一种高效实用型热风炉烧炉操控方法
阅读说明：本技术 一种高效实用型热风炉烧炉操控方法 (Efficient and practical hot blast stove burning control method ) 是由 刘凯 白雪 徐春柏 贾玥彤 鲁璐 王亚腾 柏忠帅 马光宇 刘常鹏 李卫东 孙守斌 于 2020-12-28 设计创作，主要内容包括：一种高效实用型热风炉烧炉操控方法,以热风炉热平衡测试、分析、计算为基础,以热风炉前一送风期的总风量、平均风温为初始条件,建立热风炉燃烧期与送风期热平衡数学模型,合理确定下一燃烧期煤气消耗量。在高炉正常工况条件下,采用固定周期换炉制度,在高炉异常工况条件下,采用非固定周期换炉制度。以送风总热量为基准,依据当前实时热风风量、平均风温,预测当前送风热风炉的送风时间和准备送风热风炉的烧炉时间。在热风炉不同加热期采取不同的烧炉策略进行烧炉,以适应高炉生产工况变化。在满足为高炉提供所需热风风量、风温及温差的前提下,动态优化热风炉操作,提高煤气利用效率,降低热风炉煤气消耗。(A high-efficiency practical hot blast stove burning control method is based on hot blast stove heat balance test, analysis and calculation, and based on the initial conditions of total air quantity and average air temperature of the hot blast stove in the previous air supply period, a mathematical model of heat balance between the combustion period and the air supply period of the hot blast stove is established, and the gas consumption in the next combustion period is reasonably determined. Under the normal working condition of the blast furnace, a fixed period furnace changing system is adopted, and under the abnormal working condition of the blast furnace, a non-fixed period furnace changing system is adopted. And predicting the air supply time of the current air supply hot blast stove and the stove burning time of the air supply hot blast stove to be prepared according to the current real-time hot air volume and the average air temperature by taking the total air supply heat as a reference. And different burning strategies are adopted to burn the hot blast stove in different heating periods so as to adapt to the change of the production working condition of the blast furnace. On the premise of providing the required hot air quantity, air temperature and temperature difference for the blast furnace, the operation of the hot blast furnace is dynamically optimized, the utilization efficiency of coal gas is improved, and the coal gas consumption of the hot blast furnace is reduced.)
技术领域
本发明涉及冶金热工节能技术领域，特别涉及一种高效实用型热风炉烧炉操控方法。
背景技术
高炉热风炉是高炉煤气消耗的主要用户，占总高炉煤气消耗量的40％以上。因此优化热风炉操作，在保证高炉热风温度、温差及风量要求的前提下，最大限度地降低煤气消耗，是高炉热风炉工作者始终追求的目标。
