專利名稱：一種優(yōu)化控制高爐頂燃式熱風(fēng)爐燃燒換向周期的模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工業(yè)爐窯燃燒技術(shù)領(lǐng)域，特別提供了一種優(yōu)化控制高爐熱風(fēng)爐燃燒換向周期的模型，應(yīng)用于高爐頂燃式熱風(fēng)爐燃燒制度優(yōu)化控制。
背景技術(shù)：
熱風(fēng)爐是高爐高風(fēng)溫的載體。熱風(fēng)爐良好操作的主要問題是在燃燒期怎樣獲得足夠的熱量，以滿足下一步送風(fēng)期所需溫度的熱風(fēng)量。在熱風(fēng)爐操作中，煤氣壓力、流量、熱值的波動(dòng)以及空氣濕度、空氣溫度、流量等都會(huì)影響熱風(fēng)爐燃燒的好壞。目前熱風(fēng)爐操作存在以下不足一是熱風(fēng)爐燃燒時(shí)空氣、煤氣配比調(diào)節(jié)是在煤氣量一定的情況下，依據(jù)煙道中氧氣含量的中間值確定是否調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)多少助燃空氣量。這種操作方法帶來的弊端是由于反饋信號(hào)滯后，操作被動(dòng)，熱風(fēng)爐內(nèi)的燃燒狀態(tài)主要靠操作人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和溫度檢測等儀表顯示數(shù)據(jù)，較難實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐的合理燃燒，造成煤氣不足或煤氣浪費(fèi)情況。二是目前多數(shù)頂燃式熱風(fēng)爐燃燒、送風(fēng)周期的確定是沿用最初的操作制度，尚未建立一種科學(xué)有效的方法確定熱風(fēng)爐的操作周期。三是熱風(fēng)爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的建立是由自動(dòng)控制專業(yè)人員研發(fā)出來的，在熱工理論方面沒有更多的考慮，尚未建立熱負(fù)荷一定的條件下，蓄熱體傳熱量與燃燒時(shí)間、送風(fēng)時(shí)間的定量關(guān)系，不利于風(fēng)溫的進(jìn)一步提高和耐火材料使用壽命的延長。因此，為了獲得頂燃式熱風(fēng)爐操作的最佳周期，需要建立科學(xué)的方定量確定熱風(fēng)爐燃燒時(shí)間、送風(fēng)時(shí)間，進(jìn)行熱風(fēng)爐操作制度優(yōu)化，更好地提高熱風(fēng)爐的實(shí)際控制水平。達(dá)到降低燃料消耗，提高熱風(fēng)爐熱效率，同時(shí)提高熱風(fēng)爐內(nèi)部耐火材料的使用壽命的目的。節(jié)能、減污、增效。首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司(簡稱京唐公司)2號(hào)高爐(5500m3)熱風(fēng)爐于 2010年6月投產(chǎn)以來，基本滿足了高爐高風(fēng)溫需求。為了進(jìn)一步提高京唐公司高爐BSK頂燃熱風(fēng)爐操作控制的技術(shù)水平，發(fā)明一種優(yōu)化控制大型高爐頂燃式熱風(fēng)爐燃燒換向周期的模型，提高熱風(fēng)爐熱效率、延長熱風(fēng)爐的使用壽命，進(jìn)一步提高熱風(fēng)溫度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種優(yōu)化控制高爐頂燃式熱風(fēng)爐燃燒換向周期的模型，在保證高爐送風(fēng)溫度的前提下，合理確定熱風(fēng)爐的燃燒時(shí)間、送風(fēng)時(shí)間，不僅有利于提高風(fēng)溫，減少煙氣帶走的熱量損失，同時(shí)有利于提高熱風(fēng)爐耐火材料的使用壽命，滿足高爐高風(fēng)溫需求，提高熱風(fēng)爐熱效率，降低能耗，同時(shí)減少污染氣體的排放，具有較大的社會(huì)價(jià)值。