焦炉直行温度数学模型
摘要：建立了以一组燃烧室为对象的焦炉直行温度数学模型，目的是仿真推焦计划等因素对焦炉直行温度的影响，为焦炉直行温度的优化设定提供理论依据。
关键词：焦炉；直行温度；数学模型
中图分类号：TF068 文献标识码：A 文章编号：1002-1639(1999)05-0005-04
A Mean Flue Temperature Mathematic Model for Coke Oven
LI Fang，LUO Guang-qiang，WEN Zhi Thermal Eng.Dept.,Beijing Scie. & Technol.Univ.,Beijing 100083,China TANG Zi-hou，HAN Xin-fu，WU Ye Beijing Coking and Chemical Works,Beijing 100000,China Abstract: A mean flue temperature model which includes a set of combustion chambers was presented for simulating the flue temperature under different operating conditions such as the changes of pushing schedule and so on. The model can be applied to determine the optimal set-value of the mean flue temperature. 1 前言 2 焦炉直行温度数学模型的建立 图1 焦炉直行温度数学模型计算单元示意图 2.2 焦炉直行温度数学模型的输入参数 τj＝60×τz-n×m (1) 式中：n为一套机械操作的炉孔数(北京焦化厂为65孔)；m为单孔操作时间(北京焦化厂为14 min)；其中：下角j表示检修，z表示周期。 表1 北京焦化厂27#～33#炭化室某日的推焦计划
Key Words: coke oven; mean flue temperature; mathematic model
焦炉的炉温管理是以测定的直行温度作为调节煤气量的依据。直行温度是指焦炉机侧、焦侧测温火道的平均温度，它代表全炉的平均温度水平，是直接影响焦化速率和焦炭成熟时间的主要参数之一［1］。燃烧室温度在一个结焦期内由于相邻炭化室所处结焦状态不同而发生规律性波动，即形成通常所说的“W”曲线，其峰值间的时间间隔取决于推焦串序、循环检修计划和周转时间。
本文所建立的焦炉直行温度数学模型是以北京焦化厂1#焦炉(JN43-80Ⅲ型5-2推焦串序)为研究对象，模拟计算了推焦计划等因素对焦炉直行温度的影响，并分析了部分燃烧室直行平均温度和全炉直行平均温度的关系，为焦炉直行温度的优化设定提供了理论依据。
焦炉直行温度数学模型是在焦炉燃烧室-炭化室传热过程数学模型［2］的基础上对模型功能的拓展，它的对象是一组燃烧室而不是一个燃烧室，其目的是仿真推焦计划等因素对焦炉直行温度的影响，从而确定焦炉直行温度的优化设定值。
2.1 焦炉直行温度数学模型的研究对象
本文所建立的焦炉直行温度数学模型包括6个燃烧室和7个炭化室，即6个计算单元，如图1所示。在同一时刻，每个炭化室都处在不同的结焦期，每一个燃烧室其火道温度在同一时刻是不同的，因此，需要对每个计算单元分别求算出火道温度的W曲线，并通过进一步处理求算出全炉直行温度。焦炉直行温度数学模型的核心是用FORTRAN语言编写的焦炉燃烧室-炭化室传热过程数学模型求解程序。
焦炉直行温度模型中每个燃烧室对应的左右炭化室的实际装煤时间由推焦计划确定。在焦炉生产中，推焦计划是根据循环检修计划和上一周转时间内各炭化室实际推焦、装煤时间制定的。当周转时间确定后，可按下式计算检修时间［3］：
由此可知，在周转时间为22 h的情况下，检修时间为410 min。
北京焦化厂27#～33#炭化室某一天的推焦计划见表1，其中右侧炭化室装煤时左侧炭化室已经历的结焦期决定了火道温度W的线型。当天火道温度的W曲线有5种不同的线型，这主要是由于检修时间的分散安排造成的。根据5-2推焦串序的规律和两个炭化室间(代表两趟笺)实际推焦时间的间隔，可以看出检修时间的分配情况，如表2所示。
| 炭化室 | 推焦时刻 | 下次推 焦时刻 |
实际结 焦时间 |
与左侧炭化室装 煤的时间差/min |
| 27# | 20:32 | 18:27 | 21时55分 | |
| 28# | 10:40 | 08:35 | 21时55分 | 723 |
| 29# | 02:48 | 00:43 | 21时55分 | 843 |
