CN102559969B - 高炉鼓风系统能效分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能效分析技术，旨在提供一种高炉鼓风系统能效分析方法。该方法包括：(1)采集高炉鼓风系统运行数据，经模数转换后传送至上位机；(2)根据运行数据分别得到电动机、鼓风机、透平机和热风炉的能效数据；(3)利用一阶滞后滤波算法模块对得到的能效数据进行滤波处理，以去除噪声；(4)得到高炉鼓风系统的能效数值；(5)将获得的能效数值以电信号形式传送并显示于显示装置中。本发明能够对高炉鼓风系统的能效进行综合评估与分析，并在能耗偏高时发出预警或提示。同时，能耗分析的结果还能为提高能耗的提供准确的方向。有助于技术人员根据系统提供的各设备能效数据，提出对应的处理方案。

Description

高炉鼓风系统能效分析方法

技术领域

本发明涉及能效分析技术，特别是一种在炼铁高炉鼓风系统的能效分析方法。

背景技术

冶金流程工业既是能源、各种原材料的产生者，也是能源的主要消耗者，节能降耗至关重要。我国冶金工业综合能耗水平远高于全球的平均水平。以2007年统计数据为例，2007年我国重点钢铁企业平均炼铁燃料比为529.9kg/t，首钢炼铁燃料比为466kg/t，宝钢集团为483kg/t，太钢为491kg/t，湘钢为501kg/t，马钢股份为503kg/t，邢钢为520kg/t。据国际钢铁协会统计，2006年德国Chland为486kg/t，中国台湾为488kg/t，欧盟15国平均为494kg/t，南美洲为496kg/t，日本为498kg/t。从以上情况可以看出，国际先进水平的炼铁燃料比是低于500kg/t。我国的首钢、宝钢、武钢等企业已达到国际先进水平。但是，全国重点钢铁企业大多数炼铁厂仍存在较大差距。

炼铁系统是焦化、烧结、炼铁等工序的总称。该系统直接消耗的能源占钢铁联合企业总能耗的70％左右，是钢铁联合企业节能的重点。高炉鼓风系统作为炼铁系统的心脏，其能耗也占据炼铁系统的主要部分。高炉鼓风消耗在炼铁工序能耗中所占比例较大。高炉鼓风能耗约占炼铁工序能耗10％～15％。因此对高炉鼓风系统的节能降耗对于冶金行业的节能减排具有重要的意义。

为了能控制低鼓风系统的能源消耗，首先就是要对高炉鼓风系统的能效进行综合评估与分析，并在适当时候发出能耗偏高的预警或提示。同时，能耗分析的结果还能为提高能耗的提供准确的方向。高炉鼓风系统涉及的流程和设备复杂，其中还包含了非常多的化学反应以及物理过程，因此如何对高炉鼓风系统的能效进行分析、评价及预警，建立一种可应用于实际的分析方法是冶金行业节能减排过程中急需解决的问题。

发明内容

本发明的要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种高炉鼓风系统能效分析及预警方法。

为解决其技术问题，本发明的解决方法是：

提供一种高炉鼓风系统能效分析及预警方法，包括以下步骤：

(1)采集高炉鼓风系统中用于能效分析各种运行数据，经模数转换后传送至上位机；

(2)利用内置于上位机中的电动机能效计算模块、鼓风机能效计算模块、透平机能效计算模块、热风炉能效计算模块根据运行数据分别得到电动机、鼓风机、透平机和热风炉的能效数据；

(3)利用一阶滞后滤波算法模块对得到的能效数据进行滤波处理，以去除噪声；

(4)根据下述公式得到高炉鼓风系统的能效数值：

η_α＝η₁+η₂c₁+η₃c₂+η₄c₃

上式中，η₁、η₂、η₃、η₄为经滤波处理后的热风炉、电动机、鼓风机、透平机的能效数据；其中，能耗最高的设备赋予加权系数为1，根据耗能比设定其他设备的耗能系数为c₁、c₂、c₃；