本發(fā)明根據(jù)煤氣成分變化預(yù)知煤氣燃燒時(shí)的最高理論燃燒溫度，并確定熱風(fēng)爐燃燒期、送風(fēng)期內(nèi)換熱系數(shù)變化及單位面積傳熱量，在熱交換充分的前提下優(yōu)化熱風(fēng)爐操作參數(shù)，得出熱風(fēng)爐最佳燃燒時(shí)間、送風(fēng)時(shí)間，熱量得到充分利用，提高熱風(fēng)爐熱效率，在降低燃料消耗的同時(shí)提高耐火材料的使用壽命。
本發(fā)明將優(yōu)化控制模型用于高爐熱風(fēng)爐燃燒、送風(fēng)周期的優(yōu)化，分別確定熱風(fēng)爐最佳燃燒時(shí)間、送風(fēng)時(shí)間。本發(fā)明的模型包括熱風(fēng)爐熱平衡計(jì)算模塊、傳熱模擬計(jì)算模塊以及燃燒換向周期優(yōu)化模塊三部分。熱平衡計(jì)算模塊是輸入熱風(fēng)爐所用燃料成分％ (m3/m3)、煤氣流量(^等參數(shù)，經(jīng)過該模塊計(jì)算，輸出最高熱風(fēng)爐理論燃燒溫度〖15、煤氣完全燃燒時(shí)所需要的空氣流量Qs，輸出熱風(fēng)爐熱平衡圖。利用該模塊可以計(jì)算出熱風(fēng)爐作業(yè)條件，設(shè)定每座熱風(fēng)爐必須投入的熱量、混合煤氣和拱頂溫度，便于操作人員及時(shí)、定量掌握熱風(fēng)爐操作過程中的熱量利用情況。傳熱模擬計(jì)算模塊是模擬計(jì)算熱風(fēng)爐蓄熱室在燃燒期和送風(fēng)期的溫度場，冷風(fēng)、 煙氣在燃燒期、送風(fēng)期的溫度場，以及交錯(cuò)并聯(lián)送風(fēng)時(shí)熱風(fēng)爐混風(fēng)量變化情況。利用該計(jì)算模塊，首先輸入熱風(fēng)爐以及熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)參數(shù)(如高度、直徑等)、冷風(fēng)和蓄熱體初始溫度、 ^tcii數(shù)值，利用該模塊進(jìn)行迭代計(jì)算，計(jì)算得出燃燒期綜合換熱系數(shù)α 1、送風(fēng)期綜合換熱系數(shù)α 2以及單位面積傳熱量(Qft)。迭代的判定條件是蓄熱體各部位同一時(shí)刻的平均溫度與上一次循環(huán)的平均值相差不超過設(shè)定的精度cha，cha = 0. 1，保證模擬計(jì)算進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)確定為模擬的溫度場曲線達(dá)到穩(wěn)定的收斂狀態(tài)，迭代結(jié)束，輸出蓄熱室內(nèi)溫度場變化曲線，退出傳熱模擬計(jì)算模塊。熱風(fēng)爐燃燒換向周期優(yōu)化模塊是建立在熱平衡計(jì)算模塊和傳熱模擬計(jì)算模塊的基礎(chǔ)上建立起來的。利用該模塊，輸入高爐所需要的熱風(fēng)溫度ΤΛ、拱頂溫度Tw、排煙溫度 Tffl的數(shù)值，與蓄熱體傳熱過程耦合，對熱風(fēng)爐燃燒和送風(fēng)操作周期進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，輸出蓄熱體熱貯存能力條件下的熱風(fēng)爐最佳燃燒時(shí)間T 和送風(fēng)時(shí)間τ Λ，然后退出熱風(fēng)爐燃燒換向周期優(yōu)化模塊。