（控制理论与控制工程专业论文）高炉炼铁工艺中气体流程的建模研究.pdf

浙江大学硬士论文 摘要 摘要 2 l 世纪，随着社会的加速发展，节能降耗和可持续发展成为社会发展的主题 之一钢铁工业作为能耗大户，肩负了不可推卸的责任。目前国内钢铁行业与国 外相比，炼铁生产过程的不稳定是造成能耗过大的一个重要原因，也是安全生产 的巨大威胁如何协调高炉炼铁的各个单元，确保高炉炼铁生产过程的稳定性， 是钢铁行业进一步节能降耗的重要途径。高炉炼铁过程十分复杂，各个单元之间 的物料流动相互影响，而且时间尺度各有不同，如何将不同单元串联起来，以最 终达到相互协调的目的，并不容易 目前，对于高炉炼铁过程的局部建模和控制研究相对较多，但对于跨单元的 整体建模研究还寥寥无几。针对目前存在的不足，本文主要选取高炉炼铁工艺中 的气体流动过程为研究对象，将热风炉、高炉和t r t ( 透平余能回收装置) 串联 起来，进行相应的建模与研究。主要研究工作包括： 1 ) 以能量平衡和质量平衡为基础，分析了高炉炼铁气体流程中典型环节的 特点，分别推导建立了热风妒、高炉和t r t 的数学模型并利用m a t l a b s i m u l i n k 中的子系统封装技术，设计和封装了各个模块，建立了高炉炼铁工艺中气体流程 的仿真模块库，为以后的进一步仿真测试和控制研究提供了良好的平台。通过统 一气体流程中的主要参数，可以将各个单元串联起来，便于从整体上分析不同单 元对高炉炼铁产生稳定性的影响，从而为各个单元之间的协调优化提供帮助。 2 ) 利用上述所建立的高炉炼铁气体流程中主要环节的仿真模块库，结合实 际工业状况，进行模型验证。并在此基础上进行多项仿真测试，分析各个部分的 动态特性以及相互之间的关系，使各个单元之间的相互影响得以显现，从而能够 为各个单元之间的相互协调提供更多依据，保证高炉炼铁的平稳运行。 关键词：气体流程，建模，子系统封装，仿真，热风炉，高炉，t r t m 浙江大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h e21s tc e n t u r y , w i t ht h ea c c e l e r a t i o no fs o c i a ld e v e l o p m e n t ，e n e r g ys a v i n ga n d s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tc o m et ob e c o m eo n eo ft h et h e m e so fs o c i a ld e v e l o p m e n t i r o na n ds t e e li n d u s t r y , w h i c hc o n s u m el a r g ea m o u n t so fe n e r g y ，b e a ra l li n e s c a p a b l e r e s p o n s i b i l i t y c o m p a r e dw i t hs t e e li n d u s t r yi nf o r e i g nc o u n t r i e s ，t h ei n s t a b i l i t yo f i r o n m a k i n gp r o c e s s i sn o t o n l y a ni m p o r t a n t r e a s o nf o re x c e s s i v e e n e r g y c o n s u m p t i o ni nd o m e s t i c s t e e li n d u s t r y ，b u ta l s oah u g et h r e a t t ot h es a f e t yo f p r o d u c t i o n h o wt oc o o r d i n a t et h ev a r i o u su n i t si ni r o n m a k i n gp r o c e s sa n de n s u r e t h es t a b i l i t yo fp r o d u c t i o nb e c o m e sa l li m p o r t a n tw a yf o rf u r t h e re n e r g ys a v i n g a s i r o n - m a k i n gp r o c e s si sv e r yc o m p l e xw i t hd i f f e r e n tt i m es c a l e s ，i ti sr e a l l yn o te a s yt o c o n n e c tt h ev a r i o u su n i t sa n da c h i e v ee o o r d i n a