CN104531932A - 一种高炉内表面温度分布模型建立方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高炉内表面温度分布模型建立方法及装置，包括：获取每层测温热电偶包括的多个测温热电偶测量的高炉炉壁温度，确定每两层测温热电偶之间的沿高度方向上的不同高度的各角度的高炉炉壁温度分布情况；获取每层温度传感器测量的冷却水进出口温度，确定每两层温度传感器所在位置之间的沿高度方向上的不同高度的冷却壁外表面温度分布情况；根据高炉炉壁横截面二维传热机理模型，确定该相同高度的各角度的高炉内表面温度分布情况；采用曲线拟合算法，确定针对高炉内表面高度和角度的高炉内表面温度分布模型。从而实现了对高炉内表面温度分布情况进行准确建模。

Description

一种高炉内表面温度分布模型建立方法及装置

技术领域

本发明涉及钢铁冶炼技术领域和高炉技术领域，尤其涉及一种高炉内表面温度分布模型建立方法及装置。

背景技术

钢铁产业是国民经济的支柱产业，素有工业粮食之称，钢铁是自工业革命以来人们使用的主要结构材料之一，钢铁产业的发展与国家的进步息息相关。高炉炼铁作为钢铁生产过程的上游工序，在钢铁产业中起到至关重要的作用，全球的钢铁冶炼都是在高炉中实现的。

高炉冶炼过程是一个高度复杂的过程，其运行机制往往具有大时滞、非线性、大噪声、多时间尺度等特征。而且在高炉这个高温高压、密闭复杂的环境中，根本无法及时的解决高炉中出现的各种问题，可能会导致高炉运行不畅或者发生严重事故。因此，深入的了解高炉机理、内部反应、相态交替，通过机理以及数据逐步实现高炉内部可视化，是指导高炉操作和有效分析高炉不顺行情况，逐步实现高炉自动控制的关键。

高炉炼铁过程是一个在高温高压环境下实现的复杂的物理、化学、动力学过程，涉及到许多复杂的物料流动以及热量流动过程，炼铁工艺十分复杂，能引起高炉在炼铁过程中产生波动的因素也非常众多，不利于分析。

因此，高炉在生产过程中炉内的温度情况很难检测到，也很难对相关数据和相关情况进行采集和验证。如果想要得到炉内温度或其他信息，需要高炉在停止生产时通过观察炉内的状态来分析。

由于对正在生产的高炉进行分析非常难，那么就很难提出高炉高效率运行的具体方法，以及很难进行高炉系统研究和建模控制。在高炉生产过程中，一般只能通过操作人员的操作经验去判断问题，但是如果不能准确的检测炉温，对不正常情况就无法及时调控，也可能会导致炉况变坏。

高炉内表面的温度分布模型是对高炉温度场研究建立的基础，也是高炉的一个很重要的边界条件，它能够反映出高炉内部边界和边缘煤气流的温度情况，也可以反映出高炉内部软熔带所处区域是否正确，有利于及时对高炉内部情况进行优化控制。由于高炉内部温度情况无法直接检测，因此必须由外部可检测信息间接求出高炉内表面温度场分布，为高炉可视化做基础。

然而，目前还无法准确的对高炉内表面温度分布情况进行建模。

发明内容

本发明实施例提供一种高炉内表面温度分布模型建立方法及装置，用以解决现有技术中存在的无法准确的对高炉内表面温度分布情况进行建模的问题。

本发明实施例提供一种高炉内表面温度分布模型建立方法，所述高炉的耐火砖中沿高度方向分布有多层测温热电偶，每层测温热电偶包括位于不同角度的多个测温热电偶，测温热电偶用于测量所在位置的高炉炉壁温度，所述高炉的每段冷却壁内部分布有冷却水管，且冷却水管的冷却水进出水口位置设置有温度传感器，温度传感器用于测量所在位置的冷却水进出口温度，所述方法，包括：

获取每层测温热电偶包括的多个测温热电偶测量的高炉炉壁温度，分别基于每相邻两层测温热电偶测量的高炉炉壁温度，采用一维传热微分方程，确定该两层测温热电偶之间的沿高度方向上的不同高度的各角度的高炉炉壁温度分布情况；

获取每层温度传感器测量的冷却水进出口温度，分别基于每相邻两层温度传感器测量的冷却水进出口温度，采用一维传热微分方程，确定该两层温度传感器所在位置之间的沿高度方向上的不同高度的冷却壁外表面温度分布情况；

分别基于确定的每个高度的各角度的高炉炉壁温度分布情况和该相同高度的冷却壁外表面温度分布情况，根据高炉炉壁横截面二维传热机理模型，确定该相同高度的各角度的高炉内表面温度分布情况；

基于确定的每个高度的各角度的高炉内表面温度分布情况，采用曲线拟合算法，确定针对高炉内表面高度和角度的高炉内表面温度分布模型。

进一步的，基于相邻两层测温热电偶测量的高炉炉壁温度，采用一维传热微分方程，确定该两层测温热电偶之间的沿高度方向上的不同高度的各角度的高炉炉壁温度分布情况，具体包括：

分别针对相邻两层测温热电偶中来自两层的每对相同角度的测温热电偶，采用如下一维传热微分方程，并将该相同角度的上下两个测温热电偶测量的高炉炉壁温度分别作为上部和下部边界条件，以及将该微分方程用有限差分法进行离散化，得到沿高度方向上的不同高度的该角度的各离散点的高炉炉壁温度：

其中，T_m表示高炉炉壁温度，h表示高度，λ₁为耐火砖的导热系数，单位为W/(m·℃)，由该相邻两层测温热电偶之间的耐火砖所涉及的材料及其物理参数决定。

进一步的，基于每相邻两层温度传感器测量的冷却水进出口温度，采用一维传热微分方程，确定该两层温度传感器所在位置之间的沿高度方向上的不同高度的冷却壁外表面温度分布情况，具体包括：

