一種估計高爐內表面溫度的方法
2023-09-21 17:45:05
專利名稱：一種估計高爐內表面溫度的方法
技術領域：
本發明涉及能源與動力工程技術，特別是涉及一種估計高爐內表面溫度的方法。
背景技術：
鋼鐵工業是國民經濟中最重要的基礎產業之一，涉及面廣，產業關聯度高，消費拉動大，在經濟建設、社會發展、國防建設、財 政稅收以及穩定就業等方面發揮著重要作用。我國是鋼鐵生產和消費大國，2010年我國生鐵產量為59021. 8萬噸，佔全球總產量的57%。高爐煉鐵生產是鋼鐵生產流程上遊的一個核心工序，在整個鋼鐵工業中佔有不可取代的重要地位。目前全球鋼鐵行業90%以上的生鐵冶煉還是通過這一工藝實現的。而由於大型高爐爐內狀況複雜，無法及時了解重大事故的產生機理、產生過程並且有效地化解。因此建立高爐內部各參數模型，實現可視化，是提高高爐自動化水平，保證高爐安全高效運行的關鍵。高爐是個密閉的高溫高壓反應器，爐溫就是高爐爐體內的溫度，它是作為衡量高爐爐況和鐵水質量的重要指標之一。保持良好合理的爐溫是高爐生產穩定運行的關鍵因素之一，是實現高爐長壽、高產、優質、低耗的直接保證。高爐是在高溫、高壓、密閉等嚴酷條件下的完成物理、化學和動力學生產過程，是一個典型的「黑箱」容器，與其他生產過程相比，高爐煉鐵過程更加複雜，其機理尚未十分清楚。這就使得生產中爐內溫度場的分布無法直接測量跟蹤。而是在停爐及拆爐後觀察爐內狀態，再從物理、化學、傳熱學、熱力學、動力學及材料學等各種不同的角度加以分析與推測，進行比較合理地解釋。因此無法對實際生產中的高爐冶煉狀態進行精細、有效地分析和預報，也就無法更好地在理論和技術層面上提出有效維護高爐高效運行的具體方法，而只能依靠經驗分析做出輪廓性判斷。但是如果不能準確檢測爐溫，對爐況偏涼或偏熱就無法立即做出調控，甚至做出錯誤的調控，從而導致爐況變壞。精確估計高爐內表面溫度是得到高爐爐溫的基礎條件，它能夠反映出高爐內部邊緣爐壁上的溫度分布規律及其變化，間接監視爐內溫度變化，及時進行優化控制。但由於高爐內部高溫、高壓且存在著腐蝕性的物質，高爐內表面溫度無法直接測量得到，只能通過間接的方法來得到。
發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種估計高爐內表面溫度的方法，該方法使用高爐爐壁上能夠直接測量的溫度數據，通過數據驅動以及爐壁的傳熱機理，實時、精確地獲得高爐內表面三維溫度分布。為了實現本發明的目的，本發明採用的技術方案是一種估計高爐內表面溫度的方法，該方法的步驟如下(I)數據採集及預處理通過熱電偶周期性地採集高爐爐壁不同深度及高度的爐壁溫度以及各段冷卻水的進出口溫度，數據預處理主要是進行數據清理，採用忽略元組的數據清理方法；
(2)建立爐壁傳熱機理模型首先對高爐爐壁結構進行描述，再根據傅立葉傳熱原理，在對高爐爐壁進行描述和分析的基礎上，通過簡化假設，在柱坐標系內建立高爐的爐壁橫截面二維溫度分布穩態模型；(3)獲得高爐內表面不同高度橫截面溫度根據爐壁溫度和各段冷卻水的進出口溫度等數據，以及第2步中得到的二維傳熱機理模型通過模糊推理方法反推出高爐內表面不同高度橫截面上的溫度；(4)估計高爐內表面三維溫度分布根據第3步中獲得的高爐內表面不同高度的橫截面上二維溫度分布，沿著高爐軸向(高度方向)分段擬合溫度曲線，再將曲線組合，實現高爐整個內表面三維溫度分布的估計。
本發明具有的有益效果是本發明估計高爐內表面溫度的方法具有實時性好，內表面溫度分布估計精度高、偏差小，同時適應性強，適用於不同材料、不同結構的高爐等顯著優點。本發明對於反應爐內溫度變化，及時進行優化控制，保證高爐生產穩定、安全運行，提高高爐冶煉質量具有很大的幫助，有良好的經濟效益和社會效益。