t i o nw i t he a c ho t h e r a tp r e s e n t ，t h e r ea r em a n yr e s e a r c h e so nl o c a lm o d e l i n ga n dc o n t r o l ，b u ts e l d o m a b o u tt h ew h o l em o d e l i n go fs e v e r a lu n i t s v i e w i n go ft h ec u r r e n ts h o r t c o m i n g s ，t h i s p a p e rs e l e c t st h eg a sf l o wp r o c e s si ni r o n - m a k i n ga so u rr e s e a r c ho b j e c t ，c o n n e c t st h e h o tb l a s ts t o v eu n i t ，b l a s tf u r n a c eu n i ta n dt o pg a sp r e s s u r er e c o v e r yt u r b i n e u n i ta n dg e t st h ec o r r e s p o n d i n gm o d e l s m a j o rr e s e a r c hw o r ki n c l u d e s ： 1 ) b a s e do ne n e r g yb a l a n c ea n dm a s sb a l a n c e ，a n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so f t y p i c a lu n i t si ni r o n - m a k i n gp r o c e s s e s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fh o tb l a s t s t o v eu n i t ，b l a s tf u r n a c eu n i ta n dt o pg a sp r e s s u r er e c o v e r yt u r b i n eu n i t t h e n ， d e s i g na n ds e tu pt h es i m u l a t i o nm o d u l el i b r a r yo fg a sf l o wp r o c e s sb yu s i n gt h e s u b p a c k a g i n gt e c h n o l o g yi nm a t l a b s i m u l i n k ，w h i c hp r o v i d i n gag o o dp l a t f o r mf o r f u r t h e rt e s ta n dc o n t r o ls i m u l a t i o n c o n n e c t i n gt h ev a r i o u su n i t si ng a sp r o c e s sb y u n i f y i n gm a i np a r a m e t e r sc a l lf a c i l i t a t et h ea n a l y s i so ft h ei m p a c to nt h ep r o d u c t i o n s t a b i l i t y f r o md i f f e r e n tu n i t s ，t o p r o v i d ea s s i s t a n c e f o rt h ec o o r d i n a t i o na n d o p t i m i z a t i o n 2 ) b a s e do nt h es i m u l a t i o nm o d u l el i b r a r ya b o v ea n dc o m b i n e dw i t hp r a c t i c a l i n d u s t r i a lc o n d i t i o n s ，f i n i s ht h em o d e lv a l i d a t i o n a n do nt h i sb a s i s ，an u m b e ro f v 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t s i m u l a t i o nt e s t si sm a d et oa n a l y z eo ft h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ev a r i o u