专利摘要

专利摘要

本发明公开一种球式热风炉烧炉过程建模与能耗优化方法及系统，能实现节能、降低成本的目的。方法包括：S1、根据传热学和流体力学原理建立热风炉在烧炉和送风两个阶段的蓄热室瞬态传热模型，并给出模型计算的边界条件和初始条件；S2、计算所述蓄热室瞬态传热模型，根据所述蓄热室瞬态传热模型的计算结果并结合热风炉的工作制度，采用分时段优化煤气流量的方法建立以煤气量为优化目标，满足拱顶温度、废气温度、热风流量和温度以及热效率等约束条件的优化模型；S3、求解所述优化模型，得到使得能耗最小的煤气流量随时间变化曲线；S4、根据所述煤气流量随时间变化曲线对球式热风炉烧炉过程的煤气流量进行控制。

权利要求

1.一种球式热风炉烧炉过程建模与能耗优化方法，其特征在于，包括：

S1、根据传热学和流体力学原理建立热风炉在烧炉和送风两个阶段的蓄热室瞬态传热模型，并给出模型计算的边界条件和初始条件；

S2、计算所述蓄热室瞬态传热模型，根据所述蓄热室瞬态传热模型的计算结果并结合热风炉的工作制度，采用分时段优化煤气流量的方法建立以煤气量为优化目标，满足拱顶温度、废气温度、热风流量和温度以及热效率等约束条件的优化模型；

S3、求解所述优化模型，得到使得能耗最小的煤气流量随时间变化曲线；

S4、根据所述煤气流量随时间变化曲线对球式热风炉烧炉过程的煤气流量进行控制。

2.根据权利要求1所述的球式热风炉烧炉过程建模与能耗优化方法，其特征在于，所述蓄热室瞬态传热模型包括：烟气模型和蓄热球模型；其中，

所述烟气模型为 所述蓄热球模型为

其中， ρ_f为烟气密度， 和 分别为烟气中的CO₂、N₂和H₂O的密度，m_CO、 和 分别为高炉煤气中的CO、CO₂、H₂和N₂的体积分数， 为烟气体积流量， 为高炉煤气的体积流量， 为高炉煤气中的H₂的体积分数， c_f为烟气比热容， 和 分别为烟气中的CO₂、N₂和H₂O的比热容，T_f(x,t)为开始烧炉后t时刻流经离蓄热室顶部x处的烟气的温度，Δx为蓄热室纵向方向上的位置微元， 为烟气沿纵向方向流动时与蓄热球对流换的热流量， h为烟气与蓄热球的对流换热系数，Nu为努塞尔数，k为烟气的导热系数，L为蓄热室的长度， A为烟气流过蓄热室微元体时与蓄热球总的换热面积，R为蓄热室截面半径，μ为蓄热室的孔隙率，r为蓄热球的半径，dx为蓄热室空间从纵向上被划分成的多个连续的微元体的厚度，T_s(x,t)为离蓄热室顶部x处的蓄热球在开始烧炉后t时刻的温度， 为烟气沿纵向方向流动时辐射给蓄热球的热流量，ε_s为蓄热球的辐射发射率，σ为黑体辐射常数，α_f为烟气的辐射吸收率，ε_f为烟气的辐射发射率，ρ_s为蓄热球的密度， V_s为单个蓄热球体积，c_s为蓄热球的比热容， 为烟气与单个蓄热球间对流换热的热流量，A_s＝4πr²，A_s为单个蓄热球的表面积， 为烟气对单个蓄热球辐射热流量。

3.根据权利要求2所述的球式热风炉烧炉过程建模与能耗优化方法，其特征在于，所述计算所述蓄热室瞬态传热模型，包括：

S21、初始化蓄热室的烟气和蓄热球温度分布，即给定烟气初始温度分布为 蓄热球的初始温度分布为 给定边界条件，即蓄热室入口的烟气温度 给定烧炉时间迭代初值j＝0，最大的空间迭代步数和时间迭代步数，i表示蓄热室中烟气或蓄热球的位置；

S22、空间迭代步数赋初值i＝1，时间迭代步j＝j+1；

S23、利用瞬态传热模型的离散方程式计算第i空间迭代步，第j时间迭代步的烟气温度分布 和蓄热球温度分布 空间迭代步数i＝i+1，其中，瞬态传热模型的离散方程式包括 和 表示第i+1空间迭代步，第j时间迭代步的烟气温度， 表示第i空间迭代步，第j时间迭代步的蓄热球温度，Δt为每个时间迭代步的步长；