| 30# | 13:42 | 11:37 | 21时55分 | 654 |
| 31# | 07:24 | 05:19 | 21时55分 | 937 |
| 32# | 20:46 | 18:41 | 21时55分 | 802 |
| 33# | 10:54 | 08:49 | 21时55分 | 723 |
|
表2 检修时间在两趟笺之间的分配 min min |
| 炭化室 | 28#～30# | 30#～32# | 32#～29# | 29#～31# | 31#～28# |
| 实际时间间隔 | 182 | 424 | 237 | 276 | 196 |
| 理论时间间隔 | 182 | 196 | 168 | 196 | 168 |
| 检修时间 | 0 | 228 | 69 | 80 | 28 |
| 由此可见：在同一时刻，每个炭化室都处在不同的结焦期，其对应火道温度的变化规律是不同的，需要对输入的推焦计划进行处理，以求得相邻炭化室装煤(或出焦)的实际时间间隔作为每个计算单元的输入值。焦炉直行温度数学模型需要输入的参数有很多，而许多数据并不是在每次计算中都要变更。因此，在程序中有各种参数的默认值，若不想改变数据，计算就按默认值进行。 2.3 焦炉直行温度数学模型的输出参数 焦炉直行温度数学模型的输出主要包括两部分内容，一是模型运行过程中对中间计算结果的保存，如炉气温度、炭化室隔墙温度和焦饼温度等；二是包括对各个炭化室焦饼理论成熟时间的预报、各个燃烧室火道温度的变化规律和直行温度平均值的求算结果等。 3 焦炉直行温度数学模型仿真结果及其分析 图2 焦炉各计算单元的火道温度变化曲线 图3 焦炉直行温度变化曲线 从图2可以看出，由于各计算单元中左右炭化室装煤时间的不同，形成了5条形状不同的W曲线。一方面，W曲线峰值间的时间间隔不同；另一方面，温度波动范围也有所不同，峰值间的时间间隔越大，其相应的温度波动范围也越大。可见，对某一燃烧室来说，其左右炭化室装煤时间的不同决定了其温度波动的大小。在实际生产中编排推焦计划时，要尽量使推焦炭化室左右两边的相邻炭化室处于结焦中期，这一方面有利于保护炉墙，使其不因推焦受压而变形；另一方面，也可以使焦炉温度场分布均匀和稳定［1］。 (2) (3) 式中：ux为随机过程的均值；σx为随机过程的均方差；N为样本数。 (4) 由式(4)可知，模型所求的直行温度波动范围约是全炉直行温度波动范围的3.3倍。根据以上分析可知，在表1中所列推焦计划的情况下，全炉直行温度平均值的波动范围约为±2 ℃。 图4 推焦计划改变后的焦炉直行温度变化曲线 表3 北京焦化厂27#～33#炭化室某日改变后的推焦计划 |
| 炭化室 | 推焦时刻 | 下次推 焦时刻 |
实际结 焦时间 |
与左侧炭化室装 煤的时间差/min |
| 27# | 20:32 | 18:27 | 21时55分 | |
| 28# | 11:40 | 09:35 | 21时55分 | 783 |
| 29# | 02:48 | 00:43 | 21时55分 | 783 |
| 30# | 15:42 | 13:57 | 21时55分 | 774 |
| 31# | 07:24 | 05:19 | 21时55分 | 817 |
| 32# | 20:46 | 18:41 | 21时55分 | 802 |
| 33# | 11:54 | 09:49 | 21时55分 | 783 |
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表4 检修时间在两趟笺之间的重新分配 min min |
| 炭化室 | 28#～30# | 30#～32# | 32#～29# | 29#～31# | 31#～28# |
| 实际时间间隔 | 242 | 304 | 237 | 276 | 256 |
| 理论时间间隔 | 182 | 196 | 168 | 196 | 168 |
| 检修时间 | 60 | 108 | 69 | 80 | 88 |
| 由以上的仿真计算结果可以看出：对于焦炉加热来说，即使工况稳定，煤气流量保持不变，焦炉全炉直行温度的平均值也有一定的波动，属于自然波动。波动量的大小和推焦计划的编排有很大关系。如果推焦计划安排合理，检修时间分配均匀，可以减小自然波动量。另一方面，对局部炭化室(如模型中的27#～33#炭化室)来说，其直行温度平均值的自然波动量要比全炉直行温度平均值的波动量大一些。
4 结论 基金项目：北京市科委95重点科技攻关项目(95-855160200) 作者简介：李芳(1973- ),女，山东人，研究生，主要从事工业热过程数学模型及控制方面的研究. 作者单位：李芳 骆光强 温治，北京科技大学热能工程系，北京 100083； 参考文献： |