所述的優(yōu)化是指通過熱平衡計(jì)算、傳熱模擬計(jì)算模塊以及約束條件(如Α^Τ^Τ )等，進(jìn)行燃燒時(shí)間、送風(fēng)時(shí)間優(yōu)化，在蓄熱體吸熱飽和時(shí)停止燃燒，輸出最佳燃燒時(shí)間工 ；在蓄熱體內(nèi)放熱充分時(shí)停止送風(fēng)，輸出最佳送風(fēng)時(shí)間Τ Λ ；這樣既保證熱風(fēng)爐風(fēng)溫滿足高爐熱風(fēng)溫度需求，又避免出現(xiàn)由于燃燒時(shí)間過長而造成煤氣浪費(fèi)以及熱風(fēng)爐內(nèi)耐火材料使用壽命的降低等問題。降低能源消耗，同時(shí)減少燃燒產(chǎn)物中NOx等污染氣體的排放，改善環(huán)境。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，可以及時(shí)定量地評(píng)價(jià)熱風(fēng)爐能量利用狀況，為熱風(fēng)爐操作提供科學(xué)合理的依據(jù)，預(yù)知熱風(fēng)爐理論燃燒溫度，確定合理的熱風(fēng)爐操作參數(shù)(比如最佳燃燒時(shí)間、送風(fēng)時(shí)間)，這樣既可保證熱風(fēng)爐風(fēng)溫滿足高爐熱風(fēng)溫度需求，又可避免出現(xiàn)由于燃燒時(shí)間過長而造成煤氣浪費(fèi)以及熱風(fēng)爐內(nèi)耐火材料使用壽命的降低等問題。不僅有利于降低能源消耗，而且還可以減少燃燒產(chǎn)物中NOx等污染氣體的排放，改善環(huán)境。


圖1為本發(fā)明的優(yōu)化控制高爐熱風(fēng)爐燃燒換向周期模型的程序框圖。
具體實(shí)施例方式利用優(yōu)化控制高爐頂燃式熱風(fēng)爐燃燒換向周期模型，實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐燃燒、送風(fēng)時(shí)間控制的優(yōu)化，根據(jù)熱風(fēng)爐能量收入、支出情況以及蓄熱體在燃燒期、送風(fēng)期內(nèi)傳熱溫度變化曲線，進(jìn)行熱風(fēng)爐操作參數(shù)優(yōu)化，根據(jù)在熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)一定的條件下，煤氣燃燒的有效熱與燃燒換熱系數(shù)、送風(fēng)換熱系數(shù)的關(guān)系，得出熱負(fù)荷一定情況下熱風(fēng)爐最佳燃燒時(shí)間T 、送風(fēng)時(shí)間Τ Λ，使熱風(fēng)爐內(nèi)格子磚蓄熱體在蓄熱即將達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)停止燃燒，改為送風(fēng)，從而使煤氣燃燒的有效熱得到充分利用，提高熱風(fēng)爐熱效率，降低燃料消耗，同時(shí)有利于提高高爐熱風(fēng)溫度。優(yōu)化控制高爐頂燃式熱風(fēng)爐燃燒換向周期的關(guān)鍵技術(shù)在于應(yīng)用模型直接根據(jù)頂燃式熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)參數(shù)、煤氣成分和流量、拱頂溫度、煙氣溫度和流量、熱風(fēng)溫度和流量等參數(shù)，確定在熱負(fù)荷一定的情況下，傳熱系數(shù)隨燃燒期、送風(fēng)期時(shí)間的變化規(guī)律，從而得出熱風(fēng)爐最佳操作周期，輸出熱風(fēng)爐內(nèi)格子磚蓄熱、放熱(即熱風(fēng)爐燃燒、送風(fēng))時(shí)間。