CN102021312B - 基于热平衡的热轧加热炉能源调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热平衡的热轧加热炉能源调度方法，输入加热炉单位时间内各块钢坯的质量数据，得到生产率；输入加热炉对应单位时间内的生产参数，计算出加热炉小时能耗Q；由能耗Q与生产率P之间的关系式拟合出钢坯的能耗系数A与k，得到能耗与生产率和吨钢电耗与生产率的关系式，得出相关指数；分别计算出“经济点”的加热炉的生产率，能耗；采用曲线图表示出拟合后的能耗与生产率和吨钢能耗与生产率的关系式，并标明经济点及相应数值；采用拟合得到的Q(p)公式，带入一组生产数据，计算出相应的能耗值；根据计算结果，调整热轧能源使用量。本发明能为钢铁企业能源平衡调度、精细化能源消耗分析提供基础，有效促进钢铁企业的节能减排。

Description

基于热平衡的热轧加热炉能源调度方法

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，特别是涉及一种用于钢铁企业能源生产和调度的基于热平衡的热轧加热炉能源调度方法。

背景技术

钢铁企业是能源消耗大户，约占全国总能耗的10％左右，钢铁企业能源系统的运行情况是否稳定、经济、可靠将直接影响到产品的质量和企业的经济效益，对大型耗能的钢铁企业来说更是如此。如何减少能源的放散和增加能源的回收利用，一直是钢铁企业节能降耗的重要课题。利用钢铁企业能源系统中的大量能耗数据，通过对热轧生产流程中加热炉工序物质、能量正向平衡的研究，以及不同因素对能耗的影响特性的研究，找到一种合理的能耗分析模型，并建立一个优化的能源调度过程，将有效促进大规模能源系统管理技术的发展和节能技术的推广。

钢铁企业的能源系统是一个复杂的系统，在这个系统内部，各个工序的生产参数、操作过程及生产过程等多种因素都会对能源消耗产生影响，而且各个因素间的相互影响、相互耦合也会引发不同工序间的能耗此消彼涨的关系，从而影响整个企业的能源消耗总量。

加热炉作为热轧生产线关键设备之一，也是主要耗能设备，对应的能源消耗具有非线性、时变、分布参数特性，加热炉区域能源调度方法直接影响能源消耗指标和产品质量。实际工业生产过程中，人们主要通过测量得到的钢坯实际温度来调整对加热炉的能源供应量，这种闭环反馈的控制方法虽然能够适时调整加热炉的能源消耗，但从钢铁企业整体能源系统的角度来分析，局部区域的能源调整可能会影响钢厂整个能源系统的稳定。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于热平衡的热轧加热炉能源调度方法，为钢铁企业能源平衡调度、精细化能源消耗分析提供基础，有效促进钢铁企业的节能减排。

为解决上述技术问题，本发明的基于热平衡的热轧加热炉能源调度方法包括如下步骤：

步骤一、输入加热炉单位时间内各块钢坯的质量数据，经累加得到生产率，即：t/d，其中，t表示时间，单位为小时；d为钢坯的质量，单位为公斤；

步骤二、输入加热炉对应单位时间内的生产参数，依照热平衡收入项计算出加热炉小时能耗Q，10³MJ/d；

步骤三、由加热炉的能耗Q与生产率P之间的关系式Q(p)＝Ae^kp拟合出钢坯的能耗系数A与k，得到加热炉的能耗与生产率的关系式，吨钢电耗与生产率的关系式，并计算得出相关指数R；

步骤四、根据“经济点”上加热炉的生产率p、能耗Q的计算公式， $p_i=\frac{1}{k},$ Q_i＝Ae分别计算出“经济点”的加热炉的生产率p，能耗Q；

步骤五、采用曲线图表示出拟合后的加热炉的能耗与生产率之间的关系式Q(p)＝Ae^kp，吨钢能耗与生产率的关系式 $q=\frac{Q}{p}=\frac{{\mathrm{Ae}}^{\mathrm{kp}}}{p},$ 并在上面标明“经济点”及相应p，q的数值；

