殘熱

熱風爐是高爐鍊鐵的重要供熱設備，燃燒期通過煤氣和空氣燃燒，將熱量蓄積在格子磚中；送風期通過格子磚加熱冷風，將蓄積熱量供應給高爐使用。完善的熱風爐燃燒控制應具備以下特點：

（1）每個燃燒期蓄積的總熱量必須滿足下一個送風期送風熱量的需求，並維持熱量收支平衡；、

（2）拱頂温度達到規定值，減小頂温波動；

（3）設定煙氣排放最終温度，控制合適的煙氣升温速率。

針對熱風爐燃燒控制中的第1個特點，需要進行煤氣總流量設定。煤氣總流量設定有兩種方法：

（1）根據煙氣温度、混風閥開度等參數，間接判斷上一週期設定的煤氣總流量是否滿足下週期熱支出的需要；

（2）基於熱風爐熱平衡原理，採用數學模型直接計算收入熱量和支出熱量，確定合適的煤氣總流量。

但實際運行過程中爐內存在大量殘熱， ^[1]  上述方法均未考慮熱風爐支出熱量中可能包含的上週期中爐內殘熱，從而影響到煤氣總流量設定值的準確性。將殘熱引入熱平衡計算中，建立基於熱平衡的熱風爐殘熱推斷模型，並通過首鋼遷安鋼鐵有限責任公司2號高爐熱風爐的實際數據對模型進行了驗證，結果證明利用該模型能夠將熱風爐使用效率與熱量收支平衡相結合，並可通過計算最佳熱收入和熱支出來計算供下週期利用的殘熱相對值，從而達到優化下週期收入熱量(即優化煤氣總流量)、有效利用熱風爐殘熱、提高熱風爐熱效率、延長熱風爐使用壽命的目的。

雖然熱風爐在一個運行週期內熱收入和熱支出並不一定相等，但引入殘熱概念後下式成立：

Q_殘熱i+Q_熱收入i=Q'_殘熱i+Q'_熱支出i

式中，Q_殘熱為燃燒期末爐內殘熱；Q'_殘熱為送風期末爐內殘熱；Q_熱收入為熱風爐實際收入熱量；Q'_熱支出為

熱風爐實際支出熱量；i為歷史爐次。

由於Q_殘熱i和Q'_殘熱i無法得知，因此通過假設的Q_最佳i(單爐次最佳收入熱量)和 Q'_最佳i(最佳支出熱量)來間接計算，設

ΔQ_i = Q_熱收入i － Q_最佳i = (Q'_熱支出i － Q_最佳i) +(Q'_殘熱i － Q_殘熱i)

由於從熱平衡角度來説，Q_最佳i與 Q'_最佳i相等，所以ΔQ_i也可根據下式計算：

ΔQ_i= Q_熱收入i － Q'_最佳i = (Q'_熱支出i － Q'_最佳i)+(Q'_殘熱i－Q_殘熱i)

由此可以看出，ΔQ_i的意義為每爐實際支出熱量相對最佳支出熱量需要的額外熱量(Q'_熱支出i－Q'_最佳i)與爐內可利用殘餘熱量(Q'_殘熱i－Q_殘熱i)之和，即可供下週期使用的爐內殘熱相對值。上述倆式即為基於熱平衡建立的殘熱推斷模型。

熱風爐熱工參數的數據採集從2009年9月20日起截止到2009年10月3日為止，選取遷安鋼鐵有限責任公司2號高爐熱風爐實時熱狀態下的空氣流量、空氣預熱温度、煤氣流量和煤氣預熱温度等47個熱工檢測參數作為研究對象，進行殘熱計算。採集數據時間的最小間隔為1min，共計100爐次。由於數據較多且計算量大，實際中採用VC++編程處理。根據採集的數據計算 Q_1i～Q_4i和Q_1'i～Q_3'i，計算結果如表1所示。

從表1可以看出，黑體數據均為異常數據，導致異常數據產生的主要原因是：（1）監控節點信號為空值，導致熱風爐爐號順序混亂；（2）信號輸出中斷，導致殘熱推斷數據明顯偏大或變小。因此為了減小熱平衡計算誤差， 必須對數據進行篩選，以排除異常因素的干擾。考慮到實際操作中，3座熱風爐是按爐次向高爐送風，且每一週期燃燒熱量和送風熱量一般在2×10⁷～1 ×10⁹kJ 之間，因此剔除異常數據的具體方法是：將按時間排序間隔小於3的相同爐號的數據以及 Q_1i和 Q_1'i 項的異常數據剔除。

從圖1可以看出，3號熱風爐每一週期爐內的殘熱變化有以下兩大特點：

（1）熱風爐內供下週期使用的殘熱大於零時，説明該週期燃燒熱量過多，熱風爐熱效率降低；

（2）供下週期使用的殘熱小於零時，説明燃燒熱量不足，下週期應增加煤氣燃燒量，補充爐內殘熱不足，滿足下週期的送風熱量需求。

此外，從圖1可以看出，3號熱風爐每一爐次爐內熱量不能收支平衡時，其熱量差值最高達到1.8×10⁸kJ，約佔燃燒期熱量的45%左右，引起蓄熱室格子磚整體温度場波動 25℃，這將會導致格子磚因温度變化而產生的熱應力表現更為突出，對熱風爐使用壽命極為不利。

從理論上來説，預計支出熱量可以維持熱風爐爐內熱量平衡，但實際上由於高爐爐況的影響，使得某個週期熱風爐的送風時間和送風温度可能不穩定，導致實際支出熱量不等於預計支出熱量，因此我們根據送風週期假設每爐次預計下週期熱支出與實際相差5%，然後利用殘熱推斷模型的計算結果和熱平衡方程對51～87爐次收入熱量進行優化。

優化51～87爐次收入熱量後與前50爐次相比，其爐內可利用殘熱減少，並且波動很小，説明採用基於熱平衡的殘熱推斷模型能夠充分利用爐內殘熱，提高熱風爐使用效率。

實際運行過程中爐內存在大量殘熱，引入殘熱概念，並推導出基於熱平衡計算的殘熱推斷模型，該模型的具體意義如下：

（1）殘熱推斷方法比較合理。基於熱平衡殘熱推斷模型，利用積分方法計算每一爐次的熱收入和熱支出， 再計算適合風温要求的最佳收入熱量，並將其看作Q_最佳i進行殘熱推斷。

（2）提高熱風爐使用效率。當爐內殘熱為正時，下一週期收入熱量應低於預計支出熱量；當爐內殘熱為負時，下一週期收入熱量應高於預計支出熱量，從而有效利用爐內殘熱。

（3）維持爐內熱量收支平衡。利用計算出的優化收入熱量和預計的支出熱量平衡爐內的殘熱，減小每一爐次熱風爐蓄熱室實際殘熱的波動，穩定蓄熱室格子磚整體温度場，減小格子磚內部的熱應力，延長熱風爐使用壽命。 ^[2]