CN102243117B - 轧钢工业炉动态热平衡测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轧钢工业炉动态热平衡测试方法。本发明采用的动态热平衡测试技术，是对工业炉各种状态下的运行状况进行连续监控和数据采集，通过专门的数据处理技术和算法，得到工业炉的动态热平衡状态，不影响工业炉正常生产，数据处理即时完成，可大大提高热平衡测试的效率，同时可以得到连续的热平衡测试数据，对于工业炉节能降耗工作具有更全面的指导意义。

Description

轧钢工业炉动态热平衡测试方法

技术领域

本发明涉及一种轧钢工业炉动态热平衡测试和计算的方法，属于检测技术领域。

背景技术

轧钢工业炉是冶金行业中用燃料燃烧进行供热的一种加热设备，其目的是使钢坯达到轧钢工艺要求的温度，同时保证钢坯的加热质量。为此，要求炉内各区段温度控制在一定的范围，一般要求在±10℃之内。炉内由几个供热区段组成，通常分为热回收段、预热段、加热段和均热段，以满足钢坯加热工艺要求的温度曲线。工业炉是轧钢生产过程中最大的耗能设备，占整个轧钢工艺过程总能耗的70％左右。所以，工业炉能耗水平的动态检测与控制非常重要。

依据国家标准《工业燃料炉热平衡测定与计算基本规则》(GB/T13338-1991)，在入炉坯料成分、品种、规格不变等稳定工况下对工业炉进行热平衡测试，可以获得工业炉与能耗相关的各项技术性能指标，得出工业炉在正常工况下的热效率，具有一定的指导意义。

由于在实际轧钢生产过程中，工艺条件不可能总是完全符合这些严格的测试条件，通过常规热平衡测试方法计算出的热平衡数据并不能反映所有生产状态下的情况，有一定的局限性。

本发明采用的动态热平衡测试和计算方法，就是对工业炉与热平衡状态有关的各项数据进行连续采集和记录，通过专门的分析方法和软件，计算出不同工艺状况下的工业炉热平衡数据，对于工业炉节能降耗具有更全面的指导意义，类似于医疗领域普通静卧心电图和动态心电图的区别，动态心电图可以连续24小时监测人体心电图变化，它由美国Holter先生发明，故又称Holter心电图。

工业炉动态热平衡测试技术可以分析、诊断工业炉在各种工艺条件下热平衡状态，并能将工业炉与上下游工序作为一个整体考虑，通过热效率持续的监测，找到影响工序能耗的真正原因，结合工业炉的节能技术改造、优化生产组织、采用先进的轧钢工艺技术等手段，使工业炉热效率不断提高、单位能耗下降。所以工业炉动态热平衡测试是了解工业炉真实运行情况的有效途径，是现代冶金企业节能管理的又一个重要手段。

发明内容

工业炉动态热平衡测试和计算的前提条件是：自动化检测设备配置齐全，工业炉的主要热平衡收入和支出项基础数据可以自动获取，工业炉的自动控制采用DCS或PLC系统，该控制系统可以和动态热平衡测试装置进行数据交换。

依据1991年制定的国家标准《工业燃料炉热平衡测定与计算基本规则GB/T13338-1991》，对于工业燃料炉热平衡测试作了明确的说明，其测试手段通常采取人工方式进行。

随着科学技术的不断发展，与热平衡测试有关的热量支出项和热量收入项数据，基本上都可以通过自动检测手段完成，后续的数据处理用专门软件来实现也非难事。通过对工业炉与热平衡测试有关的各项数据进行自动检测和后期数据处理，可以获得工业炉热平衡测试数据，具有即时性和全面性的优点。

现有的热平衡测试技术在对工业炉的热平衡状态进行测试时，存在准备时间较长、对工业炉正常生产有干扰、后期数据处理工作量大等问题。本发明采用的动态热平衡测试技术，是对工业炉各种状态下的运行状况进行连续监控和数据采集，通过专门的数据处理技术和算法，得到工业炉的动态热平衡状态，不影响工业炉正常生产，数据处理即时完成，可大大提高热平衡测试的效率，同时可以得到连续的热平衡测试数据，对于工业炉节能降耗工作具有更全面的指导意义。

由热力学第一定律我们知道，轧钢工业炉热量收入项之和与支出项之和在数值上必然相等。热平衡计算，是工业炉设计的基础和重要参考依据，最终能够通过对运行的工业炉进行热平衡测试进行验证，所以热平衡测试是改进设计不足、提高设计水平、指导生产操作的重要手段。在热平衡中的各项，用单位时间的热量收入和支出的千焦(kJ)数为单位进行表示。