步骤六、采用拟合得到的Q(p)公式，带入一组生产数据(即生产率p)，计算出相应的加热炉能耗值；

步骤七、根据以上计算结果数据，调整热轧能源使用量，在能源管理系统的配合下完成自动控制和自动调整。

采用本发明的方法进行能源消耗分析研究与工序能耗的比较研究，进而形成热轧加热炉区域基于热平衡的产品能耗分析和能源调度，为进一步实现钢铁企业能源系统的在线分析以及自动控制和自动调整技术的优化提供理论基础。

本发明利用钢铁企业的能耗和生产数据，通过对热轧生产流程中加热炉工序物质、能量正向平衡的研究，找到了一种基于热平衡的热轧加热炉能源调度方法，为钢铁企业能源优化平衡、精细化能源消耗分析提供基础，能够有效促进钢铁企业的节能减排。

具体实施方式

钢铁企业的能源系统是一个复杂的系统，能源系统的平衡供给直接影响企业的能源成本和产品质量。

根据热能的转换与守恒定律，进入能源系统的热能除去物质吸收的有效热外，就是能源系统到环境的各项热损失。因此，找到主要热损失产生的原因并加以改进，通过减少热损失来提高系统的热效率，就是热平衡的方法。

在计算热平衡时，首先应该划定热平衡区域，通常有加热炉的炉膛区域、预热区域及全炉区域。本发明是以全炉区域为例，把进入该区域的热量作为热收入，反之为热支出。热平衡的方程式如下：

∑Q_in＝∑Q_out            (公式1)

加热炉的热效率定义为：

${\mathrm{\η}}_c=\frac{Q_1}{{\mathrm{\ΣQ}}_{\mathrm{in}}}$ (公式2)

上述公式中，∑Q_in表示收入的各项热量之和，∑Q_out表示支出的各项热量之和，Q₁表示燃料燃烧的化学热，η_c表示热效率。

热平衡的收入项与支出项如表1所示。

	项目
		收入项	燃料化学热常温空气带入氧化铁皮生成钢坯带入
支出项	钢坯有效热烟气带走不完全燃烧水梁带走炉壁表面散热氧化铁皮损失热风管、热煤气管等

表1

热平衡的收入项与支出项对应的数学计算表达式如表2所示。

表2

表2中热平衡的收入项与支出项对应的各数学计算表达式，其中所涉及的参数含义及单位如表3-1、3-2所示。

表3-1

表3-2

通过计算燃料燃烧的化学热Q1、空气预热带入的物理热Q2、钢料入炉时带入的物理热Q3、金属氧化所放出的热量Q4，可以得到总的热收入；再通过计算烟气带走的热q2、燃料不完全燃烧热损失q3、冷却水带走的热损失q4、炉体蓄散热损失q5、氧化铁皮带走的热损失q6，可以得到总的热支出，并最终计算得到热效率。

燃料、空气的能量只作用于钢坯热处理阶段，由于在加热炉工序中对成品钢板没有规格的要求，产品以钢坯的形式存在，因此对于这部分能耗建立以钢坯产量为自变量的能耗模型。

加热炉的操作参数具体项目随情况而异。一般来说，热工操作方面的基本参数包括加热炉燃料能耗、空气系数、炉膛压力与预热温度等。通过本发明的方法可以得到加热炉的能耗与生产率、吨钢能耗与生产率之间的关系。

加热炉的能耗与生产率之间存在形如指数函数的关系式，如下式。

Q(p)＝Ae^kp        (公式3)

其中，Q为加热炉的能耗，p为加热炉的生产率，A与k为钢坯的能耗系数。k值随炉而异，A实际上就是加热炉空烧保温时的热负荷。

在拟合出系数A与k后，可根据相关指数的公式(即公式4)评价其拟合程度的优劣。

$R^2=1-\frac{\mathrm{\Σ}{(y-\hat{y})}^2}{{\mathrm{\Σ}(y-\stackrel{\‾}{y})}^2}$ (公式4)

其中，y为实际小时能耗，

为拟合后计算的能耗，

为计实际小时能耗的平均值，R即表示相关指数。

吨钢能耗与生产率的关系可用公式5表示为：

$q=\frac{Q}{p}=\frac{{\mathrm{Ae}}^{\mathrm{kp}}}{p}$ (公式5)