su n i t s a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m s ot h a tt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ev a r i o u su n i t s c a nb es e e n ，a l l o w i n gf o rc o o r d i n a t i o na m o n gt h ev a r i o u su n i t st op r o v i d em o r eb a s i s t oe n s u r et h es t a b l eo p e r a t i o no f b l a s tf u r n a c e k e y w o r d s ：g a sf l o wp r o c e s s ，m o d e l i n g ，s u b s y s t e mp a c k a g i n g ，s i m u l a t i o n ，h o t b l a s ts t o v e ，b l a s tf u r n a c e ，t r t 浙江大学硕士论文图目录 图目录 图1 1 高炉炼铁工艺流程4 图1 2 高炉炼铁工艺气体5 图2 1 高炉运行示意图1 4 图2 2 高炉模型简化图1 5 图2 3 热风炉结构图1 9 图2 _ 4 热风炉模型简化图2 l 图2 5 透平机静叶结构示意图2 3 图2 - 6t 】r 综合模型示意图2 5 图2 7 管接头模型( 多输入单输出) 2 5 图2 - 8 管接头模型( 单输入多输出) 2 6 图2 - 9 控制阀模型示意图一2 7 图2 1 0 透平机模型示意图一2 7 图2 1l 管路模型示意图一2 9 图3 1 高炉气体流程仿真模块3 2 图3 2 高炉气体流程仿真模块内部结构3 2 图3 3 高炉气体流程仿真模块的参数输入界面3 3 图3 4 热风炉压力计算模块3 4 图3 5 热风炉温度计算模块3 4 图3 - 6 热风炉压力计算模块内部结构3 4 图3 7 热风炉温度计算模块内部结构3 5 图3 8 高炉热风压力计算模块的参数输入界面3 5 图3 - 9 t r t 系统仿真模块一3 6 图3 1 0t i 汀系统仿真模块内部结构3 7 图3 1 l t l 盯系统仿真模块的参数输入界面3 8 图3 1 2 高炉炼铁气体流程整体仿真模型3 8 图3 1 3 管路& 除尘设备仿真模型3 9 图3 1 4 管路仿真模型参数输入界面3 9 x l 浙江大学硕士论文 图4 1 高炉炉顶出口煤气流量变化曲线4 2 图4 2 高炉炉顶煤气压力变化曲线4 2 图4 3 高炉炉顶压力变化曲线( 左侧g i = 7 0 k g s ，g i = 6 7 k g s ，料柱变化时) 。l ：； 图4 4 高炉炉顶压力变化曲线( 左侧g i = 7 0 k g s ，g i = 6 5 k g s ，风压交化时) 。4 4 图4 5 调整l ( r 后高炉炉顶压力变化曲线( 左侧g i = 7 0 k g s ，g i = 6 5 k g s ，风 压变化时) 一4 4 图4 - 6 高炉炉顶压力变化曲线( 左侧l = 2 3 m ，l = 2 5 m ，鼓风量变化时) 4 5 图4 7 不同流量信号下的高炉顶压变化曲线4 5 图4 8 高炉进出口流量变化曲线( 鼓风量6 5k g s 增至7 0 k g s ) 一4 6 图4 - 9 热风炉出口压力变化曲线钾 图4 1 0 n h 进出口压力容器压力变化曲线( 流量变化7 5 8 0 k e , s ) 一4 8 图4 1 1t l 玎进出口压力容器温度变化曲线( 流量变化7 5 8 0 k g s ) 一4 8 图4 1 2 透平机出口温度变化曲线( 流量变化7 5 - 8 0 k g s ) 一4 9 图4 1 3 不同减压阀开度下t r t 出口压力容器压力交化曲线( 流量变化 7 5 8 0 k g s ) 4 9 图4 1 4 进出口压力容器压力变化曲线( 流量变化7 5 8 0 k g s ，压力容器体积 l ：2 0 ) 5 0 图4 1 5 t r t 进出口压力容器压力变化曲线( 静叶开度变化时) 5 0 图4 1 6 t r t 进出l z l 压力容器温度变化曲线( 静叶开度变化时) 一5 l 图4 1 7 高炉顶压变化曲线( 静叶开度变化时) 5 1 图4 1 8 t r t 系统出口压力变化曲线( 静叶开度变化时) 5 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签薏椭 签字隅 书( 口年乡月 户 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝至三盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏墨堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签硼汤研 导师签名： 签字日期l 。