本发明提供的轧钢工业炉动态热平衡测试方法，包括以下步骤：

步骤一、原始数据获取，采用DCS或PLC系统对工业炉进行自动控制，系统自动获取燃料成分、燃料流量、钢坯质量、钢坯入炉温度、钢坯出炉温度、入炉时间和出炉时间进行记录，并通过数据库存储；

步骤二、热稳定状态判断，根据工业炉温度、出钢节奏计算出工业炉的热负荷，并判断是否处于热稳定状态，是否符合热平衡测定和计算的条件；

步骤三、以小时为间隔单位，从数据库中调用符合条件的原始数据进行热平衡计算，得出热平衡表，同时计算出轧钢工业炉的热效率；

步骤四、对工业炉与热平衡状态有关的各项数据进行连续测量，通过专门的分析软件，计算出不同工艺状况下的工业炉热平衡数据和实际热效率。

优选的，上述步骤三中的热平衡计算方法为：

∑Q_r＝∑Q′_r，

式中，∑Q_r为体系热收入总和，∑Q′_r为体系热支出总和；

其中，∑Q_r的计算方法为：

∑Q_r＝Q_rh+Q_rw+Q_w+Q_qt，

式中，Q_rh为燃料燃烧的化学热量，

Q_rw为燃料带入的物理热量，

Q_w为钢坯带入的物理热量，

Q_qt为其它热收入；

其中，∑Q′_r的计算方法为：

∑Q′_r＝Q′_w+Q′_y+Q′_sr+Q′_fs+Q′_qt，

式中，Q′_w为钢坯带出的物理热量，

Q′_y为烟气带走的物理热量，

Q′_sr为炉体及管道表面散失热量，

Q′_fs为炉门及孔洞辐射热损失热量，

Q′_qt为其它热支出。

优选的，上述体系热收入总和∑Q_r中的各部分计算方法如下：

$Q_{\mathrm{rh}}=B{Q}_{\mathrm{dw}}^s,$

式中，B为燃料用量，单位为Nm3/h或kg/h；为气体燃料湿成分低位发热量，单位为kJ/Nm3；

$Q_{\mathrm{dw}}^s={126\mathrm{CO}}^s+{108H}_2^s+{234H}_2^s{S}^s+{358\mathrm{CH}}_4^s+{598C}_m{H}_n^s$

式中，CO_s、

分别为气体燃料各湿成分的体积含量，％；

Q_rw＝B(C_rt_r-C_y0t₀)

式中：t_r、t₀分别为燃料入炉温度和基准温度，℃；

      C_r、C_y0分别为0℃至入炉温度和基准温度间燃料的平均比

热容，kJ/kg(Nm³)·℃；

Q_w＝m_w(C_wt_w-C_w0t₀)

式中，m_w为入炉钢坯的质量，C_w、C_w0分别为0℃至入炉温度t_w和基准温度t₀间的平均比热容，kJ/kg·℃。

优选的，上述体系热支出总和∑Q′_r中的各部分计算方法如下：

Q′_w＝m′_w(C′_wt′_w-C_w0t₀)

式中，m_w为入炉钢坯的质量，kg/h；

C′_w、C_w0分别为0℃至出炉温度(t′_w)和基准温度(t₀)间的平均比热容，kJ/kg·℃；

t′_w为钢坯的出炉温度，℃；

Q′_y＝V_y(C_yt_y-C_y0t₀)，kJ/h

式中：C_y、C_y0分别为在0℃至烟气温度(t_y)和基准温度(t₀)间的平均比热容，kJ/Nm3·℃；

t_y--烟道入口处烟气温度，℃；

V_y--烟气量，Nm3/h；

Q′_sr＝∑Q_i·A_i，kJ/h

式中：A_i--i部炉体或其它管道表面积，m²，

Q_i--i部炉体或其它管道表面热流密度，kJ/m²·h；

${Q^{\′}}_{\mathrm{fs}}=20.41\mathrm{\Σ}{A}_1\mathrm{\φ\τ}[{\left(\frac{t_1+273}{100}\right)}^4-{\left(\frac{t_n+273}{100}\right)}^4],\mathrm{kJ}/h$