(5)将获得的能效数值以电信号形式传送并显示于显示装置中。

本发明中，当最终获得的高炉鼓风系统能效数值超过设定的范围时，上位机发出警报信号。

本发明的步骤(2)中，电动机能效计算模块直接采用电动机的效率曲线计算得到其能效数据，或者直接采用其额定效率。

本发明的步骤(2)中，鼓风机的能效根据采集到的静叶开度ε_b、鼓风机出口压缩比及出口流量的测量数据，利用鼓风机的效率曲线获得。

本发明的步骤(2)中，透平机的能效是通过下述方式获得的：

步骤一，通过下述方式获得鼓风机空气的焓值增量P₃(单位为kW)：

(1)将标态下测量的出口流量Q_Nbo转换为Q_bo：

$Q_{\mathrm{bo}}=Q_{\mathrm{Nbo}}\frac{101.32(273.15+T_{\mathrm{bo}})}{(P_{\mathrm{bo}}+101.32)\left(273.15\right)3600}$

(2)出口处空气的密度ρ_bo：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bo}}=\frac{(P_{\mathrm{bo}}+101.32)1000}{R(T_{\mathrm{bo}}+273.15)}$

$R=\frac{R_M}{M}$

式中，对于空气其M值为28.98kg/kmol；R_M为8314J/(kmol·K)；出口流量Q_Nbo的单位为Nm³/h；Q_bo的单位为m³/s；ρ_bo的单位为kg/m³；

(3)单位质量的焓降为：

温度T下的理想气体定压摩尔热容C_p，m由下式获得：

C_p，m＝a₀+a₁T+a₂T²+a₃T³

式中，C_p，m的单位为kJ/(kmol·K)；T的单位为K；a₀、a₁、a₂、a₃表示理想气体定压摩尔热容的参数；

则，单位质量的焓值增量Δh_bo(单位为kJ/kg)为

${\mathrm{\Δh}}_{\mathrm{bo}}={\∫}_1^2{c}_p\mathrm{dT}=\frac{1}{M}{\∫}_1^2{C}_{p,m}\mathrm{dT}$

$=\frac{1}{M}[a_0(T_{\mathrm{bo}}-T_{\mathrm{bi}})+\frac{a_1}{2}(T_{\mathrm{bo}}^2-T_{\mathrm{bi}}^2)+\frac{a_2}{3}(T_{\mathrm{bo}}^3-T_{\mathrm{bi}}^3)+\frac{a_3}{4}(T_{\mathrm{bo}}^4-T_{\mathrm{bi}}^4)]$

式中，Δh_bo的单位为kJ/kg；则，

P₃＝Q_boρ_boΔh_bo

步骤二，根据采集到的静叶开度ε_b、鼓风机出口压缩比及出口流量的测量数据，利用鼓风机的效率曲线获得鼓风机的效率η_b；

步骤三，通过下述方式获得鼓风机的轴功率P₄(单位为kW)：

P₄＝P₃/η_b

步骤四，通过下述方式获得电动机的输出轴功率P₂(单位为kW)：

(1)根据采集的运行参数获得电动机的输入功率P₁(单位为kW)：

式中，电压输入U，单位为V；电流输入I，单位为A；为功率因数；

(2)电动机的输出轴功率P₂(单位为kW)：

P₂＝P₁η_e

式中，电动机的能效为η_e，通过电动机的效率曲线或者额定效率获得；

步骤五，通过下述方式获得透平机的输出轴功率P₅(单位kW)为：

P₅＝P₄-P₂

步骤六，通过下述方式获得高炉炉顶煤气中各成分的焓值增量P₆(单位为kW)：

(1)采集数据中，透平机入口流量为Q_ti(m³/s)，入口压力为p_ti(kPa)，出口压力为p_to(kPa)，入口温度为T_ti(K)，出口温度为T_to(K)；

标态下的流量Q_Nti(Nm³/h)转换为透平机入口流量：

$Q_{\mathrm{ti}}=Q_{\mathrm{Nti}}\frac{101.32(273.15+T_{\mathrm{ti}})}{(P_{\mathrm{ti}}+101.32)\left(273.15\right)3600}$

(2)高炉炉顶煤气中的主要成分是：CO₂、CO、N₂、H₂、CH₄、O₂，其体积含量分别表示为x_CO(％)， $x_{N_2}(\%),x_{H_2}(\%),x_{{\mathrm{CH}}_4}(\%),x_{O_2}(\%),$

入口各成分的体积(单位为m³/s)：

$Q_{\mathrm{ti}}^{{\mathrm{co}}_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{{\mathrm{co}}_2};$ $Q_{\mathrm{ti}}^{\mathrm{co}}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{\mathrm{co}};$ $Q_{\mathrm{ti}}^{N_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{N_2};$ $Q_{\mathrm{ti}}^{H_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{H_2};$ $Q_{\mathrm{ti}}^{{\mathrm{CH}}_4}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{{\mathrm{CH}}_4};$ $Q_{\mathrm{ti}}^{o_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{o_2};$

