CN1170858A - 热风炉操作离线控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对高炉热风炉进行控制的方法,是将热风炉规格参数、工艺参数输入计算机,对蓄热室内部从燃烧期到送风期的整个热平衡过程进行计算,其关键在于:在计算蓄热室内热传导系数时,采用近期的传热学研究成果,将气体在格子砖内的流动近似认为在无限长的管道内流动与管壁进行热交换和从管壁到管壁厚中性面进行热传导,得到的计算结果精度大大提高,可做为热风炉操作和设计人员进行热风炉操作、控制和设计的依据。

Description

热风炉操作离线控制方法

本发明涉及一种对高炉热风炉燃烧进行控制的方法，尤其是采用过程计算机控制指导热风炉操作的方法。

在现有技术中，热风炉操作控制一般采用现场温度仪表显示热风炉各段的温度数据，分别控制送风调节阀的开度或其他参数来实现的。例如，日本专利申昭60-194004公开了一种″热风炉的燃烧控制方法″，是通过测定热风炉内格子砖的温度，将格子砖温度和热风炉出口温度输入计算机经一公式计算燃料量，为保证格子砖不低于下限温度和送风终了时热风炉出口温度所需的燃料投入量，把其中大的值作为燃料投入量的基准进行热风炉的燃烧，再控制燃料供给调节阀。另外，日本专利申请昭60-147817为″热风出排气温度的控制方法″，首先在规定周期内测定供给燃烧气体加热热风炉的排气温度，然后计算到多于一次的排气温度的排气温度上升速度，推算出下次燃烧终了的预定时刻的预测排气温度，根据该运算结果控制燃烧气体流量来实现对热风炉燃烧的控制。上述现有技术中只是对某一宏观参数进行测算、控制，以此做为热风炉操作控制的依据，而没有对热风炉内部的整体热交换过程进行分析，也未给出其计算用模型，因此控制精度不高。

本发明的目的是得到一种热风炉操作离线控制方法，是将热风炉规格参数、工艺参数输入计算机对蓄热室内部从燃烧期到送风期的整个热平衡过程进行计算，得到的结果即可作为操作人员控制热风炉操作的依据。

本发明的目的是这样实现的：

一种热风炉操作离线控制方法，是通过对热风炉的蓄热室根据下列热平衡关系进行热平衡计算：

燃料发热量+进入热风炉所有气体的显热＝送风进入高炉热量+废气带走的热量和热风炉的各种散热，它包括下列步骤：

(1)启动计算机，

(2)计算机读入热风炉的规格参数和各种燃烧气体、空气的成份、温度等相关参数，

(3)设定热风炉操作条件，

(4)收敛计算热风炉出口温度，

(5)根据进入热风炉的混合煤气的发热值计算火焰温度，

(6)设定拱顶温度，

(7)计算蓄热室平均热传导系数，

(8)计算热风炉出口温度和排废气温度，

(9)计算蓄热室代表值，

(10)计算热交换器上次回收的空气预热温度和回收的混合煤气的预热温度，

(11)总发热值进行热平衡计算，

(12)输出计算结果如热风炉出口温度、硅砖的境界温度、燃烧所需的煤气量等，操作者据此调整热风炉操作。

蓄热室平均热传导系数的计算方法为：将混合气体近似地认为在无限长的管道内流动并与管壁进行热交换和从管壁到管壁厚的中性面进行热传导换热，该气流与管壁之间的热交换有对流和辐射热交换，其中，

(1)对流热传导系数H₁：

层流：

Nu＝48/11，Re＜2000

  紊流： ，Re＞10000，Pr为普朗特数，对多种元素构成的气体一般取0.7

  混合流动：

式中：d为管径，λ为物体即管壁的热传导率KCal/m·Hr·℃，Nuf为混合流动区的努赛尔特数， $\mathrm{Nuf}=0.16\·[{\mathrm{Ref}}^{\frac{2}{3}}-125]\·{\mathrm{Pr}}^{\frac{1}{3}}\·{[1+\frac{d}{L}]}^{\frac{2}{3}}\·{\left[\frac{\mathrm{\μf}}{\mathrm{\μw}}\right]}^{0.14}$

式中：Ref为混流时的雷诺数，2000≤Ref≤10⁴

   L为蓄热室中格子砖高度(m)

   d为格子砖孔径(m)

