蓄熱式加熱爐加熱過程在線控制數學模型研究

劉鳳鳳,米宏軍

(1.榆林職業技術學院,陜西 榆林 719000; 2.陜西華電榆橫煤電有限責任公司,陜西 榆林 719000)

新中國成立以來,鋼鐵產業迅速發展,成為我國國民經濟的重要支撐產業。鋼坯加熱是軋制的前道工序,其控制目標是使加熱爐能量消耗最小,同時得到符合軋機需要的坯料溫度分布。但是,由于在加熱爐坯的加熱工藝中,無法進行在線、連續的監測,因而很難應用傳統回路控制方法來達到鋼坯溫度的最優控制效果。合理地調節加熱爐中鋼坯溫度,需要優化設定加熱過程中的爐溫。長久以來,加熱爐爐溫的設定都是由操作員根據自己的實際經驗完成操作。但由于人為設置的溫度存在很大的誤差,尤其是當生產過程出現起伏時,經常會出現過燒和夾生等情況發生。過燒造成的最大影響是能量消耗增大,鋼坯加速氧化燒損;夾生造成的結果是軋機退鋼,生產效率下降,浪費能源,嚴重時會發生軋機斷裂的現象,影響生產設備的安全。

現代計算機技術的飛速發展,使蓄熱式加熱爐的加熱工藝得到了更佳的控制,可以實現對爐膛的溫度更為準確的調控,鋼坯的加熱品質也得到了進一步的改善。節能降耗的同時,也確保著整個生產流程的正常運行。

1 蓄熱式加熱爐的特點

加熱爐是冶金軋制生產線上的一個重要設備。與一般加熱爐不同的是,蓄熱式加熱爐利用發電機煤氣、高爐煤氣等低熱值燃料,通過雙側切換的燃燒方式,將煤氣和空氣預熱到1 100 ℃左右,使鋼坯的輸出溫度場分布符合軋制要求。其工作原理如圖1所示。

圖1 蓄熱式加熱爐工作原理

蓄熱式加熱爐燒嘴對稱排列,兩個對置燒嘴為一組(燒嘴1、2)。當從吹風器排出的常溫氣體通過換向閥門進入蓄熱型燒口1之后,然后在經過蓄熱式加熱爐燒嘴1型陶瓷微珠蓄熱器時,對其進行加熱,將其加熱至接近于爐膛的溫度(通常是爐膛溫度的80%～90%)。當高溫氣體被送入爐膛時,將周圍爐內的煙氣吸入到爐中,產生一種氧氣含量遠小于21%的稀薄低氧高溫氣體,與所注入的燃料進行充分混合,使其在缺氧條件下的燃燒;同時,加熱爐中的熱煙氣經由蓄熱噴頭2排放出去。而高溫熱煙氣通過燒嘴2時,將其熱量存儲在燒嘴2中的蓄熱體中,再以423.15 K以下的低溫煙霧經換向器排放。當蓄熱體中貯存的熱量到達飽和后,再進行換向器換向,使燒嘴1、2在加熱和蓄熱工作之間不停轉換,以實現節約能源、減少 NOx排放等目的[1-2]。

2 蓄熱式加熱爐加熱過程傳統在線控制原理

2.1 傳統雙交叉限幅加熱過程控制系統

在傳統的雙交叉限幅燃燒控制系統中,PID控制是主要的控制器。蓄熱式加熱爐是一種將熱量從一種流體傳遞到另外一種流體的機器,因此,如果空氣和氣體流向發生變化,它們會在管內靜止5 s左右,處于不受控制的狀態。氣流方向交換后,需要很長時間才能達到新的平衡狀態。接著,下一個動態過程周而復始。可見,這種加熱工藝與常規的加熱爐是不同的。因此,一般的基于PID控制算法的雙交叉限幅不能降低控制系統時延效應的影響。此外,在空氣和氣體流動方向的頻繁切換過程中,將產生額外的空氣輸入,導致熱效率下降。這就要求采用新的控制方法來優化上述問題[3-4]。

2.2 蓄熱式加熱爐加熱過程在線控制數學模型

加熱爐數學模型指的是一種能反映出加熱爐內部加熱過程、揭示爐內溫度變化基本原理、確定各變量參數間定量關系的數學模型。該數學模型可以應用于爐膛的熱力學理論研究、爐膛優化和熱工工藝的過程檢測。在軋鋼生產中,為了保證連鑄坯的受熱質量和產量,必須建立精確、可靠的在線控制系統。由于當前無法實現對鋼坯的溫度實時在線監控,所以必須通過對料坯加熱過程進行數學模型的模擬來估計鋼溫,以獲得料坯溫度最優控制結果[5-6]。

