CN109472063B - 一种热镀锌机组能量效率模型的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热镀锌机组能量效率模型的建模方法，利用能量流理论，以能量守恒为基础，分析了镀锌机组产线中加热炉和锌锅两个部分的能耗组成，着重探究其能量流构成及特点；其后根据输出功率与各项工艺参数的内在关系及映射机理，分别建立了热平衡方程，根据碳排放原理将两部分能耗进行汇总，得到一个总的能量效率模型。本发明所建立的能量效率模型为后续探讨能量效率的工艺参数优化及完成多目标的排序优化研究提供了基础。建立该模型是深入后续研究理论基础，其意义明确、合理，不可或缺。

Description

一种热镀锌机组能量效率模型的建模方法

技术领域

本发明属于镀锌机组能量优化技术领域，具体涉及一种热镀锌机组能量效率模型的建模方法。

背景技术

钢铁工业是典型的流程工业，生产过程具有工艺复杂、生产条件严格、生产设备多、自动化程度高等特点。基于某钢铁厂的冷轧产线分析，该冷轧厂总共有酸洗、连退及镀锌三条机组。冷轧工序中镀锌机组有着巨大的节能潜力，目前针对镀锌产线，完成整个产线的能效建模。通气量、速度、温度是核心的工艺参数。

镀锌机组能量消耗最多的区域为：加热炉区、锌锅区。为了进行有效的节能安排，必须分析工作区域的能量来源与消耗，找出其中的映射关系，建立连续退火炉及锌锅两大部分的能效平衡方程。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种可分析镀锌机组能量来源与消耗关系的能量效率模型的建模方法。

为解决上述技术问题，本发明实施例采用的技术方案是，一种热镀锌机组能量效率模型的建模方法，包括以下步骤：

(1)根据加热炉的热收入量、带钢带走热量、炉壁对流散失热量、炉壁辐射散热量、废气及保护气体分别带走的热量，计算得到连续退火过程中加热炉的热平衡方程；

(2)根据锌锅中带钢带入热量、感应加热供给热量、锌液表面对流散失热量、锌液表面辐射换热量、锌锅四周对流散失热量、锌锅四周辐射换热量、锌锅底部对流散失热量、锌锅底部辐射换热量、熔化锌锭支出热量，计算得到锌锅的热平衡方程；

(3)通过上述加热炉的热平衡方程、锌锅的热平衡方程分别采用碳排放因子校正后相加得到热镀锌机组能量效率模型。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的热镀锌机组能量效率模型的建模方法，本发明实施例根据能量流理论，以能量守恒为基础，对镀锌机组产线中加热炉和锌锅两个部分的能耗组成进行研究，根据输出功率与各项工艺参数的关系，分别建立了热平衡方程，通过碳排放因子的校正得到一个总的能量效率模型；可用于冷轧产线的分析，根据该模型可对其核心工艺参数进行通气量、速度、温度实验设置，达到节能减排提高产量的效果。

附图说明

图1是本发明实施例的连续热镀锌机组单元模块能量效率模型组成示意图；

图2是本发明实施例的方法在退火炉带钢中计算参数及实际参数对比示意图；

图3是本发明实施例的方法在锌锅带钢中计算参数及实际参数对比示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

实施例一

请参考图1，本发明的实施例提供了一种热镀锌机组能量效率模型的建模方法，包括以下步骤：

(1)根据加热炉的热收入量Q_rq、带钢带走热量Q_dg2、炉壁对流散失热量Q_ld、炉壁辐射散热量Q_lf、废气及保护气体分别带走的热量Q_fq、Q_bh，计算得到连续退火过程中加热炉的热平衡方程；

具体地，加热炉的热收入量Q_rq为燃气供给量、带钢带走热量Q_dg2、炉壁对流散失热量Q_ld、炉壁辐射散热量Q_lf、废气及保护气体分别带走的热量Q_fq、Q_bh分别通过公式(1)～(6)得到，

Q_rq＝V_rqh_rq (1)

Q_ld＝α_l(T_l-T_h)S_l (3)

Q_fq＝V_fqC_fq(T_f-T_h) (5)

Q_bh＝V_bhC_bh(T_q2-T_q1) (6)

