CN110442955A - 一种焦炉炭化室传热过程建模与仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焦炉炭化室传热过程建模与仿真方法。所述的建模与仿真方法包括以下步骤：将焦炉炭化室炉墙及炭化室内1/2煤饼按横向均匀划分平面单元；基于一维双层平面传热理论，构建炉墙平面单元和煤饼平面单元的传热模型；利用外节点法按仿真步长分别对炉墙平面单元和煤饼平面单元的传热模型进行离散化；采用Simulink模块构建炉墙平面单元和煤饼平面单元的仿真模型，并按照焦炉炭化室结构，利用平面单元传热模型组装炭化室传热模型；采用MATLAB GUI构建仿真分析软件，利用炭化室传热模型进行仿真计算。本发明的建模方法原理直观，易于理解，实现步骤简单，建模工作量较小，可以实现对焦炉炭化室传热过程的动态仿真，且炭化室传热过程受仿真时间的驱动。

Description

一种焦炉炭化室传热过程建模与仿真方法

技术领域

本发明涉及焦炉炭化室传热过程仿真领域，特别是涉及一种焦炉炭化室传热过程建模与仿真方法。

背景技术

随着计算机硬软件技术的快速发展，计算机仿真方法及技术得到了广泛的应用。在复杂工业过程控制领域，应用计算机仿真技术，控制系统设计人员在系统设计阶段就可以分析系统的动静态特性，实现对控制系统结构及参数的优化设计；在系统测试阶段，可以基于被控对象仿真模型实现对控制系统的测试验证，从而最大程度上降低成本，减少试验费用，缩短开发周期，提高研发效率。

炼焦生产过程是一种典型的复杂工业过程，焦炉炭化室是炼焦生产的主要设备，煤饼在炭化室内隔绝空气加热干馏形成焦炭。焦炉的热工管理与控制技术直接决定着炼焦生产过程的安全与高效。而对焦炉炭化室传热过程的分析与计算是优化焦炉热工管理、设计焦炉加热控制系统的必要过程。采用计算机仿真技术可以直观地展示焦炉炭化室传热过程，并可以进一步利用仿真模型对焦炉加热控制系统进行分析和测试。

在炼焦生产过程中，煤饼在炭化室内经过干燥、分解、形成胶质体、胶质体固化及收缩等过程形成焦炭，因此炭化室内煤饼的传热过程是固-液-气三相共存的流体传热过程。传统基于CFD软件的炭化室传热过程建模与分析方法可以较好的模拟焦炉炭化室传热过程，但所构建的模型是一种由热能驱动的静态分析模型，主要用于焦炉设计人员与热工管理人员分析焦炉炭化室内的温度分布，而不适用于作为仿真对象模型测试验证焦炉加热控制算法，且整个建模过程复杂。

发明内容

为了解决现有焦炉炭化室传热过程建模与仿真存在的上述技术问题，本发明提供一种原理直观、易于理解、实现步骤简单的焦炉炭化室传热过程建模与仿真方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：

A1：将焦炉炭化室炉墙及炭化室内1/2煤饼按横向均匀划分平面单元；

A2：基于一维双层平面传热理论，构建炉墙平面单元和煤饼平面单元的传热模型；

A3：利用外节点法按仿真步长分别对炉墙平面单元和煤饼平面单元的传热模型进行离散化；

A4：采用MATLAB的Simulink模块分别构建炉墙平面单元和煤饼平面单元的仿真模型，并按照焦炉炭化室结构，利用平面单元传热模型组装炭化室传热模型；

A5：采用MATLAB GUI构建仿真分析软件，利用炭化室传热模型进行仿真计算。

本发明的技术效果在于：

1、与传统基于CFD软件的焦炉炭化室传热过程建模方法相比，具有建模过程简洁、仿真过程受时间驱动、仿真结果展示直观等优点，虽然在建模过程中采用平面单元代替网格，但仿真结果仍能较真实的反映焦炉炭化室及炉墙的传热特性。

2、模型的可扩展性，基于本发明构建的焦炉炭化室炉墙与1/2煤饼传热模型，可以方便地构建全焦炉传热过程模型，仅需要将多个封装好的炭化室传热模型W_hC与燃烧室模型链接起来，并通过推焦装煤计划表生成装煤信号，以此驱动各炭化室传热模型。与之对比，采用CFD软件构建的焦炉炭化室传热过程模型仅可对一组炭化室炉墙与1/2煤饼进行传热过程分析，而几乎不可能基于该组模型构建全焦炉传热过程模型。

