一种能准确反映轧钢加热炉动态热平衡的测试方法

摘要

一种能准确反映轧钢加热炉动态热平衡的测试方法：采集加热炉在时刻加热中燃气和空气温度、流量和成分数据，计算热总收入及热总支出，并通过热总收入及热总支出计算出误差δ；当误差在3%内，说明计算结果准确，可信；如超出3%，需重新核算；将上述各热计算项的数据代入输入计算机计算并绘制曲线图。本发明能连续采集和分析与热平衡有关的各项数据，建立各载热物体实时热焓信息库，经计算机实时跟踪分析，得到加热炉每一时刻的热流走向数据，以分析、诊断加热炉在各种工艺条件下热利用状况，并将加热炉与上下游工序作为整体考虑，找到影响工序能耗的因素，以采取措施，使加热炉热效率不断提高。其对于降低轧钢加热炉能耗具有重要的指导意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种动态热平衡的测试方法，具体地属于一种能准确反映轧钢加热炉动态热平衡的测试方法。

技术领域

本发明涉及一种动态热平衡的测试方法，具体地属于一种能准确反映轧钢加热炉动态热平衡的测试方法。

背景技术

轧钢加热炉是冶金行业中用燃料燃烧进行供热的一种加热设备，其目的是使钢坯达到轧钢工艺要求的温度，同时保证钢坯的加热质量。加热炉是轧钢工序能源消耗大户，其能源消耗总量占整个轧钢工序能耗的70%以上，由此对轧钢加热炉能耗水平进行动态检测与及时控制具有十分重要的意义。加热炉热平衡诊断是现代企业节能管理的一个主要手段。现有文献介绍有关加热炉热平衡诊断分析计算方法均是依据国家标准《工业燃料炉热平衡测定与计算基本规则》（GB/T13338-1991）进行。该标准规定热平衡诊断测试必需在入炉坯料成分、品种、规格、钢坯加热温度和轧制节奏等稳定不变的工况下进行，由此获得的加热炉与能耗相关的各项技术性能指标为加热炉在规定的测试周期内（通常为两倍钢坯在炉时间）正常稳定工况下的结果。而实际生产过程中，工艺条件多变，通过常规测试方法计算出的热平衡数据并不能反映所有生产状态下的情况，有一定的局限性。再有目前实际生产中对加热炉进行的热平衡测试工作均是以人工方式进行，劳动强度大、测试成本高、测试周期长、及时性差。

经检索，中国专利号为ZL201110091986.4的专利文献，其公开了一种轧钢加热炉动态热平衡测试方法，该方法以小时为单位从加热炉DCS或PLC控制系统数据库调用热平衡计算所需原始数据，并通过条件筛选，选取加热炉稳定工作状态进行计算，计算方法完全依据已有国家标准进行，其实质是对常规人工间歇测试过程的在线自动化，其计算结果依然是一种稳定状态下的平均值，而不是真正意义上的动态热平衡结果。

背景技术

轧钢加热炉是冶金行业中用燃料燃烧进行供热的一种加热设备，其目的是使钢坯达到轧钢工艺要求的温度，同时保证钢坯的加热质量。加热炉是轧钢工序能源消耗大户，其能源消耗总量占整个轧钢工序能耗的70%以上，由此对轧钢加热炉能耗水平进行动态检测与及时控制具有十分重要的意义。加热炉热平衡诊断是现代企业节能管理的一个主要手段。现有文献介绍有关加热炉热平衡诊断分析计算方法均是依据国家标准《工业燃料炉热平衡测定与计算基本规则》（GB/T13338-1991）进行。该标准规定热平衡诊断测试必需在入炉坯料成分、品种、规格、钢坯加热温度和轧制节奏等稳定不变的工况下进行，由此获得的加热炉与能耗相关的各项技术性能指标为加热炉在规定的测试周期内（通常为两倍钢坯在炉时间）正常稳定工况下的结果。而实际生产过程中，工艺条件多变，通过常规测试方法计算出的热平衡数据并不能反映所有生产状态下的情况，有一定的局限性。再有目前实际生产中对加热炉进行的热平衡测试工作均是以人工方式进行，劳动强度大、测试成本高、测试周期长、及时性差。