式中：A₁--开启炉门面积，m²；

t₁--炉温，℃；

τ-1小时内炉门开启时间，h；

φ-角度系数。

本发明与普通的热平衡测试技术相比，具有计算结果连续和全面的特点。它能够连续、动态、直观地计算出工业炉的热能利用效率，在轧钢工业炉处于热稳定状态时，客观反映工业炉的热效率由各种原因(轧制节奏、钢坯热装率、烟气氧含量等)引起的变化情况，对于降低轧钢工业炉单位能耗具有重要指导意义。

附图说明

图1为轧钢工业炉热量平衡框图；

图2为动态热平衡测试和计算流程图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示为轧钢工业炉热量平衡框图，轧钢工业炉的供给热量主要为燃料燃烧产生的化学放热，其有效热量为被加热钢坯带走的物理热，烟气带走、炉墙散失等为热损失，从图1可以看出，这三者间符合能量平衡关系。

即：进入工业炉的有效热量＝被钢坯带走的有效热量+损失的热量

图2是动态热平衡测试和计算流程图。

首先，对热收入项和热支出项有关的各项原始数据进行采集，并通过数据库存储。再根据工业炉温度、出钢节奏等条件判断工业炉是否处于热稳定状态，如果具备条件，则从数据库中调用出原始数据进行热平衡计算，得出热平衡表，同时计算出轧钢工业炉的热效率，将结果进行显示和存储，并根据预先设定的间隔时间，周期不间断地对正常生产过状态下的工业炉进行热平衡测试和计算。

动态热平衡测试的实施方法及步骤：

一、将工业炉各项热收入项和热支出项有关的燃料成分、燃料流量、钢坯质量、钢坯入炉温度、钢坯出炉温度、入炉时间、出炉时间等原始数据进行记录，并通过数据库存储；

二、根据工业炉温度、出钢节奏计算出工业炉的热负荷，并判断是否处于热稳定状态，是否符合热平衡测定和计算的条件；

三、以小时为间隔单位，从数据库中调用符合条件的原始数据进行热平衡计算，得出热平衡表，同时计算出轧钢工业炉的热效率；

$\mathrm{\η}=\frac{Q_{\mathrm{YX}}}{Q_{\mathrm{GJ}}}\×100$

或： $\mathrm{\η}=1-\frac{Q_{\mathrm{SS}}}{Q_{\mathrm{GJ}}}\×100$

式中：η--设备热效率，％；

Q_GJ--供给热量，kJ；

Q_YX--有效热量，kJ；

Q_SS--损失热量，kJ。

轧钢工业炉的主要目的是为了加热钢坯，其钢坯带走的热量与燃气供给的热量之比可以反映工业炉的热能利用效率。因此采用公式：

$\mathrm{\η}=\frac{Q_{\mathrm{YX}}}{Q_{\mathrm{GJ}}}\×100\%$ 计算轧钢工业炉的热效率。

式中： $Q_{\mathrm{GJ}}=Q_{\mathrm{rh}}={\mathrm{BQ}}_{\mathrm{dw}}^s,\mathrm{kJ}/h$

Q_YX＝Q′_w-Q_w

Q_w＝m_w(C_wt_w-C_w0t₀)

Q′_w＝m′_w(C′_wt′_w-C_w0t₀)

Q_YX＝m′_w(C′_wt′_w-C_w0t₀)-m_w(C_wt_w-C_w0t₀)，kJ/h

式中：Q′_w、Q_w分别为钢坯带出和带入的热量，m′_w、m_w分别为钢坯出炉和入炉时的质量，假定：m′_w＝m_w

则：Q_YX＝m′_w(C′_wt′_w-C_wt_w)，kJ/h

$\mathrm{\η}=\frac{Q_{\mathrm{YX}}}{Q_{\mathrm{GJ}}}\×100\%={m^{\′}}_w({C^{\′}}_w{t^{\′}}_w-C_w{t}_w)/{\mathrm{BQ}}_{\mathrm{dw}}^s\×100\%$

四、将热平衡计算得出热平衡表数据和工业炉热效率，通过以下格式记录和存储在数据库中。

A₁(Q_rh，Q_rw，Q_w，Q_qt，Q′_w，Q′_y，Q′_sr，Q′_fs，Q′_qt，η)

A₂(Q_rh，Q_rw，Q_w，Q_qt，Q′_w，Q′_y，Q′_sr，Q′_fs，Q′_qt，η)

：

：

A_n(Q_rh，Q_rw，Q_w，Q_qt，Q′_w，Q′_y，Q′_sr，Q′_fs，Q′_qt，η)