年月l 。日 签字日期：。厶l 。年岁月。j 同 浙江大学硬士论文致谢 致谢 此篇毕业论文是对我研究生阶段在高炉炼铁工艺中气体流程的建模研究的 一个总结。在论文完成之际，我衷心地感谢我的导师杨春节教授两年多来对我孜 孜不倦的教育和指导。杨老师不但在在学习上给了我悉心指导，还在生活和工作 上给予了我无私的帮助，引导我一步步的走上正确的方向。杨老师渊博的专业学 识，严谨的治学态度和一丝不苟的工作作风给了我深深的启迪和教诲，这将是我 今后学习和工作的榜样。 宋执环教授、李平教授、卢建刚教授、吴铁军教授，宋春跃副教授等在课题 研究上曾多次给过我细心的指导，指出了我研究方法和研究内容上的不足，加深 了我对课题深度和广度的理解，他们渊博的学识和敏锐的学术思维开阔了我的研 究视野，在此表示诚挚的感谢。 感谢实验室的师兄吴平、刘希琳、陈文博、胡凯琳等对我的帮助和支持，能 够在研究生期间得到各位师兄的关怀和帮助，让我倍感亲切。 感谢何川、刘俊、周微、曹科杰、缪迪、王洪、李敏，沈正华、肖冬峰，凌 飞等，能够有机会在研究工作中与你们合作让我获益良多，在此感谢各位曾给予 过我的无私帮助。 感谢我的好友邹良港、谢赞、许涵之和薄秋实，在求是园求学的日子能有你 们的陪伴是一件值得欣慰的事情。 感谢所有关心帮助过我的老师、同学和朋友们。 感谢我的父母、家人对我的关心、支持和理解。 感谢我的母校对我的培养，求是园将是我永远的家! 杨海舟 反脚年元月亏求是园 浙江大学硬士论文绪论 第1 章绪论 摘要：能源问题和环境问题是2 l 世纪最重要的问题之一，降低能耗和保护环境 是当前我国坚持可持续发展的必由之路。钢铁工业作为能耗大户和污染大户，节 能减排更是势在必行高炉炼铁生产过程的不稳定性是目前造成能耗过大和排放 过多的重要原因之一。研究高炉炼铁工艺中的气体流程，是协调高炉炼铁各个单 元的工作从而提高生产过程稳定性的有效方式本章介绍了本课题的背景和意 义，简要描述了高炉炼铁工艺的气体流程和研究发展现状，并介绍了全文的组织 结构和内容安排。 关键词：节能减排，气体流程，协调，稳定性 1 1 论文的背景及意义 1 1 1 节能减排的意义 改革开放以来，我国经济建设取得了举世瞩目的辉煌成就，实现了人民生活 由温饱不足向总体小康的历史性跨越。但与此同时，粗放型的经济增长模式，也 使我们付出了巨大的资源和环境代价1 9 7 9 年至2 0 0 7 年间，我国国内生产总值 年均实际增长9 8 ，大大高于同期世爨经济年平均增长速度，而与之形成鲜明 对比的是，我国单位g d p 能耗远远高于世界平均水平。同时污染物排放也持续增 加，据国际能源总署的相关报告表明，中国己经跃升为全球二氧化碳排放量最大 的国家，年排放量达到近6 0 亿吨，这给环境保护造成了巨大压力。能源消耗过 大和污染物排放过多已经严重制约了我国经济的可持续发展，成为了当前和今后 相当长一个时期内，制约经济社会发展的突出瓶颈。 我国幅员辽阔，能源资源总量比较丰富。能源工业的迅速发展，为保障国民 经济持续快速发展做出了重要贡献。但由于人口众多，人均能源资源拥有量相对 不足，随着中国经济的较快发展和工业化、城镇化进程的加快，能源需求和环境 污染不断增长，能源供应和环境保护面临着日益重大的挑战。进入2 1 世纪，能 源问题和环境问题已经成为人类社会面临的重大挑战之一，这两个问题解决得好 浙江大学硕士论文绪论 不好，直接影响到经济发展和社会稳定，同时也直接关系到我国的国际形象。因 此要实现经济社会的可持续发展，必须走节能减排的可持续发展道路。2 0 0 6 年3 月2 4 日十届人大四次会议通过的中华人民共和国国民经济和社会发展第十一 个五年规划纲要明确提出，到2 0 1 0 年，单位国内生产总值能源消耗比2 0 0 5 年降低2 0 左右，主要污染物排放总量减少1 0 j l 。n 1 i i 2 节能减排的现状及生产过程稳定性的意义 钢铁工业是国民经济建设的重要基础产业和支柱产业，也是节能减排潜力最 大的行业之一。在国家工业化的道路中，钢铁工业的快速发展曾经走了很多高污 染和高能耗的弯路，尽管近年来随着技术的进步和工艺水平的提高，钢铁行业的 能耗指标不断降低，但是与国外先进水平相比，依旧存在着很大的差距。钢铁行 业是能耗大户，2 0 0 5 年钢铁行业耗能3 6 亿吨标煤，占全国总能耗2 2 3 3 亿吨 标煤的1 6 1 1 。n 1 而在钢铁工业中，炼铁系统的能耗占到了总能耗的6 9 4 1 在污染物排放方面，钢铁工业的污染物排放总量占到了工、农业和日常生活污染 物排放总量的1 5 左右口1 。其中，钢铁工业粉尘年排放量约1 2 0 万吨，占全国工 业总排量的1 5 ，废水和废料的产生量也占到工业总排量的8 以上。州而其中炼 铁系统影响较大，它的粉尘、s 0 ：和c o ：排放量占钢铁工业总排量的5 0 以上。