   μf、μw分别为气体在入口与出口时的粘性系数

(2)辐射热传导系数H₂： $H_2=\frac{\mathrm{\φ}\·C({t_1}^4-{t_2}^4)}{t_1-t_2}$

式中：t₁为气体燃烧后的温度

      t₂为格子砖的温度

      为角系数，一般取4.88

       C为辐射系数， $C=C_{H_{2}O}+C_{{\mathrm{CO}}_2},$ $C_{H_{2}O}=7.0{(G_{H_{2}O}\·l)}^{0.5}/T$ $C_{{\mathrm{CO}}_2}=0.7{(G_{{\mathrm{CO}}_2}\·l)}^{0.5}/T^{0.5}$

式中：

为燃烧废气中H₂O及CO₂占的比率，

      l为气体在格子砖孔中的有效厚度约为0.9d，

      d为格子砖的孔径

      T：温度

则混合气体总的热传导系数H＝H₁+H₂，

所述的火焰温度、热风炉出口温度、空气预热温度、煤气预热温度、拱顶温度采用循环收敛方法进行计算。

所述的火焰温度计算后与设定值相比，如二者相差大于一定值，则增加混合煤气中焦炉煤气的比例重新计算，直到二者差值小于1℃。

下面结合附图对本发明进行详述。

附图为本发明热风炉操作离线控制方法的流程图。

本发明是根据传热学理论，将热内炉看作燃烧气体和空气在热风炉蓄热室的格子砖两侧进行对流、辐射热交换的热交换器，按照燃烧期至送风期的燃烧混合气体的发热量和进入热风炉气体的显热等总热量与热风带走的热量、废气带走的热量和炉体、管道、阀门的热损失等总热量两者相平衡方法，计算出热风炉出口温度、废气温度、硅砖的境界温度、燃烧所需的煤气量等，以指导操作人员对热风炉操作进行控制。

该方法的具体步骤如下：(参见附图)

1.过程计算机读入各种操作数据文件和常数数据文件，它包括以下几部分：从测量仪表得到的大气湿度、温度、富氧单位，从计算机的数据文件得到的设定值：送风流量、送风温度、拱顶温度、冷风温度、送风时间、燃烧时间、空气比、混冷流量、产铁量及热风炉的规格参数，从分析中心得到的各种燃烧气体成份、空气成份。

2.上述操作条件设定后，对热风炉出口温度进行收敛计算。即先计算送风出口温度的计算值T火

式中：T_B为送风温度

      V_B为送风流量

      C_P(TB)为送风气体的比热，

      T₁为冷风温度，

      V_冷为混冷流量，

      C_P(TM)为收敛计算的中值温度比，

然后进行热风炉出口温度的收敛计算，首先设定收敛范围初值：最大值T_max，最小值T_min，求出收敛范围的中值 $T_M=\frac{T_{\max }+T_{\min }}{2},$

如果|T_M-T_X|≤1℃时，T_X即为热风炉的出口温度

如果|T_M-T_X|＞1℃时，当T_X-T_M＞0，T_M取为T_min，

                            当T_X-T_M≤0，T_M取为T_max

再重新收敛计算第二次的送风出口温度的计算值T_X，直至与设定值的差值绝对值≤1℃。

3.然后根据混合煤气的发热量计算火焰温度T_火1，

根据混合气体发热量＝混合气体燃烧值×燃烧气体体积

则火焰温度计算值T_火1＝混合气体总的热量÷(混合气体的比热×排气量)

设定的火焰温度T_火2＝T_dome/0.97

将计算出的火焰温度值与设定值相比，如二者差值大于1℃，则需从零开始逐步增加焦炉煤气比率重新计算直到计算出的火焰温度与设定值之差的绝对值≤1℃。随后设定拱顶温度T_dome＝0.97T_火1。

4.计算蓄热室的平均热传导系数。

热风炉蓄热室由格子砖砌成，这样的蓄热体可以把它简化为加热气体在管道内流动(管道直径就是格子砖孔径)及在管壁表面之间进行热交换，由于管道直径与蓄热室的高度之比远远超过1∶6，这样就可近似地认为气体在无限长的管道内流动与管壁进行热交换和从管壁到管壁厚(其厚度系格子砖砖孔与砖孔之间的距离)的中性面之间进行热传导换热。