经检索，中国专利号为ZL201110091986.4的专利文献，其公开了一种轧钢加热炉动态热平衡测试方法，该方法以小时为单位从加热炉DCS或PLC控制系统数据库调用热平衡计算所需原始数据，并通过条件筛选，选取加热炉稳定工作状态进行计算，计算方法完全依据已有国家标准进行，其实质是对常规人工间歇测试过程的在线自动化，其计算结果依然是一种稳定状态下的平均值，而不是真正意义上的动态热平衡结果。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出了一种通过对加热炉以分钟为单位在任何状态下，进行连续采集和分析与热平衡有关的各项数据，建立有各载热物体实时热焓信息库，通过计算机实时跟踪分析，得到加热炉每一时刻的热流走向数据，以分析、诊断加热炉在各种工艺条件下热利用状况，并将加热炉与上下游工序作为整体考虑，找到影响工序能耗的真正原因，以采取措施，使加热炉热效率不断提高，能耗下降的一种能准确反映轧钢加热炉动态热平衡的测试方法。

实现上述目的的措施：

一种能准确反映轧钢加热炉动态热平衡的测试方法，其步骤：

1）采集加热炉在                                                时刻加热过程中燃气和空气温度、流量和成分数据，计算热收入项：

热收入项为：燃料化学热Q₁、预热空气带入的物理热Q₂、预热燃料带入的物理热Q₃、合金成分氧化热Q₄；热收入项中除金属氧化热Q₄外，其余各项热量按照GB/T13338-1991均通过加热炉已有的计量设备进行检测，并通过与仪表室计算机的联机读取瞬态数据进行计算获得；

金属氧化热Q₄的计算公式：

Q₄（）=∑Q_氧化（,n）=∑1350×（W_+△—W)/△

式中：

×F/1000

式中：

Q₄（）的单位为kJ / min，

N—为炉内装钢总支数,

W—表示炉内第n支钢在时刻氧化烧损量，单位为：Kg，

△—表示时间间隔，单位为：min，

—表示时间，单位为：min，

T—表示钢坯温度，单位为：℃；

a和b是取决于钢种的系数，

F—表示第n支钢坯表面积，单位为：cm²，

热支出项为：金属吸收的有效热Q₁′、炉渣带走的热量Q₂′、汽化及冷却水带走热量Q₃′、开启炉门和/或炉墙开孔的辐射热损失Q₄′不严密性所致逸出气体损失热Q₅′、烟气带走的热量Q₆′、燃料的机械不完全燃烧热损失Q₇′、燃料的化学不完全燃烧热损失Q₈′、炉墙热损失Q₉′，其中，汽化及冷却水带走热量Q₃′、开启炉门和/或炉墙开孔的辐射热损失Q₄′不严密性所致逸出气体损失热Q₅′、烟气带走的热量Q₆′、燃料的机械不完全燃烧热损失Q₇′均通过加热炉的计量设备进行检测，并通过与仪表室计算机的联机读取瞬态数据，再按照GB/T13338-1991进行计算获得；其余各热支出项按照以下各式计算获得；

金属吸收的有效热Q₁′（,n）=∑ G_n·C_p·（T-T’)/△，单位为kJ / min

式中：所述金属即为钢坯，

G_n—炉内第n支钢单重，单位为kg；

C_p—炉内第n支钢在0至T℃之间的平均比热，单位为：kJ /kg·℃；

T—炉内第n支钢时刻温度，单位为：℃；

—表示时间，单位为：min，

△—设定的时间间隔，单位为：min；

T’ —炉内第n支钢+△时刻温度，单位为：℃；

N—炉内装钢总支数；

燃料的化学不完全燃烧热损失，即

Q₈′=，  单位为 kJ /min

式中： 

K—为机械热损失系数，

B—为燃料消耗量，单位为：m³ / min，

Va—为单位燃料燃烧时产生的烟气量，单位为：m³ / m³，

CO、H2、CH4—为烟气中可燃气体体积百分比含量，单位为：%，其通过在炉尾烟道设置的烟气分析仪采样获取；

炉墙热损失计算式：

Q₉′=/60，单位为 kJ /min

式中：

q_i—为炉墙热流密度，单位为：kw/m²，其通过炉墙外壁布置测量设备实时检测获取，

A_i—炉墙散热面积，单位为：m²，

上述热收入项总量∑Q为

∑Q=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄；

热支项总量∑Q′为

+Q₈′+ Q₉′；

加热炉瞬时热平衡：∑Q≈

当平衡计算的误差在3%以内，说明上述计算结果准确，可信；如超出3%，则说明计算结果误差δ过大，需要重新核算；

2）将上述各热计算项数据代入输入计算机的公式进行计算并绘制曲线图。

其特征在于：通过在炉墙的内及外的具有代表性及特点处布局的板式热电偶测得的炉墙内外温度之差来计算炉墙热损失的实时热流密度。

其特征在于：通过在炉尾烟道增设烟气分析仪采样获取烟气中可燃气体的实时组分含量来计算燃料的化学不完全燃烧热损失。

其特征在于：有关热平衡计算公式中的常数项，如加热炉炉体结构尺寸、结构件热物性参数、能源介质热物性参数以及加热钢种热物性参数等，通过建立数据库，在计算过程中按条件调用。

