（计算机应用技术专业论文）基于料面温度场和布料模型的高炉煤气流分布在线检测方法及应用.pdf

中南大学博士学位论文摘要 摘要 煤气流分布状况直接影响高炉煤气热能和化学能的利用效率，关系到 炉内温度分布、软熔带结构、炉墙热负荷、高炉热平衡状态以及高炉炉况 的稳定顺行，高炉操作在很大程度上就是在于谋求合理、适宜的煤气流分 布。但是，高炉是一个高温、高压、密闭的容器，高炉内煤气流分布检测 问题是一个典型的“黑箱”问题，直接检测高炉内煤气流分布十分困难，在 一般检测设备条件下，操作人员需要利用高炉生产过程的温度、压力、炉 料分布等多种过程信息间接推断煤气流分布。因此，研究煤气流分布在线 检测及其分布性能评价方法，对于协助操作人员判断高炉煤气流分布和炉 况、指导高炉布料操作优化来获取合理煤气流分布、实现高炉冶炼优质、 高产、低耗、长寿的生产目标，具有现实的经济和科学指导意义。 本文在分析高炉料面温度场、料层矿焦比和煤气流分布关系的基础 上，研究了综合多种高炉过程信息间接推断煤气流分布、评价煤气流分布 性能及其变化趋势的问题，提出了三个模型的建模方法和一个评价指数形 式，探讨了高炉煤气流分布在线监测系统的关键实现技术。主要包括提出 了基于红外图像处理的料面温度场建模方法、基于运动学分析的高炉布料 模型建模方法、基于可拓评价理论的煤气流分布性能评价模型建模方法， 以及一种表征炉料分布的矿焦比指数化形式，建立了高炉煤气流分布综合 监测系统，并且得到较好的实际应用效果。 本文主要研究工作和创新点如下： ( 1 ) 提出了一种基于红外图像的料面温度场建模方法。 本文在分析料面温度场分布特性基础上，提出了一种基于红外图像的 料面温度场建模方法，重点研究了料面温度场模型图像特征提取和温度定 标两个关键问题的解决方法。针对高炉内环境复杂、干扰较多、料面温度 分布形态多样性的特点，以合理反映煤气流分布区域为图像识别原则，提 出了基于时间和空间尺度的混合滤波法、基于经验知识和信息熵的最佳阂 值选择策略、基于轮廓跟踪和中心定标算法的料面温度场特征提取方法， 通过料面温度场间接反映高炉煤气流分布，协助操作人员判断煤气流分布 的稳定性、偏心度、“管道 异常等炉况。针对红外图像灰度与温度对应关 系存在不确定性的问题，提出了一种基于图像灰度统计分布的高炉温度场 动态定标算法，该算法能够对灰度分级阈值在线自适应学习，动态地建立 温度定标关系，较好地反映了高炉内炉况变化和温度场变化情况。 ( 2 ) 提出了一种基于运动学原理的布料模型建模方法。 中南大学博士学位论文目录 针对无料钟高炉难直接监测炉料分布的情况，本文借助运动学原理、 统计规律、专家经验等数学方法建立高炉布料模型，与传统布料模型相比， 该模型综合考虑了料面下降、煤气流速度、焦层塌落对料面形状的修正， 通过q r 料流模型、料流轨迹模型、炉料分布模型以及矿焦比计算模型获 得高炉的径向矿焦比分布。基于料层分布的煤气流分布预测方法通过建立 布料模型获取料层的矿焦比曲线，通过矿焦比曲线的形态来间接反映煤气 流的分布形态。 ( 3 ) 提出了一种表征炉料分布状态的矿焦比指数化形式。 在高炉生产中，准确了解高炉内炉料分布状态是调节高炉煤气分布， 确保高炉达到理想热平衡状态的必要条件。针对传统的操作模式依据专家 经验只能定性分析炉料和煤气流分布的问题，本文提出了矿焦比指数的概 念，通过矿焦比指数化方法表征不同区域内矿石和焦炭的分布综合指标， 定量化指示炉料分布状态。 ( 4 ) 提出了一种煤气流分布可拓评价模型。 针对影响煤气流分布因素多、关系复杂的问题，本文根据煤气流分布 在高炉料面温度场、炉料分布、煤气成份等过程信息中的特征表现，提出 了煤气流分布状况评价指标体系、高炉生产工艺流程中煤气流分布的评价 参数和评估方法，建立了高炉煤气流分布性能可拓评估模型，采用定性分 析和定量计算相结合的方法对高炉煤气流分布状况进行综合评价，指导高 炉布料优化操作，获得理想的高炉煤气流分布状态。 ( 5 ) 建立了基于料面温度场和布料模型的煤气流分布在线监测系统。 研究高炉煤气流分布在线监测系统的设计方法，从工程实现的角度阐 述了系统实现的关键技术，包括数据库技术、o p c 通信技术、o p e n g l 三 维显示等可视化技术。在一般检测设备条件下，通过综合料面温度场、矿 焦比分布等高炉过程信息，建立高炉煤气流分布在线监测系统，实现了对 高炉煤气流分布状态的实时监测、异常报警与诊断。系统的运行为高炉布 料优化提供了实时的指导，避免了高炉布料操作的盲目性，从而保证高炉 生产稳顺运行，产生良好的经济社会效益，具有较好的推广应用前景。 