楊友良，劉冉光，孟凡偉，馬翠紅

(華北理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

蓄熱式加熱爐熱工計(jì)算程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊友良，劉冉光，孟凡偉，馬翠紅

(華北理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

蓄熱式加熱爐；熱平衡計(jì)算；MATLAB；WinCC

加熱爐是鋼鐵生產(chǎn)過程中的主要加熱設(shè)備。近年來，蓄熱式加熱爐以其具有節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。熱工參數(shù)是其工作狀態(tài)的重要指標(biāo)。以蓄熱式加熱爐熱平衡方程為基礎(chǔ)，MATLAB結(jié)合WinCC對(duì)熱工參數(shù)計(jì)算程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過對(duì)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的計(jì)算和實(shí)際程序計(jì)算的結(jié)果相對(duì)比，驗(yàn)證了計(jì)算平臺(tái)的可靠性。

冶金工業(yè)中資源消耗大，其中加熱爐不僅是鋼鐵生產(chǎn)過程中主要的加熱設(shè)備，而且消耗的了其中大部分的資源。蓄熱式加熱爐是近些年來發(fā)展較為迅猛的加熱爐類型。蓄熱式加熱爐中采用了一種全新的燃燒技術(shù)，這種技術(shù)被稱為高溫空氣燃燒技術(shù)(High Temperature Air Combustion，簡稱HTAC)。HTAC不僅可以通過煙氣預(yù)熱的方式使得熱效率提高到大約70%左右，而且可以很好地利用低熱值燃料從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。雖然相比于傳統(tǒng)加熱爐而言蓄熱式加熱爐具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，但降低成本和使得產(chǎn)品質(zhì)量提高是鋼鐵行業(yè)一貫的追求目標(biāo)。而熱工參數(shù)是反應(yīng)加熱爐工作狀態(tài)的重要參數(shù)之一。蓄熱式加熱爐的主要熱收入項(xiàng)以及熱支出項(xiàng)都可以通過熱平衡的計(jì)算得出。通過計(jì)算結(jié)果可以直觀地分析出在加熱爐加熱過程中對(duì)單耗影響較明顯的項(xiàng)，并且可以對(duì)處于人為可控范圍內(nèi)的熱量收支進(jìn)行控制[1]。

1 熱平衡模型的推導(dǎo)

為了簡化計(jì)算，在工程計(jì)算準(zhǔn)確度允許范圍內(nèi)，在計(jì)算程序的編寫和設(shè)計(jì)過程中做出以下的假設(shè)：

(1)在計(jì)算中計(jì)算項(xiàng)為獲得的熱量和帶走的熱量。計(jì)算程序的主要研究對(duì)象為蓄熱式加熱爐，對(duì)于蓄熱式加熱爐而言不需要計(jì)算空間蓄熱以及換熱，并且由于空氣以及煤氣的預(yù)熱的熱量都來自于加熱爐本身，因此也不需計(jì)算?；谝陨显颍诠酵茖?dǎo)的過程中可以省略這些項(xiàng)。

(2)加熱爐鋼坯在入爐之前為常溫，自身所帶有的物理熱較少，因此在計(jì)算過程中此項(xiàng)可以忽略不計(jì)。

計(jì)算程序主要通過蓄熱式加熱爐加熱過程中主要熱量收支項(xiàng)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，以MATLAB為程序設(shè)計(jì)工具，編寫相關(guān)計(jì)算程序，完成計(jì)算程序的計(jì)算部分。

1.1 熱收入項(xiàng)[2]

(1)燃料化學(xué)放熱：

Q1=BQD

(1)

B—單位時(shí)間內(nèi)消耗的燃料量(m3/h)；QD—燃料的低發(fā)熱量(kJ/ m3)。

(2)鋼坯氧化化學(xué)放熱：

Q2=Gδqy

(2)

G—爐子的生產(chǎn)能力(kg/h)；δ—金屬氧化損失率；qy—金屬氧化放熱(kJ/kg)。

1.2 熱支出項(xiàng)

(1)金屬吸收的有效熱：

Q3=G(J2-J1)

(3)

J1—加熱前金屬的比熱能(kJ/kg)；J2—加熱終了時(shí)金屬的比熱能(kJ/kg)。

Q4=BVαC4t4

(4)

Vα—單位燃料在燃燒時(shí)生成的煙氣量(m3/ m3)；C4—煙氣比熱容(kJ/(m3℃)；t4—排煙溫度(℃)。

對(duì)于高爐煤氣，為了保證煤氣的完全燃燒設(shè)空氣過剩系數(shù)為α，則煤氣燃燒理論需要的理論空氣量Lα和理論煙氣量Vα可由以下經(jīng)驗(yàn)公式可以得到如下公式：