其中，Q_rq为加热炉获得的热量、Q_dg2为带钢带走的热量、Q_ld为炉壁表面对流散失的热量、Q_lf为炉壁辐射换热量、Q_fq为废气带走的热量、Q_bh保护气体带走的热量，单位均为kJ/h；V_rq为标态下通入的燃气量、V为废气标态下的总量，单位均为m³/h；h_rq为燃气的热值，单位为kJ/m³；ρ₂为带钢的密度，为7.85×10³kg/m³；b为带钢的宽度、h_g为带钢的厚度，单位均为m；v为带钢的速度，单位为m/min；C_s为钢的质热容量，单位为kJ/(kg·℃)；S_l为炉壁散热面积，单位为m²；T_ck为带钢出口温度、T_i为带钢的瞬时温度、T_rk为带钢入口温度、T_l为炉壁温度、T_h为环境温度、T_f为废气温度、T_q2为经辐射管加热的保护气体的温度、T_q1为保护气体的入口温度，单位均为℃；α_l为炉壁表面对流换热系数，单位为kJ/(m²·h·℃)；ε_lb为***黑度；

为角度系数；C₁为黑体辐射系数，4.96×10³kJ/(m²·h·K⁴)；T_l为炉壁表面温度、T_h为环境温度，单位均为K；C为废气的热容，kJ/(m³·℃)；

其中，带钢的热容为一个随着温度不断变化的量，因此不能将其当做常量看待，其计算公式为(7)：

C_s＝1.34×10^-11t⁵-3.7×10^-8t⁴+4.007×10^-5t³-0.02101t²+5.672t-179.6 (7)；

进一步地，连续退火过程中加热炉总的热收入Q_ly主要是燃气供给量，即为加热炉获得的热量Q_rq，通过公式(8)得到连续退火过程中加热炉总的热收入Q_lr，连续退火过程中总的热收入Q_lr与总的热支出Q_lc平衡，根据方程(8)、(9)、(10)、(11)得到热平衡方程(12)；

Q_lr＝Q_rq (8)

Q_lc＝Q_dg2+Q_fq+Q_ld+Q_lf+Q_bh (9)

Q_lr＝Q_lc (10)

Q_rq＝Q_dg2+Q_fq+Q_ld+Q_lf+Q_bh (11)

(2)根据锌锅中带钢带入热量Q_dg1、感应加热供给热量Q_gy、锌液表面对流散失热量Q_bd、锌液表面辐射换热量Q_bf、锌锅四周对流散失热量Q_zd、锌锅四周辐射换热量Q_zf、锌锅底部对流散失热量Q_dd、锌锅底部辐射换热量Q_df、熔化锌锭支出热量Q_r，计算得到锌锅的热平衡方程；

具体地，锌锅中带钢带入热量Q_dg1、感应加热供给热量Q_gy、锌液表面对流散失热量Q_bd、锌液表面辐射换热量Q_bf、锌锅四周对流散失热量Q_zd、锌锅四周辐射换热量Q_zf、锌锅底部对流散失热量Q_dd、锌锅底部辐射换热量Q_df、熔化锌锭支出热量Q_r分别通过公式(13)～(21)得到，

Q_dg1＝60vbh_gρ₂·C_s(T_dg-T_xy) (13)

Q_gy＝3600N (14)

Q_bd＝α_b(T_b-T_h)S_b (15)

Q_zd＝α_z(T_z-T_h)S_z (17)

Q_dd＝α_d(T_d-T_h)S_d (19)

其中，Q_dg1为带钢带入锌锅的热量、Q_gy为感应加热供给锌锅的热量、Q_bd为锌液表面对流散失的热量、Q_bf为锌液表面辐射换热量、Q_r为熔化锌锭支出的热量、Q_zd为锌锅四周对流散失热量、Q_zf为锌锅四周辐射换热量、Q_dd为锌锅底部对流散失热量、Q_df为锌锅底部辐射换热量，单位均为kJ/h；ρ₂为带钢的密度，为7.85×10³kg/m³；ρ₁为锌的密度，为7.14×10³kg/m³；b为带钢的宽度、h_g为带钢的厚度、h_x为锌层的厚度，单位均为m；v为带钢的速度，m/min；C_s为钢的质量热容、C_z为锌的质量热容，单位均为kJ/(kg·℃)；T_dg为带钢进入锌锅时的温度、T_xy为锌液的工作温度、T_b为锌液温度、T_h为环境温度、T_g为锌液工作温度、T_y为锌锭原来温度，℃；N为有功功率，kW；α_b为锌液表面对流换热系数，kJ/(m²·h·℃)；ε_xy为带有氧化锌灰的锌液面对环境空气的***黑度；