3 蓄熱式加熱爐加熱過程3D數學模型

由于蓄熱式加熱爐的加熱過程非常復雜,涉及氣體流動、傳熱、傳質和非預混燃燒,因此必須給出以下假設:

(1)假設氣體在爐壓的小范圍內是不可壓縮的。

(2)假設燃燒過程是穩定的。

(3)假設煙氣總量的60%～70%從出口燃燒器中流出,其他的則通過煙道向下流動。

基于上述三個假設,根據質量、動量和能量守恒,建立了3D穩定數學模式。連續性方程和動量方程如下:

(1)

(2)

上述兩個方程基于雷諾平均值。動量方程的形式與Navier-stokes(納維爾-斯托克斯)方程相同,速度由時間平均值表示。動量方程中的額外項稱為雷諾應力,表示湍流作用。

標準k-ε湍流模型是基于湍流動能K及其耗散率ε的輸運方程的模型。K的模型傳輸方程是從精確方程推導出來的,而ε的模型傳輸方程是通過物理推理得到的,與數學上的精確方程相似性很小。

(3)

(4)

式中:Gk為平均速度梯度的湍流動能,m2/s2;Gb為浮力產生的湍流動能,m2/s2;YM為可壓縮湍流脈沖膨脹對總耗散率的作用;湍流黏度為μt=ρCμk2/ε。

式(3)和式(4)中的常量值如下:

C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=0.09,δε=1.3

(5)

能量方程:

(6)

其中有效導熱系數為keff=kt+k,Jj′是成分j的擴散通量;方程(6)右側的前三項分別指的是熱傳導、成分擴散和黏性耗散;Sh表示化學反應的熱源和其他熱源,其中化學反應的熱源可以表示為式(7):

(7)

邊界條件。在入口處指定速度參數,在出口處指定壓力參數。速度是根據設計的體積流量計算的。頂壁的熱通量為900～1 100 W/m2,其他為500～550 W/m2。這些數值是根據工程實際值和對這種加熱爐的研究經驗估算的。爐壁和爐膽的發射率為0.8。

數值模擬方法。Gambit 2.3被用來建立幾何模型和網格,使用Fluent 6.3作為求解器和后處理器。在計算時,選擇了分離求解器、簡單算法和二階迎風格式。此外,壁面的存在對湍流流動有顯著的影響。在靠近壁面區域的外側,由于平均速度的大梯度,湍流動能的產生使湍流迅速增大。由于壁面是平均渦度和湍流的主要來源,近壁面模型對數值解的保真度有很大的影響[9-10]。

4 數值模擬的結果和分析

4.1 流動曲線分析

流態是加熱過程的基礎和前提條件。它是影響燃燒速度和效率的關鍵因素,而且溫度和濃度的變化也受其影響。因此,首先對整個加熱爐的流態分析如圖2所示。

圖2 蓄熱式加熱爐爐內流態分布圖

圖2左側是整個爐子上部的流動情況,圖2右側是下部的情況。從圖2中可以看出,爐子各部分的流動狀態有很大差異。由于余熱回收段沒有燃燒器,煙氣直接從煙道中飛出,導致該段上部的流態與下部的流態一致。當預熱段的燃燒器正常工作時,煙氣和空氣都從入口燃燒器注入爐內(圖2左側的底面和圖2右側的頂面)。同時,部分煙氣從出口燃燒器(圖2左側的上部和圖2右側的下部)流出,其他煙氣向下進入余熱回收段。在第一加熱段、第二加熱段和均勻加熱段中,其下部的流量曲線彼此相似。在煙道和出口燃燒器的吸力作用下,煙氣主要從出口燃燒器出來,其他的則往下走,所以從入口到出口的流動與上游煙氣的相互作用形成了這三個部分的漩渦[11-12]。這在第一和第二加熱段的上部以及均勻加熱段的下部尤其明顯。此外,在第一和第二加熱段下部的中間部分煙氣很少。然而,在上部均勻加熱段的水平面上,氣體流動是平穩的,這表明鋼坯在此部分受熱均勻。對于整個爐子的流動情況,渦流和主流的流動狀態是關注的重點,因為它直接影響到高溫火焰區的形成以及溫度和濃度的分布。