关键词高炉，煤气流，料面温度场，动态温度定标，图像识别，布 料模型，矿焦比指数，可拓评价，在线监测 i i 中南大学博士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t t h ed i s t r i b u t i o no ft h eg a sf l o wn o to n l ya f f e c t si t su t i l i z a t i o n e f f i c i e n c yo f h e a te n e r g ya n dc h e m i c a le n e r g yd i r e c t l y , b u ta l s oi sr e l a t e dt o t h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r e ，t h es t r u c t u r eo fc o h e s i v ez o n e ，t h eh e a tl o a d o fs h a rw a l l ，t h e r m a le q u i l i b r i u ms t a t ea n dt h es t a b l ea n dm o v e a b l e o p e r a t i o n a lc o n d i t i o ni nab l a s tf u r n a c e ( b f ) t h ep u r p o s eo fo p e r a t i o no f t h eb fi st og e tar e a s o n a b l ed i s t r i b u t i o no ft h eg a sf l o wi nal a r g ee x t e n t h o w e v e r ，b fi s a na i r t i g h tc o n t a i n e rw i t hh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g h p r e s s u r e i ti sv e r yd i f f i c u l tt om e a s u r i n gt h ed i s t r i b u t i o no fg a sf l o wi na b fd i r e c t l y , w h i c hat y p i c a l “b l a c kc a s e q u e s t i o n o p e r a t o r so f t e n e s t i m a t et h ed i s t r i b u t i o no ft h eg a sf l o wi n d i r e c t l yu n d e rt h eg e n e r a l m e a s u r ee q u i p m e n t sb ym a k i n gu s eo ft h ep r o d u c t i o np r o c e s si n f o r m a t i o n s u c ha st e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，b u r d e nd i s t r i b u t i o na n ds oo n s oi tw i l l m a k eag r e a ts e n s ep r a c t i c a l l yi ne c o n o m ya n ds c i e n c et oi n v e s t i g a t et h e m e t h o df o ro n 1 i n ed e t e c t i n gd i s t r i b u t i o no ft h eg a sf l o wa n de v a l u m i n gi t s d i s t r i b u t i o np e r f o r m a n c e ，w h i c hw i l la s s i s tt h eo p e r a t o r st oj u d g et h eb f c o n d i t i o n sa n dt oo p t i m i z et h eb u r d e nc h a r g i n gt oa c h i e v et h eo p e r a t i o n a l l g o a l st h a ta r eh i g h q u a l i t y , h i g hy i e l d ，l o wc o n s u m p t i o n a n d l o n g e v i t y i nt h i sp a p e r ，t h er e l a t i o n s h i p sa m o n gs u r f a c et e m p e r a t u r eo fb u r d e n ， o r e t o c o k er a t i oa n dg a sf l o wd i s t r i b u t i o na r ea n a l y z e d t h ep r o b l e mt o e s t i m a t et h eg a sf l o wd i s t i l b u t i o ni n d i r e c t l ya n de v a l u a t ei t sd i s t r i b u t i o n p e r f o r m a n c ea n dg r o w t ht r e n di ss t u d i e dc o n s i d e r i n ga l lk i n do fp r o c e s s i n f o r m a t i