圖I是本發明採用的方法流程圖；圖2是高爐爐壁橫截面結構示意圖；圖3是本發明使用的模糊推理估計系統；圖4是高爐爐壁橫截面離散模型示意圖；圖5是本發明使用的模糊推理中的輸入成員隸屬函數圖；圖6是本發明使用的模糊推理中的輸出成員隸屬函數圖；圖7是高爐軸向溫度分段擬合曲線示意圖；圖中1_熱電偶測溫點，2-爐壁耐火磚層，3-爐壁冷卻壁層，4-高爐整體，5-爐喉及爐身上段，6-爐身下段，7-爐腰段，8-爐腹段，9-爐缸段，10-爐喉及爐身上段軸向溫度曲線，11-爐身下段軸向溫度曲線，12-爐腰段軸向溫度曲線，13-爐腹段軸向溫度曲線，14-爐缸段軸向溫度曲線，15-高爐整體軸向溫度曲線。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明作進一步的說明。參見圖1，本發明估計高爐內表面溫度的方法順序包括以下步驟(1)數據採集及預處理；(2)建立爐壁傳熱機理模型；(3)獲得高爐內表面不同高度橫截面溫度；(4)估計高爐內表面三維溫度分布。各步驟具體闡述如下一、數據採集及預處理高爐內部高溫、高壓且存在著腐蝕性的物質，高爐內壁大部分點的溫度不能直接測量，難以直接得到高爐內表面的溫度分布。而高爐爐壁從外表面到內表面大致分四層，分別是爐殼，填充層，冷卻壁(內嵌多排冷卻水管道)，耐火磚。圖2是高爐的軸向上，每隔一定高度距離的高爐橫截面。這些橫截面沿著周向平均及對稱地分布著一些孔(如圖2中虛線所示)，這些孔沿著徑向能深入冷卻壁中，有的孔能深入耐火磚中，但不能直接打穿耐火磚而與爐內部接觸。在孔中放置著一些熱電偶，且一般一個孔只有一個熱電偶，圖中的黑點表示著這些深入爐壁的熱電偶測溫點I的位置。通過熱電偶能夠測得爐壁不同深度及高度的冷卻壁和耐火磚的溫度，從而對爐壁進行監測，並可以用來判斷高爐內部溫度變化和運行情況。爐壁冷卻水的作用是在循環過程中帶走熱量，使高爐爐壁恆溫或降溫，起到保護爐壁的作用，而通過對於冷卻水進出口溫度的檢測，可以分析爐壁及高爐內部溫度分布，本發明通過在各段冷卻水的進出口放置熱電偶來檢測各段冷卻水的進出口溫度。因此本發明周期性的採集熱電偶測得的高爐爐壁中間不同深度及高度的爐壁溫度以及各段冷卻水的進出口溫度的數據，通過LINK網絡發送到資料庫中，並通過中控室計算機進行調用，使用這些數據來估計高爐內表面的溫度分布。由於爐壁及冷卻水溫度與高
爐內表面溫度呈正比例關係，並且這些溫度數據採樣周期短，一般為lmin，能實時反映出高爐內表面溫度的變化，間接監視爐內溫度變化，及時進行優化控制，對減少異常爐況的發生、提聞聞爐冶煉質量有很大的幫助。考慮到高爐生產現場很多因素的不確定性，通過高爐儀表採集的溫度數據有發生錯誤或偏差的可能，這些數據會影響到高爐內表面溫度估計的精確性，因此需要對這些數據進行預處理。本發明的數據預處理主要是進行數據清理，採用忽略元組的數據清理方法，即刪除資料庫中有錯誤的記錄行。二、建立爐壁傳熱機理模型參見圖2，高爐爐壁從外表面到內表面大致分四層，而本發明建立傳熱機理模型主要選取爐壁冷卻水管以內的冷卻壁3與耐火磚2的範圍。這是因為冷卻壁中的冷卻水通過循環流動，使得在冷卻水側的冷卻壁能保持恆溫，因此可作為本發明建立模型所需的外部邊界條件。根據高爐的形狀，可以將高爐爐壁近似看作厚壁圓筒來分析，所以採用柱坐標系來建立其數學傳熱模型。根據傅立葉傳熱原理，在柱坐標系內的熱傳導方程為
權利要求
1.一種估計高爐內表面溫度的方法，其特徵在於，該方法的步驟如下 (1)數據採集及預處理通過熱電偶周期性地採集高爐爐壁不同深度及高度的爐壁溫度以及各段冷卻水的進出口溫度，數據預處理主要是進行數據清理，採用忽略元組的數據清理方法； (2)建立爐壁傳熱機理模型首先對高爐爐壁結構進行描述，再根據傅立葉傳熱原理，在對高爐爐壁進行描述和分析的基礎上，通過簡化假設，在柱坐標系內建立高爐的爐壁橫截面二維溫度分布穩態模型； (3)獲得高爐內表面不同高度橫截面溫度根據爐壁溫度和各段冷卻水的進出口溫度等數據，以及第2步中得到的二維傳熱機理模型通過模糊推理方法反推出高爐內表面不同高度橫截面上的溫度； (4)估計高爐內表面三維溫度分布根據第3步中獲得的高爐內表面不同高度的橫截面上二維溫度分布，沿著高爐軸向(高度方向)分段擬合溫度曲線，再將曲線組合，實現高爐整個內表面三維溫度分布的估計。