b 旬 由此可见，炼铁系统承担了钢铁工业节能减排和降低成本的主要任务，是钢铁工 业节能减排的重点。 据统计，1 9 8 0 年至2 0 0 5 年期间，我国大中型钢铁企业的吨钢可比能耗从 1 2 8 5 k g c e t 降到了7 1 4 k g c e t ，降低了4 4 4 3 ，钢铁工业节能降耗取得了一定 成就。然而，当前我国钢铁冶金工业的能耗仍然明显高于世界主要产钢国的能耗 水平，而企业间能耗水平差距较大，部分企业的高炉煤气放散率大，既增大了能 耗，又对环境造成了负担目前，国内外高炉炼铁能耗和排放产生明显差别的重 要原因之一是生产过程的稳定性因此，研究如何提高炼铁生产过程的稳定性， 从而降低炼铁过程的能耗和减少污染物的排放，不仅有利于提高我国钢铁工业经 济效益和市场竞争力，同时对于节能减排和逐步实现我国的可持续发展战略也具 有非常重要的意义 2 浙江大学硕士论文绪论 炼铁企业的节能降耗的主要方向包括几个方面：秘1 1 ) 管理节能。通过现代化的管理理念和管理制度，提高炼铁系统中各个部 门的生产水平，从而实现节能的目的。 2 ) 结构节能。通过采用先进的炼铁工艺，改进炼铁设备的工艺结构，从而 提高炼铁生产的效率，以达到节能降耗的目的 3 ) 技术节能。利用当前的先进技术，对高炉炼铁工艺进行控制和优化，提 高高炉炼铁工艺的自动化水平，从而促进炼铁过程的节能和优化。 常见的理论研究主要以技术节能为主展开，通过先进的控制理论和优化技 术，尽可能地提高炼铁工艺的控制水平，从而实现高炉炼铁生产的稳定和效率的 优化其中生产过程的稳定性和效率的优化又相互关联，生产过程的稳定性直接 关系到生产的安全性，它不仅是高炉炼铁工艺改进的前提，同时也有利于减少由 生产波动所造成的能源损失和环境污染，从而最大程度地实现高炉炼铁生产的节 能减排 而在利用技术改进炼铁工艺的研究中，由于高炉炼铁过程十分复杂，而且时 间尺度各有不同，因此一直处于局部研究和优化的阶段，缺乏整体协调的考虑， 并不利于进一步提高炼铁过程的稳定性因此如何建立高炉炼铁工艺中各个单元 之间的联系，促进各个单元之间的相互协调，就显得意义重大。 1 2 炼铁工艺介绍 1 2 1 炼铁工艺中气体流程的定义 高炉炼铁是一个十分复杂的过程，它包括了大量的物料流动和能量转换。其 中物料流动主要包括固态( 各种矿石原料) ，液态( 铁水) 和气态( 空气、煤气) 三种高炉炼铁生产主要由以下几个部分组成：上料系统、送风系统、喷吹煤粉 系统、煤气除尘系统、高炉煤气余能回收系统、渣铁处理系统以及高炉本体。在 高炉炼铁生产中，高炉是工艺流程的主体，也是物料流动过程汇集的场所，高炉 3 淅江大学硕士论文绪论 的主要操作制度包括送风制度、上料制度、造渣制度和热制度等。高炉炼铁生产 的工艺流程图伸1 如图1 1 所示： l 鼓风机 叵 i一 l 坩 高 炉 图1 i 高炉练铁工艺浼程 总的来说高炉炼铁过程具有以下几个特点： 管网 1 ) 高炉冶炼过程是一个在高温状态下的进行的复杂物理、化学与传输过程。 n 其中涉及到复杂的物料流动和能量流动过程，其中的物料流动更是包括固态， 液态和气态的复杂混合 2 ) 高炉炼铁过程的重要反应都发生在较为封闭的容器内部，且内部环境较 为恶劣，对检测条件要求很高，不利于观测和监控，因此对了解和分析其内部过 程增加了难度 3 ) 高炉炼铁的整个过程具有滞后大、噪声大、非线性强、多时间尺度和分 布参数等特征，不利于数据的获取和验证，从而使得系统的模型研究具有了很大 困难。 工业现场中，高炉炼铁过程的工艺十分复杂，能引起高炉炼铁的过程波动的 因素也十分众多，而且一些因素之间相互耦合，使得系统的复杂度急剧增加，不 利于分析。 所谓的高炉炼铁工艺气体流程，就是指从鼓风机鼓风开始，气体经过热风炉 加热，经过高炉炉口送入高炉，经过冶炼，生成高炉煤气，从高炉炉顶排除后经 4 淅江大学硬士论文绪论 过一系列除尘设备和t r t 装置后最终进入煤气管网的气体流动过程。高炉炼铁工 艺气体流程如图1 - 2 所示： 图卜2 高炉炼铁工艺气体 其中主要包括以下几个单元：鼓风机热风炉高炉、除尘设备，t r t 系统 以及各类管道阀门。鼓风机用于供给高炉冶炼所需的气体。热风炉是为高炉加热 鼓风的设备，主要目的是提高进入高炉的气体温度，以达到提高高炉冶炼效率的 目的加热后的气体送入高炉进行反应，产生大量高炉煤气，从高炉炉顶排除。 除尘设备包括重力除尘设备和干法除尘设备等，主要用于高炉煤气除尘。t r t 即 高炉煤气余压回收透平发电装置( t o pg a sp r e s s u r er e c o v e r yt u r b i n eo n i t ， 简称“t r t ”) l n l ，它通过煤气透平膨胀机将高炉煤气的压力能和部分热能转变为 电能，回收二次能源。 1 2 2 炼铁工艺气体流程研究的意义 由1 2 1 的介绍可以看出，高炉炼铁工艺中的气体流程是整个高炉炼铁系统 中的一个部分，它相对于其他物料流动具有如下特点： 1 ) 动态响应快，避免了多时间尺度的问题。 