S24、判断空间迭代步数是否达到迭代终止条件，若是则停止迭代，转到S25；否则继续执行S23；

S25、判断时间迭代步数是否达到迭代终止条件，若是则停止迭代，结束整个计算过程；否则转到S22。

4.根据权利要求3所述的球式热风炉烧炉过程建模与能耗优化方法，其特征在于，所述优化模型为：

$\begin{array}{ccc}MIN& Q=\underset{l=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\stackrel{·}{V}}_{gl}{t}_l& s.t.\left\{\begin{array}{c}{T}_{dmin}<T_d<T_{dmax}\\ T_{wmin}<T_w<T_{wmax}\\ T_{smin}<T_s<T_{s\max }\\ |T_w-T_{ws}|<\theta \end{array}\right.\end{array},$

其中，

Q为煤气消耗总量，n为烧炉时间被等分的段数， 表示第l段烧炉时间高炉煤气的体积流量，t_l为第l段烧炉时间的时长，T_dmax和T_dmin分别为拱顶温度T_d的上下临界值，T_wmax和T_wmin分别为废气温度T_w的上下临界值，T_smax和T_smin分别为蓄热球的表面温度T_s的上下临界值，T_ws表示蓄热室底部蓄热球的表面温度，θ为预设的常数。

5.根据权利要求4所述的球式热风炉烧炉过程建模与能耗优化方法，其特征在于，所述S3，包括:

S31、给定煤气流量级数d，最小能耗min并赋予较大初值优化模型可能解的枚举计数p＝0；

S32、初始化烟气和蓄热球的温度分布，烧炉时间段计数赋初值q＝1，p＝p+1；

S33、结合瞬态传热模型按第p种可能解给出的各烧炉时段煤气流量计算第q段烧炉时间末的烟气、蓄热球温度分布；

S34、时间段计数q＝q+1；判断q是否大于n，若是则转到S35，否则转到S33；

S35、计算当前可能解的总能耗Y，判断其是否小于最小能耗min并且满足给定的约束条件，若是则更新最小能耗min为Y，否则转到S36；

S36、判断p是否大于dⁿ，若是则停止迭代，结束整个计算过程，得出能耗优化模型的最优解即最佳的煤气流量给定曲线，否则转到S32。

6.一种球式热风炉烧炉过程建模与能耗优化系统，其特征在于，包括：

第一建模单元，用于根据传热学和流体力学原理建立热风炉在烧炉和送风两个阶段的蓄热室瞬态传热模型，并给出模型计算的边界条件和初始条件；

第二建模单元，用于计算所述蓄热室瞬态传热模型，根据所述蓄热室瞬态传热模型的计算结果并结合热风炉的工作制度，采用分时段优化煤气流量的方法建立以煤气量为优化目标，满足拱顶温度、废气温度、热风流量和温度以及热效率等约束条件的优化模型；

模型求解单元，用于求解所述优化模型，得到使得能耗最小的煤气流量随时间变化曲线；

流量控制单元，用于根据所述煤气流量随时间变化曲线对球式热风炉烧炉过程的煤气流量进行控制。

说明书

技术领域

本发明涉及热风炉技术领域，具体涉及一种球式热风炉烧炉过程建模与能耗优化方法及系统。

背景技术

热风炉是高炉炼铁系统中重要的组成部分，为高炉炼铁过程提供高温的热风，是高炉主要的能量来源。据统计，热风温度每提高100℃，可提高风口燃烧温度20～300℃，可增产3％～5％，可降低焦比4％～7％，还可允许增加喷吹煤粉15～40Kg/t，因此热风炉对高炉炼铁过程节能减排的实现具有非常重要的作用。热风炉主要分为烧炉和送风两个工作阶段，烧炉阶段一般是通过燃烧高炉煤气将热量贮存到热风炉的蓄热室中，对热风炉系统的控制主要体现在对烧炉阶段的控制。热风炉工作时使用的高炉煤气量非常大，而对热风炉进行有效地控制既能够提高蓄热效率，也能减少高炉煤气的使用量，从而达到节能的目的。现有的热风炉控制技术主要有人工智能控制和数学模型控制方法。

