CN111159919A - 一种衡量加热炉能耗分摊的方法 - Google Patents

一种衡量加热炉能耗分摊的方法 Download PDF

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CN111159919A CN202010013584.1A CN202010013584A CN111159919A CN 111159919 A CN111159919 A CN 111159919A CN 202010013584 A CN202010013584 A CN 202010013584A CN 111159919 A CN111159919 A CN 111159919A
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陈德敏
汤凯
刘莹惠
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Abstract

本发明公开了一种衡量加热炉能耗分摊的方法，属于钢铁生产领域。本发明包括以下步骤：S1、将整个加热炉划分为k个能耗累积段，进行能耗累积的离散处理；S2、进行单个钢坯能耗累积比例的确定；S3、加热炉单个钢坯能耗的计算，计算可得出加热单个钢坯所需能耗和钢坯的有效吸收热，且可探究不同坯料宽度、生产节奏及等级等因素对加热炉生产钢坯的影响。本发明克服了现有算法中加热炉生产钢坯过程中生产单个钢坯能源消耗量及成本的计算空白，且可有效探究加热炉生产过程中不同因素条件下加热炉能耗分摊量。

Description

一种衡量加热炉能耗分摊的方法
技术领域
本发明涉及钢铁行业节能减排技术领域，更具体地说，涉及一种衡量加热炉能耗分摊的方法。
背景技术
钢铁行业是现代社会的支柱产业，为建筑、机械等行业提供原材料和半成品。但同时由于钢铁行业具有资源密集、能源密集、污染排放高等特点，钢铁行业消耗的能源约占全球能源消耗5％，二氧化碳排放量约占人为排放量的7％。因此，钢铁行业能源分析是实现节能减排的关键因素。加热炉是钢铁行业的重要耗能设备之一，其能耗占轧制过程能耗的70％，因此，加热炉节能是钢铁行业节能研究的热点领域。
目前，加热炉节能研究包括通过改进控制方法提高燃烧过程控制精度的燃烧过程控制，基于数值建模，通过分析温度场，得出优化加热策略的传热过程机理分析及通过在炉子之间调度坯料，实现节能和质量提高的优化调度模型。但事实上，钢坯个体的差异对钢坯能耗也存在重要的影响。因此，如何得到单个钢坯能耗，将有利于制定生产计划、能源消耗管理和评价机制，实现能源精益生产。
经检索，公开号为CN107350295A的专利公开了一种轧钢系统生产能效评估方法，通过计算基准工序能耗值和实际工序能耗值，并将二者能耗值比较，以评估轧钢系统各工序的生产能效。该申请案引入原料初始载能与外供产品载能，提高了计算工序能耗准确性、真实性，但并未对各个工序的实际运行能耗降低提供可行方案。
公开号为CN108646637A的专利公开了一种加热炉节能运维智控系统，由供电单元、可编程逻辑控制器、视频采集与存储单元、网络交换单元、光纤收发器、配电接线单元、人机交互单元、节能运维智控系统、客户端等单元组成。该技术可实现加热炉自动控制以及能耗实时监控，加热效果优化调节，提高了加热炉加热质量，但加热炉中单个钢坯能耗节能分析是实现加热炉整体节能的有效途径，该申请案并未真正触及。
公开号为CN108062583A的专利公开了一种面向节能减排的加热炉工艺参数寻优方法，利用加热炉相关数据，构建加热炉能耗模型，配置加热炉工艺参数范围，利用加热炉能耗模型，获得加热炉最优工艺参数。该算法简单可靠，但同样地，如何在确保加热炉钢坯质量的前提下，得到单个钢坯能耗，实现加热炉节能减排，该申请案也并未涉及。
综上所述，目前如何能有效计算出加热炉能耗分摊，实现钢坯质量提升的同时，达到节能减排是行业从未停止的研究。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