3、模型功能的多样性，本发明采用MATLAB构建焦炉炭化室传热过程模型，且仿真过程受仿真时间驱动，MATLAB软件是一种通用的建模与分析软件，并提供了丰富的数据交互接口，这为进一步扩展模型的功能提供了可能。所构建的焦炉炭化室传热模型或者基于此构建的焦炉全炉传热模型，除了可以分析焦炉炭化传热特性外，还可以作为被控对象参与焦炉加热控制算法的分析与测试。与之对比，焦炉炭化室传热过程的CFD模型仅可作为焦炉热工理论分析的工具，而难以作为被控对象参与控制算法的分析与测试。

附图说明

图1为本发明中焦炉炭化室的结构示意图。

图2为本发明的流程图。

图3为本发明中炉墙平面单元传热模型图。

图4为本发明中炭化室炉墙传热模型图。

图5为本发明中炭化室炉墙传热模型封装图。

图6为本发明中煤饼平面单元传热模型图。

图7为本发明中炭化室1/2煤饼传热模型封装图。

图8为本发明中炭化室1/2煤饼Coal_1-25传热模型图。

图9为本发明中炭化室1/2煤饼Coal_26-50传热模型图。

图10为本发明中炉墙表面与煤饼表面传热模型封装图。

图11为本发明中炉墙表面与煤饼表面传热模型图。

图12为本发明中炉墙表面与煤饼表面热传导传热模型图。

图13为本发明中炉墙表面与煤饼表面热辐射传热模型图。

图14为本发明中焦炉炭化室传热模型图。

图15为本发明中焦炉炭化室传热模型封装图。

图16为本发明中温度数据显示模型图。

图17为本发明中炭化室内煤饼温度仿真结果图。

图18为本发明中炭化室炉墙温度仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明针对JNDK55-05F型复热式捣固焦炉设计焦炉炭化室传热过程建模与仿真方法，所分析的焦炉炭化室炉墙与炭化室的结构如图1所示。基于焦炉炭化室的对称结构，选取炭化室内煤饼的中心面为绝热面，构建炭化室炉墙与1/2煤饼(炭化室)的仿真模型。

计算过程涉及变量及符号说明：

ρ：密度；c：比热容；

λ：导热系数；T：温度；

t：连续系统时间变量；k：离散系统时刻变量；

t_s：仿真步长；△x：平面单元厚度；

下标_w：炭化室炉墙；下标_c：炭化室煤饼；

上标p：第p层平面单元；：煤饼平面单元中水的潜热；

本发明的焦炉炭化室传热过程建模与仿真方法，其流程如图2所示，包括以下几个步骤：

A1：将焦炉炭化室炉墙及炭化室内1/2煤饼按横向均匀划分平面单元；

将炭化室炉墙及1/2煤饼按焦炉横向划分平面单元，并认为在同一平面单元内物质和温度是均匀、一致的。如图1所示，将炉墙均匀等分为10个炉墙平面单元，将炭化室内1/2煤饼均匀等分为50个煤饼平面单元，并按顺序编号，图1中数字1表示1号平面单元的位置。模型忽略了炭化室锥度，将煤饼处理为长方体，煤饼宽度为500mm，炭化室炉墙厚度为90mm。

A2：基于一维双层平面传热理论，构建炉墙平面单元和煤饼平面单元的传热模型；

炭化室炉墙平面单元的传热模型如下：

式中，ρ_w为炉墙平面单元密度，单位为kg/m³；c_w为炉墙平面单元比热容，单位为J/kg.℃；λ_w为炉墙平面单元导热系数，单位为W/m.℃；T_w为炉墙平面单元温度，单位为℃；

炭化室内煤饼平面单元的传热模型如下：

式中，ρ_c为煤饼平面单元密度，单位为kg/m³；c_c为煤饼平面单元比热容，单位为J/kg.℃；λ_c为煤饼平面单元导热系数，单位为W/m.℃；T_c为煤饼平面单元温度，单位为℃；∑Q为煤饼平面单元内热源，单位为W/m³。

