发明内容
本发明的目的在于提供一种热风炉系统高温、低能耗运行状态评估及优化方法,根据高炉热风炉的热平衡原理理论分析计算,建立热风炉系统运行状态评估模型,用以实现对热风炉系统的运行状态的评估;同时,根据热风炉系统运行状态评估结果,确定影响热风炉系统高风温、低能耗生产的关键性指标,通过择优选取与提升关键性指标相配套的优秀技改措施,确定热风炉系统的整体优化方案。
为了实现上述目的,本发明的技术方案是:
一种热风炉系统高温、低能耗运行状态评估及优化方法,有一个技术方案库,所述技术方案库包括:针对热风炉系统热效率优化好的敏感性能参数表、针对热风炉煤气自耗率优化好的敏感性能参数表、针对热风温度优化好的敏感性能参数表以及针对上述优化好的敏感性能参数表所应对的技术措施方案表;所述方法包括:
a.设定热风炉系统运行预定评估指标,所述指标包括热风炉系统热效率、热风炉煤气自耗率、热风温度;
b.采集热风炉系统运行状态实时监测的数据;
c.根据监测的数据进行煤气化学热、冷风带入的热量、煤气的物理热、助燃空气的物理热、热风炉本体和管道表面热损失、阀门冷却热损失、废烟气带出热量、热风带出热量的量化,确定在线热风炉系统热效率、热风炉煤气自耗率、热风温度;
d.根据指标的理论极限值和在线监测实际值的差异,确定热风炉系统劣化程度和劣化等级,将劣化等级按照概率中排列组合的方式作为确定热风炉系统的评估规则,确定系统运行状态评估结果,如果需要优化进行步骤e,如果不需要优化则将评估结果输出;
e.确定影响热风炉系统优化的敏感性能参数类别;
f.根据类别调用技术方案库中优化好的敏感性能参数和所应对的技术措施方案进行优化,通过对方案优化后技术指标的热风炉系统热效率、热风炉煤气自耗率、热风温度进行验证和评估,确定热风炉系统最佳的整体优化方案。
进一步,所述热风炉系统包括热风炉本体、所述本体内、外部管路及其阀门、与本体连接的双预热装置及其相关的管路和烟道。
进一步,所述监测的数据包括:所述监测的数据包括:煤气的温度、成分、流量,助燃空气的温度、流量、空气过剩系数,废烟气的温度、成分、流量,冷风管道温度损失、热风管道温度损失,热风炉炉体温度损失,热风阀水冷损失,混风阀开启造成的热风温度损失,冷风入口温度、冷风流量,热风出口温度、热风流量。
进一步,所述类别是:影响热风炉系统热效率的敏感性能参数类别、影响热风炉煤气自耗率的敏感性能参数类别和影响热风温度的敏感性能参数类别,其中:
影响热风炉系统热效率的敏感性能参数包括:煤气温度、煤气成分、煤气流量,助燃空气温度、助燃空气流量、空气过剩系数,废烟气温度、废烟气成分、废烟气流量,冷风管道温度损失、热风管道温度损失,热风炉炉体温度损失,热风阀水冷损失,混风阀开启造成的热风温度损失,冷风入口温度、冷风流量;
影响热风炉煤气自耗率的敏感性能参数包括:煤气温度、煤气成分、煤气流量,助燃空气温度、助燃空气流量、空气过剩系数、冷风入口温度、冷风流量、热风出口温度、热风流量系统热效率;
影响热风温度的敏感性能参数是热风出口温度。
进一步,所述指标的理论极限值包括:冷风带入的热量极限值、煤气的物理热极限值、助燃空气的物理热极限值、热风炉本体和管道表面热损失极限值、阀门冷却热损失极限值、废烟气带出热量极限值、热风带出热量极限值;其中:
冷风带入的热量极限值是冷风温度下限为21摄氏度和上限温度为399摄氏度的值;
煤气的物理热极限值是煤气温度下限为61摄氏度和上限温度为249摄氏度的值;
助燃空气的物理热极限值是助燃空气温度下限为21摄氏度和上限温度为249摄氏度的值;
热风炉本体和管道表面热损失极限值是热风炉本体温度下限为1摄氏度和上限温度为119摄氏度、冷风管道温度下限为1摄氏度和上限温度为199摄氏度、热风管道温度下限为1摄氏度和上限温度为99摄氏度的损失值;