o ni nb f 硼1 r e em o d e l si n c l u d i n gt h e i rm o d e l i n gm e t h o d sa n da n e v a l u a t i n gi n d e xa r ep r o p o s e da n dt h ek e yt e c h n i q u e st oe s t a b l i s ho n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e mf o rt h eg a sf l o wd i s t r i b u t i o ni nb fa r ed i s c u s s e d t h e y a r et h em e t h o dt oe s t a b l i s hb u r d e ns u r f a c et e m p e r a t u r ep r o f i l em o d e lb a s e d o n i n f r a r e d i m a g e i d e n t i f i c a t i o n t h em e t h o dt oe s t a b l i s hb u r d e n d i s t r i b u t i o nm o d e lb a s e do nk i n e m a t i c st h e o r y , t h em e t h o dt oe v a l u a t et h e g a sf l o wd i s t r i b u t i o np e r f o r m a n c eb a s e do ne x t e n s i o ne v a l u a t i o nt h e o r y a n da no r e t o c o k er a t i oi n d e xt o p r e s e n tt h eb u r d e nd i s t r i b u t i o n a p r a c t i c a l o n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e m f o r g a s f l o wd i s t r i b u t i o ni s i m p l e m e n t e ds u c c e s s f u l l y i i i 中南大学博士学位论文a b s t r a c t i h em a i nw o r k sa n di n n o v a t i o n sa r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) m o d e lo fb u r d e ns u r f a c et e m p e r a t u r ep r o f i l eb a s e do ni n f r a r e d i m a g ei sp r e s e n t e d w i t ht h ec h a r a c t e r so fb u r d e ns u r f a c et e m p e r a t u r eb e i n ga n a l y z e d ，a m e t h o dt oe s t a b l i s hb u r d e ns u r f a c et e m p e r a t u r ep r o f i l eb a s e do ni n f r a r e d i m a g ei d e n t i f i c a t i o ni sp r o p o s e d i te m p h a t i c a l l yp u t sf o r w a r ds o l u t i o n st o t w ok e yq u e s t i o n s ，i e ，f e a t u r ee x t r a c t i o no fi m a g ef o rb u r d e ns u r f a c e t e m p e r a t u r ep r o f i l em o d e la n dc a l i b r a t i o nb e t w e e nt e m p e r a t u r ea n di m a g e g r a y c o n s i d e r i n gc o m p l i c a t e de n v i r o n m e n ti nt h eb fw i t ht h ev a r i o u s p a t t e r n so ft h eg a sd i s t r i b u t i o na n di t sv a r i o u sd i s t u r b a n c e ，t h i sp a p e rd r a w s r e a s o n a b l yt h ep r i n c i p l eo fr e f l e c t i n gt h ec h a r a c t e r so fg a sf l o wd i s t