常用的人工智能控制有神经网络、模糊控制和专家系统等。神经网络对热风炉烧炉过程的自学习能力强，但是由于烧炉过程中的干扰因素比较多，神经网络并不能很好地反应烧炉过程中输入与输出变量间的关系。模糊控制是通过设定合理的模糊规则表对热风炉进行控制，但是普通的模糊控制器难以保证控制效果最优，并且其抗干扰能力不强。专家系统是根据以往控制的经验进行总结和推理得出调节方法，然而热风炉烧炉状况是实时变化的，因此专家系统控制的效果并不是很理想。

通过建立数学模型的方法由于其依据科学原理，准确性和严密性比较好，可以实时地反应热风炉在各个工作阶段以及不同炉况下的内在规律。但由于热风炉内存在复杂的燃烧和热量交换过程，建立完整的数学模型比较困难，因此在此方面的研究比较少并且没有形成权威。

申请号为CN102819643A的专利公开了一种热风炉传热蓄热仿真模型的建模方法及其应用，该专利对格子砖孔的温度场进行网格划分，对蓄热室的导热及气体间的换热情况建立数值求解方程，并对温度随时间和空间的变化进行求解，从而得到热风炉传热蓄热仿真模型。利用建立的热风炉传热蓄热仿真模型，在相同初始条件下，计算不同燃烧策略下到达燃烧终点时蓄热量的增加值及消耗时间，通过比较获得最佳的燃烧策略。但是该专利只考虑了热风炉的燃烧效率，没有对能耗进行优化，并且只对现有的几种热风炉烧炉操作方式进行对比，没有太大的实际指导价值。

申请号为CN203240767U的专利提出了一种热风炉燃烧优化控制系统，系统通过OPC上传接口读取DCS控制系统中热风炉的运行参数，由优化控制器根据实际运行情况计算出当前工况下的最佳空燃比，并将优化后的控制参数通过OPC下载接口送给DCS控制系统实现热风炉的闭环与优化控制。但是该专利是根据热风炉的运行情况和主要控制的目标参数来进行自寻优，由于热风炉烧炉过程存在时滞会导致自寻优的结果不准确。并且在烧炉期间不断优化和改变空燃比反而会导致烧炉过程的不稳定。

申请号为CN102912055A的专利提出了一种高炉热风炉智能优化控制系统，该专利基于热平衡实现对蓄热效率的在线计算，根据高炉需要的送风总热量及烧炉时间与热风炉蓄热速率特性，设定一个合理的蓄热速率设定曲线，根据蓄热速率实时控制烧炉阶段的燃料量；并以蓄热速率作为优化目标值，采用进退法自寻优算法优化空燃比，使得燃料利用率最大。但是该专利注重在同等燃料量下优化蓄热速率，没有直接对燃料用量进行优化，不能取到较佳的节能效果；并且采用进退法自寻优算法容易陷入局部最优解，达不到预期的目的。

申请号为CN104630403A的专利公开了一种顶燃式热风炉的烧炉控制方法及烧炉控制系统，该专利根据热风炉的特点，采用安全吹扫消除安全隐患，采用快速燃烧节约燃烧时间，采用改变空气过剩系数以节能并快速蓄热，最终达到安全、节能和环保的目的。该专利采用快速燃烧方法虽然能节约燃烧时间，但没有考虑蓄热效率，反而造成了煤气的浪费。并且由于热风炉烧炉过程的时滞性，根据空气过剩系数的变化对热风炉进行调节的方法不能够及时地改变烧炉状况，导致烧炉不稳定。

发明内容

本发明的目的是一种根据传热学、计算流体力学并结合可检测的数据来建立热风炉在烧炉阶段和送风阶段的蓄热室瞬态传热模型，然后利用建立的模型和相应的边界条件计算蓄热体和烟气或鼓风的温度分布，最后对煤气用量进行优化使热风炉在满足拱顶温度、废气温度、热风流量和温度以及换热效率等约束条件下的煤气总用量最少。

一方面，本发明实施例提出一种球式热风炉烧炉过程建模与能耗优化方法，包括：

S1、根据传热学和流体力学原理建立热风炉在烧炉和送风两个阶段的蓄热室瞬态传热模型，并给出模型计算的边界条件和初始条件；

S2、计算所述蓄热室瞬态传热模型，根据所述蓄热室瞬态传热模型的计算结果并结合热风炉的工作制度，采用分时段优化煤气流量的方法建立以煤气量为优化目标，满足拱顶温度、废气温度、热风流量和温度以及热效率等约束条件的优化模型；