采用如下一维传热微分方程，并将相邻的上下两层的两个温度传感器测量的冷却水进出口温度分别作为上部和下部边界条件，以及将该微分方程用有限差分法进行离散化，得到沿高度方向上的不同高度的各离散点的冷却壁外表面温度：

其中，T_out表示冷却水进出口温度，h表示高度，λ₂为冷却壁的导热系数，单位为W/(m·℃)，由该相邻两层温度传感器之间的冷却壁所涉及的材料及其物理参数决定。

进一步的，针对高炉的一个高度，基于确定的该高度的各角度的高炉炉壁温度分布情况和该高度的冷却壁外表面温度分布情况，根据高炉炉壁横截面二维传热机理模型，确定该高度的各角度的高炉内表面温度分布情况，具体包括：

步骤A、采用如下高炉炉壁横截面二维传热机理模型，以及如下边界条件，基于高炉该高度的冷却壁外表面温度，以及各角度的当前预估的高炉内表面温度，确定高炉该高度的横截面上各离散点的预估高炉炉壁温度：

高炉炉壁横截面二维传热机理模型：

$\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left(\mathrm{\λr}\frac{\∂T(r,\mathrm{\θ})}{\∂r}\right)+\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂\mathrm{\θ}}\left(\frac{\mathrm{\λ}}{r}\frac{\∂T(r,\mathrm{\θ})}{\∂\mathrm{\θ}}\right)=0,r_0\≤r\≤r_2,0\≤\mathrm{\θ}\≤2\mathrm{\π};$

高炉炉壁内表面边界条件：T(r,θ)＝T_in(θ),r＝r₀；

耐火砖与冷却壁交界处边界条件：r＝r₁；

冷却壁外表面边界：T(r,θ)＝T_out(θ),r＝r₂，

其中，T_in为当前预估的高炉内表面温度，T_out为冷却壁外表面温度，θ表示角度，r₀、r₁、r₂分别为高炉内表面半径、耐火砖与冷却壁交界处半径、冷却壁外表面半径，λ₁为耐火砖导热系数，λ₂为冷却壁导热系数，且当r₀≤r≤r₁时，λ＝λ₁，当r₁＜r≤r₂时，λ＝λ₂，h_x为冷却壁与冷却水的对流换热系数；

步骤B、针对确定的该高度的各角度的每个高炉炉壁温度，比较该高炉炉壁温度与相同位置的预估高炉炉壁温度，得到两者之间的个体适应度；

步骤C、确定得到的所述个体适应度是否满足预设适应度精度，如果满足，将各角度的当前预估的高炉内表面温度，确定为该高度的各角度的高炉内表面温度，否则，进入后续的步骤D；

步骤D、基于得到的所述个体适应度，更新各角度的当前预估的高炉内表面温度，并返回上述步骤A。

进一步的，各角度的当前预估的高炉内表面温度的初始值为预设值，或者为随机值。

本发明实施例还提供一种高炉内表面温度分布模型建立装置，所述高炉的耐火砖中沿高度方向分布有多层测温热电偶，每层测温热电偶包括位于不同角度的多个测温热电偶，测温热电偶用于测量所在位置的高炉炉壁温度，所述高炉的每段冷却壁内部分布有冷却水管，且冷却水管的冷却水进出水口位置设置有温度传感器，温度传感器用于测量所在位置的冷却水进出口温度，所述装置，包括：

第一温度分布确定单元，用于获取每层测温热电偶包括的多个测温热电偶测量的高炉炉壁温度，分别基于每相邻两层测温热电偶测量的高炉炉壁温度，采用一维传热微分方程，确定该两层测温热电偶之间的沿高度方向上的不同高度的各角度的高炉炉壁温度分布情况；

第二温度分布确定单元，用于获取每层温度传感器测量的冷却水进出口温度，分别基于每相邻两层温度传感器测量的冷却水进出口温度，采用一维传热微分方程，确定该两层温度传感器所在位置之间的沿高度方向上的不同高度的冷却壁外表面温度分布情况；

第三温度分布确定单元，用于分别基于确定的每个高度的各角度的高炉炉壁温度分布情况和该相同高度的冷却壁外表面温度分布情况，根据高炉炉壁横截面二维传热机理模型，确定该相同高度的各角度的高炉内表面温度分布情况；

模型建立单元，用于基于确定的每个高度的各角度的高炉内表面温度分布情况，采用曲线拟合算法，确定针对高炉内表面高度和角度的高炉内表面温度分布模型。

进一步的，所述第一温度分布确定单元，具体用于分别针对相邻两层测温热电偶中来自两层的每对相同角度的测温热电偶，采用如下一维传热微分方程，并将该相同角度的上下两个测温热电偶测量的高炉炉壁温度分别作为上部和下部边界条件，以及将该微分方程用有限差分法进行离散化，得到沿高度方向上的不同高度的该角度的各离散点的高炉炉壁温度：

其中，T_m表示高炉炉壁温度，h表示高度，λ₁为耐火砖的导热系数，单位为W/(m·℃)，由该相邻两层测温热电偶之间的耐火砖所涉及的材料及其物理参数决定。

进一步的，所述第二温度分布确定单元，具体用于采用如下一维传热微分方程，并将相邻的上下两层的两个温度传感器测量的冷却水进出口温度分别作为上部和下部边界条件，以及将该微分方程用有限差分法进行离散化，得到沿高度方向上的不同高度的各离散点的冷却壁外表面温度：