本发明与现有技术相比，能进行连续采集和分析与热平衡有关的各项数据，建立有各载热物体实时热焓信息库，通过计算机实时跟踪分析，得到加热炉每一时刻的热流走向数据，以分析、诊断加热炉在各种工艺条件下热利用状况，并将加热炉与上下游工序作为整体考虑，找到影响工序能耗的真正原因，以采取措施，使加热炉热效率不断提高，能耗下降，对于降低轧钢加热炉单位能耗具有重要的指导意义。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出了一种通过对加热炉以分钟为单位在任何状态下，进行连续采集和分析与热平衡有关的各项数据，建立有各载热物体实时热焓信息库，通过计算机实时跟踪分析，得到加热炉每一时刻的热流走向数据，以分析、诊断加热炉在各种工艺条件下热利用状况，并将加热炉与上下游工序作为整体考虑，找到影响工序能耗的真正原因，以采取措施，使加热炉热效率不断提高，能耗下降的一种能准确反映轧钢加热炉动态热平衡的测试方法。

实现上述目的的措施：

一种能准确反映轧钢加热炉动态热平衡的测试方法，其步骤：

1）采集加热炉在时刻加热过程中燃气和空气温度、流量和成分数据，计算热收入项：

热收入项为：燃料化学热Q₁、预热空气带入的物理热Q₂、预热燃料带入的物理热Q₃、合金成分氧化热Q₄；热收入项中除金属氧化热Q₄外，其余各项热量按照GB/T13338-1991均通过加热炉已有的计量设备进行检测，并通过与仪表室计算机的联机读取瞬态数据进行计算获得；

金属氧化热Q₄的计算公式：

Q₄（）=∑Q_氧化（,n）=∑1350×（W_+△—W)/△

式中：

×F/1000

式中：

Q₄（）的单位为kJ / min，

N—为炉内装钢总支数,

W—表示炉内第n支钢在时刻氧化烧损量，单位为：Kg，

△—表示时间间隔，单位为：min，

—表示时间，单位为：min，

T—表示钢坯温度，单位为：℃；

a和b是取决于钢种的系数，

F—表示第n支钢坯表面积，单位为：cm²，

热支出项为：金属吸收的有效热Q₁′、炉渣带走的热量Q₂′、汽化及冷却水带走热量Q₃′、开启炉门和/或炉墙开孔的辐射热损失Q₄′不严密性所致逸出气体损失热Q₅′、烟气带走的热量Q₆′、燃料的机械不完全燃烧热损失Q₇′、燃料的化学不完全燃烧热损失Q₈′、炉墙热损失Q₉′，其中，汽化及冷却水带走热量Q₃′、开启炉门和/或炉墙开孔的辐射热损失Q₄′不严密性所致逸出气体损失热Q₅′、烟气带走的热量Q₆′、燃料的机械不完全燃烧热损失Q₇′均通过加热炉的计量设备进行检测，并通过与仪表室计算机的联机读取瞬态数据，再按照GB/T13338-1991进行计算获得；其余各热支出项按照以下各式计算获得；