气体在无限长管道中的传热有对流传热和辐射传热两种，随着温度的升高辐射传热越显得强烈。

气体在管道中的流动一般可分为层流流动和紊流流动两促，其临界点一般以雷诺数Re来区分： ，式中：V为气体流动的速度，D为管子直径、即格子砖孔径，v为运动粘度。

五十年代以前的成果认为，流体在管道内流动时，以雷诺数2300为分界线，即雷诺数小于2300的流动为层流流动，在层流流动时气体与格子砖管壁的热交换只有对流热交换；当雷诺数大于2300时的流动为紊流流动，在紊流流动气体与格子砖管壁的热交换不仅有对流热交换，同时还有辐射热交换。本发明计算热传导系数的模型是根据近期的科技成果，即流体在管道内的流动时雷诺数小于2000时才是层流流动，而当雷诺数大于10000时才是真正的紊流流动，在雷诺数为2000～10000时为由层流流动向紊流流动的过渡区，气体在过渡区流动时气体与格子砖管壁的热交换不仅有对流热交换，同时还有辐射热交换，其传导系数的计算是根据雷诺数＜2000，2000～10000，＞10000分三部分进行的：

对流传热系数为H₁：

层流： Re＜2000，努赛尔数Nu＝48/11，

紊流： ，Re＞10000，Pr为普朗特数，对多种元素构成的气体一般取0.7，

混合流动：

式中：d为管径，λ为物体即管壁的热传导率KCal/m·Hr·℃，Nuf为混合流动区的努赛尔特数， $\mathrm{Nuf}=0.16\·[{\mathrm{Ref}}^{\frac{2}{3}}-125]\·{\mathrm{Pr}}^{\frac{1}{3}}\·{[1+\frac{d}{L}]}^{\frac{2}{3}}\·{\left[\frac{\mathrm{\μf}}{\mathrm{\μw}}\right]}^{0.14}$

式中：Ref为混流时的雷诺数，2000≤Ref≤10000，Pr为普朗特数，对多种元素构成的气体一般取0.7，L为蓄热室中格子砖高度(m)，d为格子砖孔径(m)，μf、μw分别为气体在入口与出口时的粘性系数。

辐射热传导系数H₂ $H_2=\frac{\mathrm{\φ}\·C({t_1}^4-{t_2}^4)}{t_1-t_2}$

式中：t₁为气体燃烧后的温度，t₂为格子砖的温度，为角系数，一般取4.88，C为辐射系数，

，因为碳氢化合物燃烧放热的结果是H₂O、CO₂，所以热辐射只是H₂O及CO₂的热辐射来计算，其辐射系数分别为

$C_{H_{2}O}=7.0{(G_{H_{2}O}\·l)}^{0.8}/T$ $C_{{\mathrm{CO}}_2}=0.7{(G_{{\mathrm{CO}}_2}\·l)}^{0.5}{/T}^{0.5}$

式中：

为燃烧废气中H₂O及CO₂占的比率，1为气体在格子砖孔中的有效厚度约为0.9d，d为格子砖的孔径，T为混合气体的温度。

则混合气体总的热传导系数H＝H₁+H₂，

5.计算热风炉出口温度和废气温度：

通过水当量的指数函数的计算得到热风炉固体到气体的温度转换率，然后计算出热风炉出口温度及废气温度：

热风炉出口温度＝拱顶温度-(拱顶温度-冷风温度)×转换率，

将废气温度计算值设定为废气平均温度，进行循环计算直至热风炉出口温度与设定值差≤1℃。

6.计算蓄热室代表值即硅砖境界温度：通过拱顶温度、冷风温度、水当量、硅砖的热传导系数、温度的交换率，算出硅砖的境界温度。

7.计算热交换回收温度＝大气温度+(排气温度-大气温度)×热交换器的热交换率。

8.计算热交换器回收混合煤气的温度＝混合煤气入口温度+热交换器的热交换率×(排废气温度-混合煤气入口温度)