其中，T_out表示冷却水进出口温度，h表示高度，λ₂为冷却壁的导热系数，单位为W/(m·℃)，由该相邻两层温度传感器之间的冷却壁所涉及的材料及其物理参数决定。

进一步的，所述第三温度分布确定单元，具体采用如下步骤确定某一高度的各角度的高炉内表面温度分布情况：

步骤A、采用如下高炉炉壁横截面二维传热机理模型，以及如下边界条件，基于高炉该高度的冷却壁外表面温度，以及各角度的当前预估的高炉内表面温度，确定高炉该高度的横截面上各离散点的预估高炉炉壁温度：

高炉炉壁横截面二维传热机理模型：

$\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left(\mathrm{\λr}\frac{\∂T(r,\mathrm{\θ})}{\∂r}\right)+\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂\mathrm{\θ}}\left(\frac{\mathrm{\λ}}{r}\frac{\∂T(r,\mathrm{\θ})}{\∂\mathrm{\θ}}\right)=0,r_0\≤r\≤r_2,0\≤\mathrm{\θ}\≤2\mathrm{\π};$

高炉炉壁内表面边界条件：T(r,θ)＝T_in(θ),r＝r₀；

耐火砖与冷却壁交界处边界条件：r＝r₁；

冷却壁外表面边界：T(r,θ)＝T_out(θ),r＝r₂，

其中，T_in为当前预估的高炉内表面温度，T_out为冷却壁外表面温度，θ表示角度，r₀、r₁、r₂分别为高炉内表面半径、耐火砖与冷却壁交界处半径、冷却壁外表面半径，λ₁为耐火砖导热系数，λ₂为冷却壁导热系数，且当r₀≤r≤r₁时，λ＝λ₁，当r₁＜r≤r₂时，λ＝λ₂，h_x为冷却壁与冷却水的对流换热系数；

步骤B、针对确定的该高度的各角度的每个高炉炉壁温度，比较该高炉炉壁温度与相同位置的预估高炉炉壁温度，得到两者之间的个体适应度；

步骤C、确定得到的所述个体适应度是否满足预设适应度精度，如果满足，将各角度的当前预估的高炉内表面温度，确定为该高度的各角度的高炉内表面温度，否则，进入后续的步骤D；

步骤D、基于得到的所述个体适应度，更新各角度的当前预估的高炉内表面温度，并返回上述步骤A。

进一步的，各角度的当前预估的高炉内表面温度的初始值为预设值，或者为随机值。

本发明有益效果包括：

本发明实施例提供的方法中，在高炉的耐火砖中沿高度方向分布有多层测温热电偶，每层测温热电偶包括位于不同角度的多个测温热电偶，测温热电偶用于测量所在位置的高炉炉壁温度，并且，高炉的每段冷却壁内部分布有冷却水管，且冷却水管的冷却水进出水口位置设置有温度传感器，温度传感器用于测量所在位置的冷却水进出口温度，然后分别基于每相邻两层测温热电偶测量的高炉炉壁温度，采用一维传热微分方程，确定该两层测温热电偶之间的沿高度方向上的不同高度的各角度的高炉炉壁温度分布情况，并分别基于每相邻两层温度传感器测量的冷却水进出口温度，采用一维传热微分方程，确定该两层温度传感器所在位置之间的沿高度方向上的不同高度的冷却壁外表面温度分布情况，以及分别基于确定的每个高度的各角度的高炉炉壁温度分布情况和该相同高度的冷却壁外表面温度分布情况，根据高炉炉壁横截面二维传热机理模型，确定该相同高度的各角度的高炉内表面温度分布情况，并基于确定的每个高度的各角度的高炉内表面温度分布情况，采用曲线拟合算法，确定针对高炉内表面高度和角度的高炉内表面温度分布模型，从而实现对高炉内表面温度分布情况建立了准确的温度分布模型。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中高炉某一高度的横截面的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的高炉内表面温度分布模型建立方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的高炉内表面温度分布模型建立方法中确定某一高度的高炉内表面温度分布的流程图；

图4为本发明实施例提供的高炉内表面温度分布模型建立装置的结构示意图。

具体实施方式

为了给出对高炉内表面温度分布情况进行准确建模的实现方案，本发明实施例提供了一种高炉内表面温度分布模型建立方法及装置，以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明实施例提供一种高炉内表面温度分布模型建立方法，其中，如图1所示为高炉某一高度的横截面的结构示意图，横向的阴影部分为高炉的耐火砖层，竖向的阴影部分为高炉的冷却壁层，高炉的耐火砖中沿高度方向分布有多层测温热电偶，每层测温热电偶包括位于不同角度的多个测温热电偶，测温热电偶用于测量所在位置的高炉炉壁温度，高炉的每段冷却壁内部分布有冷却水管，且冷却水管的冷却水进出水口位置设置有温度传感器，温度传感器用于测量所在位置的冷却水进出口温度，如图2所示，该方法包括：

步骤201、获取每层测温热电偶包括的多个测温热电偶测量的高炉炉壁温度，分别基于每相邻两层测温热电偶测量的高炉炉壁温度，采用一维传热微分方程，确定该两层测温热电偶之间的沿高度方向上的不同高度的各角度的高炉炉壁温度分布情况；

步骤202、获取每层温度传感器测量的冷却水进出口温度，分别基于每相邻两层温度传感器测量的冷却水进出口温度，采用一维传热微分方程，确定该两层温度传感器所在位置之间的沿高度方向上的不同高度的冷却壁外表面温度分布情况；

步骤203、分别基于确定的每个高度的各角度的高炉炉壁温度分布情况和该相同高度的冷却壁外表面温度分布情况，根据高炉炉壁横截面二维传热机理模型，确定该相同高度的各角度的高炉内表面温度分布情况；