以首鋼2536m3高爐熱風(fēng)爐為例，第一步先輸入熱風(fēng)爐燃燒高爐煤氣成分(％ )、煤氣流量Qs (170000m3化―1)，通過熱風(fēng)爐熱平衡計(jì)算模塊(見附圖1)計(jì)算得出助燃空氣流量 Qm (104508m3 · IT1)、最高理論燃燒溫度^ (1218°C )，輸出熱風(fēng)爐熱平衡表和熱平衡圖；第二步運(yùn)行傳熱模擬計(jì)算模塊，輸入熱風(fēng)爐蓄熱體參數(shù)、并裝載熱平衡計(jì)算模塊(如助燃空氣溫度、流量Qs等)，輸出不同時(shí)間熱風(fēng)溫度與不同煙氣溫度隨蓄熱體高度分布曲線、燃燒期與送風(fēng)期不同高度蓄熱體溫度隨時(shí)間分布曲線、不同高度蓄熱體內(nèi)煙氣溫度隨時(shí)間分布等曲線；第三步運(yùn)行燃燒與送風(fēng)周期優(yōu)化模塊，輸入約束條件，如初始無因次量系數(shù)、 高爐需求的熱風(fēng)溫度Tm (1098°C )、拱頂溫度T頂(1250°C )、排煙溫度T煙(330°C )，經(jīng)過模塊計(jì)算，輸出優(yōu)化熱風(fēng)爐燃燒時(shí)間(40min)、送風(fēng)時(shí)間《@ (50min)，同時(shí)得出熱風(fēng)爐本體熱效率(80. 12% )0實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制頂燃式熱風(fēng)爐燃燒換向周期模型框圖見說明書附圖1。其中包括的主要環(huán)節(jié)有一是熱平衡計(jì)算模塊，實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐熱能利用狀況評(píng)價(jià)，輸出熱平衡表、熱平衡圖；二是蓄熱體傳熱模擬計(jì)算模塊，實(shí)現(xiàn)蓄熱體內(nèi)部傳熱模擬，分別給出燃燒期和送風(fēng)期傳熱系數(shù)α以及蓄熱體單位面積的傳熱量；三是燃燒換向周期優(yōu)化模塊，在載入熱平衡計(jì)算模塊、傳熱模擬計(jì)算模塊輸出結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)約束條件(lM、Tw、Tffl等)進(jìn)行燃燒時(shí)間、 送風(fēng)時(shí)間優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)保證高爐需要風(fēng)溫的前提下，蓄熱體吸熱飽和時(shí)停止燃燒，開始換成送風(fēng)，輸出最佳燃燒時(shí)間當(dāng)蓄熱體內(nèi)放熱結(jié)束時(shí)停止送風(fēng)，輸出最佳送風(fēng)時(shí)間 Λ。
權(quán)利要求
1.一種優(yōu)化控制高爐頂燃式熱風(fēng)爐燃燒換向周期的模型，其特征在于，該模型包括熱風(fēng)爐熱平衡計(jì)算模塊、傳熱模擬計(jì)算模塊和燃燒換向周期優(yōu)化模塊三部分；熱平衡計(jì)算模塊是在輸入熱風(fēng)爐所用燃料成分體積百分比、煤氣流量Qs參數(shù)后，經(jīng)過計(jì)算，輸出最高熱風(fēng)爐理論燃燒溫度〖15、煤氣完全燃燒時(shí)所需要的助燃空氣流量Qs，輸出熱風(fēng)爐熱平衡表、熱平衡圖；利用該模塊得出熱風(fēng)爐作業(yè)條件，便于操作人員及時(shí)、定量掌握熱風(fēng)爐操作過程中的熱量利用情況；傳熱模擬計(jì)算模塊是模擬計(jì)算熱風(fēng)爐蓄熱室在燃燒期和送風(fēng)期的溫度場，冷風(fēng)、煙氣在燃燒期、送風(fēng)期的溫度場，以及交錯(cuò)并聯(lián)送風(fēng)時(shí)熱風(fēng)爐混風(fēng)量變化情況；利用該計(jì)算模塊，首先輸入熱風(fēng)爐以及熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)參數(shù)、冷風(fēng)和蓄熱體初始溫度t◎數(shù)值，利用該模塊進(jìn)行迭代計(jì)算，計(jì)算得出燃燒期綜合換熱系數(shù)α 1、送風(fēng)期綜合換熱系數(shù)α 2以及單位面積傳熱量Qft ；迭代的判定條件是蓄熱體各部位同一時(shí)刻的平均溫度與上一次循環(huán)的平均值相差不超過設(shè)定的精度cha，Cha = 0. 