S3、求解所述优化模型，得到使得能耗最小的煤气流量随时间变化曲线；

S4、根据所述煤气流量随时间变化曲线对球式热风炉烧炉过程的煤气流量进行控制。

另一方面，本发明实施例提出一种球式热风炉烧炉过程建模与能耗优化系统，包括：

第一建模单元，用于根据传热学和流体力学原理建立热风炉在烧炉和送风两个阶段的蓄热室瞬态传热模型，并给出模型计算的边界条件和初始条件；

第二建模单元，用于计算所述蓄热室瞬态传热模型，根据所述蓄热室瞬态传热模型的计算结果并结合热风炉的工作制度，采用分时段优化煤气流量的方法建立以煤气量为优化目标，满足拱顶温度、废气温度、热风流量和温度以及热效率等约束条件的优化模型；

模型求解单元，用于求解所述优化模型，得到使得能耗最小的煤气流量随时间变化曲线；

流量控制单元，用于根据所述煤气流量随时间变化曲线对球式热风炉烧炉过程的煤气流量进行控制。

本发明实施例提供的球式热风炉烧炉过程建模与能耗优化方法及系统，基于传热学以及流体力学并结合热风炉的工艺特点，建立了球式热风炉蓄热室的瞬态传热模型并进行计算。该模型可以实时真实地反映热风炉蓄热室内蓄热情况，并能够预测出废气温度，为能耗优化奠定了基础。根据热风炉的操作制度，在瞬态传热模型的基础上建立了以烧炉阶段煤气总用量最小为目标，满足拱顶温度、废气温度、热风流量和温度以及热效率等约束条件的优化模型，并寻求能耗优化模型的最优解。瞬态传热模型和能耗优化模型为热风炉的实际操作提供指导并达到了节能、降低成本的目的，对实现热风炉的自动烧炉具有重大意义。

附图说明

图1为本发明球式热风炉烧炉过程建模与能耗优化方法一实施例的流程示意图；

图2为蓄热室工艺结构及传热分析图；

图3为瞬态传热模型计算流程图；

图4为能耗优化模型求解流程图；

图5为煤气流量最佳给定曲线图；

图6为本发明球式热风炉烧炉过程建模与能耗优化系统一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例公开一种球式热风炉烧炉过程建模与能耗优化方法，包括：

S1、根据传热学和流体力学原理建立热风炉在烧炉和送风两个阶段的蓄热室瞬态传热模型，并给出模型计算的边界条件和初始条件；

S2、计算所述蓄热室瞬态传热模型，根据所述蓄热室瞬态传热模型的计算结果并结合热风炉的工作制度，采用分时段优化煤气流量的方法建立以煤气量为优化目标，满足拱顶温度、废气温度、热风流量和温度以及热效率等约束条件的优化模型；

S3、求解所述优化模型，得到使得能耗最小的煤气流量随时间变化曲线；

S4、根据所述煤气流量随时间变化曲线对球式热风炉烧炉过程的煤气流量进行控制。

具体实现方案如下：

(1)蓄热室机理分析

本方案研究的对象针对于球式热风炉，球式热风炉的蓄热体为相同物性参数的蓄热球。在烧炉阶段，高温烟气与蓄热球之间通过热对流和热辐射进行热量交换，烟气的热量得到释放而蓄热球贮存了烟气释放的热量；在送风阶段，鼓风与蓄热球间进行热量交换，蓄热球将烧炉阶段贮存的热量释放给鼓风。无论是烧炉阶段还是送风阶段，蓄热室中的热量交换主要是烟气或鼓风沿着蓄热室的纵向方向流动造成的。蓄热室工艺结构及传热分析图如图2所示。

(2)蓄热室瞬态传热模型建立

根据(1)中的机理分析，热风炉烧炉和送风两个阶段的传热机理相同，因此只需建立烧炉阶段蓄热室的瞬态传热模型。首先将蓄热室空间从纵向上分为任意多个连续的厚为dx的微元体，然后综合考虑蓄热室中烟气运动、烟气与蓄热球间的热对流和热辐射，并忽略烟气流动过程中的热损失和蓄热球间的热传导，建立其一维瞬态传热模型：