金属吸收的有效热Q₁′（,n）=∑ G_n·C_p·（T-T’)/△，单位为kJ / min

式中：所述金属即为钢坯，

G_n—炉内第n支钢单重，单位为kg；

C_p—炉内第n支钢在0至T℃之间的平均比热，单位为：kJ /kg·℃；

T—炉内第n支钢时刻温度，单位为：℃；

—表示时间，单位为：min，

△—设定的时间间隔，单位为：min；

T’ —炉内第n支钢+△时刻温度，单位为：℃；

N—炉内装钢总支数；

燃料的化学不完全燃烧热损失，即

Q₈′=，  单位为 kJ /min

式中： 

K—为机械热损失系数，

B—为燃料消耗量，单位为：m³ / min，

Va—为单位燃料燃烧时产生的烟气量，单位为：m³ / m³，

CO、H2、CH4—为烟气中可燃气体体积百分比含量，单位为：%，其通过在炉尾烟道设置的烟气分析仪采样获取；

炉墙热损失计算式：

Q₉′=/60，单位为 kJ /min

式中：

q_i—为炉墙热流密度，单位为：kw/m²，其通过炉墙外壁布置测量设备实时检测获取，

A_i—炉墙散热面积，单位为：m²，

上述热收入项总量∑Q为

∑Q=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄；

热支项总量∑Q′为

+Q₈′+ Q₉′；

加热炉瞬时热平衡：∑Q≈

当平衡计算的误差在3%以内，说明上述计算结果准确，可信；如超出3%，则说明计算结果误差δ过大，需要重新核算；

2）将上述各热计算项数据代入输入计算机的公式进行计算并绘制曲线图。

其特征在于：通过在炉墙的内及外的具有代表性及特点处布局的板式热电偶测得的炉墙内外温度之差来计算炉墙热损失的实时热流密度。

其特征在于：通过在炉尾烟道增设烟气分析仪采样获取烟气中可燃气体的实时组分含量来计算燃料的化学不完全燃烧热损失。

其特征在于：有关热平衡计算公式中的常数项，如加热炉炉体结构尺寸、结构件热物性参数、能源介质热物性参数以及加热钢种热物性参数等，通过建立数据库，在计算过程中按条件调用。

本发明与现有技术相比，能进行连续采集和分析与热平衡有关的各项数据，建立有各载热物体实时热焓信息库，通过计算机实时跟踪分析，得到加热炉每一时刻的热流走向数据，以分析、诊断加热炉在各种工艺条件下热利用状况，并将加热炉与上下游工序作为整体考虑，找到影响工序能耗的真正原因，以采取措施，使加热炉热效率不断提高，能耗下降，对于降低轧钢加热炉单位能耗具有重要的指导意义。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

以下实施例均为在轧钢生产线上的加热炉中的为100分钟及为200分钟时，进行的轧钢加热炉动态热平衡的测试情况。

实施例1

本实施例为在热轧板坯加热炉上进行的试验。

1）采集该加热炉在为100分钟时刻时加热过程中燃气和空气温度、流量和成分数据，计算热收入项：

热收入项中：燃料化学热Q₁、预热空气带入的物理热Q₂、预热燃料带入的物理热Q₃均通过GB/T13338-1991计算公式及加热炉已有的计量设备进行检测，并通过与仪表室计算机的联机读取瞬态数据进行计算获得，各值分别为：

Q₁=

  =19460.1（kJ/min）

 Q₂==1715.8（kJ/min）

Q₃= 1350000a=565.2（kJ/min）

只仅需计算合金成分氧化热Q₄即可：

已知：N=30支，△= 1min，=100 min，T=1000 ℃，a= 6.3 ，b=9000，F= 232440 cm²，并代入以下公式计算第100min时钢坯合金成分氧化热：

Q₄（）=∑Q_氧化（,n）=∑1350×（W_+△—W)/△= 31.25  kJ /min，

其中，×F/1000

热支出项为：炉渣带走的热量Q₂′、汽化及冷却水带走热量Q₃′、开启炉门和/或炉墙开孔的辐射热损失Q₄′不严密性所致逸出气体损失热Q₅′、烟气带走的热量Q₆′、燃料的机械不完全燃烧热损失Q₇′均通过加热炉的计量设备进行检测，并通过与仪表室计算机的联机读取瞬态数据，再按照GB/T13338-1991进行计算获得，各值分别为：

Q₂′==81.56（kJ/min）；

Q₃′=  =1597.4（kJ/min）；

Q₄′=  =7.06（kJ/min）；

Q₅′= V^’c_y(t-t₀)=30.3 kJ /min；

Q₆′= =4455.9（kJ/min）；

Q₇′= BKQ_d=28.4  kJ /min；

其余金属吸收的有效热Q₁′、燃料的化学不完全燃烧热损失Q₈′、炉墙热损失Q₉′各热支出项按照以下各式分别计算获得：

金属吸收的有效热Q₁′：

已知：G_n=24990kg，C_p=0.164 kJ /kg·℃，T= 1000℃，为100 min，△=1 min，T’ =1004  ℃，N= 30支，带入以下公式计算的

