加热炉二级模型与能耗评价系统.doc

绿动未来2010年高校环保科研应用技术项目支持计划申报表项 目 编 号： 项 目 名 称：加热炉二级模型与能耗评价系统 单 位 名 称： 安徽工业大学 项目负责人： 陈光 联 系 人： 陈光 联 系 电 话：E-mail: 二0一0年 10月 20日填写中华环境保护基金会制项目申报人情况：项目负责人姓名陈光性别男年龄46学历/职称博士工 作 单 位安徽工业大学 能源与环境研究所地址（邮编）皖 马鞍山湖东路59号，243002电话/传真05552311862申报项目承担主体：个人集体 名称：能源与环境研究所项目主要研究人员（姓名、性别、年龄、学历、职称职务、单位）姓 名性别年龄学 历职 称单位顾明言女45博士教 授安徽工业大学钱付平男34博士副教 授安徽工业大学江青阳男34博士讲 师安徽工业大学李智虎男26硕士助 工安徽工业大学谢庆举男硕士助工安徽工业大学赵贺芳女硕士助工安徽工业大学张 彪男学士助工安徽工业大学杨 婷女学士助工安徽工业大学申报项目情况：项目起止时间2008/10 -2011/11项目经费来源（包括社会支持）南京深大公司项目已有经费数119万项目创新类型原始创新 集成创新 引进吸收再创新项目完成时的应用类型形成自主研发能力 形成规模生产能力局部试点示范 较大范围推广应用项目内容摘要（3000字左右）（包括1.项目的必要性及需求分析；2.国内外技术现状、发展趋势；3.项目目标及主要指标和实施方案；4.经济、环境效益；5.项目研究的支撑条件6.其他需要说明的问题等。）1.项目的必要性及需求分析我国钢铁产量已达6.5亿吨，加热炉能耗每年超过2000万吨标煤，加热炉效率平均不到54%，影响效率的因素除了结构之外还有操作因素。加热炉二级模型与能耗评价系统是针对优化操作而建立的在线计算机控制与评价系统，该系统的应用，直接节能可实现3%，间接节能4%。直接节能是通过优化操作直接节约煤气和电，间接节能是通过精确控制工况提高合格率和减少氧化铁皮烧损来实现。如果采用此技术，全国每年可节约140万吨标准煤，参考国外价格，国内市场容量14亿。2.国内外技术现状、发展趋势1980年，世界上第一个二级最优化系统由法国斯坦因霍特公司与法国索拉克钢铁公司联合开发，较为准确的计算了炉内的钢温和热流分布，实现计算机自动控制。工业炉二级优化系统经过不断的实践和完善，在国外的冶金行业覆盖率已达到70%。实践充分证明二级模型的应用达到了提高炉子产量、提高钢坯加热质量、减少氧化烧损、降低能耗的目的。国外的二级控制模型软件总的来说在通信方面较国内更稳定，LOI长于罩式炉，斯坦因软件长于加热炉，西门子公司的通信技术稳定。但国外有些公司的数据库臃肿、冗杂，访问速度慢；有些公司的软件在工业炉专业技术支持方面较弱，在线能耗评价更是空白。国内在工业炉计算机二级控制方面起步较晚，多数冶金炉计算机控制处于燃烧控制的第一层次。目前二级模型应用率为1315%；主要为西门子、斯坦因等国外公司产品，有一定效果；但国外二级控制模型软件与国内装备水平适应差。虽然数学模型的数值模拟研究比较早，但是能够实现数学模型的工程实践应用较少。国内有上海宝信、凤凰、东北大学、北京科技大学等单位有所涉及。二级模型技术在国外已经比较成熟，国内才刚刚起步，还未形成独立的知识产权。在国际、国内钢铁企业竞争日益激烈的大背景下，根据我国钢铁企业的现状，在提高我国钢铁行业的核心竞争力的内在要求下，开发拥有自主知识产权的二级模型显得尤为重要。在过去的十几年里，随着我国生产冶金工业炉所需设备水平的提高，可调精度的极大改善，特别是计算机技术的突飞猛进，为二级模型的发展创造了有利的可行条件。3.项目目标及主要指标和实施方案目标：实现在线优化控制与在线能耗评价。