1，保證模擬計(jì)算進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)確定為模擬的溫度場曲線達(dá)到穩(wěn)定的收斂狀態(tài)，迭代結(jié)束，輸出蓄熱室內(nèi)溫度場變化曲線，退出傳熱模擬計(jì)算模塊；熱風(fēng)爐燃燒換向周期優(yōu)化模塊是建立在熱平衡計(jì)算模塊和傳熱模擬計(jì)算模塊的基礎(chǔ)上，輸入高爐需要的熱風(fēng)溫度ΤΛ、拱頂溫度Tw、排煙溫度Tffl等數(shù)值，與蓄熱體傳熱過程耦合，對熱風(fēng)爐燃燒和送風(fēng)操作周期進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，輸出蓄熱體熱貯存能力條件下的熱風(fēng)爐最佳燃燒時(shí)間T 和送風(fēng)時(shí)間ΤΛ，然后退出燃燒換向周期優(yōu)化模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模型，其特征在于，所述的優(yōu)化是指通過熱平衡計(jì)算、傳熱模擬計(jì)算模塊以及約束條件lM、Tw、Tffl，進(jìn)行燃燒時(shí)間、送風(fēng)時(shí)間優(yōu)化，在蓄熱體吸熱飽和時(shí)停止燃燒，輸出最佳燃燒時(shí)間Tjt;在蓄熱體內(nèi)放熱充分時(shí)停止送風(fēng)，輸出最佳送風(fēng)時(shí)間工 Λ ；這樣既保證熱風(fēng)爐風(fēng)溫滿足高爐熱風(fēng)溫度需求，又避免出現(xiàn)由于燃燒時(shí)間過長而造成煤氣浪費(fèi)以及熱風(fēng)爐內(nèi)耐火材料使用壽命的降低。
全文摘要
一種優(yōu)化控制高爐頂燃式熱風(fēng)爐燃燒換向周期的模型，屬于工業(yè)爐窯燃燒技術(shù)領(lǐng)域。該模型由熱平衡計(jì)算模塊、傳熱模擬計(jì)算模塊和熱風(fēng)爐燃燒換向周期優(yōu)化模塊組成熱平衡計(jì)算模塊可以定量得出熱風(fēng)爐運(yùn)行過程中的熱量利用情況。采用傳熱模擬計(jì)算模塊可以確定熱風(fēng)爐蓄熱室在燃燒期和送風(fēng)期傳熱量變化情況。熱風(fēng)爐燃燒換向周期優(yōu)化模塊是建立在熱平衡計(jì)算模塊和傳熱模擬計(jì)算模塊的基礎(chǔ)上，利用該模塊優(yōu)化燃燒參數(shù)，得出熱風(fēng)爐最佳燃燒時(shí)間和送風(fēng)時(shí)間，這樣既可保證熱風(fēng)爐風(fēng)溫滿足高爐熱風(fēng)溫度需求，又可避免出現(xiàn)由于燃燒時(shí)間過長而造成煤氣浪費(fèi)以及熱風(fēng)爐內(nèi)耐火材料使用壽命的降低等問題。有利于降低能源消耗，減少NOx等污染氣體的排放，改善環(huán)境。
文檔編號(hào)G05B13/04GK102221820SQ201110075799
公開日2011年10月19日 申請日期2011年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月28日
發(fā)明者周繼良, 王敏, 胡雄光, 蘇殿昌, 陳冠軍 申請人:首鋼總公司