一种连退机组炉区能耗建模的方法及系统与流程

本发明属于连退机组的能耗优化领域，涉及到一种连退产线炉区的能耗建模方法及系统。

背景技术：

我国钢铁业是能源消耗大户，能源消耗率远高于其他国家。根据统计，在工序能耗中轧制工艺能耗更是落后于国际先进水平，同时钢铁工业作为我国能耗大户，而能源利用率却不到56％。因此，对连退机组能要的研究优化，具有重要的意义。

建立连续退火产线退火炉的能量收支模型，不仅可以用于描述和评估连退机组的能源使用情况，还可以知道后续的能量利用率的优化研究。在当前的能效评估的研究中，在连续退火产线的研究中比较少，而“能量流(energyflow)”已经成为一种评估制造业能效的有效方法，并且在机床领域的研究已经达到了比较成熟的层次，黄拯滔提出的一种基于能量守恒原理的数控车削能耗模型的精度已经达到99％以上(huangzhengtao,zhangchaoyong,luomin.anassessmentmodelofenergyconsumptionforncturningprocessbasedonprincipleofconservationofenergy[j].chinesemechanicalengineer,2015,18(26):2419-2421)。连续退火工艺作为一种以热消耗为主的工艺过程，与机床的能耗构成完全不同，将机床的能量流模型整合、移植运用到退火炉炉区的多个能耗的分析中，对连续退火工艺的能耗进行计算、优化控制都具有实际的意义和广阔的应用前景。

目前钢铁冶金的能耗模型的分析研究一般都集中在炼钢以及连铸等工序。黄文燕和罗飞，赵业清(zhaoyeqing.researchonenergyflownetworkmodelinironandsteelenterprisesbasedonhybirdpetrinet[j].metallurgicalindustryautomation,2014,38(5):27-28)应用能量流和物质流的方法对钢铁行业从原料到热轧的过程进行了分析。朱里红和王俊飞(zhulihong,wangjunfei,zhangfeng.developmentofenergymonitoringsystemreheatingfurnaceinhotrollingprocess[j].engineeringcontrolcomputer,2011,24(5):72-72)提出了一种在热轧过程的能耗监测加热炉实时能耗的系统。李姗姗(lishanshan.researchonenergyefficiencyassessmentmethodofironandsteelproductionprocessbasedonexergyanalysis[d].jinan:shandonguniversity,2013)提出了一种基于分析的能耗分析方法，主要针对钢铁生产的炼钢工序。而关于连续退火工艺能耗的研究比较少，尤其是涉及了加工过程中的多参数的能耗模型研究未见相关文献报道。

连续退火工艺作为钢铁生产的高能耗工序，节能潜力巨大。由于产线机组包含工艺参数与钢种参数众多，生产过程复杂，因此关于连退产线能耗的研究比较少，少部分研究都是针对保温方式和废热回收上，没有针对工艺参数的研究，建模方法不够完善，计算分析不够准确，因此缺少一个工艺参数与能耗之间的能量模型能对后续研究提供理论基础。

技术实现要素：

针对现有技术模型不能考虑全面，分析计算能效损耗不够准确的缺陷，本发明提供了一种连退机组退火炉能耗建模方法和系统，用于评估和预测机组的能效，解决缺少冷轧机组能耗模型的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种连退机组退火炉能耗建模方法，包括如下步骤：

s1、获取训练数据，获取的训练数据包括如下各个类别下的数据：连续退火工艺过程中，退火炉区中热收入与带钢钢种、带钢带速、带宽、带厚和工艺参数、有效热支出；

s2、利用所述训练数据进行训练，建立包括所述热收入以及带钢钢种、带钢带速、带宽、带厚和工艺参数中各个类别与有效热支出之间的模型。

在本发明的一种连退机组炉区能耗建模方法中，步骤s1中所述热收入是根据如下步骤得到：

获取步骤s1热收入类别下数据中各个管道的通气量qn；

根据公式计算出热收入q燃；

式中，α为空气过剩系数且为预设值，qd为燃烧气体热值且为预设值，n为通气管道数量。

在本发明的一种连退机组炉区能耗建模方法中，退火炉的有效热支出即第一热支出q1为退火产线带钢加热带走能量，是根据如下步骤得到：

获取步骤s1有效热支出类别下数据中带钢出加热炉的温度t1、环境温度t0；

根据公式计算出钢的热容cg；

获取带钢带速ν、带宽l、带厚d、密度ρ；

根据公式计算出退火炉的第一热支出q1。

在本发明的一种连退机组炉区能耗建模方法中，步骤s1中获取的训练数据还包括退火炉的第二热支出q2，步骤s2中具体为：建立包括所述热收入以及带钢钢种、带钢带速、带宽、带厚和工艺参数中各个类别与有效热支出、第二热支出q2之间的模型；第二热支出q2为退火产线废气最终散失的能量，是根据如下步骤得到：