针对现有技术中加热炉节能减排形势依然严峻的问题，本发明拟提供一种衡量加热炉能耗分摊的方法，可有实现对加热炉单个钢坯能源消耗量的有效衡量计算，有助于钢铁企业制定生产计划、能源消耗管理和评价机制，还可以实现能源精益生产，对加热炉节能减排提供了新的思路。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种衡量加热炉能耗分摊的方法，包括以下步骤：
S1、能耗累积的离散处理；
将加热炉内钢坯数量恒定的每个时间段记为一个能耗累积段，钢坯在加热炉中停留的时间段可划分为k个能耗累积段，进行能耗累积的离散处理；
S2、进行单个钢坯能耗累积比例的确定；
S3、加热炉单个钢坯能耗的计算，可得出加热单个钢坯所需能耗和钢坯的有效吸收热量。
更进一步地，步骤S1中能耗累积的离散处理由下述公式1-公式3得：
第i个能耗累积分段能量为：
qi＝(ε1+Δt)·ESi,1+Δt·ESi,2+…+Δt·ESi,n1+εn,1·ESi,n1+1 公式1
ε1<Δt,εn,1<Δt，令ε1＝εn,1＝0，则
Figure BDA0002358028920000021
则k个能耗累积段的总能耗为
Figure BDA0002358028920000022
j—第i个能耗累积段的第j次采集；
n1—第i个能耗累积段的采样周期个数；
ε1、εn,1、εn,2…εn,k—第i个能耗累积段中不足一个完整采样周期的剩余时间；
Δt—采样周期时间；
ESi,1、ESi,2…ESi,n1+1—第i个能耗累积段中各个采样周期内燃料的瞬时流量计量，kgce/h；
qi—第i个能耗累积段能量，kgce；
Qt—加热炉内加热钢坯时间段中的总能耗，即k个能耗累积段的总能耗，kgce；
k—能耗累积段数量。
更进一步地，步骤S2中能耗累积比例确定由下述公式4-公式7可得：
第i个能耗累积段燃气消耗热量：
Figure BDA0002358028920000031
第i个能耗累积段中单个钢坯吸收热量：
(Qgas，1)i＝k1·cp·m·ΔTi 公式5
第i个能耗累积段中加热单个钢坯，炉体热损失分摊热量：
Figure BDA0002358028920000032
第i个能耗累积段中加热单个钢坯，其他损失热量的分摊：
Figure BDA0002358028920000033
ESgas,j—第i个能耗累积段的第j个采样周期内的燃气的瞬时流量计量，kgce/h；
(Qgas)i—第i个能耗累积段供入的总燃料的热量，kgce；
(Qgas，1)i—第i个能耗累积段内单个钢坯吸收热量，kgce；
k1—转换系数，值为1/2.9307×10-7，kgce/J；
cp—钢坯比热，J/(kg·K)；
ΔTi—第i个能耗累积段中钢坯温升，K；
Qgas,2—第i个能耗累积段炉体热损失分摊量，kgce；
λ—炉体导热系数，W/(m·K)；
A—第i个能耗累积段中钢坯经过的炉体面积，m2；
t1、tn1—第i个能耗累积段的初始时间与结束时间；
T—第i个能耗累积段中加热炉内外壁的温差，K；
x—加热炉炉壁厚度，mm；
m—第i个能耗累积段中单个钢坯质量，kg；
(mtotal)i—第i个能耗累积段中钢坯总质量，kg；
(Qgas,3)i—第i个能耗累积段中其他热损失分摊量，kgce。
更进一步地，步骤S3中加热炉单个钢坯能耗如下：
Figure BDA0002358028920000041
E—加热炉加热单个钢坯分摊燃耗，kgce。
更进一步地，第i个能耗累积段中加热炉内外壁的温差T测定方法为：基于钢坯在第i个能耗累积段中经过的加热炉炉体内的起点和终点处，分别测定加热炉内外壁在该两点温度，并分别取这两点平均值，即为第i个能耗累积段中加热炉的内外壁温度，计算得第i个能耗累积段中加热炉内外壁的温差T。
