CN102175350A - 一种加热炉在线热平衡测试诊断系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及加热炉运行状况评估诊断领域，特别适用加热炉在线热平衡测试及诊断。它包括数据处理和热平衡分析两个模块。数据处理主要完成实时数据采集包括通过OPC技术从基础自动化控制系统获取加热炉各段炉温数据，各段空煤气流量数据，汽化冷却水量、水压、水温数据，蒸汽产量、温度、压力数据；以及通过人机界面终端输入加热炉热平衡测试需要的其他相关数据；热平衡分析是基于热工理论和能量守衡准则对数据处理的输出数据进行计算，生成反映加热炉热能运行状况的直观数据表及图形，为加热炉的高效运行提出诊断结论和合理的调整方向。

Description

一种加热炉在线热平衡测试诊断系统

技术领域

本发明涉及加热炉运行控制状况评估诊断技术领域，尤其涉及一种加热炉在线热平衡测试诊断系统。

背景技术

用于评价加热炉生产运行状况的主要技术参数有：炉子产量、燃料消耗量、炉子(炉膛)热效率、氧化烧损率等。为了准确、详细的了解加热炉的生产运行状况、加热炉燃料燃烧及燃烬度、各项热收入和热支出情况、加热炉热能有效利用效率和余能回收利用水平、探寻加热炉节能改造的途径和措施，则需要对加热炉进行全面的热平衡测试。

加热炉热平衡测试是“能量守恒”定律在加热炉上的应用，以“物质守恒”为前提，通过检测和计算，得出“能量流”和“物质流”在加热炉区域的动态平衡状况。对于“能量流”，通过热平衡测试，得出加热炉各项热收入与热支出平衡表，分析各热收入项与热支出项所占比重，了解加热炉热效率，寻找节能的途径。而对于“物质流”则可已通过热平衡测试，了解加热炉产量、氧化烧损率、燃料消耗量和烟气排放量等重要指标。热平衡测试是了解加热炉生产运行现状、优化操作控制、提高加热炉热效率以及实现加热炉节能减排的依据。

目前在部分钢铁企业，由于对加热炉热工性能重要性的认识欠缺、设备、技术、费用等问题，致使加热炉热平衡测试得不到广泛的应用。加热炉的控制操作大多依靠操作人员的经验，根本无法准确掌握加热炉的热工运行状况，导致加热炉热效率低下、能源浪费严重及废气排放超标等后果。而即使某些加热炉进行了热平衡测试，也往往是通过借助外部技术力量来实现。一方面耗资较大；另一方面则因为热平衡测试需选取6-8小时连续生产时间段来完成，其结果只能代表某一工况下的炉子运行状况，并不能综合反映加热炉长期控制运行水平。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明的目的是提供一种在线诊断加热炉运行状况并能够挖掘其节能减排潜力的系统，一方面能够使加热炉热平衡测试诊断技术手段得到广泛的应用，使更多的企业能够准确掌握加热炉的热工运行状况，避免加热炉热效率低下、能源浪费严重及废气排放超标等后果；另一方面，系统实现对加热炉运行状况的实时监控，现场操作维护人员能够随时调整加热炉操作及控制，提高加热炉热效率，有效指导加热炉的节能减排。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种加热炉在线热平衡测试诊断系统，包括：