2.根據權利要求I所述的一種估計高爐內表面溫度的方法，其特徵在於所述步驟2中，所建立的爐壁橫截面二維溫度分布穩態模型如下 I 9 dT{rJ\\ I 3 ( 3Τ{γ,Θ)\ ΛΛ ^ ^ --,Ir——-——-+---------=O<r <r2,0 <θ <2π ； r dr \ dr J r d& \r d& / 其中，在計算的爐壁範圍內，冷卻壁外表面附近溫度均勻，與冷卻水進行強制對流換熱，可認為是第三類邊界條件，爐壁內表面邊界可近似認為是第一類邊界條件；因此模型的邊界條件如下 爐壁內表面邊界T(r,d)=Tin(&) r = n)； 耐火磚及冷卻壁交界處邊界 ,arM) _ 嶺肩 /￡ —F — /1 · in汾 Mi 冷卻壁外表面邊界 T(^e)=TifJd) r = h ' ffr(r _ 3 V 3 f -h (T) r - r aI- KiHHtKa/ iCWf r - r2 ； ^ -T(r,0) = Τ(Γ,2π) rn<r<r2 ； 其中為高爐內表面、冷卻壁外表面溫度為冷卻壁周圍冷卻水平均溫度，7L, 為冷卻水進口溫度，為冷卻水出口溫度為高爐耐火磚內表面、耐火磚與冷卻壁交界處、冷卻壁外表面的半徑；4和為分別為耐火磚和冷卻壁的導熱係數，其中I =為，Q Sr Ir1、/I = A2 ^<γ<^ ；kx為冷卻壁與冷卻水對流換熱係數，其取值根據如下經驗公式計算得到kx = 208 +47·5ν水. 上式中η力冷卻水流速。
3.根據權利要求I所述的一種估計高爐內表面溫度的方法，其特徵在於所述步驟3包括以下子步驟 (3. I)給出高爐內表面初始假設二維估計溫度分布=； (3. 2)根據第(2)步中建立的爐壁傳熱機理模型，以作為內部邊界條件，爐壁冷卻水的進出口平均溫度作為外部邊界條件；接著利用有限差分法對爐壁傳熱的連續機理模型以及邊界條件進行近似離散化，並將模型轉換成矩陣方程進行求解，得到橫截面上各熱電偶測溫點的計算值; (3. 3)計算各熱電偶測溫點計算值與實測值匕的偏差平方和，看是否滿足迭代精度若滿足，則停止迭代，這時的高爐內表面估計溫度7；就是本發明所需的高爐內表面橫截面溫度;如不滿足，則繼續； (3. 4)將％作為模糊推理的輸入，通過模糊推理，得到模糊推理的輸出&七； (3. 5)根據加權求和得到高爐內表面估計溫度的補償溫度=； (3. 6)更新高爐內表面估計溫度Ijd = ^+Δ } (/ = 1,2_況)，並返回步驟(3. 2)。
4.根據權利要求I所述的一種估計高爐內表面溫度的方法，其特徵在於所述的估計高爐內表面三維溫度分布，是根據高爐各部分結構，內部反應以及溫度變化速率不同，將其在軸向方向上進行分段；每段均採用三次曲線進行擬合 (^1 ' J^) = Aj + + + 為『/方 J = \,2,,.」Ν ； 其中A是自變量，表示高爐軸向高度；Aw、A/、Pxi、為J為待定係數，由步驟(3)中獲得的不同高度A下的高爐內表面橫截面溫度確定為高爐各段內表面三維溫度分布； 再將各段曲線組合，就可得到高爐內表面三維溫度分布。
全文摘要
本發明公開了一種估計高爐內表面溫度的方法，該方法首先通過熱電偶測得爐壁溫度以及爐壁中間冷卻水的進出口溫度，分析爐壁傳熱機理並建立二維穩態機理模型，然後結合機理模型並通過模糊推理方法反推出高爐內表面不同高度橫截面上的二維溫度分布，最後在高爐軸向上分段擬合溫度曲線，再將曲線組合，實現高爐整個內表面三維溫度分布的精確估計；本發明具有實時性好，溫度估計精度高、偏差小，同時適應性強等顯著特點，能及時反應爐內溫度變化，進行優化控制，保證高爐生產穩定、安全運行，提高高爐冶煉質量，有良好的經濟效益和社會效益。
文檔編號C21B5/00GK102776303SQ20121022233
公開日2012年11月14日 申請日期2012年6月27日 優先權日2012年6月27日
發明者吳平, 方雄, 楊春節, 林舒, 滕宇, 陳毅夫, 黃龍誠 申請人:浙江大學