入口处各成分的密度(单位为kg/m³)：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ti}}=\frac{(P_{\mathrm{ti}}+101.32)1000}{R(T_{\mathrm{ti}}+273.15)}$

$R=\frac{R_M}{M}$

对于CO₂、CO、N₂、H₂、CH₄、O₂，其M值分别为：44kg/kmol，28kg/kmol，28kg/kmol，2kg/kmol，16kg/kmol，32kg/kmol；

(3)各成分单位质量的焓降(单位为kJ/kg)为：

$\mathrm{\Δh}={\∫}_1^2{c}_p\mathrm{dT}=\frac{1}{M}{\∫}_1^2{C}_{p,m}\mathrm{dT}$

$=\frac{1}{M}[a_0(T_{\mathrm{to}}-T_{\mathrm{ti}})+\frac{a_1}{2}(T_{\mathrm{to}}^2-T_{\mathrm{ti}}^2)+\frac{a_2}{3}(T_{\mathrm{to}}^3-T_{\mathrm{ti}}^3)+\frac{a_3}{4}(T_{\mathrm{to}}^4-T_{\mathrm{ti}}^4)]$

(4)各成分的焓值增量：

P₆＝∑Q_tiρ_tiΔh

步骤七，得到透平机的能效η_t为：

${\mathrm{\η}}_t=\frac{P_5}{P_6}.$

本发明的步骤(2)中，热风炉的能效是通过下述方式获得的：

(1)热风单位质量的焓值增加为(单位为kJ/kg)：

$h_h=\frac{1}{M}(a_0\mathrm{\Δ}{T}_h+\frac{a_1}{2}\mathrm{\Δ}{T}_h^2+\frac{a_2}{3}{\mathrm{\ΔT}}_h^3+\frac{a_3}{4}\mathrm{\Δ}{T}_h^4)$

式中，ΔT_h为热风炉进出口温差；则，增加焓值：

P_h＝m_boh_h

(2)高炉炉顶煤气各成分的体积(单位为m³/s)： $Q_{\mathrm{ti}}^{{\mathrm{co}}_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{{\mathrm{co}}_2};$ $Q_{\mathrm{ti}}^{\mathrm{co}}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{\mathrm{co}};$ $Q_{\mathrm{ti}}^{N_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{N_2};$ $Q_{\mathrm{ti}}^{H_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{H_2};$ $Q_{\mathrm{ti}}^{{\mathrm{CH}}_4}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{{\mathrm{CH}}_4};$ $Q_{\mathrm{ti}}^{o_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{o_2};$

(3)高炉炉顶煤气各成分的密度(单位为kg/m³)：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ti}}=\frac{(P_{\mathrm{ti}}+101.32)1000}{R(T_{\mathrm{ti}}+273.15)}$

$R=\frac{R_M}{M}$

对于CO₂、CO、N₂、H₂、CH₄、O₂，其M值分别为：44kg/kmol，28kg/kmol，28kg/kmol，2kg/kmol，16kg/kmol，32kg/kmol；

3)使用煤气单位质量的焓值计算为：

$h_g=\frac{1}{M}(a_0{T}_{\mathrm{ti}}+\frac{a_1}{2}{T}_{\mathrm{ti}}^2+\frac{a_2}{3}{T}_{\mathrm{ti}}^3+\frac{a_3}{4}{T}_{\mathrm{ti}}^4)$

煤气流量为Q_ti(m³/s)，入口压力为p_ti(kPa)，出口压力为p_to(kPa)，入口温度为T_ti(K)，出口温度为T_to(K)；

煤气的焓值为

P_ti＝∑Q_tiρ_tih_g

热风炉的能效为：

${\mathrm{\η}}_h=\frac{P_h}{P_{\mathrm{ti}}}.$

本发明的步骤(3)中，所述滤波是通过下述公式获得的：

${\mathrm{\η}}_b^{\mathrm{nf}}=(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\η}}_b^n+{\mathrm{\α\η}}_b^{\mathrm{nf}-1}$ (公式6)

式中，表示第n次的能效滤波后的值，为第n次计算的能效值，表示第n-1次的能效滤波后的值，α的取值在0至1。

本发明的有益效果在于：

本发明能够对高炉鼓风系统的能效进行综合评估与分析，并在能耗偏高时发出预警或提示。同时，能耗分析的结果还能为提高能耗的提供准确的方向。有助于技术人员根据系统提供的各设备能效数据，提出对应的处理方案。