步骤204、基于确定的每个高度的各角度的高炉内表面温度分布情况，采用曲线拟合算法，确定针对高炉内表面高度和角度的高炉内表面温度分布模型。

其中，上述步骤201和步骤202之间没有严格的先后顺序，可以先后执行，也可以同时执行。

下面结合附图，用具体实施例对本发明提供的方法及装置进行详细描述。

在本发明实施例提供的上述方法中，可以通过分布在耐火砖中的测温热电偶测量其所在位置的高炉炉壁温度，由于测温热电偶位于耐火砖中，所以，其测量的实质为耐火砖层的高炉炉壁温度。

还可以通过设置在冷却壁内部的冷却水管的冷却水进出水口位置的温度传感器，测量所在位置的冷却水进出口温度，其实质相当于是测量冷却壁外表面温度。

本发明实施例中，考虑到现场操作有许多不确定因素，高炉内部环境和外部环境都非常复杂，测温热电偶和温度传感器也可能受到损坏而导致测量不准，所以，在获得测温热电偶和温度传感器测量得到的温度数据后，可以对这些温度数据进行预处理，对其中的异常数据进行修正或者删除，保留的温度数据用于后续建立高炉内表面温度分布模型。

本发明实施例中，一般而言，可以沿高度方向分布15层的测温热电偶，且每层测温热电偶中在各预设角度分别分布测温热电偶，在获取每层测温热电偶包括的多个测温热电偶测量的高炉炉壁温度之后，即可以采用上述步骤201，分别针对每相邻两层测温热电偶，确定该两层测温热电偶之间的沿高度方向上的不同高度的各角度的高炉炉壁温度分布情况，具体可以如下：

针对每相邻两层测温热电偶，可以分别针对该相邻两层测温热电偶中来自两层的每对相同角度的测温热电偶，采用如下一维传热微分方程，并将该相同角度的上下两个测温热电偶测量的高炉炉壁温度，分别作为上部和下部边界条件，以及将该微分方程用有限差分法进行离散化，得到沿高度方向上的不同高度的该角度的各离散点的高炉炉壁温度：

高炉内部的传热问题可视为稳态导热问题，其一维稳态导热微分方程可以为：其中，T_m表示高炉炉壁温度，h表示高度，λ₁为耐火砖的导热系数，单位为W/(m·℃)，由该相邻两层测温热电偶之间的耐火砖所涉及的材料及其物理参数决定；

边界条件以该同一角度的上下两个测温热电偶测量的高炉炉壁温度作为上部和下部边界条件；

将该微分方程用有限差分法进行离散化，得到沿高度方向上的不同高度的该角度的各离散点的高炉炉壁温度，其中，n可以作为离散化点的个数，具体的取值可以根据需要进行灵活设置，在此不再举例进行描述。

分别针对每相邻两层测温热电偶进行上述处理，并将得到的结果进行组合，即可以得到高炉沿高度方向在耐火砖层的每一小层的高炉炉壁温度分布情况，不同小层的高度是不同的。

本发明实施例中，可以每经过两三段冷却壁，在冷却水进出水口设置温度传感器，用于测量所在位置的冷却水进出口温度，在获取每层温度传感器测量的冷却水进出口温度之后，即可以采用上述步骤202，分别针对每相邻两层温度传感器，确定该两层温度传感器所在位置之间的沿高度方向上的不同高度的冷却壁外表面温度分布情况，具体可以如下：

针对每相邻两层温度传感器，采用如下一维传热微分方程，并将该相邻的上下两层的两个温度传感器测量的冷却水进出口温度，分别作为上部和下部边界条件，以及将该微分方程用有限差分法进行离散化，得到沿高度方向上的不同高度的各离散点的冷却壁外表面温度：

炉炉内部的传热问题可视为稳态导热问题，其一维稳态导热微分方程可以为：其中，T_out表示冷却水进出口温度，h表示高度，λ₂为冷却壁的导热系数，单位为W/(m·℃)，由该相邻两层温度传感器之间的冷却壁所涉及的材料及其物理参数决定；

边界条件以该上下两层温度传感器测量的冷却水进出口温度作为上部和下部边界条件；

将该微分方程用有限差分法进行离散化，得到沿高度方向上的不同高度的各离散点的冷却壁外表面温度，其中，n可以作为离散化点的个数，具体的取值可以根据需要进行灵活设置，在此不再举例进行描述。

分别针对每相邻两层温度传感器进行上述处理后，并将得到的结果进行组合，即可以得到高炉沿高度方向在冷却壁层的每一小层的冷却壁外表面温度分布情况，不同小层的高度是不同的，且冷却壁层的各小层，按照高度相同，分别与上述耐火砖的各小层一一对应。

在通过上述步骤201和步骤202，确定出沿高度方向上的不同高度的高炉耐火砖层的高炉炉壁温度分布情况和冷却壁外表面温度分布情况之后，即可以采用上述步骤203，分别针对已知的每个高度，即每个小层，确定该高度的各角度的高炉内表面温度分布情况，具体可以使用遗传算法进行迭代和更新，从而确定该高度的各角度的高炉内表面温度分布情况。

高炉炉壁从外表面到内表面一共四层，分别是炉壳、填充层、冷却壁、耐火砖，如图1所示，本发明实施例中截取冷却水管为边界以内的冷却壁和耐火砖范围来建立传热机理模型。

根据高炉的形状，本发明实施例中，采用柱坐标系来建立高炉炉壁传热机理模型。由于高炉炉壁沿高度方向上耐火砖和冷却壁的材料、厚度、导热率不同，因此需要根据不同高度的每小层的具体情况，来建立高炉横截面传热机理模型。

由于本发明实施例中，需要使用针对一小层的炉壁二维传热机理模型，在不考虑周向传热，而且将高炉传热考虑成稳态传热的前提下，根据傅里叶传热定律，通过简化可以得到高炉炉壁横截面二维传热机理模型为:

$\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left(\mathrm{\λr}\frac{\∂T(r,\mathrm{\θ})}{\∂r}\right)+\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂\mathrm{\θ}}\left(\frac{\mathrm{\λ}}{r}\frac{\∂T(r,\mathrm{\θ})}{\∂\mathrm{\θ}}\right)=0,r_0\≤r\≤r_2,0\≤\mathrm{\θ}\≤2\mathrm{\π};$

其中，由于冷却水循环流动，相当于冷却壁基本保持恒温，冷却水和冷却壁是强对流传热过程，因此外表面边界条件可视为第三类边界条件，而高炉炉壁内表面边界条件相当于第一类边界条件，冷却壁和耐火砖交界处为第二类边界条件，具体边界条件如下：

炉壁内表面边界：

T(r,θ)＝T_in(θ),r＝r₀；

耐火砖与冷却壁交界处边界：

${\mathrm{\λ}}_1\frac{\∂T(r,\mathrm{\θ})}{\∂r}{|}_{\mathrm{in}}={\mathrm{\λ}}_2\frac{\∂T(r,\mathrm{\θ})}{\∂r}{|}_{\mathrm{out}},$ r＝r₁；

冷却壁外表面边界：

T(r,θ)＝T_out(θ),r＝r₂， $-{\mathrm{\λ}}_2\frac{\∂T(r,\mathrm{\θ})}{\∂r}{|}_{\mathrm{out}}=h_x{T}_{\mathrm{out}}\left(\mathrm{\θ}\right);$

其中，T_in为高炉内表面温度，T_out为冷却壁外表面温度，θ表示角度，r₀、r₁、r₂为高炉内表面半径、耐火砖与冷却壁交界处半径、冷却壁外表面的半径，λ₁为耐火砖导热系数，λ₂为冷却壁导热系数，且当r₀≤r≤r₁时，λ＝λ₁，当r₁＜r≤r₂时，λ＝λ₂，h_x为冷却壁与冷却水的对流换热系数，上述公式中的导热系数以及所有参数根据炉壁不同高度的材料和尺寸而定。

通过将该微分方程用有限差分法进行离散化便可以求出各离散点的温度，可得到高炉炉壁该高度横截面的各离散点的温度值。

然而，由于本发明不能给出准确的高炉内表面边界条件，因此无法通过传热机理模型来解决。对于高炉内表面温度分布的求解主要属于一种导热反问题，由已知的部分边界条件和高炉炉壁横截面二维传热机理模型去求取高炉内表面温度分布。

本发明实施例采用遗传算法来求解传热反问题，遗传算法是一种新的全局优化方法，不仅具有很好的鲁棒性，而且其全局收敛性已经得到了定量的数学证明。

如图3所示，针对一个高度，确定该高度的各角度的高炉内表面内温度分布情况，可以包括如下处理步骤：

步骤301，首先对后续将要使用到的当前预估的高炉内表面温度进行初始化，其初始值可以为预设值，或者为随机数，由于后续会进行迭代更新，所以初始值为随机数同样能够满足方法要求，如果根据经验确定合理的预设值，例如，比较接近最终确定结果的预设值，可以减少迭代更新的次数，提高方法的处理效率。

步骤302、采用如下高炉炉壁横截面二维传热机理模型，以及如下边界条件，基于高炉该高度的冷却壁外表面温度，以及各角度的当前预估的高炉内表面温度，确定高炉该高度的横截面上各离散点的预估高炉炉壁温度：

高炉炉壁横截面二维传热机理模型：

$\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left(\mathrm{\λr}\frac{\∂T(r,\mathrm{\θ})}{\∂r}\right)+\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂\mathrm{\θ}}\left(\frac{\mathrm{\λ}}{r}\frac{\∂T(r,\mathrm{\θ})}{\∂\mathrm{\θ}}\right)=0,r_0\≤r\≤r_2,0\≤\mathrm{\θ}\≤2\mathrm{\π};$

高炉炉壁内表面边界条件：T(r,θ)＝T_in(θ),r＝r₀；

耐火砖与冷却壁交界处边界条件：r＝r₁；

冷却壁外表面边界：T(r,θ)＝T_out(θ),r＝r₂，

其中，T_in为当前预估的高炉内表面温度，T_out为冷却壁外表面温度，θ表示角度，r₀、r₁、r₂分别为高炉内表面半径、耐火砖与冷却壁交界处半径和冷却壁外表面半径，λ₁为耐火砖导热系数，λ₂为冷却壁导热系数，且当r₀≤r≤r₁时，λ＝λ₁，当r₁＜r≤r₂时，λ＝λ₂，h_x为冷却壁与冷却水的对流换热系数。

步骤303、针对确定的该高度的各角度的每个高炉炉壁温度，比较该高炉炉壁温度与相同位置的预估高炉炉壁温度，得到两者之间的个体适应度。

例如，该个体适应度可以为两者的差值，也可以为两者的比值。

步骤304、确定得到的个体适应度是否满足预设适应度精度，如果满足，进入步骤305，如果不满足，进入步骤306。

例如，可以是确定个体适应度是否小于预设适应度阈值，如果小于，表示满足，如果不小于，表示不满足。

步骤305、将各角度的当前预估的高炉内表面温度，确定为该高度的各角度的高炉内表面温度。

步骤306、基于得到的个体适应度，更新各角度的当前预估的高炉内表面温度，并返回上述步骤302。

例如，可以基于得到的个体适应度，对当前预估的高炉内表面温度，依次执行二点交叉算子、复制算子、变异遗传算子的处理，从而得到更新的预估的高炉内表面温度。

在通过上述图3所示的流程，确定出每个高度的各角度的高炉内表面温度分布情况之后，相当于得到了每个小层高炉内表面温度的二维温度分布情况，将分别表示多个小层中每个小层高炉内表面温度的二维温度分布曲线，进行曲线拟合，即可得到高炉内表面三维温度分布模型，基于该模型，即可以确定出高炉某一高度某一角度的内表面温度。