A3：利用外节点法按仿真步长分别对炉墙平面单元和煤饼平面单元的传热模型进行离散化；

炭化室炉墙平面单元的离散化传热模型：

式中：表示第p层炉墙平面单元在第k时刻的温度，t_s为仿真步长，仿真步长的大小与建模精度和计算复杂度有关，模型中取仿真步长为1s，λ_w1、λ_w2为相邻炉墙平面单元平均导热系数，△x_w为炉墙平面单元厚度，ρ_w为炉墙平面单元密度，为在温度时炉墙平面单元的比热容。

炭化室内煤饼平面单元的离散化传热模型为：

式中：表示第p层煤饼平面单元在第k时刻的温度，t_s为仿真步长，在模型中取仿真步长为1s，λ_c1、λ_c2为相邻煤饼平面单元平均导热系数，△x_c为煤饼平面单元厚度，分别为第p层煤饼平面单元在温度时的密度与比热容，为煤饼平面单元中水的潜热；

A4：采用MATLAB的Simulink模块分别构建炉墙平面单元和煤饼平面单元的仿真模型，并按照焦炉炭化室结构，利用平面单元传热模型组装炭化室传热模型；

A5：采用MATLAB GUI构建仿真分析软件，利用炭化室传热模型进行仿真计算。

步骤A4中采用MATLAB的Simulink模块分别构建炉墙平面单元和煤饼平面单元的仿真模型，并按照焦炉炭化室结构，利用平面单元传热模型组装炭化室传热模型的具体过程如下：

A41、构建炭化室炉墙传热模型；

采用Simulink模块构建的炉墙平面单元传热模型W_cell_p如图3所示。模型的输入信号为本平面单元k时刻的温度(TWp_k)、前一个平面单元k时刻的温度(TWp-1_k)、后一个平面单元k时刻的温度(TWp+1_k)，模型的输出信号为本平面单元k+1时刻的温度(TWp_k+1)。基于式(3)所示的炭化室炉墙平面单元离散化传热模型，采用Simulink模块构建计算模型，在图3中函数模块Wall_thercon、Wall_thercon3、Wall_thercon_cal1用于计算炉墙平面单位导热系数λ_w1，函数模块Wall_thercon1、Wall_thercon2、及Wall_thercon_cal用于计算炉墙平面单位导热系数λ_w2，封装模块Temperature_Parameter用于计算炉墙平面单元的密度ρ_w(WallDensity)和比热容c_w(Wallspecheat)。

以W_cell_p模块作为炉墙平面单元的通用传热模型，将10个W_cell_p模块首未相连，构建如图4所示的炭化室炉墙传热模型，并将其封装为图5所示的Wall_1-10模型，模型输入信号为燃烧室侧炉墙表面温度(T_WI)、煤饼表面温度(TWp+1_k)，输出信号为炭化室侧炉墙表面温度(T_W)。在图4中每一个平面单元模型计算各自平面单元的温度，并通过‘Goto’模块将该温度传送至显示模型VIEW。

A42、构建炭化室1/2煤饼传热模型；

采用Simulink模块构建的煤饼平面单元传热模型C_cell_p如图6所示。模型的输入信号为本平面单元k时刻的温度(Tp_k)、前一个平面单元k时刻的温度(Tp-1_k)、后一个平面单元k时刻的温度(Tp+1_k)，模型的输出信号为本平面单元k+1时刻的温度(Tp_k+1)。基于式(4)所示的炭化室内煤饼平面单元离散化传热模型，采用Simulink模块构建计算模型，在图6中煤饼平面单位导热系数λ_c1及λ_c2由导热系数查表模块Coal_thercon及函数计算模块计算，查表模块Coal_density及Coal_specheat分别用于计算当前温度下煤饼平面单元的密度ρ_c和比热容c_c。