9.计算总发热值＝混合煤气发热量+混合煤气显热+进入热风炉空气显热，

10.对拱顶温度进行收敛计算：

与热风炉出口温度收敛计算方法相似，得到的拱顶温度计算值：

换算成为燃烧温度，成为新的火焰温度设定值继续进行一系列循环计算，以达到与设定拱顶温度一致。

11.计算机输出结果如热风炉出口温度、废气温度、硅砖的境界温度、燃烧所需的煤气量等，输出形式可采用报表输出或画面输出，操作者据此调整热风炉的操作。

本发明得到的热风炉操作离线控制方法是采用近期的传热学研究理论，对蓄热室内格子砖与混合气体之间的热传导系统进行计算，使计算结果精度大大提高，对于供热风炉操作、设计人员取得最佳参数，指导热风炉操作、设计大有用处，表1为本发明计算结与实测结果的对比。

表1、本发明计算结果与实测结果对照表

	炉号	境界温度	排气温度	热风炉出口温度
					本发明	1	701.2～908.4	241.4～322.2	1136.1～1228.0
2	759.8～927.2	206.4～359.1	1128.4～1272.0
				实测值		1	890～1063	184～346	1157～1268
2	700～900	178～343	987～1256

Claims (4)

1.一种热风炉操作离线控制方法，其特征是：通过对热风炉的蓄热室根据下列热平衡关系进行热平衡计算：燃料发热量+进入热风炉所有气体的显热＝送风进入高炉热量+废气带走的热量和热风炉的各种散热，它包括下列步骤：

(1)启动计算机，

(2)计算机读入热风炉的规格参数和各种燃烧气体、空气的成份、温度等相关参数，

(3)设定热风炉操作条件，

(4)收敛计算热风炉出口温度，

(5)根据进入热风炉的混合煤气的发热值计算火焰温度，

(6)设定拱顶温度，

(7)计算蓄热室平均热传导系数，

(8)计算热风炉出口温度和排废气温度，

(9)计算蓄热室代表值，

(10)计算热交换器上次回收的空气预热温度和回收的混合煤气的预热温度，

(11)总发热值进行热平衡计算，

(12)输入计算结果：热风炉出口温度、硅砖的境界温度、燃烧所需的煤气量等，操作者据此调整热风炉操作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的蓄热室平均热传导系数的计算方法为：将混合气体近似地认为在无限长的管道内流动并与管壁进行热交换和从管壁到管壁厚的中性面进行热传导换热，该气流与管壁之间的热交换有对流和辐射热交换，其中：

(1)对流热传导系数H₁

  层流： Nu＝48/11

  紊流：

Re＞10000，Pr为普朗特数，对多种元素构成的气体一般取0.7

  混合流动：

式中：d为管径，λ为物体即管壁的热传导率KCal/m·Hr·℃，Nuf为混合流动区的努赛尔特数， $\mathrm{Nuf}=0.16\·[{\mathrm{Ref}}^{\frac{2}{3}}-125]\·{\mathrm{Pr}}^{\frac{1}{3}}\·{[1+\frac{d}{L}]}^{\frac{2}{3}}\·{\left[\frac{\mathrm{\μf}}{\mathrm{\μw}}\right]}^{0.14}$

式中：Ref为混流时的雷诺数，2000≤Ref≤10⁴

    L为蓄热室中格子砖高度(m)

    d为格子砖孔径(m)

    μf、μw分别为气体在人口与出口时的粘性系数

(2)辐射热传导系数H₂ $H_2=\frac{\mathrm{\φ}\·C({t_1}^4-{t_2}^4)}{t_1-t_2}$

式中：t₁为气体燃烧后的温度

      t₂为格子砖的温度

      为角系数，一般取4.88

      C为辐射系数， $C=C_{H_{2}O}+C_{{\mathrm{CO}}_2},$ $C_{H_{2}O}=7.0{(G_{H_{2}O}\·l)}^{0.5}/T$ $C_{{\mathrm{CO}}_2}=0.7{(G_{{\mathrm{CO}}_2}\·l)}^{0.5}/T^{0.5}$

式中： 为燃烧废气中H₂O及CO₂占的比率，

      1为气体在格子砖孔中的有效厚度，约为0.9d，

      d为格子砖的孔径

      T：温度

      混合气体总的热传导系数H＝H₁+H₂，

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的火焰温度、热风炉出口温度、空气预热温度、煤气预热温度、拱顶温度采用循环收敛方法进行计算。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是：在所述的火焰温度计算后与设定值相比，如二者相差大于一定值，则增加混合煤气中焦炉煤气的比例重新计算，直到二者差值小于1℃。

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