附图说明

图1为高炉鼓风系统示意图；

图2为鼓风机运行参数测量示意图；

图3为透平机运行参数测量示意图；

图4为电动机运行参数测量示意图；

图5为一阶滞后滤波算法示意图。

具体实施方式

首先需要说明的是，本发明涉及内置于计算机中的软件功能模块的应用，是计算机技术在控制技术领域的一种应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明。前述软件功能模块包括但不限于：电动机能效计算模块、鼓风机能效计算模块、透平机能效计算模块、热风炉能效计算模块、一阶滞后滤波算法模块等，凡本发明申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。

图1表示高炉鼓风系统的示意图。高炉2产生的高温高压煤气通过重力除尘装置3和布袋除尘装置4除尘净化后，导入透平机5驱动透平机轴转动，煤气具有的高温高压能量转化为透平机轴的机械动能。在其转速超过了鼓风机7的转速后，离合器6自动啮合，从而将机械动能传递给鼓风机，这样就降低了电动机9的耗能，将热风带入热风炉1。当煤气量发生变化或者透平机出现故障，其轴转速降低至鼓风机7转速以下，离合器6自动脱离，只由电动机9带动经过变速箱8带动鼓风机7，从而保证了鼓风机7能够正常工作。

本发明的基本原理是：

首先，对高炉鼓风系统的设备和流程进行分类，参照历史运行数据，根据不同的高炉操作，将高炉鼓风系统流程的设备的耗能进行分类与划分。其次，针对其中能耗高的重点设备进行物料平衡、能量平衡等计算，并由此分析计算设备的能效。最后，将各设备的能效按照一定的加权系数进行组合，由此得到高炉鼓风系统的流程能效。

本发明中，建立的高炉鼓风系统的设备能耗等级是根据不同的高炉操作，采用梯级划分，将能耗设备分成若干能耗等级。其主要是利用鼓风系统流程的历史运行数据，将高炉鼓风系统的设备能耗转换到统一的量度标准，建立不同高炉操作工况下的高炉设备能耗等级。

本发明中，在上述建立的能耗等级之后，首先考虑能耗等级高的设备。从物料平衡和能量平衡的角度，对设备的能效进行分析计算，从而得到单个设备单元的能效。主要方法是将介质从能量的低品位状态经过一系列的物理过程处理后，提升至高品位状态所需要的能量作为分子，而将所需要的动力及燃料等所具有的产生或者折算的能量作为分母，以此作为设备的直观能效分析公式。

本发明中，建立的设备的能效计算方法作为鼓风系统流程能效的一部分，通过加权系数的组合计算，构成鼓风系统流程的能效。主要方法是根据能耗设备的能耗等级确定加权系数的大小，从而构建系统流程的能效。

一、电动机能效的获得

电动机的能效一般直接采用电动机的效率曲线计算得到，如果没有效率曲线那么采用其额定效率。

检测量：电动机的电压输入U(单位为V)，电流输入I(单位为A)。

计算方法：通过测量其电流I得到其输入功率(P₁，单位为kW)为：

这里为功率因数。

通过效率曲线或者额定效率计算得到的能效为η_e，那么电动机的输出轴功率(P₂，单位为kW)为：

P₂＝P₁η_e

二、鼓风机能效的获得

轴流鼓风机的能效(η_b)可通过两种方式得到：

通过测量的静叶开度(ε_b)，鼓风机出口的压缩比和流量，利用经验公式确定其能效；或者通过测量的静叶开度(ε_b)，鼓风机出口的压缩比和流量，利用其效率曲线获得。

1)由于测量的流量Q_Nbo(单位为Nm³/h)是标态下的，因此出口流量的转换为Q_bo(单位为m³/s)：

$Q_{\mathrm{bo}}=Q_{\mathrm{Nbo}}\frac{101.32(273.15+T_{\mathrm{bo}})}{(P_{\mathrm{bo}}+101.32)\left(273.15\right)3600}$

2)出口处空气的密度ρ_bo(单位为kg/m³)：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bo}}=\frac{(P_{\mathrm{bo}}+101.32)1000}{R(T_{\mathrm{bo}}+273.15)}$