r i b u t i o n f o ri m a g ei d e n t i f i c a t i o na n dp r o p o s e saf i l t e ra l g o r i t h mb a s e do nb o t ht i m e a n ds p a c es c a l e s ，a no p t i m i z e ds t r a t e g yo fc h o o s i n gt h r e s h o l db a s e do n e m p i r i c a lk n o w l e d g ea n di n f o r m a t i o ne n t r o p ya n dac h a r a c t e re x t r a c t i n g a l g o r i t h mo fb u r d e ns u r f a c et e m p e r a t u r ep r o f i l eb a s e do na c o n t o u r f o l l o w i n gt e c h n o l o g ya n da c e n t r a lc a l i b r a t i o na l g o r i t h m t h eb u r d e n s u r f a c et e m p e r a t u r ep r o f i l ec a nr e f l e c tt h eg a sf l o wd i s t r i b u t i o ni n d i r e c t l y , w h i c hc a nh e l pt h eo p e r a t o r st oj u d g et h es t a b i l i t y , t h es h i f td e g r e et ot h e b fc e n t e ro ft h eg a sf l o wd i s t r i b u t i o na n dt h ea b n o r m a lb fc o n d i t i o n ss u c h a s p i p e l i n e e t c b yc o n s i d e r i n gt h eu n c e r t a i nf a c t o r so ft h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ng r a ya n dt h e t e m p e r a t u r e ，ad y n a m i ct e m p e r a t u r ec a l i b r a t i o n a l g o r i t h mb a s e do nt h es t a t i s t i c a li m a g eg r a yd i s t r i b u t i o ni sp u tf o r w a r d ， w h i c hw i l ll e a r nt h eg r a yl e v e lt h r e s h o l d s s e l f - a d a p t i v e l y o nl i n ea n d e s t a b l i s ht h ec a l i b r a t i o nr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt e m p e r a t u r ea n di m a g eg r a y d y n a m i c a l l y t h e c h a n g i n go fb u r d e n s u r f a c et e m p e r a t u r ep r o f i l ea n d c o n d i t i o ni nb fw i l lb er e f l e c t e de x a c t l y ( 2 ) b u r d e nd i s t r i b u t i o nm o d e lo fb fb a s e do nk i n e m a t i c st h e o r yi s p r o p o s e d c o n s i d e r i n gt h ed i f f i c u l t yt om o n i t o rb u r d e nd i s t r i b u t i o ns t r a i g h ti n t h eb e l l l e s sb f ，ab u r d e nd i s t r i b u t i o nm o d e l i sd i s c u s s e db ye m p l o y i n gt h e k i n e m a t i c st h e o r y , s t o i cr u l e ，e x p e r te x p e r i e n c ea n dm a t h e m a t i cm e t h o d c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lb u