${\mathrm{\&rho;}}_f{\stackrel{\&CenterDot;}{V}}_f{c}_f\left(T_f\right(x,t)-T_f(x+\mathrm{\&Delta;}x,t\left)\right)={\stackrel{\&CenterDot;}{Q}}_{conv}+{\stackrel{\&CenterDot;}{Q}}_{rad}---\left(1\right)$

${\mathrm{\&rho;}}_s{V}_s{c}_s\frac{{\mathrm{dT}}_s(x,t)}{dt}={\stackrel{\&CenterDot;}{Q}}_{convs}+{\stackrel{\&CenterDot;}{Q}}_{rads}---\left(2\right)$

其中，公式(1)为蓄热室中划分的厚为dx微元体的烟气的热量守恒方程，式子左边为蓄热室中烟气沿纵向方向流动dx距离释放的热流量，T_f(x,t)为开始烧炉后t时刻流经离蓄热室顶部x处的烟气的温度，Δx为蓄热室纵向方向上的位置微元， 和 分别为烟气沿纵向方向流动时与蓄热球对流换的热流量和辐射给蓄热球的热流量。公式(2)为对单个蓄热球所建立的热量守恒方程，式子左边为蓄热球自身贮存的热流量，T_s(x,t)为离蓄热室顶部x处的蓄热球在开始烧炉后t时刻的温度， 和 分别为烟气与单个蓄热球对流换热的热流量和烟气辐射给单个蓄热球的热流量。

边界条件的给定：

T_f(x＝0,t)＝T_fin(t)(3)

式(3)表示蓄热室入口处各时间点的烟气温度。

初始条件的给定：

T_s(x,t＝0)＝T_sini(x)(4)

T_f(x,t＝0)＝T_fini(x)(5)

求解一维瞬态传热模型需要给定蓄热室中蓄热球和烟气初始的温度分布，公式(4)表示初始时刻的蓄热球温度分布，公式(5)表示初始时刻的烟气温度分布。

(3)模型参数确定

蓄热室的瞬态传热模型分为烟气模型和蓄热球模型，分别对应公式(1)和公式(2)。在烟气模型和蓄热球模型中的部分参数未确定，需要明确地给出其计算方法：

1)烟气模型参数

烟气是高炉煤气燃烧后的产物，而高炉煤气的主要成分有CO，CO₂，N₂，H₂。在热风炉燃烧室中，高炉煤气与助燃空气充分燃烧反应，产生的烟气主要成分为CO₂，N₂，H₂O，反应方程式如下。

2CO+O₂＝2CO₂(6)

2H₂+O₂＝2H₂O(7)

烟气体积流量 的确定：

根据高炉煤气中各成分的体积分数以及燃烧反应的气体系数关系，可以得出烟气体积流量与高炉煤气流量间的关系如下：

${\stackrel{\&CenterDot;}{V}}_f={\stackrel{\&CenterDot;}{V}}_g\left(2.88\right(m_{CO}+m_{H_2})+m_{N_2}+m_{{\mathrm{CO}}_2})---\left(8\right)$

公式(8)中 表示高炉煤气的体积流量，mCO、 和 分别表示高炉煤气中成分CO、H₂、N₂和CO₂的体积分数。

烟气密度ρ_f及比热容c_f的确定：

根据烟气的各成分密度、比热容及其相应体积分数可得烟气密度如下,

${\mathrm{\&rho;}}_f=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_{{\mathrm{CO}}_2}(m_{CO}+m_{{\mathrm{CO}}_2})+{\mathrm{\&rho;}}_{N_2}\left(1.88\right(m_{CO}+m_{H_2})+m_{N_2})+{\mathrm{\&rho;}}_{H_{2}O}{m}_{H_2}}{2.88(m_{CO}+m_{H_2})+m_{N_2}+m_{{\mathrm{CO}}_2}}---\left(9\right)$

烟气比热容为，

$c_f=\frac{c_{{\mathrm{CO}}_2}(m_{CO}+m_{{\mathrm{CO}}_2})+c_{N_2}\left(1.88\right(m_{CO}+m_{H_2})+m_{N_2})+c_{H_{2}O}{m}_{H_2}}{2.88(m_{CO}+m_{H_2})+m_{N_2}+m_{{\mathrm{CO}}_2}}---\left(10\right)$