$R=\frac{R_M}{M}$

对于空气其M值为：28.98kg/kmol。R_M为8314J/(kmol·K)。

3)单位质量的焓降为：

T(单位为K)温度下的理想气体定压摩尔热容C_p，m(单位为kJ/(kmol·K))可由下式计算：

C_p，m＝a₀+a₁T+a₂T²+α₃T³

这里a₀，a₁，a₂，a₃表示理想气体定压摩尔热容的参数。其中a₀，a₁，a₂，a₃参数由参考文献中取得。

因此单位质量的焓值增量Δh_bo(单位为kJ/kg)为

${\mathrm{\Δh}}_{\mathrm{bo}}={\∫}_1^2{c}_p\mathrm{dT}=\frac{1}{M}{\∫}_1^2{C}_{p,m}\mathrm{dT}$

$=\frac{1}{M}[a_0(T_{\mathrm{bo}}-T_{\mathrm{bi}})+\frac{a_1}{2}(T_{\mathrm{bo}}^2-T_{\mathrm{bi}}^2)+\frac{a_2}{3}(T_{\mathrm{bo}}^3-T_{\mathrm{bi}}^3)+\frac{a_3}{4}(T_{\mathrm{bo}}^4-T_{\mathrm{bi}}^4)]$

4)鼓风机空气的焓值增量P₃(单位为kW)：

P₃＝Q_boρ_boΔh_bo

鼓风机的轴功率(P₄，单位为kW)为：

P₄＝P₃/η_b

三、透平机能效的获得

透平机的输出轴功率(P₅，单位kW)为：

P₅＝P₄-P₂

透平机入口流量为Q_ti(m³/s)，入口压力为p_ti(kPa)，出口压力为p_to(kPa)，入口温度为T_ti(K)，出口温度为T_to(K)。

标态下的流量Q_Nti(Nm³/h)透平机入口流量的转换：

$Q_{\mathrm{ti}}=Q_{\mathrm{Nti}}\frac{101.32(273.15+T_{\mathrm{ti}})}{(P_{\mathrm{ti}}+101.32)\left(273.15\right)3600}$

高炉炉顶煤气中的主要成分是：CO₂、CO、N₂、H₂、CH₄、O₂，其体积含量分别表示为x_CO(％)， $x_{N_2}(\%),x_{H_2}(\%),x_{{\mathrm{CH}}_4}(\%),x_{O_2}(\%)$

1)入口各成分的体积(单位为m³/s)：

$Q_{\mathrm{ti}}^{{\mathrm{co}}_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{{\mathrm{co}}_2}$

$Q_{\mathrm{ti}}^{\mathrm{co}}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{\mathrm{co}}$

$Q_{\mathrm{ti}}^{N_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{N_2}$

$Q_{\mathrm{ti}}^{H_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{H_2}$

$Q_{\mathrm{ti}}^{{\mathrm{CH}}_4}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{{\mathrm{CH}}_4}$

$Q_{\mathrm{ti}}^{o_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{o_2}$

2)入口处各成分的密度(单位为kg/m³)：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ti}}=\frac{(P_{\mathrm{ti}}+101.32)1000}{R(T_{\mathrm{ti}}+273.15)}$

$R=\frac{R_M}{M}$

对于CO₂、CO、N₂、H₂、CH₄、O₂，其M值分别为：44kg/kmol，28kg/kmol，28kg/kmol，2kg/kmol，16kg/kmol，32kg/kmol。

3)各成分单位质量的焓降(单位为kJ/kg)为：

$\mathrm{\Δh}={\∫}_1^2{c}_p\mathrm{dT}=\frac{1}{M}{\∫}_1^2{C}_{p,m}\mathrm{dT}$

$=\frac{1}{M}[a_0(T_{\mathrm{to}}-T_{\mathrm{ti}})+\frac{a_1}{2}(T_{\mathrm{to}}^2-T_{\mathrm{ti}}^2)+\frac{a_2}{3}(T_{\mathrm{to}}^3-T_{\mathrm{ti}}^3)+\frac{a_3}{4}(T_{\mathrm{to}}^4-T_{\mathrm{ti}}^4)]$

4)各成分的焓值增量：

P₆＝∑Q_tiρ_tiΔh

透平机的能效为：

${\mathrm{\η}}_t=\frac{P_5}{P_6}$

四、热风炉能效的获得

热风单位质量的焓值增加，单位为kJ/kg为：

$h_h=\frac{1}{M}(a_0\mathrm{\Δ}{T}_h+\frac{a_1}{2}\mathrm{\Δ}{T}_h^2+\frac{a_2}{3}{\mathrm{\ΔT}}_h^3+\frac{a_3}{4}\mathrm{\Δ}{T}_h^4)$