r d e nd i s t r i b u t i o nm o d e l ，t h i sm o d e lt a k e s b u r d e nd e s c e n t ，t h ec o a lg a ss p e e da n dt h em a t e r i a ls u r f a c ec o r r e c tf o rt h e c o k ef a l l i n gi n t oa c c o u n t w i t ht h eh e l po ff o u rm o d e l s ，i e ，q rf l o w i v 中南大学博士学位论文a b s t r a c t m o d e l ，m a t e r i a lt r a je c t o r ym o d e l ，b u r d e nd i s t r i b u t i o nm o d e l a n d o r e t o - c o k er a t i om o d e l ，t h er a d i a lo r e t o c o k er a t i oc u r v ei nt h eb f , f lt o o l t oj u d g eg a sd i s t r i b u t i o np a t t e r ni n d i r e c t l y , w i l lb ec a l c u l a t e d ( 3 ) a ni n d e x f o r mo fo r e t o c o k er a t i ot op r e s e n tb u r d e nd i s t r i b u t i o ni s p r o p o s e d t oa d j u s tg a sf l o wa n dg e ti d e a lt h e r m a le q u i l i b r i u ms t a t ei nb f , i ti sa p r e r e q u i s i t et ok n o wt h eb u r d e nd i s t r i b u t i o ni nb fp r o d u c t i o np r o c e s s a g a i n s tt r a d i t i o n a lo p e r a t i o n a lm o d ea n a l y z i n gb u r d e na n dg a sd i s t r i b u t i o n q u a l i t a t i v e l yb a s e do nt h ee x p e ae x p e r i e n c e ，ac o n c e p t i o no fo r e - t o c o k e r a t i oi s p r o p o s e d b yu s i n gt h e i n d e xm e t h o do fo r e - t o c o k er a t i o ，t h e c o m p r e h e n s i v ed i s t r i b u t i o ni n d e xo fo r e - t o c o k er a t i oi nd i f f e r e n ta r e ai s p r e s e n t e d ，w h i c hi n d i c a t e sq u a n t i t a t i v e l yt h eb u r d e nd i s t r i b u t i o n ( 4 ) a ne x t e n s i o n e v a l u a t i o nm o d e lo fg a sf l o wd i s t r i b u t i o ni s m e n t i o n e d a st h e r ea r e m a n yc o m p l i c a t e df a c t o r sa f f e c t i n g t h eg a sf l o w d i s t r i b u t i o n ，a ne v a l u a t i o ni n d i c a t o rs y s t e mo fg a sf l o wd i s t r i b u t i o ni s d e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so ft h eg a sd i s t r i b u t i o ne m b o d i e di nt h e b u r d e ns u r f a c et e m p e r a t u r ep r o f i l e ，b u r d e nd i s t r i b u t i o n ，g a sc o m p o n e n ta n d s of o 汕i nab f t h ee v a l u m i n gp a r a m e t e r sa n dt h e i re v a l u a t i n gm e t h o d so f g a sd i s t