热流量 的确定：

根据牛顿冷却公式，烟气流过蓄热室微元体与蓄热球发生对流换热的热流量为：

${\stackrel{\&CenterDot;}{Q}}_{conv}=hA\left(T_f\right(x,t)-T_s(x,t\left)\right)---\left(11\right)$

公式(11)中A为烟气流过蓄热室微元体时与蓄热球总的换热面积，计算公式如下：

$A=\frac{3{\mathrm{\&pi;R}}^2(1-\mathrm{\&mu;})}{r}dx---\left(12\right)$

公式(12)中R为蓄热室截面半径，μ为蓄热室的孔隙率，r为蓄热球的半径；

h为烟气与蓄热球的对流换热系数，可以通过如下式子得到：

$Nu=\frac{hL}{k}---\left(13\right)$

公式(13)中Nu为努塞尔数，L为蓄热室的长度，k为烟气的导热系数。

热流量 的确定：

烟气对蓄热球热辐射主要受烟气中CO₂与H₂O的影响，可将烟气看成灰体，根据斯忒籓-玻尔兹曼定律，可得在蓄热室微元体中烟气对蓄热球总的辐射热流量计算公式如下：

${\stackrel{\&CenterDot;}{Q}}_{rad}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_s\mathrm{\&sigma;}A}{1-(1-{\mathrm{\&alpha;}}_f)(1-{\mathrm{\&epsiv;}}_s)}\left({\mathrm{\&epsiv;}}_f{T}_f^4\right(x,t)-{\mathrm{\&alpha;}}_f{T}_s^4(x,t\left)\right)---\left(14\right)$

公式(14)中α_f为烟气的辐射吸收率，ε_s和ε_f分别为蓄热球和烟气的辐射发射率，σ为黑体辐射常数。

2)蓄热球模型参数

蓄热球的物性参数如密度ρ_s，比热容c_s是确定的常数，单个蓄热球体积V_s计算公式如下：

$V_s=\frac{4{\mathrm{\&pi;r}}^3}{3}---\left(15\right)$

根据牛顿冷却公式，烟气与单个蓄热球间对流换热的热流量计算如下。

${\stackrel{\&CenterDot;}{Q}}_{convs}={\mathrm{hA}}_s\left(T_f\right(x,t)-T_s(x,t\left)\right)---\left(16\right)$

公式(16)中A_s为单个蓄热球的表面积，计算公式如下：

A_s＝4πr²(17)

根据斯忒籓-玻尔兹曼定律，可得烟气对单个蓄热球辐射热流量计算公式如下：

${\stackrel{\&CenterDot;}{Q}}_{rads}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_s{\mathrm{\&sigma;A}}_s}{1-(1-{\mathrm{\&alpha;}}_f)(1-{\mathrm{\&epsiv;}}_s)}\left({\mathrm{\&epsiv;}}_f{T}_f^4\right(x,t)-{\mathrm{\&alpha;}}_f{T}_s^4(x,t\left)\right)---\left(18\right)$

(4)能耗优化模型的建立

在热风炉烧炉过程中，需要消耗大量的高炉煤气，然而现有的烧炉方式没有对高炉煤气的用量进行有效地优化，造成了能量不必要的浪费，因此建立以煤气用量最小为目标的优化模型是十分必要的。由于对热风炉煤气流量的调节是通过阀门控制，而出于安全考虑阀门不能连续多次调节，因此在实际操作中阀门调节是分级并且分时段调节。将烧炉时间等分为n段，忽略每段时间内煤气流量的波动，以煤气总用量最小为目标建立满足热风炉烧炉过程中各约束条件的优化模型：

$\begin{array}{cc}MIN& Q=\underset{l=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\stackrel{\&CenterDot;}{V_{gl}}{t}_l\end{array}---\left(19\right)$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}{T}_{d\min }\&lt;T_d\&lt;T_{d\max }\\ T_{w\min }\&lt;T_w\&lt;T_{w\max }\\ T_{s\min }\&lt;T_s\&lt;T_{s\max }\\ |T_w-T_{ws}|\&lt;\mathrm{\&theta;}\end{array}\right.---\left(20\right)$

