蓄熱球的溫度分布，燒爐時間段計數(shù)賦初值q= I，P = P+1; 533、 結(jié)合瞬態(tài)傳熱模型按第P種可能解給出的各燒爐時段煤氣流量計算第q段燒爐時 間末的煙氣、蓄熱球溫度分布； 534、 時間段計數(shù)q = q+l;判斷q是否大于n，若是則轉(zhuǎn)到S35,否則轉(zhuǎn)到S33; 535、 計算當前可能解的總能耗Y，判斷其是否小于最小能耗min并且滿足給定的約束條 件，若是則更新最小能耗min為Y，否則轉(zhuǎn)到S36; 536、 判斷P是否大于Cf，若是則停止迭代，結(jié)束整個計算過程，得出能耗優(yōu)化模型的最優(yōu) 解即最佳的煤氣流量給定曲線，否則轉(zhuǎn)到S32。6. -種球式熱風爐燒爐過程建模與能耗優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于，包括： 第一建模單元，用于根據(jù)傳熱學和流體力學原理建立熱風爐在燒爐和送風兩個階段的 蓄熱室瞬態(tài)傳熱模型，并給出模型計算的邊界條件和初始條件； 第二建模單元，用于計算所述蓄熱室瞬態(tài)傳熱模型，根據(jù)所述蓄熱室瞬態(tài)傳熱模型的 計算結(jié)果并結(jié)合熱風爐的工作制度，采用分時段優(yōu)化煤氣流量的方法建立W煤氣量為優(yōu)化 目標，滿足拱頂溫度、廢氣溫度、熱風流量和溫度W及熱效率等約束條件的優(yōu)化模型； 模型求解單元，用于求解所述優(yōu)化模型，得到使得能耗最小的煤氣流量隨時間變化曲 線； 流量控制單元，用于根據(jù)所述煤氣流量隨時間變化曲線對球式熱風爐燒爐過程的煤氣 流量進行控制。
【文檔編號】C21B9/00GK105907906SQ201610260727
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月25日
【發(fā)明人】蔣朝輝, 周剛, 桂衛(wèi)華, 張海峰, 陽春華, 陳美男
【申請人】中南大學