基于同一发明构思，根据本发明上述实施例提供的高炉内表面温度分布模型建立方法，相应地，本发明另一实施例还提供了一种高炉内表面温度分布模型建立装置，其结构示意图如图4所示，具体包括：

第一温度分布确定单元401，用于获取每层测温热电偶包括的多个测温热电偶测量的高炉炉壁温度，分别基于每相邻两层测温热电偶测量的高炉炉壁温度，采用一维传热微分方程，确定该两层测温热电偶之间的沿高度方向上的不同高度的各角度的高炉炉壁温度分布情况；

第二温度分布确定单元402，用于获取每层温度传感器测量的冷却水进出口温度，分别基于每相邻两层温度传感器测量的冷却水进出口温度，采用一维传热微分方程，确定该两层温度传感器所在位置之间的沿高度方向上的不同高度的冷却壁外表面温度分布情况；

第三温度分布确定单元403，用于分别基于确定的每个高度的各角度的高炉炉壁温度分布情况和该相同高度的冷却壁外表面温度分布情况，根据高炉炉壁横截面二维传热机理模型，确定该相同高度的各角度的高炉内表面温度分布情况；

模型建立单元404，用于基于确定的每个高度的各角度的高炉内表面温度分布情况，采用曲线拟合算法，确定针对高炉内表面高度和角度的高炉内表面温度分布模型。

进一步的，第一温度分布确定单元401，具体用于分别针对相邻两层测温热电偶中来自两层的每对相同角度的测温热电偶，采用如下一维传热微分方程，并将该相同角度的上下两个测温热电偶测量的高炉炉壁温度分别作为上部和下部边界条件，以及将该微分方程用有限差分法进行离散化，得到沿高度方向上的不同高度的该角度的各离散点的高炉炉壁温度：

其中，T_m表示高炉炉壁温度，h表示高度，λ₁为耐火砖的导热系数，单位为W/(m·℃)，由该相邻两层测温热电偶之间的耐火砖所涉及的材料及其物理参数决定。

进一步的，第二温度分布确定单元402，具体用于采用如下一维传热微分方程，并将相邻的上下两层的两个温度传感器测量的冷却水进出口温度分别作为上部和下部边界条件，以及将该微分方程用有限差分法进行离散化，得到沿高度方向上的不同高度的各离散点的冷却壁外表面温度：

其中，T_out表示冷却水进出口温度，h表示高度，λ₂为冷却壁的导热系数，单位为W/(m·℃)，由该相邻两层温度传感器之间的冷却壁所涉及的材料及其物理参数决定。

进一步的，第三温度分布确定单元403，具体采用如下步骤确定某一高度的各角度的高炉内表面温度分布情况：

步骤A、采用如下高炉炉壁横截面二维传热机理模型，以及如下边界条件，基于高炉该高度的冷却壁外表面温度，以及各角度的当前预估的高炉内表面温度，确定高炉该高度的横截面上各离散点的预估高炉炉壁温度：

高炉炉壁横截面二维传热机理模型：

$\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left(\mathrm{\λr}\frac{\∂T(r,\mathrm{\θ})}{\∂r}\right)+\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂\mathrm{\θ}}\left(\frac{\mathrm{\λ}}{r}\frac{\∂T(r,\mathrm{\θ})}{\∂\mathrm{\θ}}\right)=0,r_0\≤r\≤r_2,0\≤\mathrm{\θ}\≤2\mathrm{\π};$

高炉炉壁内表面边界条件：T(r,θ)＝T_in(θ),r＝r₀；

耐火砖与冷却壁交界处边界条件：r＝r₁；

冷却壁外表面边界：T(r,θ)＝T_out(θ),r＝r₂，

其中，T_in为当前预估的高炉内表面温度，T_out为冷却壁外表面温度，θ表示角度，r₀、r₁、r₂分别为高炉内表面半径、耐火砖与冷却壁交界处半径、冷却壁外表面半径，λ₁为耐火砖导热系数，λ₂为冷却壁导热系数，且当r₀≤r≤r₁时，λ＝λ₁，当r₁＜r≤r₂时，λ＝λ₂，h_x为冷却壁与冷却水的对流换热系数；

步骤B、针对确定的该高度的各角度的每个高炉炉壁温度，比较该高炉炉壁温度与相同位置的预估高炉炉壁温度，得到两者之间的个体适应度；

步骤C、确定得到的所述个体适应度是否满足预设适应度精度，如果满足，将各角度的当前预估的高炉内表面温度，确定为该高度的各角度的高炉内表面温度，否则，进入后续的步骤D；

步骤D、基于得到的所述个体适应度，更新各角度的当前预估的高炉内表面温度，并返回上述步骤A。

进一步的，各角度的当前预估的高炉内表面温度的初始值为预设值，或者为随机值。

上述各单元的功能可对应于图2或图3所示流程中的相应处理步骤，在此不再赘述。

综上所述，本发明实施例提供的方案，包括：获取每层测温热电偶包括的多个测温热电偶测量的高炉炉壁温度，分别基于每相邻两层测温热电偶测量的高炉炉壁温度，采用一维传热微分方程，确定该两层测温热电偶之间的沿高度方向上的不同高度的各角度的高炉炉壁温度分布情况；获取每层温度传感器测量的冷却水进出口温度，分别基于每相邻两层温度传感器测量的冷却水进出口温度，采用一维传热微分方程，确定该两层温度传感器所在位置之间的沿高度方向上的不同高度的冷却壁外表面温度分布情况；分别基于确定的每个高度的各角度的高炉炉壁温度分布情况和该相同高度的冷却壁外表面温度分布情况，根据高炉炉壁横截面二维传热机理模型，确定该相同高度的各角度的高炉内表面温度分布情况；基于确定的每个高度的各角度的高炉内表面温度分布情况，采用曲线拟合算法，确定针对高炉内表面高度和角度的高炉内表面温度分布模型。从而实现了对高炉内表面温度分布情况进行准确建模。