更进一步地，第i个能耗累积段中钢坯温升ΔTi的测定方法为：基于钢坯在第i个能耗累积段中经过的加热炉炉体内的起点和终点处，分别测定钢坯在该两点处的上表面温度、下表面温度和钢坯中心温度；取该两点处的钢坯的上表面温升为钢坯温升ΔTi；或取该两点处的钢坯的下表面温升为钢坯温升ΔTi；或取该两点处的钢坯的中心温度温升为钢坯温升ΔTi；或取该两点处钢坯的上表面温升、下表面温升、中心温度温升的平均值为钢坯温升ΔTi。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明的一种衡量加热炉能耗分摊的方法，解决了加热炉单个钢坯成本计算的难题，能够计算出加热炉加热单个钢坯所需总热耗，结果精确，应用前景广泛，有助于促进加热炉节能减排。
(2)本发明的一种衡量加热炉能耗分摊的方法，可实现单个钢坯有效吸收热计算、炉体热损失计算以及其他损失计算，有利于加热炉优化设计、维护。
(3)本发明的一种衡量加热炉能耗分摊的方法，有助于钢铁企业制定生产计划、能源消耗管理和评价机制，还可实现能源精益生产。
附图说明
图1为本发明中的加热炉模型结构示意图；
图2为本发明中能耗累积流程示意图；
图3为本发明中钢坯温度曲线示意图；
图4为本发明中加热炉壁热损失计算示意图。
示意图中的标号说明：
1、钢坯；2、加热炉进口；3、加热炉出口；4、加热炉炉体。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
如图1所示为普通的加热炉模型结构示意图，包括加热炉炉体4，前后两端分别设有加热炉进口2和加热炉出口3，钢坯1经加热炉进口2装载进入后，依次经预热段、预热与加热段、加热1段、加热2段和均热段加工，然后经加热炉出口3卸载出炉。
如图2所示，本实施例的一种衡量加热炉能耗分摊的方法，包括以下步骤：
S1、能耗累积的离散处理；
将加热炉内钢坯数量恒定的每个时间段记为一个能耗累积段，钢坯在加热炉中停留的时间段可划分为k个能耗累积段，进行能耗累积的离散处理；如图2中所示，t1为开始装载钢坯的时刻；t2—为卸载钢坯的时刻；
离散处理的具体过程由下述公式1-公式3得：
第i个能耗累积分段能量为：
qi＝(ε1+Δt)·ESi,1+Δt·ESi,2+…+Δt·ESi,n1+εn,1·ESi,n1+1 公式1
其中，如图2所示，ε1、εn,1指第i个能耗累积段中不足一个完整采样周期Δt的剩余时间；ε1<Δt,εn,1<Δt，生产实践中，由于采样周期Δt极短，一般为1min，因此ε1、εn,1可以忽略不计，令ε1＝εn,1＝0，则
Figure BDA0002358028920000051
则k个能耗累积段的总能耗为
Figure BDA0002358028920000052
j—第i个能耗累积段的第j次采集；
n1—第i个能耗累积段的采样周期个数；
ε1、εn,1、εn,2…εn,k—第i个能耗累积段中不足一个完整采样周期的剩余时间；
Δt—采样周期时间；
ESi,1、ESi,2…ESi,n1+1—第i个能耗累积段中各个采样周期内燃料的瞬时流量计量，kgce/h；由在线能源计量仪表即可获得；本实施例中直接将采样瞬时间获得的燃料的瞬时流量计量作为整个采样周期的平均值；
qi—第i个能耗累积段能量，kgce；
Qt—加热炉内加热钢坯时间段中的总能耗，即k个能耗累积段的总能耗，kgce；
k—能耗累积段数量。
S2、进行单个钢坯能耗累积比例的确定；
燃气为加热炉主要能源，燃气燃烧过程中产生的热量主要分为三个部分：钢坯吸收的热量、炉体损失的热量以及其他损失如烟气的热量。
能耗累积比例的确定由下述公式4-公式7可得：
第i个能耗累积段燃气消耗热量：
Figure BDA0002358028920000061
第i个能耗累积段中单个钢坯吸收热量：
(Qgas，1)i＝k1·cp·m·ΔTi 公式5
第i个能耗累积段中加热单个钢坯，炉体热损失分摊热量：
Figure BDA0002358028920000062
第i个能耗累积段中加热单个钢坯，其他损失热量的分摊：