以C_cell_p模块作为煤饼平面单元的通用传热模型，将50个C_cell_p模块首未相连，构建炭化室1/2煤饼传热模型。为方便展示，将50个C_cell_p模块分成两组，并分别封装为Coal_1-25及Coal_26-50模型，如图7所示。图7(a)为传热模型Coal_1-25的封装图，包含从第1个到第25个煤饼平面单元，共计25个煤饼平面单元传热模型。Coal_1-25模型的输入信号为煤饼表面温度(T_W2C)、第26个煤饼平面单元温度(Tp+1_k)，输出信号为第1个煤饼平面单元温度(T_C1)、第25个煤饼平面单元温度(Tp_k)。图7(b)为传热模型Coal_26-50的封装图，包含从第26个煤饼平面单元到煤饼中心平面单元，共计25个平面单元传热模型，Coal_26-50模型的输入信号为第25个煤饼平面单元温度(Tp-1_k)，输出信号为第26个煤饼平面单元温度(Tp_k)、煤饼中心温度(T_C_C)。

传热模型Coal_1-25的内部结构如图8所示，由25个煤饼平面单元传热模型C_cell_p经首未相连构成，每一个平面单元模型计算各自平面单元的温度，并通过‘Goto’模块将该温度传送至显示模型VIEW。

传热模型Coal_26-50的内部结构如图9所示，由25个煤饼平面单元传热模型C_cell_p经首未相连构成，每一个平面单元模型计算各自平面单元的温度，并通过‘Goto’模块将该温度传送至显示模型VIEW。

A43、构建炭化室炉墙表面与煤饼表面传热模型；

将炭化室炉墙表面与煤饼表面的传热模式分为接触形态下的热传导模式与非接触形态下的辐射传热模式，并以焦饼中心温度达到500℃作为这两种传热模式切换的条件。其中对于热传导过程的建模，取半个煤饼平面单元及半个炉墙平面单元构建成一个独立的传热平面单元，采用上述煤饼平面单元传热模型及炉墙平面单元传热模型进行计算。

炉墙表面与煤饼表面传热模型Wall2Coal的封装图如图10所示，受结焦过程中煤饼先膨胀后收缩的影响，煤饼表面与炭化室炉墙表面之间存在两种传热模式，即表面接触状态下的传导传热模式与表面脱离状态下的辐射传热模式，这两种传热模式由煤饼中心温度进行切换，模型输入信号为炭化室侧炉墙表面温度(T_W)、煤饼中心温度(T_C_C)、第1个煤饼平面单元温度(T_C1)，模型输出信号为煤饼表面温度(T_C)。

炉墙表面与煤饼表面传热模型Wall2Coal如图11所示，该模型包含热传导传热模型W_C_cell_pC、热辐射传热模型W_C_cell_pR、传热模式切换模型。分别取半个煤饼平面单元与半个炉墙平面单元构建炉墙表面与煤饼表面传热模型。图12所示为热传导传热模型W_C_cell_pC，其中半个煤饼平面单元与半个炉墙平面单元的传热过程采用上述煤饼平面单元与炉墙平面单元传热模型相同的建模方法。图13所示为热辐射传热模型W_C_cell_pR，炉墙表面通过辐射放热，煤饼表面通过辐射吸热，基于经典平面辐射放热过程构建传热模型。

A44、构建炭化室传热模型；

基于上述炭化室炉墙传热模型Wall_1-10、炉墙表面与煤饼表面传热模型Wall2Coal、炭化室1/2煤饼传热模型Coal_1-25及Coal_26-50、各平面单元温度曲线显示模型VIEW，按信号接口连接起来构成如图14所示的焦炉炭化室传热模型，并将其封装成W_hC模块。如图15所示，W_hC模块输入信号为燃烧室侧炭化室炉墙表面温度(T_W)，输出信号为炭化室煤饼中心温度(T_C_C)。

图14中显示模型VIEW的结构如图16所示，该模型用于显示炉墙及1/2煤饼中各平面单元的温度，并将这些温度数据送入workspace中。

步骤A5中采用MATLAB GUI构建仿真分析软件，利用炭化室传热模型进行仿真计算的具体过程如下：

基于所构建的炭化室炉墙及煤饼传热模型，采用MATLAB GUI构建仿真分析软件，仿真结果如图17、图18所示。图17为炭化室内煤饼温度仿真结果图，图18为炭化室炉墙温度仿真结果图。

Claims (6)