获取步骤s2中第二热支出q2中废气温度t3、环境温度t0、单位理论空气消耗量l0；

根据公式计算出退火炉的第二热支出q2；

式中，cf为废气热容且为设定值。

在本发明的一种连退机组炉区能耗建模方法中，退火炉的第三热支出q3为退火产线墙壁通过热对流与热辐射散失掉的能量，是根据如下步骤得到的：

建立包括所述热收入以及带钢钢种、带钢带速、带宽、带厚和工艺参数中各个类别与第一热支出q1、第二热支出q2、第三热支出q3之间的模型；

获取步骤s2中第三热支出q3中对象的内表面积an、对应对象的外表面积aw、预热炉内温度t41、炉墙各层材料厚度δk、加热段炉温t42、带钢入口温度t0、带钢出口温度t5、钢出口温度和带钢入口温度的平均值t；

根据公式

式中：计算出退火炉的第三热支出q3；

式中：

j：1、2、3分别对应预热炉、加热炉、均热炉；

i：1、2、3、4分别对应炉墙、炉顶、炉底及炉门；

αn：炉墙内表面传热系数、αw：炉墙外表面传热系数、λk：炉墙各层材料的热导率、f：计算单元辐射系数。

在本发明的一种连退机组炉区能耗建模方法中，退火炉的第四热支出q4为退火产线加热保护气体所损失的能量，是根据如下步骤得到的：

建立包括所述热收入以及带钢钢种、带钢带速、带宽、带厚和工艺参数中各个类别与第一热支出q1、第二热支出q2、第三热支出q3、第四热支出q4之间的模型；

获取步骤s2中第四热支出q4中对应炉区保护气通入量qb、保护气体出退火炉的温度t5、保护气体进退火炉的温度t0；

根据公式计算出退火炉的第四热支出q4；

式子中，j：1、2、3分别对应预热炉、加热炉、均热炉；

cb：保护气体热容且为设定值。

在本发明的一种连退机组炉区能耗建模方法中，退火炉的第五热支出q5为退火产线预热助燃气空气所损失的能量，是根据如下步骤得到：

建立包括所述热收入以及带钢钢种、带钢带速、带宽、带厚和工艺参数中各个类别与第一热支出q1、第二热支出q2、第三热支出q3、第四热支出q4、第五热支出q5之间的模型；

获取步骤s2中第五热支出q5中单位理论空气消耗量l0、进入烧嘴时空气预热温度t6、环境温度t0；

根据公式q5＝q总lock(t6-t0)计算出退火炉的第五热支出q5；

式中，ck为空气的热容且为设定值。

在本发明的一种连退机组炉区能耗建模方法中，根据能量流的流向可得到一种连退机组炉区能耗建模方法：

通过公式q燃＝q1+q2+q3+q4+q5代入转换可得：

优选地，在本发明的连退机组炉区能耗建模方法中，还包括：

利用步骤s2建立的模型，通过如下步骤获得有用热支出的预测结果能量热效率η；

获取q燃的实际数据；

根据模型计算有效热支出即第一热支出q1；

根据公式计算能量热效率η。

数据获取模块，用于获取训练数据，获取的训练数据包括如下各个类别下的数据：连续退火工艺过程中，退火炉区中煤气通气量与带钢钢种、带钢带速、带宽、带厚和工艺参数；

模型建立模型，用于利用所述训练数据进行训练，建立包括所述热收入以及带钢钢种、带钢带速、带宽、带厚和工艺参数中各个类别与热支出之间的模型。

本发明采用了完善的建模方法考虑能耗与带钢各工艺参数与加工参数之间存在的关系，意义明显、合理、简单而准确，解决了连续退火产线退火炉的能耗计算问题，能够有效的为后续研究能量效率优化研究提供基础，也可进行加工能耗评估与预测。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明的加热炉传热过程简图；

图2为本发明的能量流走向图；

图3为本发明的耗建模方法示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实例，对本发明进行进一步详细说明。