Figure BDA0002358028920000063
ESgas,j—第i个能耗累积段的第j个采样周期内的燃气的瞬时流量计量，kgce/h；同理，采用该采样周期内的瞬时流量计量作为该周期内的平均值。
(Qgas)i—第i个能耗累积段供入的总燃料的热量，kgce；
(Qgas，1)i—第i个能耗累积段内单个钢坯吸收热量，kgce；
k1—转换系数，值为1/2.9307×10-7，kgce/J；
cp—钢坯比热，J/(kg·K)；
ΔTi—第i个能耗累积段中钢坯温升，K；
Qgas,2—第i个能耗累积段炉体热损失分摊量，kgce；
λ—炉体导热系数，W/(m·K)；
A—第i个能耗累积段中钢坯经过的炉体面积，m2；即第i个能耗累积段中钢坯经过的炉体长度范围对应的炉体面积；
t1、tn1—第i个能耗累积段的初始时间与结束时间；
T—第i个能耗累积段中加热炉内外壁的温差，K；
x—加热炉炉壁厚度，mm；
m—第i个能耗累积段中单个钢坯质量，kg；
(mtotal)i—第i个能耗累积段中钢坯总质量，kg；
(Qgas,3)i—第i个能耗累积段中其他热损失分摊量，kgce。
S3、加热炉单个钢坯能耗的计算，可得出加热单个钢坯所需能耗和钢坯的有效吸收热量。
具体地，加热炉单个钢坯能耗如下：
Figure BDA0002358028920000071
E—加热炉加热单个钢坯分摊燃耗，kgce。
需要说明的是，本实施例中第i个能耗累积段中加热炉内外壁的温差T测定方法为：基于钢坯在第i个能耗累积段中经过的加热炉炉体内的起点和终点处，分别测定加热炉内外壁在该两点温度，并分别取这两点平均值，即为第i个能耗累积段中加热炉的内外壁温度，计算得第i个能耗累积段中加热炉内外壁的温差T，原理如图4所示。
如图3所示，本实施例中第i个能耗累积段中钢坯温升ΔTi的测定方法为：基于钢坯在第i个能耗累积段中经过的加热炉炉体内的起点和终点处，分别测定钢坯在该两点处的上表面温度、下表面温度和钢坯中心温度；取该两点处的钢坯的上表面温升为钢坯温升ΔTi；或取该两点处的钢坯的下表面温升为钢坯温升ΔTi；或取该两点处的钢坯的中心温度温升为钢坯温升ΔTi；或取该两点处钢坯的上表面温升、下表面温升、中心温度温升的平均值为钢坯温升ΔTi。钢坯温升可直接有加热炉二级控制系统测得，如图3所示，取钢坯上表面温度温升为钢坯温升ΔTi，通过加热炉二级系统可以获得钢坯在位置x-Δx移动到x位置的温升。
本实施例中钢坯的质量为常物性参数，仅与坯料大小和密度有关，不受位置或温度影响；本实施例中加热炉内壁温度由加热炉自带热电偶测得，加热炉外壁温度可由便携式热电偶测得。另外，由于加热炉系统限制，钢坯需在加热炉中停留足够长时间，以确保满足加热需求，热量在停留时间段内流经炉体，因此可将加热炉炉体热损失问题简化为平板传热问题，且炉体内外壁温度取测量平均温度。
本实施例的一种衡量加热炉能耗分摊的方法，解决了加热炉单个钢坯成本计算的难题，能够计算出加热炉加热单个钢坯所需总热耗，结果精确，应用前景广泛，有助于促进加热炉节能减排；其次，操作简单易懂，在相同的生产节奏下，可以计算不同料坯的能耗分配情况可确保能耗分配的均匀性，且有利于钢坯生产过程中的优化管理，可信度高，原理简单实用，可为加热炉装载计划提供依据；另外，利用本实施例的方法还可以探究不同生产节奏对能耗分摊的影响，得到日常加强设备维护与管理的优化方案；其次，可以分析钢坯等级对能耗分摊的影响，从而制定合理的能源管理评价体系。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种衡量加热炉能耗分摊的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、能耗累积的离散处理；
将加热炉内钢坯数量恒定的每个时间段记为一个能耗累积段，钢坯在加热炉中停留的时间段可划分为k个能耗累积段，进行能耗累积的离散处理；
S2、进行单个钢坯能耗累积比例的确定；