式中：

n--以小时为单位的时间间隔；

Q_rh--燃料燃烧的化学热；

Q_rw--燃料带入的物理热；

Q_w--钢坯带入的物理热；

Q_qt--其它热收入；

Q′_w--钢坯带出的物理热；

Q′_y--烟气带走的物理热；

Q′_sr--炉体和其它管道表面散热损失；

Q′_fs--炉门和空洞辐射热损失；

Q′_qt--其它热支出；

η--实际热效率。

以上所述，仅是用以说明本发明的具体实施案例而已，并非用以限定本发明的可实施范围，举凡本领域熟练技术人员在未脱离本发明所指示的精神与原理下所完成的一切等效改变或修饰，仍应由本发明权利要求的范围所覆盖。

Claims (1)

1.一种轧钢工业炉动态热平衡测试方法，其特征在于：

步骤一、原始数据获取，采用DCS或PLC系统对工业炉进行自动控制，系统自动获取燃料成分、燃料流量、钢坯质量、钢坯入炉温度、钢坯出炉温度、入炉时间和出炉时间并进行记录，并通过数据库存储；

步骤二、热稳定状态判断，根据工业炉温度、出钢节奏计算出工业炉的热负荷，并判断是否处于热稳定状态，是否符合热平衡测定和计算的条件；

步骤三、以小时为间隔单位，从数据库中调用符合条件的原始数据进行热平衡计算，得出热平衡表，同时计算出轧钢工业炉的热效率；

步骤四、对工业炉与热平衡状态有关的各项数据进行连续测量，通过专门的分析软件，计算出不同工艺状况下的工业炉热平衡数据和实际热效率。

2、如权利要求1所述的轧钢工业炉动态热平衡测试方法，其特征在于：所述步骤三中的热平衡计算方法为：

＝

，

式中，为体系热收入总和，

为体系热支出总和；

其中，的计算方法为：

=

+

++

，

式中，

为燃料燃烧的化学热量，

      

为燃料带入的物理热量，

      

为钢坯带入的物理热量，

      

为其它热收入；

其中，

的计算方法为：

=

++

+

+

，

式中，

为钢坯带出的物理热量，

为烟气带走的物理热量，

      

为炉体及管道表面散失热量，

      

为炉门及孔洞辐射热损失热量，

      为其它热支出。 

3、如权利要求2所述的轧钢工业炉动态热平衡测试方法，其特征在于：所述体系热收入总和中的各部分计算方法如下：

      

=

，

式中，

为燃料用量，单位为Nm³/h或kg/h；

为气体燃料湿成分低位发热量，单位为kJ/Nm³；  

 = 

  式中，

、

、

、

、

分别为气体燃料各湿成分的体积含量，单位为% ；

= 

   

   式中：

为燃料用量，单位为Nm³/h或kg/h；

、

分别为燃料入炉温度和基准温度，单位为℃；

   

、

分别为0℃至入炉温度和基准温度间燃料的平均比热容，单位为kJ/kg(Nm³) ·℃；

= 

 

式中，

为入炉钢坯的质量, 

、 分别为0℃至入炉温度

和基准温度

间的平均比热容，单位为kJ/kg·℃，为炉钢坯的入炉温度，单位为℃，

为基准温度，单位为℃。

4、如权利要求2所述的轧钢工业炉动态热平衡测试方法，其特征在于：所述体系热支出总和

中的各部分计算方法如下：

= 

式中，

 为入炉钢坯的质量，单位为kg/h；

、

分别为0℃至出炉温度和基准温度

间的平均比热容，单位为kJ/kg·℃；

为钢坯的出炉温度，单位为℃；

为基准温度，单位为℃；

= 

 ，单位为kJ/h

式中：

、

分别为在0℃至烟气温度

和基准温度

间的平均比热容，单位为kJ/Nm³·℃；

 -- 烟道入口处烟气温度，单位为℃；

为基准温度，单位为℃；

 -- 烟气量，单位为Nm³/h；

 = 

 , 单位为kJ/h  

式中：

 --  i部炉体或其它管道表面积，单位为m²，

       --  i部炉体或其它管道表面热流密度，单位为kJ/m²·h；

 = 

 ，单位为kJ/h  

式中：

 -- 开启炉门面积，单位为m² ；

        -- 炉温，单位为℃ ；

      τ – 1小时内炉门开启时间，单位为h ；

φ – 角度系数。

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