本申请的实施例所提供的模型建立装置可通过计算机程序实现。本领域技术人员应该能够理解，上述的模块划分方式仅是众多模块划分方式中的一种，如果划分为其他模块或不划分模块，只要模型建立装置具有上述功能，都应该在本申请的保护范围之内。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种高炉内表面温度分布模型建立方法，其特征在于，所述高炉的耐火砖中沿高度方向分布有多层测温热电偶，每层测温热电偶包括位于不同角度的多个测温热电偶，测温热电偶用于测量所在位置的高炉炉壁温度，所述高炉的每段冷却壁内部分布有冷却水管，且冷却水管的冷却水进出水口位置设置有温度传感器，温度传感器用于测量所在位置的冷却水进出口温度，所述方法，包括：

获取每层测温热电偶包括的多个测温热电偶测量的高炉炉壁温度，分别基于每相邻两层测温热电偶测量的高炉炉壁温度，采用一维传热微分方程，确定该两层测温热电偶之间的沿高度方向上的不同高度的各角度的高炉炉壁温度分布情况；

获取每层温度传感器测量的冷却水进出口温度，分别基于每相邻两层温度传感器测量的冷却水进出口温度，采用一维传热微分方程，确定该两层温度传感器所在位置之间的沿高度方向上的不同高度的冷却壁外表面温度分布情况；

分别基于确定的每个高度的各角度的高炉炉壁温度分布情况和该相同高度的冷却壁外表面温度分布情况，根据高炉炉壁横截面二维传热机理模型，确定该相同高度的各角度的高炉内表面温度分布情况；

基于确定的每个高度的各角度的高炉内表面温度分布情况，采用曲线拟合算法，确定针对高炉内表面高度和角度的高炉内表面温度分布模型。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于相邻两层测温热电偶测量的高炉炉壁温度，采用一维传热微分方程，确定该两层测温热电偶之间的沿高度方向上的不同高度的各角度的高炉炉壁温度分布情况，具体包括：

分别针对相邻两层测温热电偶中来自两层的每对相同角度的测温热电偶，采用如下一维传热微分方程，并将该相同角度的上下两个测温热电偶测量的高炉炉壁温度分别作为上部和下部边界条件，以及将该微分方程用有限差分法进行离散化，得到沿高度方向上的不同高度的该角度的各离散点的高炉炉壁温度：

其中，T_m表示高炉炉壁温度，h表示高度，λ₁为耐火砖的导热系数，单位为W/(m·℃)，由该相邻两层测温热电偶之间的耐火砖所涉及的材料及其物理参数决定。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于每相邻两层温度传感器测量的冷却水进出口温度，采用一维传热微分方程，确定该两层温度传感器所在位置之间的沿高度方向上的不同高度的冷却壁外表面温度分布情况，具体包括：

采用如下一维传热微分方程，并将相邻的上下两层的两个温度传感器测量的冷却水进出口温度分别作为上部和下部边界条件，以及将该微分方程用有限差分法进行离散化，得到沿高度方向上的不同高度的各离散点的冷却壁外表面温度：

其中，T_out表示冷却水进出口温度，h表示高度，λ₂为冷却壁的导热系数，单位为W/(m·℃)，由该相邻两层温度传感器之间的冷却壁所涉及的材料及其物理参数决定。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，针对高炉的一个高度，基于确定的该高度的各角度的高炉炉壁温度分布情况和该高度的冷却壁外表面温度分布情况，根据高炉炉壁横截面二维传热机理模型，确定该高度的各角度的高炉内表面温度分布情况，具体包括：

步骤A、采用如下高炉炉壁横截面二维传热机理模型，以及如下边界条件，基于高炉该高度的冷却壁外表面温度，以及各角度的当前预估的高炉内表面温度，确定高炉该高度的横截面上各离散点的预估高炉炉壁温度：

高炉炉壁横截面二维传热机理模型：

$\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left(\mathrm{\λr}\frac{\∂T(r,\mathrm{\θ})}{\∂r}\right)+\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂\mathrm{\θ}}\left(\frac{\mathrm{\λ}}{r}\frac{\∂T(r,\mathrm{\θ})}{\∂\mathrm{\θ}}\right)=0,r_0\≤r\≤r_2,0\≤\mathrm{\θ}\≤2\mathrm{\π};$

高炉炉壁内表面边界条件：T(r,θ)＝T_in(θ),r＝r₀；

耐火砖与冷却壁交界处边界条件： ${\mathrm{\λ}}_1\frac{\∂T(r,\mathrm{\θ})}{\∂r}{|}_{\mathrm{in}}={\mathrm{\λ}}_2\frac{\∂T(r,\mathrm{\θ})}{\∂r}{|}_{\mathrm{out}},r=r_1;$

冷却壁外表面边界：T(r,θ)＝T_out(θ),r＝r₂，

其中，T_in为当前预估的高炉内表面温度，T_out为冷却壁外表面温度，θ表示角度，r₀、r₁、r₂分别为高炉内表面半径、耐火砖与冷却壁交界处半径、冷却壁外表面半径，λ₁为耐火砖导热系数，λ₂为冷却壁导热系数，且当r₀≤r≤r₁时，λ＝λ₁，当r₁＜r≤r₂时，λ＝λ₂，h_x为冷却壁与冷却水的对流换热系数；