式中，ΔT_h为热风炉进出口温差。

增加焓值：

P_h＝m_boh_h

1)煤气各成分的体积(单位为m³/s)：

$Q_{\mathrm{ti}}^{{\mathrm{co}}_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{{\mathrm{co}}_2}$

$Q_{\mathrm{ti}}^{\mathrm{co}}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{\mathrm{co}}$

$Q_{\mathrm{ti}}^{N_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{N_2}$

$Q_{\mathrm{ti}}^{H_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{H_2}$

$Q_{\mathrm{ti}}^{{\mathrm{CH}}_4}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{{\mathrm{CH}}_4}$

$Q_{\mathrm{ti}}^{o_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{o_2}$

2)各成分的密度(单位为kg/m³)：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ti}}=\frac{(P_{\mathrm{ti}}+101.32)1000}{R(T_{\mathrm{ti}}+273.15)}$

$R=\frac{R_M}{M}$

对于CO₂、CO、N₂、H₂、CH₄、O₂，其M值分别为：44kg/kmol，28kg/kmol，28kg/kmol，2kg/kmol，16kg/kmol，32kg/kmol。

3)使用煤气单位质量的焓值计算为：

$h_g=\frac{1}{M}(a_0{T}_{\mathrm{ti}}+\frac{a_1}{2}{T}_{\mathrm{ti}}^2+\frac{a_2}{3}{T}_{\mathrm{ti}}^3+\frac{a_3}{4}{T}_{\mathrm{ti}}^4)$

煤气流量为Q_ti(m³/s)，入口压力为p_ti(kPa)，出口压力为p_to(kPa)，入口温度为T_ti(K)，出口温度为T_to(K)。

煤气的焓值为

P_ti＝∑Q_tiρ_tih_g

热风炉的能效为：

${\mathrm{\η}}_h=\frac{P_h}{P_{\mathrm{ti}}}$

五、滤波

为了消除噪声引起的误差，本发明采用一阶滞后滤波算法对计算的能效进行滤波，去除噪声。滤波算法为：

${\mathrm{\η}}_b^{\mathrm{nf}}=(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\η}}_b^n+\mathrm{\α}{\mathrm{\η}}_b^{\mathrm{nf}-1}$ (公式6)

这里表示第n次的能效滤波后的值，为第n次计算的能效值，表示第n-1次的能效滤波后的值。α的取值在0至1，可以根据现场情况进行修改。图4为滤波算法的流程图。

六、系统能效分析

通过对炼铁高炉鼓风系统中的热风炉、电动机、鼓风机、透平机的使用耗能进行分析，计算其中能耗最高的设备，赋予加权系数为1，以此类推根据耗能比设定其他设备的耗能系数为c₁、c2、c3，因此鼓风流程的能效值为：

η_α＝η₁+η₂c₁+η₃c₂+η₄c₃

然后，将获得的能效数值以电信号形式传送并显示于显示装置中。

七、发出预警

当最终获得的高炉鼓风系统能效数值超过设定的范围时，上位机发出警报信号。在接到警报信号后，技术人员根据系统提供的各设备能效数据，提出对应的处理方案。

Claims (5)

1.一种高炉鼓风系统能效分析方法，包括以下步骤：

(I)采集高炉鼓风系统中用于能效分析的各种运行数据，经模数转换后传送至上位机；

(II)利用内置于上位机中的电动机能效计算模块、鼓风机能效计算模块、透平机能效计算模块、热风炉能效计算模块根据运行数据分别得到电动机、鼓风机、透平机和热风炉的能效数据；

(III)利用一阶滞后滤波算法模块对得到的能效数据进行滤波处理，以去除噪声；

(IV)根据下述公式得到高炉鼓风系统的能效数值：

η_a＝η₁+η₂c₁+η₃c₂+η₄c₃

上式中，η₁、η₂、η₃、η₄为经滤波处理后的热风炉、电动机、鼓风机、透平机的能效数据；其中，能耗最高的设备赋予加权系数为1，根据耗能比设定其他设备的耗能系数为c₁、c₂、c₃；

(V)将获得的能效数值以电信号形式传送并显示于显示装置中；

在步骤(II)中，透平机的能效是通过下述方式获得的：

步骤一，通过下述方式获得鼓风机空气的焓值增量P₃，单位为kW：

(1)将标态下测量的出口流量Q_Nbo转换为Q_bo：

$Q_{\mathrm{bo}}=Q_{\mathrm{Nbo}}\frac{101.32(273.15+T_{\mathrm{bo}})}{(P_{\mathrm{bo}}+101.32)\left(273.15\right)3600}$