为锌液面对环境吸热面的角系数；C₀为黑体辐射系数，kJ/(m²·h·K⁴)；L为锌锭熔化的潜热，kJ/kg；

进一步地，感应加热锌锅在生产时总的热支出与热收入相等，通过公式(13)～(22)得到锌锅的热平衡方程(23)，

Q_dg1+Q_gy＝Q_bd+Q_bf+Q_zd+Q_zf+Q_dd+Q_df+Q_r (22)

(3)通过上述加热炉的热平衡方程、锌锅的热平衡方程分别采用碳排放因子校正后相加得到热镀锌机组能量效率模型。

具体地，由能量守恒的原则，两者的能量可以单纯地从能量的角度完成融合，锌锅所消耗的电能和加热炉所消耗的热能作为两个独立又有关联的能量，采用碳排放因子校正将两种能量统一，以此衡量不同源能量；根据步骤(1)、(2)中得到的热平衡方程(12)、(22)及碳排放因子与锌锅所消耗的电耗、加热炉所消耗的热耗，通过公式(24)～(26)得到热镀锌机组的单位质量的碳排放能量效率模型(27)，

其中，

为总碳排放量，C_iEF,elc，C_iEF,gas分别表示为电能及热能的碳排放因子；∑E_Ci，∑G_Ci分别表示为锌锅所消耗的电耗及加热炉所消耗的热耗。

实施例二

根据本发明实施例的方法对热镀锌机组进行能量效率计算与实际热镀锌机组中M1A1钢种的能量效率进行比较。

在加热带钢前，首先对带钢进行预热：将废气通过热交换器将热量传递给保护气体，通过保护气体预热带钢，带钢在没有任何腐蚀且维持速度的情况下，通过总路径为44m的预热带预热，出口温度约为180～200℃。

(1)带钢完成加热后，会带走一部分热量，该钢种的厚度为0.69mm，宽度为1479mm，运行速度为110m/min，由式(2)、(7)可以得到带钢带走的热量Q_dg2；

(2)保护气体及废气均会带走部分热量，造成热损失，由式(5)得到Q_fq的量，由式(6)得到Q_bh的量；

(3)加热炉表面的对流及辐射换热的热量Q_ld、Q_lf可分别由式(3)及式(4)求得，常用的工程材料黑度如表1所示：

表1常用工程材料表面黑度

(4)总的热支出为46500MJ/h，热收入为燃气加热带来的热能，燃烧的混合气体热值为7530+/-418KJ/Nm³，由此可根据式(12)计算得出加热此带钢应该需求的通气量为6175.299m³/h。

根据现场采集实际监测数据，该钢种在加热炉段共通过七个加热区，具体通气量如表2所示：

表2M2A1带钢加热段通气量数据

此时得出该带钢实际需求的通气量为6373.759m³/h，通过比较实际量和计算量得出误差。

分别计算同种类型不同规格的带钢的通气量以及不同类型带钢的通气量，并与实际通气量进行比较，得到具体数据如表3所示：

表3退火炉带钢计算参数及实际参数对比表

参照附图2，表明本发明实施例建立的热平衡方程与能量效率模型可有效预测实际应用中的通气量。

而热镀锌机组中所用为陶瓷感应锌锅，能量的来源主要为冷却后带钢带入的热量以及电能的加热，输出主要为感应加热锌锅的热支出包括锌液表面的热量散失(对流换热Q_bd和辐射换热Q_bf)、锌锅四周的热量散失(对流换热Q_zd和辐射换热Q_zf)、锌锅底部的热量散失(对流换热Q_dd和辐射换热Q_df)和熔化锌锭支出的热量Q_r。

(1)带钢进锌锅前有一温度，若高于锌液温度时，会给整体带来能量收入，同退火炉选用同种带钢，带入式(13)得到带钢带入锌锅的热量Q_dg1；

(2)锌液的表面积为12m²，锌液表面的对流及辐射散热量Q_bd、Q_bf由式(15)及式(16)分别计算；同理可由式(17)及式(18)得锌锅的对流换热量Q_zd和辐射换热Q_zf；由式(19)、式(20)得锌锅底部的对流换热Q_dd和辐射换热Q_df；