阀门冷却热损失极限值是冷却水流量下限为1m3/h和上限为199m3/h的值;
废烟气带出热量极限值是废烟气温度下限为239摄氏度和上限温度为379摄氏度的值;
热风带出热量极限值是热风温度下限为1099摄氏度和上限温度为1249摄氏度的值。
本发明与现有技术相比具有如下优点:本发明将热风炉系统生产运行状态评估、预测、优化于一体,既能实现热风炉系统运行状态的评估,判断其是否在高风温、低能耗状态下运行;又能为热风炉系统实现低能耗、高效的运行提供科学、有效的技术方案,具有重要的工程应用价值。本发明有利于降低炼铁成本和整个高炉系统综合能耗,实现循环经济与节能减排。
下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。
实施例:
一种利用对热风炉运行评估实现该系统运行状态整体优化方法,是通过计算机系统实现的一种方法,有一个技术方案库,所述技术方案库包括:针对热风炉系统热效率优化好的敏感性能参数表、针对热风炉煤气自耗率优化好的敏感性能参数表、针对热风温度优化好的敏感性能参数表以及针对上述优化好的敏感性能参数表所应对的技术措施方案表;所述方法包括:
a.设定热风炉系统运行预定评估指标,所述指标包括热风炉系统热效率、热风炉煤气自耗率、热风温度;
b.采集热风炉系统运行状态实时监测的数据;
c.根据监测的数据进行煤气化学热、冷风带入的热量、煤气的物理热、助燃空气的物理热、热风炉本体和管道表面热损失、阀门冷却热损失、废烟气带出热量、热风带出热量的量化,根据量化参数通过通用公式计算确定在线热风炉系统热效率、热风炉煤气自耗率、热风温度;所述的量化是根据数据计算出的具体数值;
d.根据指标的理论极限值和在线监测实际值的差异,确定热风炉系统劣化程度和劣化等级,将劣化等级按照概率中排列组合的方式作为确定热风炉系统的评估规则确定系统运行状态评估结果,如果需要优化进行步骤e,如果不需要优化则将评估结果输出;
e.确定影响热风炉系统优化的敏感性能参数类别;
f.根据类别调用技术方案库中优化好的敏感性能参数和所应对的技术措施方案进行优化,通过对方案优化后技术指标的热风炉系统热效率、热风炉煤气自耗率、热风温度进行验证和评估,确定热风炉系统最佳的整体优化方案。
实施例中,所述热风炉系统包括热风炉本体、所述本体内、外部管路及其阀门、与本体连接的双预热装置及其相关的管路和烟道,所述的参数是对上述系统检测的数据。
实施例中,所述监测的数据包括:煤气的温度(
)、成分、流量(
),助燃空气的温度(
)、流量(
)、空气过剩系数(
),废烟气的温度(
)、成分、流量(
),冷风管道温度损失(
)、热风管道温度损失(
),热风炉炉体温度损失(
),热风阀水冷损失,混风阀开启造成的热风温度损失(
),冷风入口温度(
)、冷风流量(
),热风出口温度(
)、热风流量(
)。
实施例中,所述类别是:影响热风炉系统热效率的敏感性能参数类别、影响热风炉煤气自耗率的敏感性能参数类别和影响热风温度的敏感性能参数类别,其中:
影响热风炉系统热效率的敏感性能参数包括:煤气温度、煤气成分、煤气流量,助燃空气温度、助燃空气流量、空气过剩系数,废烟气温度、废烟气成分、废烟气流量,冷风管道温度损失、热风管道温度损失,热风炉炉体温度损失,热风阀水冷损失,混风阀开启造成的热风温度损失,冷风入口温度、冷风流量;
影响热风炉煤气自耗率的敏感性能参数包括:煤气温度、煤气成分、煤气流量,助燃空气温度、助燃空气流量、空气过剩系数、冷风入口温度、冷风流量、热风出口温度、热风流量系统热效率;
影响热风温度的敏感性能参数是热风出口温度。