由于气体过程的流动比固体和液体物料流动要快得多，气体参数的动态响应 能实时地反映和调节高炉炼铁过程的状态，因此可以通过改变气体参数来快速的 调节高炉炼铁过程中的各项指标，这对于维持高炉炼铁的稳定性具有重要的作 用。 2 ) 参数比较统一，且能反映各个部分的重要特性 s 浙江大学硬士论文绪论 气体参数相对集中，主要包括温度、压力和流量，有利于建立统一的数学模 型。而且，这些气体参数涉及了大量高炉炼铁的重要指标，其中包括直接影响高 炉冶炼反应的热风压力，热风温度和鼓风流量，以及直接反应高炉炼铁过程稳定 性的炉顶压力和影响煤气放散的高炉煤气发生量等。这些重要参数从一方面反映 了高炉炼铁的整体状况，同时也直接影响到高炉炼铁的效率和稳定性。 3 ) 调节手段较多，且具有实时性。 目前的高炉炼铁工艺中，供料的数量和品质直接影响到高炉的冶炼过程，由 于铁矿石等固相原料的品质控制具有时间尺度大和滞后等特点，所以很难进行实 时的调整。而气体的品质则可以根据当前的生产状态，通过送风制度、热制度以 及一系列阀门的控制作用来进行调节，从而减小炼铁过程的波动和提高炼铁过程 的效率 由此可见通过研究高炉炼铁过程中的气体流程，能很大程度上反映高炉炼铁 流程的稳定性，为炼铁操作的调节提供依据，从而有效地保证高炉炼铁的平稳运 行和节能减排。 1 3 研究现状和存在的问题 1 3 1 炼铁工艺建模的研究现状 钢铁工业作为国民经济的支柱产业之一，一直以来都是建模研究的重要对 象。与炼铁工艺相关的建模研究涉及各个方面，主要的研究方向可以概括为四个 方面： 1 ) 高炉本体的建模研究 高炉本体的建模发展最早，这主要也是由于高炉本体冶炼过程的复杂性所 致。在高炉本体数学模型的研究方面，日本一直处于世界领先水平，从最早的一 维稳态模型到后来的多相流模型、专家系统等，高炉本体的模型研究取得了较大 发展。n 2 1 6 浙江大学硬士论文绪论 文献【1 3 - 1 9 】试图通过机理分析高炉内部物质的流动机制，建立高炉本体的 多相流模型，属于较为复杂的反应动力学模型。模型中包括气体、液体、颗粒和 粉相等多种状态，充分考虑了各相态之间的耦合作用，体现了它们之间相互关系。 这类模型虽然能够一些过程现象用数学方程定量地表达出来，但由于高炉过程的 复杂性，其中存在这大量的模糊性，许多现象是无法进行定量描述的，因此存在 着较大的局限性。 在此基础上，人工智能系统开始发展起来。文献【2 0 - 2 1 】所研究的专家系统 旨在用智能系统去模拟高炉的运行，可以进行模糊推理，能够对高炉的炉况进行 一定程度的综合判断和控制，克服了数学模型适应性较差的问题，但其缺点是知 识库不易维护。此外还有如文献【2 2 】和【2 3 】中所研究的基于神经网络的高炉铁水 硅含量预测模型等。总的来说，以上几种模型均有助于分析高炉内部的反应状态， 但由于涉及的影响因子过多，反而利于整体流程的协调研究，因此并不适合用于 气体流程的整体建模和分析中 与动力学模型相对应的还有热化学模型，如文献【2 4 】中所提出的里斯特操作 线以及文献【2 5 】中所研究的高炉顶压模型。所谓热化学模型，是指不考虑高炉内 部的物理化学反应速度，而是主要通过能量平衡和物料平衡来建立高炉的数学模 型乜日这类模型虽然不利于准确地分析高炉冶炼的具体过程，但可以降低模型的 复杂度，同时也有利于分析整体流程之间的相互影响，因此其建模方式可以为本 文提供一定的参考 2 ) 高炉送风系统的建模研究 高炉送风系统主要包括鼓风机单元和热风炉单元两个子系统。其中鼓风机的 主要作用就是为高炉冶炼提供必要的空气，是以满足高炉生产为目标的。目前 涉及到的鼓风机建模并不多，由于在高炉炼铁工艺的气体流程中，鼓风机主要作 为输入端，提供了相应的气体参数的初始值，因此在本文的研究中可以暂时不考 虑鼓风机本身的建模问题。 热风妒的建模与控制主要有基于数学模型和人工智能两种形式：基于数学模 型的优化控制的代表主要有日本川崎钢铁公司千叶厂5 号高炉热风炉的优化系 7 浙江大学硕士论文 绪论 统和德国西门子公司的热风炉优化数学模型；人工智能的则以日本川崎钢铁公司 水岛厂3 号高炉的热风炉燃烧自动控制系统为代表。m 1 其中数学模型的形式可以 为本文的整体研究提供参考，以此建立各个单元的动态模型。 3 ) 高炉上料系统的建模研究 高炉上料系统包括了最初的料场原料管理系统到之后的炉料烧结系统以及 进入高炉前的布料系统三个主要部分。其中的料场管理系统更多的是属于物料的 调度管理范畴，时间尺度较大，很难与高炉冶炼的实时性结合起来。而对于高炉 炉料烧结矿系统的研究虽然有助于稳定高炉进料的品质波动，从而提高高炉炼铁 的稳定性，但同样由于其响应周期较长，且炉料传输过程是离散的，其偏差很难 规律地反映到高炉本体冶炼过程中 相对来说高炉上料系统对于本文讨论的高炉炼铁工艺气体流程产生的影响 较为直接，应该可视其为整体模型的一个输入。