(3)锌锭熔化时会吸收能量，带钢镀锌为双面镀锌，每面为80g/m²，由式(21)计算的出此时需求能量Q_r；

(4)带钢带入的能量及电能之和等于总的热支出，由式(23)可得此时需要的电功率为201kW。

以退火炉中的验证数据分别计算同种类型不同规格的带钢电功率以及不同类型带钢的电功率，并与实际电功率进行比较，得到具体数据如表4所示

表4锌锅带钢计算参数及实际参数对比表

参照附图3，表明本发明实施例建立的热平衡方程、能量效率模型与实际应用中监测的数据误差小，模型精度高，准确度好。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种热镀锌机组能量效率模型的建模方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)根据加热炉的热收入量Q_rq、带钢带走热量Q_dg2、炉壁对流散失热量Q_ld、炉壁辐射散热量Q_lf、废气及保护气体分别带走的热量Q_fq、Q_bh，计算得到连续退火过程中加热炉的热平衡方程；

(2)根据锌锅中带钢带入热量Q_dg1、感应加热供给热量Q_gy、锌液表面对流散失热量Q_bd、锌液表面辐射换热量Q_bf、锌锅四周对流散失热量Q_zd、锌锅四周辐射换热量Q_zf、锌锅底部对流散失热量Q_dd、锌锅底部辐射换热量Q_df、熔化锌锭支出热量Q_r，计算得到锌锅的热平衡方程；

(3)通过上述加热炉的热平衡方程、锌锅的热平衡方程分别采用碳排放因子校正后相加得到热镀锌机组能量效率模型；

其中，

其中，i＝1、2、3时所表示的参数分别为锌液表面、锌锅四周、锌锅底部对流散失热量或辐射换热量计算相关参数，V_rq为标态下通入的燃气量、V为废气标态下的总量，单位均为m³/h；h_rq为燃气的热值，单位为kJ/m³；ρ₂为带钢的密度，为7.85×10³kg/m³；b为带钢的宽度、h_g为带钢的厚度，单位均为m；v为带钢的速度，单位为m/min；C_s为钢的质热容量，单位为kJ/(kg·℃)；S_l为炉壁散热面积，单位为m²；T_ck为带钢出口温度、T_i为带钢的瞬时温度、T_rk为带钢入口温度、T_l为炉壁温度、T_h为环境温度、T_f为废气温度、T_q2为经辐射管加热的保护气体的温度、T_q1为保护气体的入口温度，单位均为℃；α_l为炉壁表面对流换热系数，单位为kJ/(m²·h·℃)；ε_lb为***黑度；

为角度系数；C₁为黑体辐射系数，4.96×10³kJ/(m²·h·K⁴)；C为废气的热容，kJ/(m³·℃)；ρ₁为锌的密度，为7.14×10³kg/m³；h_x为锌层的厚度，单位均为m；C_z为锌的质量热容，单位均为kJ/(kg·℃)；T_dg为带钢进入锌锅时的温度、T_xy为锌液的工作温度、T_b为锌液温度、T_g为锌液工作温度、T_y为锌锭原来温度，℃；N为有功功率，kW；α_b为锌液表面对流换热系数，kJ/(m²·h·℃)；ε_xy为带有氧化锌灰的锌液面对环境空气的***黑度；/>

为锌液面对环境吸热面的角系数；C₀为黑体辐射系数，kJ/(m²·h·K⁴)；L为锌锭熔化的潜热，kJ/kg；/>

为总碳排放量，C_iEF,elc，C_iEF,gas分别表示为电能及热能的碳排放因子；∑E_Ci，∑G_Ci分别表示为锌锅所消耗的电耗及加热炉所消耗的热耗。

2.根据权利要求1所述的一种热镀锌机组能量效率模型的建模方法，其特征是，所述加热炉的热收入量Q_rq为燃气供给量、带钢带走热量Q_dg2、炉壁对流散失热量Q_ld、炉壁辐射散热量Q_lf、废气及保护气体分别带走的热量Q_fq、Q_bh分别通过公式(5)～(10)得到，

Q_rq＝V_rqh_rq (5)

Q_ld＝α_l(T_l-T_h)S_l (7)

Q_fq＝V_fqC_fq(T_f-T_h) (9)

Q_bh＝V_bhC_bh(T_q2-T_q1) (10)