为实现上述目的，该建模方法针对某冷轧厂连续退火产线中的预热、加热和均热炉等高能耗设备作为能耗研究对象，对炉区建立能耗热收入与热支出与对应工艺参数的能耗模型，建立热平衡计算公式如下：

(1)、燃料化学热q燃：

燃料化学热是指单位时间燃料燃烧所释放出来的全部化学热。该钢厂的燃料燃烧主要集中在加热段与均热段，总共有14组通道组成，获取通道总数以及各个通道的燃气流量，加热段主要讲带钢从常温加热到退火所需温度，因此占用12道煤气通道，而均热段主要是维持带钢温度不变，因此所需燃料不多，仅需2道煤气管道就足够，燃烧过程释放出来的能量与单位时间内通气流量有关，关系如下式所示：

式中q燃：单位时间内总的供热量，mj/min；

α：空气过剩系数；

qd：燃烧气体热值，kj/nm³；

qn：第n个管道燃气流量m³/min。

2、热支出

(1)带钢带走的热量

计算带钢的温升时，把带钢密度ρ看做常数，定比压热容cp(τ)是变量。无论是常规对流换热、冲击射流对流换热还是辐射换热，计算带钢温升时，都可使用带钢传导传热计算模型。由于带钢的加热温度幅度很大，最大温度幅度从室温15℃上升至退火所需温度，定比压热容，cp(τ)的变化值最大可达150～200j/(kg.℃)，因此不能将带钢的定比压热容作为常量带入计算。根绝已知在绝对温度τ＝100k～1500k范围内，带钢定比热容有：

cg(τ)＝1.34×10^-11τ⁵-3.7×10^-8τ⁴+4.007×10^-5τ³-0.02101τ²+5.672τ-179.6获取带钢出加热炉的温度t1、环境温度t0、带钢带速ν、带宽l、带厚d、密度ρ，则带钢带走热量如下：

式中q1：带钢带走热量，mj/min；

w：机组标准生产率，t/min；

cg：钢的热容，mj/(t·k)；

t1：带钢出加热炉的温度，k；

t0：环境温度，k。

ν：带速，m/min，

l：带宽，mm；

d：带厚，mm；

ρ：密度：t/m³；

τ：随加热而变化的温度，k；

(2)废气带走热量q2

在热处理过程中，很多热量都是通过废气带走散失浪费掉，此处计算的是辐射管燃烧结束，通过热交换器后废气所带走的余热。获取废气温度t3和环境温度t0，单位理论空气消耗量l0，其能量模型如下所示：

式中：q2：废气带走热量，mj/min；

cf：废气热容(标态)，mj/(m³·k)；

t3：废气温度，k；

t0：环境温度，k。

(3)炉壁表面散热量q3：

退火段炉壁的能量散失由墙壁的热辐射与对流换热组成，在连续退火过程中，是一个稳态过程，其热散失还与炉温、炉壁材料等因素密切相关，在计算炉壁的热散失过程中，通过热力学知识，计算带钢的热平衡方程计算炉温，获取对应对象的内表面积an、对应对象的外表面积aw、预热炉内温度t41、炉墙各层材料厚度δk、加热段炉温t42、带钢入口温度t0、带钢出口温度t5、钢出口温度和带钢入口温度的平均值t，然后计算炉壁材料热散失过程得到最终的炉壁表面散热量q3：

式中：q3：炉壁表面积热损失；

j：1、2、3分别对应预热炉、加热炉、均热炉；

i：1、2、3、4分别对应炉墙、炉顶、炉底及炉门；

an：对应对象的内表面积，m²；

aw：对应对象的外表面积，m²；

t4：炉内温度，k；

αn：炉墙内表面传热系数，w/(m²·k)；t4≤823k时，αn≈9.3+0.058t1；t4＞823k时，1/αn可忽略不计。

αw：炉墙外表面传热系数，w/(m²·k)；

δk：炉墙各层材料厚度，m；

λk：炉墙各层材料的热导率，w/(m²·k)；

t42：加热段炉温，℃；

t0：为带钢入口温度，k；

t5：为带钢出口温度，k；

t：为带钢出口温度和带钢入口温度的平均值，℃；

f：为计算单元辐射系数；

(4)、保护气体带走的热量q4

在退火产线，带钢在加热过程中，不可能完全封闭加热炉，这就会导致在炉内不可避免的带入一定空气，并使得带钢被氧化，而保护气体的成分为95％的n2+5％h2，用于保护带钢被氧化，同时对于已经氧化部分，可以被保护气体中还原性气体h2还原，保证加工的质量，而保护气体在加热炉中也会被加热而带走一部分能量，三个炉区保护气体温度，出了加热和均热去温度接近，而预热段的温度则相对较低。在加热过程中，保护气体带走的热量如下公式所示：