其中，q为吨钢电耗，p为加热炉的生产率。

由公式5可知，当加热炉生产率p＝0时，吨钢电耗q＝∞，在p值增大的过程中，q值逐渐降低，但生产率达到某一数值后，如果继续增大生产率，吨钢电耗将回升。在吨钢电耗连续变化过程中，它有一个最低点(J点)。从节约燃料的角度来看，此J点可称为加热炉工作的“经济点”。在“经济点”上加热炉的生产率p、能耗Q和吨钢电耗q分别为：

p_j＝1/k          (公式6)

Q_j＝Ae           (公式7)

q_j＝kAe          (公式8)

上述公式6-8中，A和k为钢坯的能耗系数，k值随炉而异，亦随一些操作参数而异；但是，实验表明，只要其它条件保持恒定，k值是不随热负荷的增减而变化的；A实际上就是炉子空烧保温时的热负荷，j即表示经济点。

由表2可知，加热炉能耗Q为热平衡收入项中燃烧的化学热Q₁和空气预热带入的物理热Q₂的和，如公式9所示：

Q＝Q₁+Q₂        (公式9)

根据以上分析，可以得到本发明的基于热平衡的热轧加热炉能源调度方法，具体包括以下步骤：

步骤一、输入加热炉单位时间(小时)内各块钢坯的质量数据，经累加得到生产率，即：t/d，其中，t表示时间，单位为小时；d为钢坯的质量，单位为公斤。

步骤二、输入加热炉对应单位时间内的生产参数(燃料消耗量、燃料发热量、空气消耗量、空气预热温度等)，依照热平衡收入项(参见表3-1)按公式9计算出加热炉小时能耗Q，10³MJ/d。

步骤三、由公式3拟合出钢坯的能耗系数A与k，得到加热炉的能耗与生产率的关系式(参见公式3)，吨钢电耗与生产率的关系式(参见公式5)，并计算得出相关指数R(结合公式4)。

步骤四、由公式6和公式7分别计算出“经济点”J的加热炉的生产率p，能耗Q。

步骤五、采用曲线图表示出拟合后的公式3和公式5，并在上面标明“经济点”J及相应p，q的数值。

步骤六、采用拟合得到的Q(p)公式，带入一组生产数据(即钢坯的生产率p值)，计算出相应的加热炉能耗值。

步骤七、根据以上计算结果数据，调整热轧能源使用量，在能源管理系统的配合下完成自动控制和自动调整。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于热平衡的热轧加热炉能源调度方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、输入加热炉单位时间内各块钢坯的质量数据，经累加得到生产率，即：t/d，其中，t表示时间，单位为小时；d为钢坯的质量，单位为公斤；

步骤二、输入加热炉对应单位时间内的生产参数，依照热平衡收入项计算出加热炉小时能耗Q，10³MJ/d；所述生产参数包括燃料消耗量、燃料发热量、空气消耗量、空气预热温度；

步骤三、由加热炉的能耗Q与生产率p之间的关系式Q(p)＝Ae^kp拟合出钢坯的能耗系数A与k，得到加热炉的能耗与生产率的关系式、吨钢电耗与生产率的关系式，并计算得出加热炉的能耗Q与生产率p的非线性回归相关指数R；

步骤四、根据“经济点”上加热炉的生产率p、能耗Q的计算公式：p＝1/k，Q＝Ae，分别计算出“经济点”的加热炉的生产率p，能耗Q；所述“经济点”为加热炉的生产率p由0逐渐增大过程中，吨钢电耗q的最低值；

步骤五、采用曲线图表示出拟合后的加热炉的能耗与生产率之间的关系式Q(p)＝Ae^kp，吨钢能耗与生产率的关系式

并在上面标明“经济点”及相应p，q的数值；

步骤六、采用拟合得到的Q(p)公式，带入一组生产数据，计算出相应的加热炉能耗值；

步骤七、根据以上计算结果数据，调整热轧能源使用量，在能源管理系统的配合下完成自动控制和自动调整。