-数据处理模块，通过实时数据采集和终端数据录入，获取加热炉热平衡分析模块所需数据信息；所述数据处理模块进一步包括：

实时数据采集子模块，采用标准OPC接口，建立与过程自动化级的连接，采用Windows下的多线程处理技术完成采集现场数据；

终端数据录入子模块，提供友好人机交互界面，由系统用户手工录入；

-热平衡分析模块，对所述数据处理模块获得的数据进行运算处理，图形化生成加热炉运行现状。

所述实时数据采集子模块，通过OPC技术从基础自动化控制系统获取加热炉各段炉温数据，各段空煤气流量数据，汽化冷却水量、水压、水温数据，蒸汽产量、温度、压力数据。

所述实时数据采集子模块进一步包括：

子模块1：组态需要从现场采集的加热炉过程数据信息；

子模块2：开启OPC服务，与现场基础自动化级连接；

子模块3：开启实时数据采集服务，从现场基础自动化级读取子模块1中组态的数据；

子模块4：开启数据滤波和存储服务，对采集到的数据进行数据平滑处理，消除噪声数据；最后将处理好的数据存储到后台数据库。

所述热平衡分析模块，所使用的热平衡计算包括燃料燃烧计算、热收入项计算、热支出项计算。

本发明具有以下优点和积极效果：

1)本发明提供的加热炉热平衡测试诊断系统安装简单，操作方便，响应速度快，便于推广；

2)通常的热平衡测试需选取6-8小时连续生产时间段来完成，其结果只能代表某一工况下的炉子运行状况，并不能综合反映加热炉长期控制运行水平；在线热平衡测试，可以实现加热炉运行状况实时监控；

3)在对加热炉运行状况实时监控的基础上，诊断分析加热炉节能减排潜力之所在，可作为开展加热炉节能减排的参考；

4)通常进行一次成功的热平衡测试，往往需要外部技术支持来实现，成本比较高；在线热平衡测试系统具有投入小，见效快的特点，能显著减少不必要的成本。

附图说明

图1是本发明提供的加热炉热平衡在线测试诊断系统对象。

图2是本发明提供的加热炉热平衡在线测试诊断系统体系逻辑框图。

图3是本发明中加热炉热平衡在线测试诊断结果图。

图4是本发明中加热炉在线热平衡测试诊断系统的具体诊断实施框图。

具体实施方式

下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明：

加热炉的热平衡测试在钢铁企业中应该来说是比较重要的，它能了解加热炉的生产运行状况、了解加热炉的燃料燃烧状况、了解加热炉各项热收入和热支出情况和了解加热炉热能有效利用效率和余能回收利用水平，通过对测试和计算结果的详细分析和研究，结合加热炉的热工操作、炉型结构和生产管理等方面的具体情况，对加热炉的实际工作状况做出科学的评价，总结出加热炉的先进节能经验和找出加热炉的不足之处，为进一步提高加热炉的生产技术水平提供可靠的科学依据。

本发明提供的加热炉在线热平衡测试诊断系统，该系统包括数据处理模块和热平衡分析模块。其中：数据处理模块包括实时数据采集和终端数据录入。数据处理主要完成实时数据采集包括通过OPC技术从基础自动化控制系统获取加热炉各段炉温数据，各段空煤气流量数据，汽化冷却水量、水压、水温数据，蒸汽产量、温度、压力数据；以及通过人机界面终端输入加热炉热平衡测试需要的其他相关数据；

实时数据采集采用标准OPC接口与现场基础自动化控制系统衔接获取通过现场仪表测量的数据；终端数据录入由用户通过人机界面手动输入热平衡计算所需要的其他数据；

热平衡分析模块基于热工理论及能力守衡准则，采用热平衡计算公式对采集到的数据进行处理，将加热炉热收入与热支出各项分别列出，不仅能够实时反映加热炉的运行情况，并可提供探寻节能减排的方向和途径。热平衡分析是基于热工理论和能量守衡准则对数据处理的输出数据进行计算，生成反映加热炉热能运行状况的直观数据表及图形，为加热炉的高效运行提出诊断结论和合理的调整方向。

本发明提供的加热炉在线热平衡测试诊断系统，包括数据处理模块和热平衡分析模块。其中：

数据处理模块包含两个子模块，实时数据采集模块和终端数据录入模块。

实时数据采集模块采用国际通用的标准OPC接口，建立与过程自动化级的连接，采用Windows下的多线程处理技术实时采集现场数据。实施步骤如下：

(1)组态需要从现场采集的加热炉过程数据信息，包括加热炉各段炉温、加热炉各段流量、炉压等；

(2)开启OPC服务，与现场基础自动化级连接，包括PLC、DCS等；

(3)开启实时数据采集服务，从现场基础自动化级读取(1)中组态的数据；

(4)开启数据滤波和存储服务，对采集到的数据进行数据平滑处理，消除噪声数据；

最后将处理好的数据存储到后台数据库。

终端数据录入模块提供友好人机交互界面，由系统用户手工录入。录入的数据是无法通过现场基础自动化级采集到的数据，由专业设备获取，对实时性要求不高。

热平衡分析模块，基于热工理论和能量守衡准则，通过热平衡计算公式，对数据处理模块得到的加热炉现场运行数据进行运算分析，最后以图形化的方式将热平衡分析结果展现给用户，分析结果能直观地反映加热炉的运行状况，用户通过结果可以为加热炉的高效运行提出诊断结论和合理的调整方向。