主要技术指标1）、误差小于2%；2）、计算时间小于20秒；3）、建模方法与核心模型通用于加热炉；4）、采用该模型后直接节能大于3%、间接节能大于4%；实施方案：1） 建立加热炉钢坯传热模型、能耗评价模型2） 建立PLC-FAS-LEVEL3通信构架3） 建立数据库4） 开发界面友好的人机界面技术路线：本二级控制模型提取热工工艺思想，深入了解各生产工艺因素的影响以及各相关因素的整合方式，充分利用现有的技术和资料的条件下结合现场的生产技术和工艺经验，提出采用数据挖掘技术、热工建模和工业试验集成化方法。根据传热理论并结合工业实验建立钢坯的热工模型，对工业炉内钢坯温度场、流场进行数值模拟分析，以求出钢坯最优的加热轨迹、对其加热工艺进行优化。1）、针对系统存在着大量的生产数据，提出了对工业炉海量数据处理的新方法，实现了数据的特征提取、数据分析和大样本量模型修正，建立了有效的优化数学模型，为冶金工业炉模型的研究开辟了新途径。2）、根据传热学理论，开发了可靠的二级在线控制模型，并用该模型模拟结果和黑匣子试验进行对比，验证模型的可靠性，然后用该模型对该加热炉各工况进行数值模拟，并在此基础上建立炉温优化模型。3）、通过工厂调试对模型的精度和普适性进行分析研究，从而使控制模型计算的稳定性和准确性大幅度提高，为现场技术人员确定合理的工艺参数，制定合理的温度制度提供了良好的工具，并为开发新钢种的控制模型提供了依据。二级模型功能如下：（1）板坯温度跟踪(热工)功能(THE)计算炉内每块受跟踪板坯的平均、芯部、表面的实时温度，为设定值控制功能(CTL)提供计算炉内各区设定值的热工数据，板坯入炉时的温度值作为该功能首次计算的输入数据。（2）生产节奏功能(RRT) 确定炉内每块板坯的在炉时间，板坯在炉内时间的计算考虑加热炉能力、轧机能力以及当前工作状况和由操作人员设定的生产延时，计算的时间包括：剩余在炉内时间(考虑不考虑延时)、在炉内已过去的时间、在有用区域的预计停留时间、到达每一区段末端的预计时间，这些计算的时间用于选择加热曲线或计算区段温度设定值。此功能的触发条件是炉内状况变化(装钢、板坯步进、出钢)或者没有这些事件时每分钟执行一次。（3）主动生产节奏功能(ACT) 根据加热炉和板坯的热工性能以及板坯的加热要求计算板坯在炉内当前最快的移动速度以达到加热炉最大的生产能力，同时计算最佳出炉节奏和步进节奏。由于不同尺寸、不同初始状况、不同钢种的板坯的加热目标不同，该功能必须能够使所有板坯被加热到尽可能接近要求的目标，同时必须考虑以下限制：耐火材料允许的最大温度、耐火材料温度允许的最大上升率、板坯表面允许的最大温度、每区段燃料的最大流量。（4）优化加热曲线功能(OHC)在线计算每块板坯到达每一区段末端的目标温度并据此确定加热炉的加热策略，计算在该块板坯入炉时进行，计算的依据是：钢种、板坯尺寸、板坯出炉目标温度、板坯入炉温度、预计在炉内时间以及每区段燃料的最大供应量。（5）设定值控制功能(CTL)为一级系统的温度控制器(上部区)和燃料流量控制器(下部区) 确定理想化的设定值，但须考虑以下限制：耐火材料允许的最大温度、每区段燃料的最大流量。设定值计算基于：板坯位置、生产节奏、热工数据以及来自一级系统的工艺数据(工艺过程测量值)。（6）轧机反馈功能(MFB)根据轧机二级系统反馈的板坯在粗轧阶段结束时的温度测量值和轧制情况计算板坯出炉温度。（7）加热炉及换热器热平衡计算功能(FBL)根据来自一级系统的工艺过程数据以及加热炉的状况变化情况(包括正常生产、延时、停炉等)，计算不同时间段加热炉的燃料消耗情况，自动计算和存储并形成以小时、班次、日、周、月等时间段的燃料消耗报告。