r i b u t i o nd u r i n gb fp r o d u c t i o np r o c e s sa r ep r o p o s e d a ne x t e n s i o n e v a l u a t i o nm o d e lo ft h ep e r f o r m a n c eo fg a sf l o wd i s t r i b u t i o ni s i m p l e m e n t e d ，b yw h i c ht h eg a sd i s t r i b u t i o np e r f o r m a n c ei se v a l u a t e du s i n g b o t ht h e q u a n t i t a t i v e c a l c u l a t i o na n dq u a l i t a t i v e a n a l y s i sm e t h o d st o o p t i m i z et h eb u r d e nd i s t r i b u t i o na n dt oa c h i e v et h ei d e a lg a sd i s t r i b u t i o n s t a t u si nt h eb f ( 5 ) ag a sf l o wo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nb u r d e ns u r f a c e t e m p e r a t u r ep r o f i l ea n db u r d e nd i s t r i b u t i o ni si m p l e m e n t e d t h ed e s i g nm e t h o dt oe s t a b l i s hg a sd i s t r i b u t i o nm o n i t o r i n gs y s t e mi n t h eb fi sd i s c u s s e da n dt h ek e yt e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n gd a t a b a s e ，o p c c o m m u n i c a t i o n s ，a n do p e n g lt h r e e - d i m e n s i o nd i s p l a ya n dt h el i k ea r e e x p a t i m e df r o mt h ev i e wo ft h ee n g i n e e r i n gi m p l e m e n t u n d e rt h eg e n e r a l m e a s u r ed e v i c e s ，a i lo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mi si m p l e m e n t e dt os u p e r v i s e t h ep r o d u c t i o np r o c e s sa n dt ow a r na n dd i a g n o s et h ea b n o r m i t yo fg a s d i s t r i b u t i o nb yi n t e g r a t i n gb fp r o c e s si n f o r m a t i o ns u c ha sb u r d e ns u r f a c e v t e m p e r a t u r e ，b u r d e nd i s t r i b u t i o na n ds oo n t h ei m p l e m e n t o ft h eo n - l i n e m o n i t o r i n gs y s t e mg u i d e st h er e a l - t i m eb fo p t i m i z e do p e r a t i o n ，a v o i d st h e b l i n d n e s so ft h eo p e r a t i o no fc h a r g i n g ，e n s u r e ss t e a d yr u n n i n go ft h e p r o d u c t i o na n db r i n g sf a v o r a b l ee c o n o m i c a la n d s o c i a lb e n e f i t k e yw o r d s b l a s tf u m a c e ，g a sf l o w , b u r d e ns u r f a c et e m p e r a t u r e p r o f i l e ，d y n a m i ct e m p e r a t u r e c a l i b r a t i o n ，i m a g er e c o g n i t i o n ，b u r d