4.2 溫度曲線分析

溫度分布是加熱爐的關鍵參數,直接關系到鋼坯是否均勻受熱,鋼坯溫度是否滿足軋制的需要。 由于沿x方向和y方向的溫度變化可以從同一水平截面上知道,而沿z方向的溫度變化可以從不同的水平截面上看到,并且每個水平截面的平均溫度,所以水平截面被用來分析溫度變化規律[13-14]。

1)下爐水平截面的溫度曲線

圖3是靠近爐底的溫度曲線。由圖3、圖4溫度曲線可知,整個爐子的最高溫度位于第一和第二加熱段,最低溫度位于余熱回收段。均勻加熱段的溫度高于預熱段的溫度,但它們的溫度都在最高溫度和最低溫度之間。此外,在y方向上,除余熱回收段外,其他各段的正面(圖3中的底面)溫度都高于背面(圖3中的頂面),因為余熱回收段沒有燃燒器,上游煙氣的主要部分流向后壁并流出煙道。

圖3 靠近爐底的溫度曲線(z=-2.0m)

圖4 燃燒器上部送氣口中心的水平截面的溫度曲線(z=-1.0m)

圖4是燃燒器上部進氣口中心的水平截面的溫度曲線。由于這里的溫度分布與燃燒器下層進氣口和下層氣體進氣口中心的截面的溫度分布類似,其他兩個截面的溫度分布沒有列出。從圖4中可以看出,主要的溫度變化規律與圖3相同。不同的是,由于這里沒有隔斷,相鄰截面的溫度場是連在一起的。此外,高溫火焰區也出現在均勻加熱部分。

根據上述溫度規律,沿下爐長度方向,溫度最高的是第一和第二加熱段,其次是均勻加熱段和預熱段,最低的是余熱回收段,因為這里沒有燃燒器,鋼坯溫度最低。沿著爐子下部的寬度,靠近入口燃燒器一側的溫度高于靠近出口燃燒器一側的溫度。沿著爐子下部的高度,平均溫度是均勻的。此外,高溫火焰區(約1 700 K)位于入口燃燒器附近,并向加熱段(即第一和第二加熱段以及均勻加熱段)的下游隔墻傾斜,這是由于出口的吸力和從上游到下游的流動以及隔墻的阻擋造成的[15]。

2) 上爐水平面的溫度曲線

圖5是燃燒器下部進風口中心的水平面。余熱回收段的溫度最低,約1 000～1 100 K。均勻加熱段溫度較高且均勻,約1 300 K。最高溫度仍在第一和第二加熱段。預熱段的溫度在1 200～1 700 K。此外,高溫火焰區向下游隔墻傾斜,這與這里的流動狀態是一致的(見圖2)。

圖5 燃燒器下部進風口中心水平面的溫度曲線(z=1.15 m)

圖6是高度為1.8 m的水平面。此時已經沒有均勻加熱的部分,因為該部分只有1.5 m高。該工作面的溫度曲線也與上述上爐的其他工作面相同。此外,在幾乎所有截面的溫度曲線中,預熱段的高溫火焰區都向上游隔墻傾斜,這與其他加熱段相反。這一點可以從預熱段的流動曲線中理解,因為這里的煙氣更接近上游隔墻。

圖6 高度為1.8 m的水平面的溫度曲線(z=1.8 m)

總而言之,上爐的溫度曲線的主要規律與下爐幾乎一致。然而,均勻加熱區的上部比下部的溫度更均勻,因為平焰加熱爐安裝在上部,而且進口速度很慢。更重要的是,余熱回收段和均勻加熱段的均勻流動使溫度分布均勻,以隔墻為中心的流動使高溫火焰區向隔墻傾斜。這進一步證明了流動在氣體燃燒中的基本作用。

5 結 語

加熱爐在線數學建模是加熱爐區自動監控的關鍵,是綜合數學算法和計算機技術的集成技術。本文對加熱爐在線監控的數學模型進行了研究,建立了統一的物理和數學模型來模擬整個爐子的燃燒情況,并獲得了流量、溫度和濃度之間的參數關系。最后,對流動規律和溫度分布進行了深入研究,對蓄熱式加熱爐的合理設計和優化控制具有指導意義。