式中，q4：保护气体带走热量，mj/min；

qb：对应炉区保护气通入量(标态)，m³/min；

cb：保护气体热容(标态)，mj/(m³·k)；

t5：保护气体出退火炉的温度，k；

t0：保护气体进退火炉的温度，k；

(5)预热空气带走了的物理热q5：

空气作为助燃气体参与到加热过程中，获取单位理论空气消耗量l0、进入烧嘴时空气预热温度t6、环境温度t0，在保证加热效率的前提下，通过预热空气能提高能量利用效率，在连退产线，空气一般会被预热到450℃，然后在进入辐射管进行助燃，其预热带入能量如下式所示：

q5＝q总lock(t6-t0)

式中：q5：单位时间内预热空气所需热量；

l0：单位理论空气消耗量，m³/m³；

ck：空气的的热容，mj/(m³·k)；

t6：进入烧嘴时空气预热温度，k；

t0：环境温度，k。

结合上述公式，可得预热气体带入物理热公式如下：

3、连续退火炉炉区热平衡计算

连续退火炉炉区的热平衡计算过程中，忽略了一些能量占比比较少的部分能耗或者是仅限于前期加热炉区需要，后期不需要，如金属氧化热、辅助工件与炉墙蓄热、逸出气体损失热以及化学不完全燃烧热损失，本研究主要针对的是能量消耗比较大的区域，结合前面计算公式，连续式退火炉炉区热平衡方程为：

q燃＝q1+q2+q3+q4+q5

通过该模型可以计算出退火炉的能耗效率。

本发明所建立的能耗模型可用于对每个品种的带钢加工时所需的能耗进行预测，也能为后续的能效优化研究提供基础。以能耗预测为例，退火炉工艺能耗都与带钢的工艺参数存在一种映射的关系，所建立的能耗模型实际上就是关于工艺参数的方程，方程的自变量为带钢自身的参数，因变量为通气量的值。模型可通过将产品的参数代入到方程，对加工所需的能耗进行预测和评估。方程建模具体流程如下：

1、在资料和文献的查阅下，确定加热炉的传热过程，如图1与图3所示分别为能量传热形式能量的组成与能量流动形式。然后分析其能量流平衡方程。

2、在上一步基础上，接下来分析热收入情况，在加热炉中，采用燃气加热，在该钢厂的退火炉中，采用的混合煤气，组成为25％焦炉煤气+75％混合煤气，热值为qd＝7530±418kj/nm³，其流量q总是根据不同钢种和对应工艺参数决定的，根据《工业炉设计简明手册》，焦炉煤气单位理论空气消耗量l0为：

焦炉煤气废气消耗总量vf为：

式中qd：燃烧气体热值，kj/nm³；

3、进一步，确定带钢的能耗损失，带钢的定比压热容在退火温度的变化范围内，其值变化很大，在现有资料计算中，基本都是将其看做定制，在本发明中，将带钢定压比热容看成一个变量进行计算，保证了模型的可靠性。同时通过查阅资料，确定了不同工种对应的退火温度，如下表1所示。

表1连续退火钢种退火最终温度

4、在前面基础上，考虑最终烟气与保护气体带走热损失，可以通过热力学方程进行计算，其中废气能量模型中，热容0.0015mj/(m³·k)，最终离开热交换器温度为150℃。保护气体中，预热区最终加热温度为428℃，加热与均热去保护气体温度与炉温相等。

5、墙体的热损失主要是通过墙壁与外界大气的热辐射和对流实现，在本设计中，综合考虑两个部分的内容，将炉壁材料作为主要计算参数进行建模，其中除了预热炉温度是固定，为480℃，加热与均热炉的温度都通过带钢热平衡控制方程计算，如下式所示：

σofs(t42⁴-t⁴)＝νdlρcg(t5-t0)

最终得到炉子温度如下式所以：

炉子的材料参数则如下表2所示：

表2炉子规格

6、在前面的基础上，根据热收入与热支出相等，通过图3所示步骤构建能量等式方程，通过相关转换，得到最终能耗模型。

7、在上述参数整理完后，可以进一步查表确定相关系数，然后将以后连退产线的钢种参数带入模型，验证模型的可靠性。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出若干改进和变形，这些均属于本发明的保护之内。