e n d i s t r i b u t i o n ，o r e t o c o k e r a t i oi n d e x ，e x t e n s i o ne v a l u a t i o n ，o n - l i n e m o n i t o r i n g v 1 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：叠肆 日期：盟年玉月竖日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者虢堡经翮签灶腻年让月止日 中南大学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 钢铁是现代社会最重要的原材料，钢铁工业是国民经济的支柱产业，钢铁的 生产能力是一个国家国力的重要体现。高炉是钢铁生产流程中的关键设备，也是 能源、资源消耗和环境污染的大户，目前世界钢产量的7 0 是用高炉铁水冶炼出 来的，从能源的角度来看，高炉所消耗的能量约占b f b o f ( b l a s tf u r n a c e b a s i c o x y g e nf u r n a c e ) 流程总能耗的6 0 , - - 7 0 t 1 1 ，因此，提高高炉生产效率、促进炼铁 工艺流程的节能降耗，对钢铁企业提高经济效益具有重要作用，在当今世界能源 问题日渐突出的今天，对国民经济的可持续发展同样具有十分重要的现实意义。 为了实现高炉“优质、高产、低耗、长寿、环保”的生产目标，除了革新炼铁工艺 以挖掘高炉潜力之外，推进高炉冶炼过程自动化技术的应用是炼铁技术发展的大 趋势。 高炉是一个巨型逆流反应器，高炉操作的目的很大程度上就在于谋求合理、 适宜的煤气流分布。但是高炉煤气流分布检测问题是一个典型的“黑箱”问题，高 炉煤气流很难直接检测或者代价很高。随着计算机工业化应用的逐步扩展深入， 应用智能检测方法在线检测高炉煤气流分布，为高炉操作提供实时、有效的优化 指导和炉况诊断，成为高炉生产控制自动化技术的一个重要研究课题，在国内外 都得到了广泛的重视。 本章主要从总体上介绍煤气流分布检测的研究背景与目的意义，国内外研究 现状以及本文的主要架构。 1 1 研究背景与目的意义 钢铁工业在国民经济发展中一直占据着非常重要的位置，国民经济增长率和 钢铁需求量之间存在着非常紧密的关系。据美国世界钢铁动态杂志社的研究， 钢铁需求量受经济增长率的影响，如果经济年增长率为2 ，则钢铁需求量没有 多大变化；但是如果经济增长为7 ，钢铁需求量就可能会上涨1 0 t 2 1 。国家统 计局近年来发表的统计数据表明，我国每年的经济增长率都介于8 9 之间，由 此预测我国对钢铁的需求旺盛，市场潜力巨大。国家统计局2 0 0 6 年主要工业产 品产量的统计数据显示，我国粗钢突破4 亿吨，达到4 2 2 6 6 万吨，同比增长1 9 7 ， 占全球产量的3 3 以上；生产生铁4 0 4 1 7 万吨，同比增长1 9 7 ，占全球产量的 4 6 以上【3 】。虽然我国的钢铁产量高，但是钢铁业呈粗放型发展的特点，钢铁工 业吨钢综合能耗比世界先进水平高1 5 - - 2 0 ，资源有效利用率比世界先进水平 中南大学博士学位论文第一章绪论 低2 0 - - 4 0 t 4 1 。这些数据说明我国的钢铁企业仍然有较大的节能降耗、压缩成 本的潜力。 我国钢铁工业水平与国际先进水平还有较大差距，特别钢铁工业自动化水平 同发达国家有明显差距，其中一个很重要原因就是检测技术的落后严重制约了生 产自动化程度的提高。我国在“十五”期间也制定了重点发展冶金生产过程自动 化、工艺智能化和管理信息化技术，提高冶金自动化装备的国产化水平，实现钢 铁工业现代化的目标规划。充分利用检测设备、网络通信、智能集成技术进行高 炉技术改造是实现高炉生产过程“透明化”的一条必由之路。 与其他生产过程相比，高炉炼铁过程的机理尚未十分清楚，几十年来，人们 一直致力于高炉现象的模拟和解析，以达到掌握炉况、控制高炉的目的。炉料和 煤气的逆流运动是高炉冶炼过程的主要特征，煤气流分布不仅影响到高炉炉内的 温度分布、高炉燃料比、利用系数、炉墙热负荷、软熔带结构、高炉下部的热平 衡等许多高炉操作状况，还直接影响着煤气热能和化学能的利用，关系到高炉炉 况顺行，并最终影响到高炉冶炼指标，所以检测和评估煤气流分布在高炉炼铁过 程中有举足轻重的作用1 5 j 。 在传统的高炉生产中，操作人员通常先根据传感器数据和高炉生产经验来判 断煤气流分布情况，进而估计高炉炉况，但限于操作人员的经验很难在短时间内 对大量数据进行分析判断，因此得到的结论难免片面。高炉煤气流分布信息的缺 失或者不准确，不仅造成高炉操作判断失误，形成高炉事故，也使得闭环自动控 制十分困难。研究高炉煤气流分布的检测及其性能评估方法，能够提高判断炉况 的准确性和效率，及早发现煤气流分布的变化状况，为操作人员预先采取措施避 免异常的发生提供了宝贵的时间，而且由于采用统一的检测信息评判标准，可以 避免人工操作经验差异造成的炉况波动，减少炉况波动对高炉正常生产的影响， 这对于高炉生产的稳定和安全具有重要意义。 高炉煤气流分布既是高炉操作者判断炉况的重要依据，同时调整和控制煤气 流分布也是高炉操作的重要内容。