Q₁′（,n）=∑ G_n·C_p·（T-T’) /△=13637.2 kJ /min；

燃料的化学不完全燃烧热损失Q₈′：

已知：K = 0.015 ，B= 43221 Nm³ /min，Va= 1.862 Nm³ / Nm³，CO、H2、CH4通过在炉尾烟道设置的烟气分析仪采样分析，并代入下式：

Q₈′==268.2kJ /min；

炉墙热损失计算式： 

Q₉′=/60=1061.22 kJ /min；

上述热收入项总量∑Q为

∑Q=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄= 21772.35kJ /min；

热支项总量∑Q′为

+Q₈′+ Q₉′=21167.24 kJ /min

收入项与支出项平衡计算的误差δ：

其式中?Q=∑Q-∑Qˋ；Q即为∑Q；

其误差δ计算结果在允许的误差3%以内，故结果准确，可靠，所计算数据完全可用于分析、诊断加热炉在各种工艺条件下热利用状况。

2）将上述各热计算项数据代入输入计算机的公式进行计算并绘制曲线图。

实施例2：

本实施例为在条材方坯加热炉上进行的试验。

1）采集该加热炉在为200分钟时刻时加热过程中燃气和空气温度、流量和成分数据，计算热收入项：

热收入项中：燃料化学热Q₁、预热空气带入的物理热Q₂、预热燃料带入的物理热Q₃均通过GB/T13338-1991计算公式及加热炉已有的计量设备进行检测，并通过与仪表室计算机的联机读取瞬态数据进行计算获得，各值分别为：

燃料化学热

Q₁=

  =2423.36MJ/min；

 预热空气带入物理热

 Q₂==0MJ/min；

预热燃料带入物理热

Q₃= 1350000a=0 MJ/min；

合金成分即金属氧化热Q₄:

已知：N=12支，W=694.7Kg，△= 1min，=200 min，T=1100 ℃，a=6.3 ，b=9000，F=488000 cm²，并代入以下公式：

Q₄（）=∑Q_氧化（,n）=∑1350×（W_+△—W)/△=39.27 MJ /min，

热支出项为：炉渣带走的热量Q₂′、汽化及冷却水带走热量Q₃′、开启炉门和/或炉墙开孔的辐射热损失Q₄′不严密性所致逸出气体损失热Q₅′、烟气带走的热量Q₆′、燃料的机械不完全燃烧热损失Q₇′均通过加热炉的计量设备进行检测，并通过与仪表室计算机的联机读取瞬态数据，再按照GB/T13338-1991进行计算获得，各值分别为：

Q₂′==0.84MJ/min；

Q₃′=  =311.485MJ/min；

Q₄′=  =15.3MJ/min；

Q₅′= V^’c_y(t-t₀)=53.94 MJ /min；

Q₆′= =202.89MJ/min；

Q₇′= BKQ_d=36.32  MJ /min；

其余金属吸收的有效热Q₁′、燃料的化学不完全燃烧热损失Q₈′、炉墙热损失Q₉′各热支出项按照以下各式分别计算获得：

金属吸收的有效热Q₁′：

已知：G_n=6473kg，C_p=0.682MJ /kg·℃，T= 1100 ℃，为200 min，△=1 min，T’ =1102℃，N= 12 支，带入以下公式计算计算的

Q₁′（,n）=∑ G_n·C_p·（T-T’) ·60/△=1247.319 MJ /min；

燃料的化学不完全燃烧热损失Q₈′：

已知：K = 0.015 ，B= 43221 Nm³ / min，Va= 1.862 Nm³ / Nm³，CO、H2、CH4通过在炉尾烟道设置的烟气分析，并代入下式：

Q₈′==505.32 MJ /min；

炉墙热损失计算式： 

Q₉′=/60=112.94 MJ /min；

上述热收入项总量∑Q为

∑Q=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄=2462.63MJ /min；

热支项总量∑Q′为

+Q₈′+ Q₉′=2486.354 kJ /min

收入项与支出项误差δ: 

其式中?Q=∑Q-∑Qˋ；Q即为∑Q

其误差δ计算结果在允许的误差3%以内，故结果准确，可靠，所计算数据完全可用于分析、诊断加热炉在各种工艺条件下热利用状况，并将加热炉与上下游工序作为整体考虑，找到影响工序能耗的真正原因。

2）将上述各热计算项数据代入输入计算机的公式进行计算并绘制曲线图。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。