但目前针对高炉上料的研究主要 以布料建模为主，例如文献【2 9 - 3 0 主要针对高炉无钟布料的具体操作进行建模， 目前这方面的研究还是偏工艺为主，直接利用到整体模型中来只会不必要地增加 模型复杂度，并不可取。 4 ) 高炉煤气余能回收装置的建模研究 高炉t r t 系统建模主要以高炉顶压控制为目标，由于t r t 的发展相对较晚， 目前关于t r t 系统建模的研究还相对较少。我国在这方面的建模与控制研究发展 较为迅速，目前国内以t r t 顶压稳定性高精度控制技术及基于阻力系数等效的 炉顶压力控制方法玎为代表，已经达到了国际先进水平 文献【3 4 】通过简化高炉运行过程，建立了高炉t r t 顶压控制的数学模型，由 于目标旨在实现t r t 的正常投运，对于高炉的操作和动态变化考虑不够，但其思 路可以为本文整体研究提供参考。 上面介绍了当前炼铁工艺建模的几个主要研究方向，其中，各个方向又包含 各自的子系统，由此可以看出高炉炼铁过程十分复杂，尤其是高炉内部的冶炼过 程。就工业实际来说，虽然炼铁工艺是一个整体的过程，但由于工艺流程复杂， 8 渐讧大学硬士论文绪论 各个单元之间可能归属于不同的部门，相互之间的操作存在一定的独立性，因此 主要以各自的局部优化为主，这也是当前建模研究一直停留在局部范围的重要原 因之一 但是要进一步提高高炉炼铁过程的稳定性，则必须去除观念的束缚，以全局 的眼光去分析和研究高炉炼铁的工艺过程，只有这样才有可能实现各个单元之间 的相互协调和优化控制 1 3 2 炼铁工艺建模的闻题 1 2 1 和1 2 2 节分别介绍了高炉炼铁工艺中的气体流程的概念及其研究的 意义，1 3 1 和1 3 2 节分别介绍了当前炼铁工艺的建模研究现状以及中间存在 的问题 如上文所述高炉炼铁过程生产的稳定性对提高产品质量、节能减排和安全生 产都有着十分重大的意义，这就需要从整体上对高炉炼铁工艺进行建模和研究。 炼铁工艺流程十分复杂，根据响应周期的长短可以将其分为响应较慢的固体流程 ( 主要包括从料场管理、烧结、高炉上料到出料的一系过程) 和气体流程两大部 分。其中影响高炉炼铁的因素众多，目前已有的建模与控制研究，主要以局部建 模优化为主，而且各个部分的建模目标并不一致，从而导致建立的各个单元模型 之问无法有效地关联起来。例如高炉的多相流模型和专家系统，虽然能更好的反 映高炉内部的生产状况，但却很难与其他单元模型之间建立有效快速的响应。这 些模型虽然能一定程度上达到炼铁工艺优化的目的，但是由于缺乏整体问的协 调，必将不利于整个炼铁过程的稳定性和进一步的优化。 由此可见，建模的局部性和建模目标的不一致性是当前高炉炼铁工艺建模研 究中存在的主要问题。高炉炼铁工艺中的固体流程和气体流程均能从各自的方面 反映高炉炼铁的整体状况，其中气体流程响应迅速，更适合整体建模和研究。因 此，通过对高炉炼铁工艺的气体流程研究，有助于将来高炉炼铁的流程协调优化， 对提高高炉炼铁的总体效率和稳定性，有着至关重要的作用。 1 4 章节安排 9 浙江大学硬士论文 绪论 论文由四章组成，主要内容如下： 第一章从节能减排的意义和钢铁工业的节能减排现状出发，提出了高炉炼铁 工艺的稳定性对于钢铁工业节能减排的重大意义，从而引出了课题的研究内容和 研究意义。 第二章将介绍高炉炼铁 re 气体流程中各个主要环节的数学模型。通过机理 分析各单元的工作特性，建立相应的能量平衡和质量平衡方程，并结合实际情况， 对其进行合理的简化和假设，从而得到各个单元的动态数学模型。 第三章将针对第二章建立的单元模型，通过m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具箱建 立高炉炼铁工艺气体流程中各个环节的仿真模型库，为气体流程动态特性的研究 提供仿真平台经过系统封装后的仿真模块具有良好的界面，避免了模型过于复 杂的干扰，有利于进一步研究的展开。 第四章将在第三章建立的m a t l a b 仿真平台的基础上，针对不同条件的变化 进行仿真测试，并分析高炉炼铁工艺气体流程的动态特性。模型参数的选取将结 合工业实际数据在合理的范围内选取。通过模拟和分析仿真模型的动态响应，可 以反映各个单元之间的相互影响，以便于从整体上明确控制目标，从而有利干找 到各个单元之间相互协调的控制策略，进而更好地保证高炉炼铁工艺过程的稳定 性。 1 5 本章小结 1 1 节阐述了论文的背景和意义。首先从我国的能源现状入手，分析了节能 减排对经济社会的重大意义；然后通过分析当前钢铁行业的节能减排现状，提出 高炉炼铁过程稳定性对节能减排的重要作用，从而引出本文的研究内容。 1 2 节介绍了高炉炼铁的工艺中气体流程的概念，其主要涉及的单元包括热 风炉、高炉t r t 以及除尘设备等然后分析了气体流程中包含的重要参数及其 对高炉炼铁过程稳定性的影响，从而说明了对高炉炼铁工艺气体流程进行研究的 意义所在。 l o 浙江大学硬士论文绪论 1 3 节简要地阐述了我国钢铁行业的研究现状，从中分析了目前研究中存在 的一些问题和问题产生的原因。