Lα=α(0.19QD/1 000)

(5)

Vα=Lα+0.97-0.03QD/1 000

(6)

(3)冷卻水帶走的熱量：

Q5=PC5(t52-t51)

(7)

P—冷卻水消耗量(kg/h)；C5—冷卻水的比熱容(kJ/(m3℃)；t52—出冷卻水溫度(℃)；t51—入冷卻水溫度(℃)

(4)其他熱損失Q6

世界城市的概念最早由杰德斯提出，指的是在世界商業(yè)活動(dòng)中占有一定比例的城市[9]。20世紀(jì)80年代，霍爾、弗里德曼、沙森、梅耶等人界定了世界城市的基本內(nèi)涵與職能，21世紀(jì)初，泰勒、卡斯特爾斯、史密斯等人則從城市網(wǎng)絡(luò)視角來研究和認(rèn)識(shí)世界城市。

2 數(shù)據(jù)參數(shù)

計(jì)算程序在驗(yàn)證過程中選用某鋼廠蓄熱式加熱爐的相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，該加熱爐的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 加熱爐的相關(guān)參數(shù)

把燃料燃燒產(chǎn)生的絕大部分熱量盡量用在鋼坯上，這對(duì)加熱爐提高能源利用率來說具有十分重要的意義，在這種目標(biāo)下就要使得煙氣帶走盡可能少的熱量[3]。因此，在整個(gè)燃燒過程中需要選擇合理的空氣系數(shù)α顯得尤為重要，因?yàn)榭諝膺^剩系數(shù)和整個(gè)加熱過程中的節(jié)能和防止污染2個(gè)方面有著十分緊密的關(guān)系，空氣系數(shù)與熱效率和熱損失的關(guān)系曲線如圖1所示。

從理論角度分析，當(dāng)α=1時(shí)處于最優(yōu)燃燒狀態(tài)，這種燃燒狀態(tài)下加熱爐里存在空氣量以及煤氣量恰好能滿足完全燃燒的條件，但在實(shí)際燃燒過程中想要確保這一點(diǎn)幾乎不可能做到。從圖1中，能夠清晰地看到當(dāng)α值在1.02～1.10之間時(shí)，加熱爐的燃燒狀態(tài)處在一個(gè)最優(yōu)的范圍。因此，在數(shù)據(jù)選擇時(shí)設(shè)定空氣過剩系數(shù)為α=1.1。根據(jù)以上參數(shù)帶入熱平衡方程計(jì)算得到的結(jié)果如表2所示。

表2 熱平衡計(jì)算結(jié)果

圖1 過剩空氣系數(shù)與熱效率和熱損失的關(guān)系曲線

3 仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)

3.1 MATLAB與WinCC的相互通信

WinCC是西門子與微軟一起合作研發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)軟件[4]。以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程與調(diào)度的自動(dòng)化系統(tǒng)，具有友好的交互式圖形界面，但是數(shù)據(jù)分析和處理方面較差。MATLAB是由美國Mathwork公司發(fā)布的一款面向科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)可視化、系統(tǒng)仿真，以及能完成在高科技計(jì)算環(huán)境中對(duì)交互式程序進(jìn)行設(shè)計(jì)的一款軟件，對(duì)數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的處理能力[5]。將WinCC和MATLAB相互通信可以充分利用兩者的優(yōu)點(diǎn)。二者的通信一般通過以下2種方式：分別為通過OPC (OLE for Process Control)和通過DDE(Dynamic Data Exchange)方式實(shí)現(xiàn)WinCC與MATLAB的軟件接口。由于DDE技術(shù)在小數(shù)據(jù)量的情況下實(shí)現(xiàn)交互，因此目前工控行業(yè)已經(jīng)基本將其淘汰[6]。而OPC技術(shù)由于通訊穩(wěn)定，傳輸速度快，適于大批量數(shù)據(jù)交換，這些優(yōu)點(diǎn)使得OPC技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)通訊新的標(biāo)準(zhǔn)[7]。利用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)WinCC和MATLAB的相互通信后既能充分發(fā)揮WinCC良好的交互性，又大大提高了其計(jì)算能力。

在Simulink中通過OPC技術(shù)完成WinCC與Simulink之間相互的實(shí)時(shí)通訊，可以直接調(diào)用"OPC Read/Write"功能。配置OPCSever.WinCC.1為客戶服務(wù)器，并分別在"OPC Read/Write"中添加所需的輸入輸出變量，從而實(shí)現(xiàn)變量的相互連接。具體配置如圖2、圖3所示。