步骤B、针对确定的该高度的各角度的每个高炉炉壁温度，比较该高炉炉壁温度与相同位置的预估高炉炉壁温度，得到两者之间的个体适应度；

步骤C、确定得到的所述个体适应度是否满足预设适应度精度，如果满足，将各角度的当前预估的高炉内表面温度，确定为该高度的各角度的高炉内表面温度，否则，进入后续的步骤D；

步骤D、基于得到的所述个体适应度，更新各角度的当前预估的高炉内表面温度，并返回上述步骤A。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，各角度的当前预估的高炉内表面温度的初始值为预设值，或者为随机值。

6.一种高炉内表面温度分布模型建立装置，其特征在于，所述高炉的耐火砖中沿高度方向分布有多层测温热电偶，每层测温热电偶包括位于不同角度的多个测温热电偶，测温热电偶用于测量所在位置的高炉炉壁温度，所述高炉的每段冷却壁内部分布有冷却水管，且冷却水管的冷却水进出水口位置设置有温度传感器，温度传感器用于测量所在位置的冷却水进出口温度，所述装置，包括：

第一温度分布确定单元，用于获取每层测温热电偶包括的多个测温热电偶测量的高炉炉壁温度，分别基于每相邻两层测温热电偶测量的高炉炉壁温度，采用一维传热微分方程，确定该两层测温热电偶之间的沿高度方向上的不同高度的各角度的高炉炉壁温度分布情况；

第二温度分布确定单元，用于获取每层温度传感器测量的冷却水进出口温度，分别基于每相邻两层温度传感器测量的冷却水进出口温度，采用一维传热微分方程，确定该两层温度传感器所在位置之间的沿高度方向上的不同高度的冷却壁外表面温度分布情况；

第三温度分布确定单元，用于分别基于确定的每个高度的各角度的高炉炉壁温度分布情况和该相同高度的冷却壁外表面温度分布情况，根据高炉炉壁横截面二维传热机理模型，确定该相同高度的各角度的高炉内表面温度分布情况；

模型建立单元，用于基于确定的每个高度的各角度的高炉内表面温度分布情况，采用曲线拟合算法，确定针对高炉内表面高度和角度的高炉内表面温度分布模型。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一温度分布确定单元，具体用于分别针对相邻两层测温热电偶中来自两层的每对相同角度的测温热电偶，采用如下一维传热微分方程，并将该相同角度的上下两个测温热电偶测量的高炉炉壁温度分别作为上部和下部边界条件，以及将该微分方程用有限差分法进行离散化，得到沿高度方向上的不同高度的该角度的各离散点的高炉炉壁温度：

其中，T_m表示高炉炉壁温度，h表示高度，λ₁为耐火砖的导热系数，单位为W/(m·℃)，由该相邻两层测温热电偶之间的耐火砖所涉及的材料及其物理参数决定。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二温度分布确定单元，具体用于采用如下一维传热微分方程，并将相邻的上下两层的两个温度传感器测量的冷却水进出口温度分别作为上部和下部边界条件，以及将该微分方程用有限差分法进行离散化，得到沿高度方向上的不同高度的各离散点的冷却壁外表面温度：

其中，T_out表示冷却水进出口温度，h表示高度，λ₂为冷却壁的导热系数，单位为W/(m·℃)，由该相邻两层温度传感器之间的冷却壁所涉及的材料及其物理参数决定。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第三温度分布确定单元，具体采用如下步骤确定某一高度的各角度的高炉内表面温度分布情况：

步骤A、采用如下高炉炉壁横截面二维传热机理模型，以及如下边界条件，基于高炉该高度的冷却壁外表面温度，以及各角度的当前预估的高炉内表面温度，确定高炉该高度的横截面上各离散点的预估高炉炉壁温度：

高炉炉壁横截面二维传热机理模型：

$\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left(\mathrm{\λr}\frac{\∂T(r,\mathrm{\θ})}{\∂r}\right)+\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂\mathrm{\θ}}\left(\frac{\mathrm{\λ}}{r}\frac{\∂T(r,\mathrm{\θ})}{\∂\mathrm{\θ}}\right)=0,r_0\≤r\≤r_2,0\≤\mathrm{\θ}\≤2\mathrm{\π};$

高炉炉壁内表面边界条件：T(r,θ)＝T_in(θ),r＝r₀；

耐火砖与冷却壁交界处边界条件： ${\mathrm{\λ}}_1\frac{\∂T(r,\mathrm{\θ})}{\∂r}{|}_{\mathrm{in}}={\mathrm{\λ}}_2\frac{\∂T(r,\mathrm{\θ})}{\∂r}{|}_{\mathrm{out}},r=r_1;$

冷却壁外表面边界：T(r,θ)＝T_out(θ),r＝r₂，

其中，T_in为当前预估的高炉内表面温度，T_out为冷却壁外表面温度，θ表示角度，r₀、r₁、r₂分别为高炉内表面半径、耐火砖与冷却壁交界处半径、冷却壁外表面半径，λ₁为耐火砖导热系数，λ₂为冷却壁导热系数，且当r₀≤r≤r₁时，λ＝λ₁，当r₁＜r≤r₂时，λ＝λ₂，h_x为冷却壁与冷却水的对流换热系数；

步骤B、针对确定的该高度的各角度的每个高炉炉壁温度，比较该高炉炉壁温度与相同位置的预估高炉炉壁温度，得到两者之间的个体适应度；

步骤C、确定得到的所述个体适应度是否满足预设适应度精度，如果满足，将各角度的当前预估的高炉内表面温度，确定为该高度的各角度的高炉内表面温度，否则，进入后续的步骤D；

步骤D、基于得到的所述个体适应度，更新各角度的当前预估的高炉内表面温度，并返回上述步骤A。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，各角度的当前预估的高炉内表面温度的初始值为预设值，或者为随机值。