S3、加热炉单个钢坯能耗的计算，可得出加热单个钢坯所需能耗和钢坯的有效吸收热量。
2.根据权利要求1所述的一种衡量加热炉能耗分摊的方法，其特征在于：
步骤S1中能耗累积的离散处理由下述公式1-公式3得：
第i个能耗累积分段能量为：
qi＝(ε1+Δt)·ESi，1+Δt·ESi，2+…+Δt·ESi，n1+εn，1·ESi，n1+1 公式1
ε1＜Δt，εn，1＜Δt，令ε1＝εn，1＝0，则
Figure FDA0002358028910000011
则k个能耗累积段的总能耗为
Figure FDA0002358028910000012
j-第i个能耗累积段的第j次采集；
n1-第i个能耗累积段的采样周期个数；
ε1、εn，1、εn，2…εn，k-第i个能耗累积段中不足一个完整采样周期的剩余时间；
Δt-采样周期时间；
ESi，1、ESi，2…ESi，n1+1-第i个能耗累积段中各个采样周期内燃料的瞬时流量计量，kgce/h；
qi-第i个能耗累积段能量，kgce；
Qt-加热炉内加热钢坯时间段中的总能耗，即k个能耗累积段的总能耗，kgce；
k-能耗累积段数量。
3.根据权利要求1所述的一种衡量加热炉能耗分摊的方法，其特征在于：步骤S2中能耗累积比例确定由下述公式4-公式7可得：
第i个能耗累积段燃气消耗热量：
Figure FDA0002358028910000013
第i个能耗累积段中单个钢坯吸收热量：
(Qgas，1)i＝k1·cp·m·ΔTi 公式5
第i个能耗累积段中加热单个钢坯，炉体热损失分摊热量：
Figure FDA0002358028910000021
第i个能耗累积段中加热单个钢坯，其他损失热量的分摊：
Figure FDA0002358028910000022
ESgas，j-第i个能耗累积段的第j个采样周期内的燃气的瞬时流量计量，kgce/h；
(Qgas)i-第i个能耗累积段供入的总燃料的热量，kgce；
(Qgas，1)i-第i个能耗累积段内单个钢坯吸收热量，kgce；
k1-转换系数，值为1/2.9307×10-7，kgce/J；
cp-钢坯比热，J/(kg·K)；
ΔTi-第i个能耗累积段中钢坯温升，K；
Qgas，2-第i个能耗累积段炉体热损失分摊量，kgce；
λ-炉体导热系数，W/(m·K)；
A-第i个能耗累积段中钢坯经过的炉体面积，m2；
t1、tn1-第i个能耗累积段的初始时间与结束时间；
T-第i个能耗累积段中加热炉内外壁的温差，K；
x-加热炉炉壁厚度，mm；
m-第i个能耗累积段中单个钢坯质量，kg；
(mtotai)i-第i个能耗累积段中钢坯总质量，kg；
(Qgas，3)i-第i个能耗累积段中其他热损失分摊量，kgce。
4.根据权利要求3所述的一种衡量加热炉能耗分摊的方法，其特征在于：步骤S3中加热炉单个钢坯能耗如下：
Figure FDA0002358028910000023
E-加热炉加热单个钢坯分摊燃耗，kgce。
5.根据权利要求3所述的一种衡量加热炉能耗分摊的方法，其特征在于：第i个能耗累积段中加热炉内外壁的温差T测定方法为：基于钢坯在第i个能耗累积段中经过的加热炉炉体内的起点和终点处，分别测定加热炉内外壁在该两点温度，并分别取这两点平均值，即为第i个能耗累积段中加热炉的内外壁温度，计算得第i个能耗累积段中加热炉内外壁的温差T。
6.根据权利要求3所述的一种衡量加热炉能耗分摊的方法，其特征在于：第i个能耗累积段中钢坯温升ΔTi的测定方法为：基于钢坯在第i个能耗累积段中经过的加热炉炉体内的起点和终点处，分别测定钢坯在该两点处的上表面温度、下表面温度和钢坯中心温度；取该两点处的钢坯的上表面温升为钢坯温升ΔTi；或取该两点处的钢坯的下表面温升为钢坯温升ΔTi；或取该两点处的钢坯的中心温度温升为钢坯温升ΔTi；或取该两点处钢坯的上表面温升、下表面温升、中心温度温升的平均值为钢坯温升ΔTi。
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