如果中心煤气流过强，炉壁处的煤气流就不易 流动，容易发生炉壁结厚或结瘤现象，且极易形成中心管道；如果边缘煤气流过 强，就会侵蚀炉壁，而且煤气流不稳定【6 7 】。高炉操作实践表明，当高炉内发生 炉壁结厚、中间堆积、管道、塌料等异常炉况时，都会在煤气流分布上表现出明 显相应的特型8 1 ，研究煤气流分布在线检测和性能评价方法使得高炉操作人员能 够及时了解高炉煤气流分布、炉温分布等高炉状态，评判高炉煤气流分布的性能 好坏，从而采取适当的送风制度和装料方法控制好炉内的边缘气流和中心气流的 发展程度，避免炉壁结厚、炉壁侵蚀等现象的发生，这对于保证高炉的顺行和长 寿具有重要意义。 2 中南大学博士学位论文第章绪论 随着高炉使用的各种资源趋于紧张，高炉生产用的各种原燃料质量不断劣 化，生产难度进一步加大，在保证高炉顺行的前提下，操作人员还要追求煤气流 分布的最佳化，这也需要准确地检测和评判高炉煤气流分布状态，从而合理地优 化布料控制，精细化调整高炉煤气流分布，达到煤气能量利用最好和燃料消耗最 低的目的【9 1 0 1 。因此，研究高炉煤气流分布检测方法对于优化高炉操作、提高高 炉产量、降低焦比有着重要的现实意义和实用价值。 然而高炉煤气流分布还很难通过常规仪表直接测量，或者尽管有检测设备， 但是由于检测系统本身的约束( 如传感器体积、价格、可靠性) o g 及其它一些限制 条件而不便采用，操作人员需要借助于各类数学模型来间接推断煤气流分布形 态、判断其性能，这也使得高炉布料操作优化的智能化、自动化还处于初始阶段。 料面温度场是高炉内煤气流在炉喉分布最清晰、直观的表现。随着时间的延 续，炉料在高炉内缓慢下降，炉顶温度逐渐上升，当温度大于2 0 0 后，监视器 上逐渐开始出现清晰的影像，煤气流强的部位影像亮度带大，煤气流弱的部位影 像亮度带小，甚至没有亮度带。料面温度场大致了反映煤气流的形态和炉料的反 应状态，根据温度场的变化情况，可以判断煤气流分布的紊乱性和偏心度1 1 1 , 1 2 】。 因此，如何利用高炉有限的检测设备建立高炉料面温度场，对于判断高炉煤气流 分布形态及其动态特性具有十分重要的应用价值。 高炉料层分布和高炉煤气流分布是密切相关的。由于高炉内炉料在融化前的 分布基本上保持炉喉布料的层状结构，矿石层的透气性不到焦炭层的1 1 0 ，矿石 和焦炭在炉喉水平面上各点的比例，成为影响煤气流分布的重要因素。实践表明， 焦炭多的地方，煤气流较发展，煤气流发展的地方，相应的煤气成份c o 高、c 0 2 低，相应温度较高，因此，通过布料控制可以调节炉料在炉内的位置分布，进而 调整高炉煤气流分布状态【1 3 1 ，检测料层分布状况既是合理控制高炉煤气流分布的 前提条件，也是间接反映煤气流分布的重要指标【1 4 , 1 5 】。如何准确地表征高炉布料 状态，通过布料模型研究装料条件和料层分布之间的规律，建立料层分布与煤气 流分布之间的关系，将这些因素之间的因果关系模型化，将有利于指导操作人员 调整煤气流发展形态，处理不同的高炉炉况。 实际的煤气流分布形态还和高炉生产的目标密切相关，生产中不同的生产目 标需要不同的煤气流分布形态，这就需要对煤气流分布满足生产目标的价值程度 进行判断，也即判断煤气流分布是否能够或者在多大程度上能够满足生产目标的 需要，预测煤气流分布的发展趋势，确定理想的煤气流分布和希望避免的煤气流 分布，在经过煤气流分布价值的判断、预测、选择后，引导高炉操作控制措施朝 着实现期望目标的方向进行【1 6 】。然而由于影响高炉煤气流分布性能的因素有很 多，单一的检测信息往往很难准确地反映高炉生产的性能要求，需要综合温度场 3 中南大学博士学位论文第一章绪论 分布、矿焦比分布、高炉压力变化以及透气性指数等多种因素来评估高炉煤气流 分布性能，但是这些评价因素形式多种，有些评价指标是相关联的，有些评价指 标的变化方向甚至是相反的，如何综合这些高炉生产的过程信息，寻求最佳高炉 煤气流分布模式一直是高炉炼铁技术关注的课题。 综上所述，研究煤气流分布检测及其性能评价方法有利于判断炉况、制定补 救措施消除高炉炉况异常行为、指导高炉的操作优化，这对于稳顺高炉生产、节 能降耗、增产提质、延长炉龄和提高生产效率具有十分重要的意义。 本课题研究的目的在于：针对现行高炉煤气流分布难以直接检测的问题，试 图通过高炉料面温度场、料层矿焦比分布等多种高炉过程信息，间接、准确地反 映高炉煤气流分布，同时从技术指标运行情况的角度来评价煤气流分布的状态及 变化趋势，为操作人员判断煤气流分布和炉况、获取合理煤气流分布提供准确、 可靠的信息支持。 1 2国内外研究现状与发展趋势分析 目前对煤气流分布的检测和评判，主要通过建立数学模型来间接检测和评估 性能的。按照检测建模方法可以分为4 类：基于厄根方程的煤气流分布建模方法， 基于软熔带模型的煤气分布判断方法，基于料面温度场的煤气流分布判断方法， 基于布料模型的煤气流分布判断方法。 1 2 1 基于厄根方程的煤气流分布建模方法 1 9 5 2 年，厄根在试验和理论分析的基础上提出了计算气体流过颗粒填充床 时的压降公式【l n 。厄根方程最早为一维形式，且仅适用于等温情况，后来经过某 些修正考虑了温度变化的影响，并扩充n - 维和三维形式，通过有限差分法和有 限元法两种方法求