公式(19)中 表示第l段烧炉时间高炉煤气的体积流量，t_l为第l段烧炉时间的时长，Q为煤气消耗总量。公式(20)中的不等式分别是对拱顶温度、废气温度、蓄热室顶部蓄热球温度以及废气温度与蓄热室底部蓄热球温差的约束。T_d表示拱顶温度，T_w表示废气温度，T_s表示蓄热球的表面温度，T_ws表示蓄热室底部蓄热球的表面温度，θ表示废气与蓄热室底部蓄热球表面温度差的绝对值的临界值，T_dmax和T_dmin分别为拱顶温度T_d的上下临界值，T_wmax和T_wmin分别为废气温度T_w的上下临界值，T_smax和T_smin分别为蓄热球的表面温度T_s的上下临界值。从热风炉工艺和安全角度出发，拱顶温度、废气温度、蓄热球表面温度不能超过其承受的最大温度；而从蓄热室的热效率来看，拱顶温度、废气温度、蓄热球的表面温度必须得大于一定的温度值。废气温度与蓄热室底部蓄热球的温差代表着蓄热室蓄热量的大小，温差越小表示蓄热室中的蓄热量越大。

(5)模型求解

在能耗优化模型中的部分参数是未知并且时变的，需要通过瞬态传热模型计算得到，所以在求解能耗优化模型时需要结合瞬态传热模型的计算结果。本方案采用有限差分的方法求解热风炉蓄热室的瞬态传热模型，即将计算域划分为互不重叠的时间和空间二维子域来实现瞬态传热模型的离散然后求解离散方程。为简化模型和提高运算效率，忽略热辐射，瞬态传热模型离散后的结果如下：

$T_f^{(i+1,j)}=(1-\frac{3{\mathrm{\&pi;hR}}^2(1-\mathrm{\&mu;})}{{\mathrm{\&rho;}}_f{c}_{f}r{\stackrel{\&CenterDot;}{V}}_f}\mathrm{\&Delta;}x)T_f^{(i,j)}+\frac{3{\mathrm{\&pi;hR}}^2(1-\mathrm{\&mu;})}{{\mathrm{\&rho;}}_f{c}_{f}r{\stackrel{\&CenterDot;}{V}}_f}{\mathrm{\&Delta;xT}}_s^{(i,j)}---\left(21\right)$

$T_s^{(i,j+1)}=\frac{3h}{{\mathrm{\&rho;}}_s{c}_s}{\mathrm{\&Delta;tT}}_f^{(i,j)}+(1-\frac{3h}{{\mathrm{\&rho;}}_s{c}_s}){\mathrm{\&Delta;tT}}_s^{(i,j)}---\left(22\right)$

其中i表示蓄热室中烟气或蓄热球的位置，j表示热风炉烧炉的时间， 表示第i+1空间迭代步，第j时间迭代步的烟气温度，T_s^(i,j)表示第i空间迭代步，第j时间迭代步的蓄热球温度，Δt为每个时间迭代步的步长。公式(21)是瞬态传热模型中烟气模型离散后的结果，根据此方程可以得出蓄热室中烟气温度的时空分布；公式(22)是对蓄热球模型离散后的方程，可以通过此方程计算出蓄热球温度的时空分布。如图3所示，蓄热室瞬态传热模型的具体计算流程如下：

Step1：初始化蓄热室的烟气和蓄热球温度分布，即给定烟气初始温度分布为 蓄热球的初始温度分布为 给定边界条件，即蓄热室入口的烟气温度T_f^(i＝0,j)＝T_fin^(j)；给定烧炉时间迭代初值j＝0，最大的空间迭代步数和时间迭代步数；

Step2：空间迭代步数赋初值i＝1，时间迭代步j＝j+1；

Step3：利用瞬态传热模型的离散方程式(21)和(22)计算第i空间迭代步，第j时间迭代步的烟气温度分布 和蓄热球温度分布 空间迭代步数i＝i+1；

Step4：判断空间迭代步数是否达到迭代终止条件，若是则停止迭代，转到Step5；否则继续执行Step3；

Step5：判断时间迭代步数是否达到迭代终止条件，若是则停止迭代，结束整个计算过程；否则转到Step2。

根据热风炉的操作制度，采用分时段枚举煤气流量的方法来寻求能耗优化模型的最优解。能耗优化模型中将烧炉时间等分为n段，每段时间给定一个煤气流量值进行计算。但实际上热风炉会存在一个可控煤气流量范围，而且流量调节阀不宜频繁调节，因此将可控范围的煤气流量等分为d级。因为在热风炉烧炉初期需迅速提升拱顶温度，所以在每个烧炉时段按从大到小的顺序依次枚举煤气流量，每次枚举各时段煤气流量的组合都是能耗优化模型的一个可能解，共有dⁿ种能耗优化模型的可能解，d和n的取值由计算机的运算效率和热风炉操作制度决定。如图4所示，能耗优化模型的详细求解步骤如下：