热平衡分析模块中所使用到的热平衡计算公式分为三大部分，第一：燃料燃烧计算；第二：热收入项计算；第三：热支出项计算。下面分别给出计算公式和说明。

1燃料燃烧计算

1.1低发热量Q_DW

Q_Dw＝4.187(2580·H₂％+8550·CH₄％+14100·C_mH_n％

+5520·H₂S％+3046·CO％)

式中：H％、CH₄％、C_mH_n％、H₂S％、CO％表示气体燃料各湿成份的体积含量。

1.2空气消耗系数n

式中：上标′表示炉尾烟气分析成分，％；N_燃表示混合煤气湿成分含量；表示混合煤气中C的湿成分含量；RO₂表示二氧化物的含量。

1.3理论空气消耗量L₀

$L_0=4.76\×[\frac{1}{2}\mathrm{CO}+\frac{1}{2}{H}_2+\mathrm{\Σ}(m+\frac{n}{4})C_m{H}_n-O_2]\×{10}^{-2}$

式中，H₂、C_mH_n、CO、O₂表示混合煤气湿成分含量。

1.4实际空气消耗量Ln

L_n＝nL₀(1+0.00124g_m ^干)

式中，L₀表示理论空气消耗量，n表示空气消耗系数，g_m ^干表示实际干空气中的含水量。

1.5燃烧产物量(理论烟气量)V₀

V₀＝0.01(CO+2CH₄+3.5C₂H₆+CO₂+H₂+N₂+H₂O)+0.79L₀

式中，L₀表示理论空气消耗量，CO、CH₄、C₂H₆、CO₂、H₂、N₂、H₂O表示混合煤气湿成分含量。

1.6燃烧产物量(实际烟气量)Vn

V_n＝V_o+[n(1+0.00124g_m ^干)-1]×L₀

式中，V₀表示理论烟气量，L₀表示理论空气消耗量，n表示空气消耗系数，g_m ^干表示实际干空气中的含水量。

2热收入项计算

2.1燃料燃烧的化学热Q₁

Q₁＝BQ_DW

式中：B表示煤气消耗量，Q_DW表示燃料燃烧发热量。

2.2空气带入物理热Q₂

Q₂＝B_k×(C_pkt_k-C_pet_e)

B_k＝B×Ln

式中：B_k表示空气消耗量，C_pk表示空气预热温度下空气的比热，t_k表示空气预热温度，C_pe表示环境温度下空气的比热，t_e表示环境温度。

2.3钢坯氧化烧损放热Q₃

Q₃＝1350×4.187×G×a

a＝S_表×δ×γ×C_Fe/Wg

式中：G表示平均生产率，a表示钢坯的氧化烧损率，δ表示出料氧化铁皮平均厚度，γ表示氧化铁皮密度，C_Fe表示氧化铁皮含铁量，S_表表示钢坯的外表面积，Wg表示每块钢坯重量。

3热支出项计算

3.1加热钢坯的有效热量Q₁′

Q₁′＝G×(1-a)×(C_ppt_p-C_pet_e)

式中：G表示平均生产率，a表示钢坯的氧化烧损率，C_pp、C_pe表示钢坯在0至t_p、t_e间的平均比热，t_p、t_e表示钢坯出炉和入炉的平均温度。

3.2烟气带出的物理热Q₂′

Q₂′＝BV_n×(C_pyt_y-C_yet_e)