1.一种焦炉炭化室传热过程建模与仿真方法，包括以下步骤：

A1：将焦炉炭化室炉墙及炭化室内1/2煤饼按横向均匀划分平面单元；

A2：基于一维双层平面传热理论，构建炉墙平面单元和煤饼平面单元的传热模型；

A3：利用外节点法按仿真步长分别对炉墙平面单元和煤饼平面单元的传热模型进行离散化；

A4：采用MATLAB的Simulink模块分别构建炉墙平面单元和煤饼平面单元的仿真模型，并按照焦炉炭化室结构，利用平面单元传热模型组装炭化室传热模型；

A5：采用MATLAB GUI构建仿真分析软件，利用炭化室传热模型进行仿真计算。

2.根据权利要求1所述的焦炉炭化室传热过程建模与仿真方法，其特征在于，所述步骤A1中焦炉为JNDK55-05F型复热式捣固焦炉，按焦炉横向将炭化室炉墙均匀划分为10个平面单元，将炭化室内1/2煤饼均匀划分为50个平面单元，所得到的炭化室炉墙平面单元的厚度为9mm，煤饼平面单元的厚度为5mm。

3.根据权利要求1所述的焦炉炭化室传热过程建模与仿真方法，其特征在于，所述步骤A2中平面单元的传热模型包括炭化室炉墙平面单元的传热模型和炭化室内煤饼平面单元的传热模型；

其中，炭化室炉墙平面单元的传热模型如下：

式中，ρ_w为炉墙平面单元密度，单位为kg/m³；c_w为炉墙平面单元比热容，单位为J/kg.℃；λ_w为炉墙平面单元导热系数，单位为W/m.℃；T_w为炉墙平面单元温度，单位为℃；

煤饼平面单元的传热模型如下：

式中，ρ_c为煤饼平面单元密度，单位为kg/m³；c_c为煤饼平面单元比热容，单位为J/kg.℃；λ_c为煤饼平面单元导热系数，单位为W/m.℃；T_c为煤饼平面单元温度，单位为℃；∑Q为煤饼平面单元内热源，单位为W/m³。

4.根据权利要求1所述的焦炉炭化室传热过程建模与仿真方法，其特征在于，所述步骤A3中利用外节点法按仿真步长分别对炉墙平面单元和煤饼平面单元的传热模型进行离散化：

炭化室炉墙平面单元的离散化传热模型：

式中：表示第p层炉墙平面单元在第k时刻的温度，t_s为仿真步长，仿真步长的大小与建模精度和计算复杂度有关，本模型中取仿真步长为1s，λ_w1、λ_w2为相邻炉墙平面单元平均导热系数，△x_w为炉墙平面单元厚度，ρ_w为炉墙平面单元密度，为在温度时炉墙平面单元的比热容。

煤饼平面单元的离散化传热模型为：

式中：T_c ^p(k)表示第p层煤饼平面单元在第k时刻的温度，t_s为仿真步长，在本模型中取仿真步长为1s，λ_c1、λ_c2为相邻煤饼平面单元平均导热系数，△x_c为煤饼平面单元厚度，分别为第p层煤饼平面单元在温度T_c ^p(k)时的密度与比热容，为煤饼平面单元中水的潜热。

5.根据权利要求1所述的焦炉炭化室传热过程建模与仿真方法，其特征在于，所述的步骤A4中采用MATLAB的Simulink模块分别构建炉墙平面单元和煤饼平面单元的仿真模型，并按照焦炉炭化室结构，利用平面单元传热模型组装炭化室传热模型，具体步骤如下：

采用Simulink模块构建式(3)所示的炭化室炉墙平面单元传热模型，并封装为W_cell_p模块，以W_cell_p模块作为炭化室炉墙平面单元的通用传热模型，将10个W_cell_p模块首未相连，组成炭化室炉墙的传热仿真模型；

采用Simulink模块构建式(4)所示的煤饼平面单元的传热模型，并封装为C_cell_p模块，以C_cell_p模块作为煤饼平面单元的通用传热模型，将50个C_cell_p模块首未相连，组成炭化室内1/2煤饼的传热仿真模型。

6.根据权利要求1所述的焦炉炭化室传热过程建模与仿真方法，其特征在于，所述的步骤A5中采用MATLAB GUI构建仿真分析软件，利用炭化室传热模型进行仿真计算。

采用MATLAB GUI设计仿真参数输入、仿真过程控制以及仿真结果展示的仿真分析软件。