蓄热式加热炉控制模型分析

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1、上海交通大学工学硕士学位论文符号说明符号说明2A——面积，mη——效率23C——比热，JkgC/(g°)s——比表面积，mm/L——长度，mΦ——总括热吸收率W——宽度，mε——总半球黑度，孔隙率H——高度，mξ——钢温模型校正系数q2——热流密度，Wm/∆T——时间，温度，s，°Cgq3——内热源强度，Wm/N——x轴方向网格数xT——温度，换向周期，°C，sN——y轴方向网格数yuv∇T——温度梯度,℃/mG——小时产量，th/ω——空塔流速，ms/B——煤气流量，mh3/λ——导热系数，WmK/(g)V——流量，mh3/ρ3——密

2、度，kgm/L——煤气与烟气比yσ——斯蒂芬玻尔兹曼常数，WmK/(24g)L——空燃比aE——单位面积辐射能，Wm/2β——烟气抽取比Q3——热焓，JQ——煤气低热值，KJm/dwR——内能，Jτ——时间，sα——换热系数，空气过剩系数，WmK/(2g)q——蓄热时间/换向周x第V页上海交通大学工学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1.1前言自从1973年石油危机以来，工业发达国家开始认识到能源对于经济发展的重要意义，于是各种开发新能源和节能的技术不断涌现。我国从80年代工业发展迅速，对于能源的需求不断加大，而我国又是能源缺乏的国家，因

3、此节能降耗被提到了相当高度。加热炉是冶金行业生产环节中重要的热工设备，其耗能占到钢铁工业总能源的25%。因此研究加热炉的节能问题对于节约能源具有重要意义。对于节能的方法主要有以下三类：①采用合理的生产计划。计划的编制要考虑许多因素，加热炉和轧机的负荷，设备利用率，工艺等等。因此合理的计划编制也可以节能。②采用先进自动控制技术，比如计算机二级模型控制。它在轧钢生产中占有十分重要的地位，它的生产任务是按轧机的轧制节奏将钢材加热到工艺要求的温度水平和温度均匀度，并且在优质高产的前提下，尽可能降低燃料的消耗，减少氧化烧损。要达到这些目标并且节约

4、能源需要对加热炉的二级计算机控制进行建模优化。即利用二级机的强大计算处理能力，建立合理的数学模型和制订复杂的控制策略，通过对过程进行预报和设定参数优化等实现设备操作的安全，稳定，节能。③采用新型加热炉。蓄热式加热炉是上世纪90年代末在国内流行开来的采用可以大幅度利用废气热焓的蓄热回收技术的新型加热炉。该加热炉从结构上与传统连续式加热炉有了根本的不同，它除了能利用炼钢炉排出的不能被传统炉利用的低热值煤气而且还有工艺温度高的优点。对于传统连续加热炉来说，流往炉尾的烟气损失是主要部分。传统连续式加热炉采用换热器预热空气或者煤气来回收一部分热焓

5、，但由于金属的耐热极限，预热温度不高，炉尾烟气在600℃到800℃就排出加热炉。除此之外炼钢的副产品高炉煤气由于热值较低，传统连续炉不能够利用，这也是能源损失的地方。为了利用这两部分能源，20世纪90年代国内外研究应用新型蓄热式加热炉，蓄热式加热炉利用高温空气燃烧技术可以单独采用高炉煤气为燃料，用烟气预热空气或煤气最终以低于200℃排烟，热效率也达到了70%。因此蓄热式加热炉的出现使得加热炉的节能比传统有了本质的进步。下图是NFK公司蓄热式加热炉的节能潜力图：第1页上海交通大学工学硕士学位论文第一章绪论图1-1节能潜力图蓄热式加热炉在应

6、用中并不顺利，相反出现了许多难问题。①操作难问题。蓄热式加热炉引入蓄热回收技术使得结构上发生了根本性的变化。这个变化体现在烧嘴上，无论是内置式或者外置通道式烧嘴都面临操作难问题。这体现在蓄热式加热炉从炉膛抽取烟气直接影响到供气流量。因此烧嘴抽取多少废气是合理的很难定量。另外蓄热式烧嘴抽取的是炉膛高温烟气，蓄热室的温度应当保持与炉膛相对稳定，因此需要协调空气流量和抽取的烟气流量，因为烟气量由燃料燃烧产生，所以煤气流量、空气流量与排烟量之间存在平衡关系。因此蓄热式加热炉操作非常复杂。②炉尾易超温。蓄热式加热炉工艺温度高，炉长也因此缩短，这导

7、致炉尾段相比传统炉减少。一方面这使得控制段的烟气流至炉尾段时烟气热焓不能有效传递给板坯，使得烟气温度超过正常值。另一方面，由于控制段的不合理的供热分配与排烟使得热量不平衡，导致过多的高温烟气流至炉尾段，而此时板坯温度已经接近热烟气的温度。这种热量不平衡由于蓄热式加热炉操作难常常发生。为了保护换热器往往要通入冷风，这降低了炉膛温度，使得供热增加而浪费煤气。③蓄热室出口烟温问题。从炉膛抽取的高温烟气经过低温蓄热体热焓值降低最终以低于200℃的温度离开蓄热室。由于蓄热室的空气流量与烟气流量之间很难协调，加上换向操作的不合理使得蓄热室的热平衡无

8、法保证，由此排出蓄热室的烟气常常超温。④炉温调节不平稳。由于蓄热室烟气易超温，往往导致频繁的换向。频繁的换向能暂时解决超温的积累，但是换向的延时成本加大了，这使得加热炉的惯性更大，因此炉温调节出现波动甚至不