结合1 2 节，从中可以发现对于高炉炼铁工艺气 体流程的整体研究将有助于更好的从整体上把握生产过程的稳定性，以更好地实 现节能减排的目的但是具体的协调，如何控制，如何更好的应用还需进一步的 研究和探讨。 1 4 节简要的介绍了整篇论文的组织结构和框架。 浙江大学硬士论文炼铁工艺中气体洗程模型研究 第2 章炼铁工艺中气体流程模型研究 摘要：本章旨在针对高炉炼铁工艺气体流程中的主要环节进行数学建模，以为之 后的过程研究和仿真测试提供基础主要基于能量平衡和质量平衡等基本方程， 经过合理的简化和假设，通过机理分析的方式得到各个部分的动态数学模型其 中包括热风炉、高炉、t r t 系统以及中间的除尘设备和管路几大部分得到的模 型中包含了气体温度、压力和流量等主要性能参数，可以由此将各个单元之间的 气体流程串联起来，实现相互协调的目的 关键词：气体流程，数学建模，机理分析，动态 2 1 高炉气体流程数学模型 2 1 1 高炉机理分析 高炉作为炼铁发生的主要场所，对炼铁过程的稳定和出铁的质量起到了至关 重要的作用。影响高炉冶炼的因素十分复杂，包括料线、烧结矿质量、风量、风 温、热风压力，喷煤量和富氧量等众多因素，各个因素之间又会彼此影响，因此 目前针对高炉的研究虽然众多，但大多针对特定生产条件下的特定目标进行建模 和控制。这里，本文主要针对气体输入输出参数进行研究，通过机理分析和简化。 获得相应的模型。 高炉是气体、液体和固体三相流共存的反应器，其中气体流动与固体流动和 液体流动逆向，因此可以将高炉中的物料流动概括为两个方面： 1 ) 首先，当高炉冶炼时，经过热风炉加热后的高温气体从高炉风i = 1 鼓入， 与炉内的炉料发生复杂的氧化还原反应，将铁矿石还原成生铁，并生成大量的高 炉煤气从炉顶排出。 2 ) 与此同时，随着炼铁过程的进行，铁水和炉渣从炉缸排出，高炉料柱逐 渐下降，一旦料面达到上料点时高炉从炉顶上料 高炉运行示意图如图2 1 所示： 1 3 渐江大学硕士论文炼铁工艺中气体流程模型研究 槲一、；厂_ - - - - - - o 气 图2 1 高炉运行示意图 口 从图中可以看到，高炉料柱自上而下可以分为五个主要部分- 块料带，软融 带、滴落带，风口带和渣铁带。1 3 5 】经过热风炉加热从风口吹入，风口前的焦炭 由于鼓风动能的作用在而产生剧烈回旋和燃烧，形成回旋区，这里是初始煤气流 分布的起点。产生的煤气进入软融带进行横向移动，在横向移动过程中，由于料 块气孔和料块问空隙的急骤减少，还原过程几乎停顿，同时煤气流经软融带的阻 力也大增。 3 6 j 之后，煤气自下而上通过块料带，此处的铁矿石和焦炭固态层次 较为明显，料块之间的间隙形成煤气的通道，主要进行气体的间接还原反应。煤 气进过块料带后从高炉炉顶放出，经过一系列除尘设备和t r t 余能回收装置之 后，一部分煤气供给热风炉进行燃烧加热，剩余的煤气进入管网后分配到各个用 户使用。 1 4 浙江大学硕士论文炼铁工艺中气体流程模型研究 2 1 2 基本简化与假设 高炉是气体、液体和固体三相流共存的反应器，在炉内气体、液体与固体流 的逆向运动中，完成冶炼过程的传热、传质和化学反应过程。这些流体的力学过 程就构成了高炉冶炼的基础。c 3 7 1 结合上文分析和工业实际，对高炉进行如下假 设： ( 1 )高炉风口带处的温度较高，也是反应的主要区域。当正常工况下，此处 的反应处于平衡状态 ( 2 )软融带的相对高度、厚度和形状对高炉炼铁过程有很大的影响在高炉 平稳运行时，可以认为软融带基本维持不变。因此反应容器的体积基本稳定，影 响高炉反应系数的因素主要来自风口 ( 3 )高炉料柱的料块之间的间隙可以看成一个个小管束，高炉煤气在其中运 行的过程中主要产生压力的损失 ( 4 )高炉煤气通过料柱后进入高炉妒顶，高炉炉顶相当于一个容器，其体积 相对稳定，主要受料面变化的影响 基于以上几点假设，可以对高炉模型进行适当的简化。这里，将高炉简化为 反应容器和压力容器的串联模型i 3 引。柱料对高炉气体的影响等效为该反应容器 与压力容器之间的等效可变阻尼【3 9 1 。简化后的高炉模型如图2 2 所示： 高炉 高炉 t o ， p o _ 舅 g o t i - 一 p 2 p i 埘 g i l 口炉】! 投胜得器 压力容器 图2 - 2 高炉模型简化图 1 5 浙江大学硕士论文 炼铁工艺中气体流程模型研究 2 1 3 高妒数学模型 ( 1 ) 反应容器模型 高炉煤气生成过程模型可用经验公式表示如下f 3 4 1 ： g l 阶量t , s + i g i - b f ( s ) ( 2 - 1 ) 式中：g 骶( s ) 为高炉风口的气体质量流量，g i ( s ) 为冶炼过程生成煤气的质 量流量，和t 为反应常数，此参数和鼓风流量，热风压力、富氧量、喷吹煤 粉量、高炉料柱、高炉结构等有关 根据假设l 和2 ，由理想气体状态方程可得： 土豆：盟王 只肼g i 肝岛t i 肼 ( 2 - 2 ) 置b r 为高炉风口的压力，鼻为反应容器出口的压力。g i 瑚高炉