（8）板坯位置跟踪功能 （9）模糊逻辑（供热需求）控制功能（10）板坯数据库（11）加热炉数据库（12）生产情况报告功能（13）信息接收功能（14）信息发送功能（15）报警功能（16）任务（进程）协调功能（17）参数设定/配置功能（18）人机接口（操作员画面）（19）通讯功能4.经济、环境效益市场现状国内目前为止没有一家拥有独立知识产权的加热炉二级软件公司。国外的此类技术虽然相对成熟，但二级模型是与工业炉设备特性、钢坯需求特性、燃料特性有密切关系；国外产品对国内适用性不高，且成本过高，不能满足企业个性化需求。根据中国工业加热炉市场调查报告显示，保守估计国内大型加热炉700多台，参照国外二级模型使用率，以及目前国内使用二级模型的增长率，估计有14亿元的市场容量。市场发展趋势 据中国财经信息网报道，随着市场的觉醒，和国内对节能减排的大力倡导，钢铁企业加热炉二级模型的需求上呈现日益上升的趋势。我们开发的产品计算的各段炉温设定值符合生产要求，比现行炉况节能3%，有效减少了碳氮化合物的排放；从根本上节约了企业的生产成本，提高了资金利用率。达到了经济、节能、低碳的要求，顺应了钢铁企业节能降耗的发展趋势。行业竞争分析 同类型产品比较公司精度温差（）价格（万元） 容错能力斯坦因霍特软件2%10260中西门子S7-400系列软件2%10260差上海宝信2%10160中我们的软件1.4%8118好我们产品技术先进，表现在容错能力好、反馈时间短、稳定性好、精度高，能够显著提高出炉钢材合格率，提高0.2个百分点，以T91为例每万吨节约煤气费用20万元。相较于国外同类产品，价格低廉40%-50%。二级模型是与炉窑设备特性、钢坯需求特性、燃料特性有密切关系；国外产品对国内炉窑设备用性不高。我们专为国内钢铁企业炉窑设计，与国内装备水平相匹配，满足企业个性化需求。国外的二级控制模型软件总的来说在通信方面较国内更稳定，斯坦因软件长于加热炉，西门子公司的通信技术稳定，但对加热炉装备水平要求很高。国外有些公司的数据库臃肿、冗杂，访问速度慢；有些公司的软件在工业炉专业技术支持方面较弱。在国内上海宝信（斯坦因内核）是以通信技术和数据库的稳定而著称，但从结果分析来看钢坯模型带有一定经验公式的修正。赛迪、东北大学的二级控制模型稳定性较弱，精度较理想。从上面分析可见这些二级模型系统均没有在线能耗评价功能。国内同行业的同类产品主要是对国外软件进行改进升级，缺乏自主研发的知识产权，高度依赖国外设备，与国内工业炉装备不能很好匹配，精度低、反馈时间长、容错能力弱、稳定性低，加之价格高昂，售后服务保障度低，增加了企业的投资风险。环境效益：二级模型计算的钢温与实测温度偏差不大于10；免去传统测试的复杂及较大误差，真正做到计算机全程数控，为生产优质产品奠定了基础。对于年产百万吨钢产量的加热炉，1）二级模型计算的各段炉温设定值符合生产要求，比现行炉况节能3%；每年节约煤气80000GJ。2.7341e+003标煤，3）减少氧化铁皮产生量，降低废品率,提高钢坯质量，相比传统模式，氧化铁皮从1.5%降低到1.2%节约费用1500万元/年。4）每年减少二氧化碳排放，6840吨。 5.项目研究的支撑条件本研究成果已应用于南钢中板厂步进式加热炉。项目实施后，实现了温度制度控制、传动控制、燃烧控制的全自动化操作。传动控制的功能是：实现机械电气设备的自动化操作、包括装出料辊道、装出钢设备、步进机械等。燃烧控制的功能是：实现温度的精确控制、改善了炉膛气氛、温度场的分布。达到了从温度、流量、压力控制的整体系统的稳定，适应了钢铁生产节奏快、钢种多、加热制度复杂的要求。天工能源软件有限责任公司中板加热炉二级模型软件界面正在将加热后的钢坯出炉时情形6.其他需要说明的问题等。申请项目支持经费的使用计划：项目负责