式中，T_bo为为鼓风机出口温度；P_bo为鼓风机出口压力；

(2)出口处空气的密度ρ_bo：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{bo}}=\frac{(P_{\mathrm{bo}}+101.32)1000}{R(T_{\mathrm{bo}}+273.15)}$

$R=\frac{R_M}{M}$

式中，对于空气其M值为28.98kg/kmol；R_M为8314J/(kmol·K)；出口流量Q_Nbo的单位为Nm³/h；Q_bo的单位为m³/s；ρ_bo的单位为kg/m³；

(3)单位质量的焓降为：

温度T下的理想气体定压摩尔热容C_p，m由下式获得：

C_p，m＝a₀+a₁T+a₂T²+a₃T³

式中，C_p，m的单位为kJ/(kmol·K)；T的单位为K；a₀、a₁、a₂、a₃表示理想气体定压摩尔热容的参数；

则，单位质量的焓值增量Δh_bo为

$\begin{array}{c}{\mathrm{\Δh}}_{\mathrm{bo}}={\∫}_1^2{c}_p\mathrm{dT}=\frac{1}{M}{\∫}_1^2{C}_{p,m}\mathrm{dT}\\ =\frac{1}{M}[a_0(T_{\mathrm{bo}}-T_{\mathrm{bi}})+\frac{a_1}{2}(T_{\mathrm{bo}}^2-T_{\mathrm{bi}}^2)+\frac{a_2}{3}(T_{\mathrm{bo}}^3-T_{\mathrm{bi}}^3)+\frac{a_3}{4}(T_{\mathrm{bo}}^4-T_{\mathrm{bi}}^4)]\end{array}$

式中，Δh_bo的单位为kJ/kg；T_bo为鼓风机出口温度；T_bi为鼓风机进口温度；则，

P₃＝Q_boρ_boΔh_bo

步骤二，根据采集到的静叶开度ε_b、鼓风机出口压缩比及出口流量的测量数据，利用鼓风机的效率曲线获得鼓风机的效率η_b；

步骤三，通过下述方式获得鼓风机的轴功率P₄，单位为kW：

P₄＝P₃/η_b，P₄单位为kW

步骤四，通过下述方式获得电动机的输出轴功率P₂，单位为kW：

(1)根据采集的运行参数获得电动机的输入功率P₁，单位为kW：

式中，电压输入U，单位为V；电流输入I，单位为A；为功率因数；

(2)电动机的输出轴功率P₂，单位为kW：

P₂＝P₁η_e

式中，电动机的能效为η_e，通过电动机的效率曲线或者额定效率获得；

步骤五，通过下述方式获得透平机的输出轴功率P₅，单位为kW：

P₅＝P₄-P₂

步骤六，通过下述方式获得高炉炉顶煤气中各成分的焓值增量P₆，单位为kW：

(1)采集数据中，透平机入口流量为Q_ti，单位为m³/s；入口压力为p_ti，单位为kPa；出口压力为p_to，单位为kPa；入口温度为T_ti，单位为K；出口温度为T_to，单位为K：

标态下的流量Q_Nti，单位为Nm³/h，转换为透平机入口流量：

$Q_{\mathrm{ti}}=Q_{\mathrm{Nti}}\frac{101.32(273.15+T_{\mathrm{ti}})}{(P_{\mathrm{ti}}+101.32)\left(273.15\right)3600}$

(2)高炉炉顶煤气中的主要成分是：CO₂、CO、N₂、H₂、CH₄、O₂，其体积含量分别表示为x_CO(％)，

入口各成分的体积，单位为m³/s：

$Q_{\mathrm{ti}}^{{\mathrm{co}}_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{{\mathrm{co}}_2};Q_{\mathrm{ti}}^{\mathrm{co}}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{\mathrm{co}};Q_{\mathrm{ti}}^{N_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{N_2};Q_{\mathrm{ti}}^{H_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{H_2};Q_{\mathrm{ti}}^{{\mathrm{CH}}_4}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{{\mathrm{CH}}_4};Q_{\mathrm{ti}}^{o_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{o_2};$

入口处各成分的密度，单位为kg/m³：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ti}}=\frac{(P_{\mathrm{ti}}+101.32)1000}{R(T_{\mathrm{ti}}+273.15)}$