实施例中,所述指标的理论极限值包括:冷风带入的热量极限值、煤气的物理热极限值、助燃空气的物理热极限值、热风炉本体和管道表面热损失极限值、阀门冷却热损失极限值、废烟气带出热量极限值、热风带出热量极限值;其中:
冷风带入的热量极限值是冷风温度下限为21摄氏度(℃)和上限温度为399摄氏度(℃)的值;
煤气的物理热极限值是煤气温度下限为61摄氏度(℃)和上限温度为249摄氏度(℃)的值;
助燃空气的物理热极限值是助燃空气温度下限为21摄氏度(℃)和上限温度为249摄氏度(℃)的值;
热风炉本体和管道表面热损失极限值是热风炉本体温度下限为1摄氏度(℃)和上限温度为119摄氏度(℃)、冷风管道温度下限为1摄氏度(℃)和上限温度为199摄氏度(℃)、热风管道温度下限为1摄氏度(℃)和上限温度为99摄氏度(℃)的损失值;
阀门冷却热损失极限值是冷却水流量下限为1m3/h和上限为199m3/h的值;
废烟气带出热量极限值是废烟气温度下限为239摄氏度(℃)和上限温度为379摄氏度(℃)的值;
热风带出热量极限值是热风温度下限为1099摄氏度(℃)和上限温度为1249摄氏度(℃)的值。
以下是对上述实施例的具体实施说明,详见图1至图6:
步骤A 确定系统评估范围:
根据热平衡原理(热风炉蓄热量和耗热量达到基本平衡),详见图1,对于整体热风炉系统进行理论研究和计算。确定热风炉全系统测定和研究范围为:
1、热风炉本体(燃烧期由燃烧器至烟道阀,送风期由冷风阀至热风阀的热风炉本体及其内部的管路部分);
2、内、外部管路及其阀门(冷风管路从能源鼓风机出口到热风炉冷风阀之间的管路,热风管路从热风阀到高炉送风围管);
3、双预热装置及其相关的管路和烟道(助燃空气和煤气预热装置预热前后气体介质管道);
步骤B热风炉系统运行评估模块:
根据热风炉系统运行状态评估模块中运行状态评估分层体系结构,建立热风炉运行状态评估模型,确定系统运行评估指标和评估规则。热风炉系统运行评估模块的分层体系结构图详见图4。
1、热风炉系统在线监测子模块;
该模块用于从热风炉系统获取到影响其高风温、低能耗运行的输入的运行技术参数指标,并进行记录、存储和送出。监测数据包括:煤气的温度
、成分、流量
,助燃空气的温度
、流量
、空气过剩系数
,废烟气的温度
、成分、流量
,冷风管道温度损失
、热风管道温度损失
,热风炉炉体温度损失
,热风阀水冷损失,混风阀开启造成的热风温度损失
,冷风入口温度
、冷风流量
,热风出口温度
、热风流量
;
2、 量化子模块;
对在线监测子模块获得的热风炉系统运行技术参数指标进行量化计算,确定敏感控制因素和系统评估指标。
2.1 敏感因素指标确定
对热风炉系统检测模块的系统运行技术参数指标进行计算,量化影响热风炉高风温、低能耗运行的敏感因素,包括:煤气化学热、冷风带入的热量、煤气的物理热、助燃空气的物理热、热风炉本体和管道表面热损失、阀门冷却热损失、废烟气带出热量、热风带出热量。所述量化子模块中敏感因素指标的计算方式如下:
式[1]中,
、
、
、
分为煤气中的
、
、
、
气体体积,%;
为煤气的流量,m3/h;
为煤气中的水蒸气反应吸热,kJ;
式[2]中,中,
为冷风平均热容,kJ/m
3;
为冷风的流量,m
3/h;
为冷风温度,℃;
式[3]中,中,
为煤气在
下的平均热容,kJ/m
3;
为煤气的流量,m
3/h;
为煤气温度,℃;
式[4]中,中,
为煤气在
下的平均热容,kJ/m
3;
为煤气的流量,m
3/h;
为助燃空气温度,℃;
为助燃空气在
下的平均热容,kJ/m
3;
为助燃空气的流量,m
3/h;
为助燃空气温度,℃;
其中,为燃烧每立方米煤气所需的空气量,计算公式如下:
式[5]中,
、
、
为煤气中的
、
、
气体体积,%;
为空气过剩系数,通过检测废烟气中的氧含量计算得到(
,
为排出的废烟气中的O
2含量);
(5) 热风炉本体和管道表面热损失,kJ;
[6]
式[6]中,
、
、
分别为热风炉本体、冷风、热风分别在该状态对应温度下的平均热容,kJ/m
3;
为助燃空气的流量,m
3/h;
、
、
分别为热风炉本体、冷风管道、热风管道的温度损失,℃;
为热风炉耐材的质量,m
3;
、
分别为冷风、热风流量,m
3/h;
式[6] 计算参数输入边界:热风炉本体温度损失,
;冷风管道温度损失,
;热风管道温度损失,
;
式[8]中,
为冷却水冷却热风阀密封面及阀门本体带走的热量,kJ;
式[8]中,
为水平均热容,kJ/m
3;
为冷却水进出水温差,℃;
为冷却水流量,
;
式[8] 计算参数输入边界:冷却水流量
式[9]中,
为阀门外表面到空气的总传热系数, W/(m
2·K);
为导热壁面积, m
2;
阀表面温度与环境温度温差,℃;
为散热时间,h;
式[9] 计算参数输入边界:阀门的结构耐材
;阀表面温度与环境温度温差
式[10]中,
、
、
分别为煤气化学热、煤气物理热、助燃空气物理热,kJ;
为废烟气在
下的平均热容,kJ/m
3;
为废烟气流量,m
3/h;
为废烟气温度,℃;
式[10] 计算参数输入边界:废烟气温度
式[11]中,中,
为热风在
下平均热容,kJ/m
3;
为热风流量,m
3/h;
为热风温度,℃;
2.2 评估指标确定
根据量化模块中确定的敏感因素指标计算公式[1-11],计算热风炉系统的评估指标,计算公式如下所示。
(1) 热风炉热风温度。
热风炉热风温度为热风出口温度
,直接进行现场监测得到。
(2) 热风炉系统的热效率。
根据热平衡原理,热风炉系统热效率=(热风炉系统的蓄热量-冷风带入的热量-废烟气带出的热量 -其他热损失))/(热风炉系统的蓄热量-冷风带入的热量),其公式如下:
式[15]中:
、
、
分别为煤气化学热、煤气的物理热、助燃空气的物理热,kJ,分别根据公式[1]、[3]、[4]计算得出;
为冷风带入热量,kJ,根据公式[2]计算得出;
热风炉本体和管道表面热损失,kJ;
为阀门冷却热损失,kJ,根据公式[7]计算得出;
为废烟气带走热量,kJ,根据公式[10]计算得出;
(3) 热风炉煤气自耗率。
根据<炼铁计算辨析>,确定出热风炉煤气自耗率的计算公式:
[13]
式[13]中,
为热风炉系统的蓄热量,kJ,为
、
、
、
之和;
热风带出的热量,kJ,根据公式[6]计算得出;
为冷风流量,m
3/h;
为煤气流量,m
3/h;
为热风炉系统热效率,%,根据公式[12]计算得出;
3、 系统评估子模块。
根据热风温度、热风炉系统热效率、热风炉煤气自耗率三个评估指标的理论极限值和监测实际值的差值,确定评估指标等级和评估规则,进行热风炉系统运行状态评估。
评估指标分别根据计算公式[12]、[13]计算得出,式[12]、[13]由其构成的敏感因素指标计算公式[1-11]计算得出。其中,以各式计算参数输入边界的最高限、低限值作为输入带入公式[1]-[11]计算得出的结果,作为评估指标的理论极限值;以热风炉系统的在线监测数据作为输入带入式[1]-[11]计算得出的结果,作为评估指标的监测实际值。通过对评估指标的理论极限值和监测实际值的差值分析,划分出评估指标等级,如表1所示:
表1 热风炉系统运行状态评估指标等级
按照概率中排列组合的方式,将三项评估指标等级分别对应的权重和分值相乘后叠加得出结果,确定为系统的最终的评估结果;三项评估指标及其评估结果作为系统运行状态输输出。业主根据评估结果,自行判断其是否需要对热风炉系统进行整体优化。系统评估规则如表2所示:
表2 热风炉系统运行状态评估规则;
步骤C热风炉系统运行状态整体优化模块
参见图5,图5是本模块的结果框图。系统整体优化模块的输入包括:方案验证子模块,方案评估子模块;同时本模块输入还包括了技术方案库的调用,主要包括:实现热风炉高风温、低能耗的相关技术措施、预计优化指标、投资等等。本模块的输出包括整体优化方案和预计优化技术效果,整体优化方案类型包括:装备、工艺技术更新,控制系统升级,操作技术优化;预计优化技术效果包括:热风炉煤气自耗率降低,热风温度提高,投资利润。
本模块与计算步骤B热风炉运行状态评估模块相连接,根据系统运行状态评估结果,将步骤B影响量化子模块中敏感因素指标的运行技术参数进行记录和筛选,确定影响热风炉系统优化的性能参数。其中,运行技术参数热风出口温度对应评估指标热风温度;运行技术参数煤气温度、煤气成分、煤气流量,助燃空气温度、助燃空气流量、空气过剩系数,废烟气温度、废烟气成分、废烟气流量,冷风管道温度损失、热风管道温度损失,热风炉炉体温度损失,热风阀水冷损失,混风阀开启造成的热风温度损失,冷风入口温度、冷风流量对应评估指标系统热效率;运行技术参数煤气温度、煤气成分、煤气流量,助燃空气温度、助燃空气流量、空气过剩系数,冷风入口温度、冷风流量、热风出口温度、热风流量系统热效率对应评估指标煤气自耗率。调用技术方案库中的相关技术方案进行优化,通过对方案优化后技术指标的能耗、运行、效益情况验证和评估,确定热风炉系统最佳的整体优化方案和预计优化后的效果,作为系统的输出。参阅图5,该模块实施步骤如下:
1、 输入影响量化子模块中敏感因素指标的性能参数,确定系统优化参数。
2、筛选和调用技术方案库中的专项、相关优化技术方案,并对方案进行验证和评估。
技术方案库为实现热风炉系统高风温、低能耗生产所有的新装备、新技术和新方案。通过调用技术方案库中的技术方案,实现系统运行技术参数的优化,最终达到优化热风炉整体运行系统的目的。
图6是将针对热风炉系统热效率优化好的敏感性能参数表、针对热风炉煤气自耗率优化好的敏感性能参数表、针对热风温度优化好的敏感性能参数表以及针对上述优化好的敏感性能参数表所应对的技术措施方案表结合后所输出的优化结果。图中“系统运行技术参数”是敏感性能参数。
通过技术方案库的调用,实现系统运行参数指标的优化。
方案验证和评估从三个方面进行:从热风炉系统的能耗指标—热风炉煤气自耗率降低情况
;运行效益指标—热风温度提高情况
;经济增益指标—投资利润
。根据业主提出的优化目标需求,通过调用技术方案库,确定最佳的热风炉系统优化方案,方案的验证和评估不满足业主要求的,返回技术方案库,重新选择技术方案;方案的验证和评估满足业主要求的,系统输出整体优化方案和预计优化效果。
方案验证和评估指标如下计算:
式[14],按照公式[13],根据输入的实际性能参数指标和优化后的性能参数指标,分别计算出
、
,进行差值计算得出。
(2) 运行效益指标—热风温度提高情况
[15]
[16]
式[16]根据优化后的各性能参数计算得出,
根据公式[10]计算得出,为废烟气带走的热量,KJ;
[17]
式[17]中:
、
、
、
分为煤气中的
、
、
、
气体体积,%;
、
分别为煤气、助燃空气的流量,m3/h;
为空气过剩系数;
为燃烧每立方米煤气所需的空气量,%;
式[18]中:为更新装备技术费用,万元;
式[18]中: 19]
式[19]中:
为煤气流量,m
3/h;
为热风炉煤气自耗率降低情况,%;
3、整体优化方案和预计优化效果输出。
步骤D 热风炉系统运行状态评估结果及其整体优化方案输出。