其中，Q_rq为加热炉获得的热量、Q_dg2为带钢带走的热量、Q_ld为炉壁表面对流散失的热量、Q_lf为炉壁辐射换热量、Q_fq为废气带走的热量、Q_bh保护气体带走的热量，单位均为kJ/h；V_rq为标态下通入的燃气量、V为废气标态下的总量，单位均为m³/h；h_rq为燃气的热值，单位为kJ/m³；ρ₂为带钢的密度，为7.85×10³kg/m³；b为带钢的宽度、h_g为带钢的厚度，单位均为m；v为带钢的速度，单位为m/min；C_s为钢的质热容量，单位为kJ/(kg·℃)；S_l为炉壁散热面积，单位为m²；T_ck为带钢出口温度、T_i为带钢的瞬时温度、T_rk为带钢入口温度、T_l为炉壁温度、T_f为废气温度、T_q2为经辐射管加热的保护气体的温度、T_q1为保护气体的入口温度，单位均为℃；α_l为炉壁表面对流换热系数，单位为kJ/(m²·h·℃)；ε_lb为***黑度；

为角度系数；C₁为黑体辐射系数，4.96×10³kJ/(m²·h·K⁴)；T_l为炉壁表面温度、T_h为环境温度，单位均为K；C为废气的热容，kJ/(m³·℃)。

3.根据权利要求2所述的一种热镀锌机组能量效率模型的建模方法，其特征是，通过公式(11)得到连续退火过程中加热炉总的热收入Q_lr，连续退火过程中总的热收入Q_lr与总的热支出Q_lc平衡，根据方程(11)、(12)、(13)、(14)得到热平衡方程(15)；

Q_lr＝Q_rq (11)

Q_lc＝Q_dg2+Q_fq+Q_ld+Q_lf+Q_bh (12)

Q_lr＝Q_lc (13)

Q_rq＝Q_dg2+Q_fq+Q_ld+Q_lf+Q_bh (14)

4.根据权利要求1所述的一种热镀锌机组能量效率模型的建模方法，其特征是，所述锌锅中带钢带入热量Q_dg1、感应加热供给热量Q_gy、锌液表面对流散失热量Q_bd、锌液表面辐射换热量Q_bf、锌锅四周对流散失热量Q_zd、锌锅四周辐射换热量Q_zf、锌锅底部对流散失热量Q_dd、锌锅底部辐射换热量Q_df、熔化锌锭支出热量Q_r分别通过公式(16)～(24)得到，

Q_dg1＝60vbh_gρ₂·C_s(T_dg-T_xy) (16)

Q_gy＝3600N (17)

Q_bd＝α_b(T_b-T_h)S_b (18)

Q_zd＝α_z(T_z-T_h)S_z (20)

Q_dd＝α_d(T_d-T_h)S_d (22)

其中，Q_dg1为带钢带入锌锅的热量、Q_gy为感应加热供给锌锅的热量、Q_bd为锌液表面对流散失的热量、Q_bf为锌液表面辐射换热量、Q_r为熔化锌锭支出的热量、Q_zd为锌锅四周对流散失热量、Q_zf为锌锅四周辐射换热量、Q_dd为锌锅底部对流散失热量、Q_df为锌锅底部辐射换热量，单位均为kJ/h；ρ₂为带钢的密度，为7.85×10³kg/m³；ρ₁为锌的密度，为7.14×10³kg/m³；b为带钢的宽度、h_g为带钢的厚度、h_x为锌层的厚度，单位均为m；v为带钢的速度，m/min；C_s为钢的质量热容、C_z为锌的质量热容，单位均为kJ/(kg·℃)；T_dg为带钢进入锌锅时的温度、T_xy为锌液的工作温度、T_b为锌液温度、T_h为环境温度、T_g为锌液工作温度、T_y为锌锭原来温度，℃；N为有功功率，kW；α_b为锌液表面对流换热系数，kJ/(m²·h·℃)；ε_xy为带有氧化锌灰的锌液面对环境空气的***黑度；

为锌液面对环境吸热面的角系数；C₀为黑体辐射系数，kJ/(m²·h·K⁴)；L为锌锭熔化的潜热，kJ/kg。

5.根据权利要求4所述的一种热镀锌机组能量效率模型的建模方法，其特征是，所述锌锅的热平衡方程(26)通过公式(16)～(25)得到，

Q_dg1+Q_gy＝Q_bd+Q_bf+Q_zd+Q_zf+Q_dd+Q_df+Q_r (25)

其中，i＝1、2、3时所表示的参数分别为锌液表面、锌锅四周、锌锅底部对流散失热量或辐射换热量计算相关参数。

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