$R=\frac{R_M}{M}$

对于CO₂、CO、N₂、H₂、CH₄、O₂，其M值分别为：44kg/kmol，28kg/kmol，28kg/kmol，2kg/kmol，16kg/kmol，32kg/kmol；R_M为气体常数8314J/(kmol·K)；

(3)各成分单位质量的焓降，单位为kJ/kg：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δh}={\∫}_1^2{c}_p\mathrm{dT}=\frac{1}{M}{\∫}_1^2{C}_{p,m}\mathrm{dT}\\ =\frac{1}{M}[a_0(T_{\mathrm{to}}-T_{\mathrm{ti}})+\frac{a_1}{2}(T_{\mathrm{to}}^2-T_{\mathrm{ti}}^2)+\frac{a_2}{3}(T_{\mathrm{to}}^3-T_{\mathrm{ti}}^3)+\frac{a_3}{4}(T_{\mathrm{to}}^4-T_{\mathrm{ti}}^4)]\end{array}$

(4)各成分的焓值增量：

P₆＝∑Q_tiρ_tiΔh

步骤七，得到透平机的能效η_t为：

${\mathrm{\η}}_t=\frac{P_5}{P_6};$

在步骤(II)中，热风炉的能效是通过下述方式获得的：

(1)热风单位质量的焓值增加为，单位为kJ/kg：

$h_h=\frac{1}{M}(a_0{\mathrm{\ΔT}}_h+\frac{a_1}{2}{\mathrm{\ΔT}}_h^2+\frac{a_2}{3}{\mathrm{\ΔT}}_h^3+\frac{a_3}{4}{\mathrm{\ΔT}}_h^4)$

式中，ΔT_h为热风炉进出口温差；则，增加焓值：

P_h＝m_boh_h

式中，m_bo为热风炉的进口质量流量；

(2)高炉炉顶煤气各成分的体积，单位为m³/s： $Q_{\mathrm{ti}}^{{\mathrm{co}}_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{{\mathrm{co}}_2};Q_{\mathrm{ti}}^{\mathrm{co}}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{\mathrm{co}};$ $Q_{\mathrm{ti}}^{N_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{N_2};Q_{\mathrm{ti}}^{H_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{H_2};Q_{\mathrm{ti}}^{{\mathrm{CH}}_4}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{{\mathrm{CH}}_4};Q_{\mathrm{ti}}^{o_2}=Q_{\mathrm{ti}}{x}_{o_2};$

(3)高炉炉顶煤气各成分的密度，单位为kg/m³：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ti}}=\frac{(P_{\mathrm{ti}}+101.32)1000}{R(T_{\mathrm{ti}}+273.15)}$

$R=\frac{R_M}{M}$

对于CO₂、CO、N₂、H₂、CH₄、O₂，其M值分别为：44kg/kmol，28kg/kmol，28kg/kmol，2kg/kmol，16kg/kmol，32kg/kmol；

3)使用煤气单位质量的焓值计算为：

$h_g=\frac{1}{M}(a_0{T}_{\mathrm{ti}}+\frac{a_1}{2}{T}_{\mathrm{ti}}^2+\frac{a_2}{3}{T}_{\mathrm{ti}}^3+\frac{a_3}{4}{T}_{\mathrm{ti}}^4)$

煤气流量为Q_ti，单位为m³/s；入口压力为p_ti，单位为kPa；出口压力为p_to，单位为kPa；入口温度为T_ti，单位为K；出口温度为T_to，单位为K；

煤气的焓值为

P_ti＝∑Q_tiρ_tih_g

热风炉的能效为：

${\mathrm{\η}}_h=\frac{P_h}{P_{\mathrm{ti}}}.$

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当最终获得的高炉鼓风系统能效数值超过设定的范围时，上位机发出警报信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(II)中，电动机能效计算模块直接采用电动机的效率曲线计算得到其能效数据，或者直接采用其额定效率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(II)中，鼓风机的能效根据采集到的静叶开度ε_b、鼓风机出口压缩比及出口流量的测量数据，利用鼓风机的效率曲线获得。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(III)中，所述滤波是通过下述公式获得的：

${\mathrm{\η}}_b^{\mathrm{nf}}=(1-\mathrm{\α}){\mathrm{\η}}_b^n+{\mathrm{\α\η}}_b^{\mathrm{nf}-1}$

式中，表示第n次的能效滤波后的值，为第n次计算的能效值，表示第n-1次的能效滤波后的值，α的取值在0至1。