式中：BV_n为烟气流量，t_y表示烟气实际出炉温度，t_e表示环境温度，C_py表示烟气出炉温度下的烟气比热，C_ye表示环境温度下的烟气比热。

3.3化学不完全燃烧热损失Q₃′

Q₃′＝BV_n×3020×4.187×CO′

3.4炉体散热热损失Q₄′

Q₄′＝∑q4′＝q_侧墙+q_炉顶+q_进料端墙+q_出料端墙+q_炉底+q_出料门+q_进料门

3.5炉门辐射热损失Q₅′

Q₅′＝∑A_iΦ_iΔt/60×20.43×[((273+t_i)/100)⁴-((273+t_e)/100)⁴]

式中：t_i表示炉门旁的炉内温度，t_e表示环境温度，A_i表示炉门开启面积，Φ_i表示辐射角系数，Δt表示1小时内开启炉门时间。

3.6冷却水带走的物理热Q₆′

Q₆′＝G_水×(C_出水t_出水-C_进水t_进水)＝ρ_水×V_水×(C_出水t_出水-C_进水t_进水)

3.7氧化铁皮带走的物理热Q₇′

Q₇′＝G×a×C_表皮(t_表皮-t_e)

式中：G表示平均生产率，a表示钢坯的氧化烧损率，t_表皮表示氧化铁皮的出炉温度(取钢坯出炉温度)。

3.8立柱和烧嘴散热损失Q₈′

Q₈′＝Q_立柱+Q_烧嘴

Q＝3600π×d×l×(α_对流+α_辐射)(t_w-t_f)

式中：α_对流表示水平圆管对流换热系数，α_辐射表示辐射换热系数，t_w表示壁温，t_f表示周围空气温度。

加热炉在线热平衡测试诊断系统的具体诊断实施方法如图4所示，图4中的模块和实施步骤均由计算机程序来实现，用户开启加热炉在线热平衡测试诊断系统软件后，按照上面的步骤操作，即可获得加热炉热平衡分析结果。

本系统的实施，首先需要确认检测设备的正常化，包括校对所有现场仪表；在炉尾、换热器前后准备烟气取样孔，同时准备220V电源；选择合适的坯料规格，保证产量能够达到设计能力；在加热炉正常生产条件下进行热平衡诊断测试，并需要电工和热工人员配合测试。

系统投入使用后，首先由数据处理模块建立与现场基础自动化控制系统的连接，并采集现场数据，采集频率可以达到150ms，满足实时性的要求；由用户手工输入热平衡测试需要的，且无法从现场控制系统获取的数据，录入方式直观，简单易用；热平衡分析模块内嵌热平衡测试计算方法，响应速度快，能最大程度消除由于人为计算所产生的误差，系统测试结果直观，并能对测试结果进行有效分析，指导加热炉的节能减排。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种加热炉在线热平衡测试诊断系统，其特征在于，包括：

-数据处理模块，通过实时数据采集和终端数据录入，获取加热炉热平衡分析模块所需数据信息；所述数据处理模块进一步包括：

实时数据采集子模块，采用标准OPC接口，建立与过程自动化级的连接，采用Windows下的多线程处理技术完成采集现场数据；

终端数据录入子模块，提供友好人机交互界面，由系统用户手工录入；

-热平衡分析模块，对所述数据处理模块获得的数据进行运算处理，图形化生成加热炉运行现状。

2.根据权利要求1所述的加热炉在线热平衡测试诊断系统，其特征在于：

所述实时数据采集子模块，通过OPC技术从基础自动化控制系统获取加热炉各段炉温数据，各段空煤气流量数据，汽化冷却水量、水压、水温数据，蒸汽产量、温度、压力数据。

3.根据权利要求1或2所述的加热炉在线热平衡测试诊断系统，其特征在于，所述实时数据采集子模块进一步包括：

子模块1：组态需要从现场采集的加热炉过程数据信息；

子模块2：开启OPC服务，与现场基础自动化级连接；

子模块3：开启实时数据采集服务，从现场基础自动化级读取子模块1中组态的数据；

子模块4：开启数据滤波和存储服务，对采集到的数据进行数据平滑处理，消除噪声数据；最后将处理好的数据存储到后台数据库。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的加热炉在线热平衡测试诊断系统，其特征在于：

所述热平衡分析模块，所使用的热平衡计算包括燃料燃烧计算、热收入项计算、热支出项计算。

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