Step1：给定烧炉时间段数n，煤气流量级数d，最小能耗min并赋予较大初值优化模型可能解的枚举计数p＝0；

Step2：初始化烟气和蓄热球的温度分布，烧炉时间段计数赋初值q＝1，p＝p+1；

Step3：结合瞬态传热模型按第p种可能解给出的各烧炉时段煤气流量计算第q段烧炉时间末的烟气、蓄热球温度分布；

Step4：时间段计数q＝q+1；判断q是否大于n，若是则转到step5，否则转到step3；

Step5：计算当前可能解的总能耗Y，判断其是否小于最小能耗并且满足给定的约束条件，若是则更新最小能耗，否则转到step6；

Step6：判断p是否大于dⁿ，若是则停止迭代，结束整个计算过程，得出能耗优化模型的最优解即最佳的煤气流量给定曲线，否则转到step2。

本发明从机理的角度对球式热风炉蓄热室中的瞬态传热过程和流体运动进行分析，根据蓄热室中热量交换情况可以得出热风炉的蓄热效率和能耗与蓄热室中烟气和蓄热球的温度有强相关性；根据传热学和流体力学原理建立热风炉在烧炉阶段蓄热室瞬态传热模型，给出模型计算的边界条件和初始条件；并结合热风炉的工艺参数以及实时采集的数据确定瞬态传热模型中的变量；结合热风炉的工作制度并利用蓄热室瞬态传热模型的计算结果，采用分时段优化煤气流量的方法建立以煤气量为优化目标，满足拱顶温度、废气温度、热风流量和温度以及热效率等约束条件的优化模型；采用有限差分法计算瞬态传热模型，得出烟气和蓄热球温度的时空分布。并采用采用分时段枚举煤气流量的方法来寻求能耗优化模型的最优解，得出最节能且热效率最高的煤气流量随时间变化曲线。基于上述特征，本发明能够实现节能、降低成本的目的，对实现热风炉的自动烧炉具有重大意义。

实施例：

本实施例在某钢厂2650m³高炉的热风炉上进行测试。利用本发明建立的瞬态传热模型和能耗优化模型，并按照模型计算的步骤得出最优的煤气流量给定曲线。具体而言：

首先，根据热风炉的工艺参数和检测的数据，包括热风炉蓄热室的半径、蓄热室顶部到底部的长度、蓄热球的半径和物性参数、热风炉的拱顶温度、煤气流量，对建立的瞬态模型的参数进行确定。接着将烧炉时间分为4段，每段时间为30min，煤气流量级数分为20级。最后按照能耗模型的计算步骤进行迭代计算得到最佳煤气流量给定曲线如图5所示。实际烧炉过程所用煤气总量为145672立方米，优化后模型计算的煤气总用量为122710立方米，节约煤气量为22962立方米。可见本实施例节省了大量的煤气，达到了节能的效果，提高了整个高炉炼铁过程的经济效益。

如图6所示，本实施例公开一种球式热风炉烧炉过程建模与能耗优化系统，包括：

第一建模单元1，用于根据传热学和流体力学原理建立热风炉在烧炉和送风两个阶段的蓄热室瞬态传热模型，并给出模型计算的边界条件和初始条件；

第二建模单元2，用于计算所述蓄热室瞬态传热模型，根据所述蓄热室瞬态传热模型的计算结果并结合热风炉的工作制度，采用分时段优化煤气流量的方法建立以煤气量为优化目标，满足拱顶温度、废气温度、热风流量和温度以及热效率等约束条件的优化模型；

模型求解单元3，用于求解所述优化模型，得到使得能耗最小的煤气流量随时间变化曲线；

流量控制单元4，用于根据所述煤气流量随时间变化曲线对球式热风炉烧炉过程的煤气流量进行控制。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

球式热风炉烧炉过程建模与能耗优化方法及系统专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。