圖2 OPC Read

圖3 OPC Write

3.2 Simulink仿真平臺(tái)的搭建

根據(jù)熱平衡各項(xiàng)的具體計(jì)算公式可以完成對(duì)計(jì)算平臺(tái)的搭建，但如果只是簡單地使用Simulink中已有的模塊進(jìn)行搭建，所搭建的系統(tǒng)不僅會(huì)顯得復(fù)雜、缺乏直觀性，而且不利于修改和拓展。S-Function(S函數(shù))是Simulink為用戶提供了一個(gè)拓展模塊功能的新工具，其功能十分強(qiáng)大。它是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)語言描述，用戶可以選擇M文件、C語言或者mex文件編寫。S函數(shù)通過一種特殊的調(diào)用規(guī)則完成用戶與Simulink的內(nèi)部求解器的交互，和內(nèi)部模塊的調(diào)用十分相似。S函數(shù)幾乎可以描述所有的模塊。本系統(tǒng)編寫的S函數(shù)程序使用的是M文件，通過S函數(shù)提供的sfuntmpl.m作為模板編寫本設(shè)計(jì)仿真模塊的程序，通過這種方法可以很好地解決了上述問題。

3.3 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

人機(jī)界面(HMI)采用WinCC進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定和計(jì)算結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示。

(1)定義變量。對(duì)于計(jì)算中所用到的參數(shù)和變量進(jìn)行設(shè)定，如圖4所示。

(2)組態(tài)界面。畫面由輸入/輸出域，靜態(tài)文本和按鈕組成了整個(gè)組態(tài)畫面。其中輸入/輸出域用來完成變量的設(shè)置以及結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示；靜態(tài)文本主要是標(biāo)注的作用；按鈕主要功能是用于計(jì)算程序啟動(dòng)/停止以及快速清除已經(jīng)設(shè)定的數(shù)據(jù)。

(3)功能實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)WinCC運(yùn)行中對(duì)Simulink中設(shè)定參數(shù)的發(fā)送以及經(jīng)過Simulink計(jì)算后主要數(shù)據(jù)的采集，得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在HMI界面中。系統(tǒng)運(yùn)行畫面如圖5所示，主畫面分為左右兩大部分，左側(cè)的熱平衡計(jì)算表用于顯示各熱收入和支出項(xiàng)的計(jì)算結(jié)果；右側(cè)為參數(shù)設(shè)置區(qū)域，在此區(qū)域?qū)崞胶庥?jì)算中所用到的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并通過"計(jì)算開始"和"計(jì)算停止"2個(gè)按鈕來控制計(jì)算的狀態(tài)，同時(shí)"清除數(shù)據(jù)"按鈕可以快速的清除參數(shù)設(shè)置中的所有數(shù)據(jù)，方便在全面修改數(shù)據(jù)的情況下使用。圖5中顯示的參數(shù)和計(jì)算結(jié)果與表2中的各項(xiàng)計(jì)算數(shù)據(jù)相匹配。驗(yàn)證了計(jì)算程序結(jié)果的有效性和可靠性。

圖4 變量定義

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行畫面

4 結(jié)論

(1)本程序可以根據(jù)不同參數(shù)計(jì)算蓄熱式加熱爐的熱收入和熱支出各項(xiàng)的具體數(shù)值，為相關(guān)參數(shù)的控制提供很好的參考。

(2)系統(tǒng)具有良好的交互性和可拓展性，且利于修改，經(jīng)過簡單修改可以完成不同鋼坯種類以及不同燃料和不同類型加熱爐的熱平衡相關(guān)計(jì)算。具有很好的可拓展性，且對(duì)同類仿真平臺(tái)有著很好的借鑒作用。

[1] 李朗威. 蓄熱式加熱爐節(jié)能技術(shù)的研究[C].華西冶金論壇,2012.

[2] 王秉銓. 工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

[3] 張鵬飛. 加熱爐空燃比尋優(yōu)及溫度控制系統(tǒng)研究[D]. 包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué), 2012.

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ThermalCalculationProgramDesignofRegenerativeHeatingFurnaceandItsApplication

YANG You-liang, LIU Ran-guang, MENG Fan-wei, MA Cui-hong

(College of Electrical Engineering, North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063210,China)

regenerative heating furnace; heat balance calculation; MATLAB; WinCC

The heating furnace is the main heating equipment in the process of iron and steel production. Regenerative heating furnace has been widely used in recent years for its advantages of energy conservation and environmental protection. Thermal parameter is an important index of its working state. Based on the heat balance equation of regenerative reheating furnace, MATLAB and WinCC are used to design the program for calculating thermal parameters. The reliability of the platform is verified by comparing the actual production data and the actual program.

2095-2716(2017)04-0105-06

2017-04-08

2017-09-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61171058)。

TP311.11

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