目前，一座高炉通常配置3座或4座热风炉，普遍执行“两烧一送”或“两烧两送”换炉制度。热风炉属于周期性工作的热设备，在一个工作周期内，可分为两个阶段，既“燃烧期”和“送风期”，并通过换炉，进行周而复始的循环。热风炉在“燃烧期”消耗煤气，在“送风期”不消耗煤气。针对热风炉“两烧一送”或“两烧两送”换炉制度，一般采用两种换炉方式，一是固定周期(时间)换炉，二是非固定周期(时间)换炉。其中固定周期换炉多适用于半自动或手动操作，其优点是操作简单，烧炉时间相对稳定且容易控制，其缺点是受高炉送风期风量变化的影响，热风温度波动较大；非固定周期换炉多适用于自动控制，其优点是不受高炉送风期风量变化的影响，热风温度波动小，其缺点是由于烧炉时间不确定，烧炉进度不易把握，操作相对复杂，对自动化程度要求高。传统的热风炉烧炉操作，一般采用两段烧炉制度，既快速加热阶段和拱顶温度保温加热阶段。其中快速加热阶段是以最大的煤气量和最佳的空燃比进行快速加热，当热风炉拱顶温度达到现场技术操作规程所规定的温度(1350℃～1400℃)后，便进入热风炉拱顶温度保温加热阶段，该阶段是以热风炉拱顶目标温度稳定为控制依据，逐渐减小煤气流量和空气量，直到热风炉排烟温度达到现场技术操作规程所规定的温度(350℃～400℃)后，便停止烧炉，进行闷炉，等待换炉。这种传统的烧炉制度存在的主要问题：一是在拱顶温度保温加热阶段由于片面追求“最佳空燃比”，进而忽视了因烟气量的减少所造成的弱化热风炉中、下部格子砖的对流传热，降低了中、下部格子砖的蓄热量。二是没有考虑燃烧期前一送风期的总风量和平均热风温度，忽略了热风炉燃烧初期格子砖蓄热量的差异(通常称为“热炉”或“凉炉”)，其不良后果是对于“凉炉”由于总供热量没有增加，造成热风炉格子砖没有达到热饱和，使下一送风期的风量不足或热风平均温度下降；而对“热炉”由于总供热量没有减少，造成热风炉格子砖过烧，提前进入闷炉阶段，由于闷炉时间延长、散热损失增大，造成煤气消耗量增加。三是热风炉操作与高炉操作缺少协同优化，当高炉工况发生变化(减风、休风、复风)时，热风炉操作不能及时调整，造成热风炉提前烧好进入闷炉阶段，或反复加热造成煤气的浪费。本发明专利就是以上述三大问题为导向，以热平衡测试、分析、计算为基础，以前一送风期总风量、平均风温、送风时间为初始条件，以高炉工况变化为依据，动态确定高效、实用的烧炉制度与操控方法，进而实现以较低的热风炉煤气消耗，随时为高炉提供高质量热风的目的。
发明内容
为了解决背景技术提出的技术问题，本发明提供一种高效实用型热风炉烧炉操控方法，通过科学制定热风炉烧炉制度与方法，以适应高炉生产工况变化，在满足为高炉提供所需热风风量、风温及温差的前提下，动态优化热风炉操作，提高煤气利用效率，降低热风炉煤气消耗。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种高效实用型热风炉烧炉操控方法，方案概括如下：
(1)以热风炉热平衡测试、分析、计算为基础，以热风炉前一送风期的总风量、平均风温为初始条件，建立热风炉燃烧期与送风期热平衡数学模型，合理确定下一燃烧期总煤气消耗量。
(2)在高炉正常生产工况条件下，采用固定周期换炉制度，按工艺要求确定送风时间与烧炉时间；在高炉非正常生产工况(减风、休风、复风)条件下，采用非固定周期换炉制度，以送风总热量为基准，依据当前实时采集到的送往高炉的热风风量、平均风温，预测当前送风热风炉的送风时间和准备送风热风炉的烧炉时间。
(3)将热风炉燃烧期细分为快速加热期、保温蓄热期、排烟温度控制期(含闷炉)与换炉期四个阶段，并细分各加热期的加热时间和煤气流量。
(4)在热风炉不同加热期采取不同的烧炉策略进行烧炉。其中：
在快速加热期，以较大的煤气量、最佳空燃比进行烧炉，直至热风炉拱顶温度达到工艺所规定的目标温度(1350～1400℃)为止。
在保温蓄热期，是以稳定拱顶目标温度和快速提升蓄热室中、下部格子砖蓄热量为控制目标，以相对较小的稳定煤气量组织燃烧，但不追求最佳空燃比，而是要保证总烟气量基本不变(烟气量减少后，不能充满所有格子砖孔洞，烟气流速变小，会削弱热风炉中、下部格子砖的对流换热)，直至排烟温度达到烧炉工艺所规定的排烟温度下限值(350℃)为止，这种操作的特点是强化了热风炉中、下部格子砖的对流传热，快速增加其蓄热量。
在排烟温度控制期是以较小量的煤气量、最佳的空燃比组织烧炉，用以保证热风炉拱顶温度稳定。这种操作的特点是：考虑到该控制期已接近烧炉末期，热风炉内部的格子砖基本达到热饱和，再多供给煤气作用不大，为强化热风炉送风前的保温效果，仅提供少量的煤气，用以抵消热风炉炉体表面等的散热损失，直至热风炉排烟温度达到工艺所规定的排烟温度上限值(400℃)为止，在此期间，随时等待换炉指令，准备换炉。若排烟温度已达到上限值，尚未接到换炉指令时，则执行焖炉操作。
(5)最佳空燃比采用煤气热值在线分析前馈控制法，因为这种方法对空燃比调节的更及时。与烟气残氧分析法相比，可减少因空燃比调节滞后所带来的热损失；与自动寻优方法相比，可减少寻优期间的非稳定态的过渡期热损失。
具体包括如下步骤：
步骤1、对各座高炉所有的热风炉，在正常生产工况条件下，进行一次热平衡测试，形成热平衡测试分析报告，并将此测试与分析数据作为各热风炉热平衡计算的基准；该热平衡测试每年进行一次，并按新的测试与分析数据，逐年更新热风炉热平衡计算的基准值，并保存在数据库中；
步骤2、实时采集每座热风炉在送风期的风量、风温和送风时间，在燃烧期的煤气热值、煤气流量、助燃空气流量、燃烧期时间、热风炉拱顶温度、排烟温度、助燃空气与煤气预热温度参数，作为模型计算与动态修正的依据；以热平衡测试时热风带出的总热量为基准值，并以偏离基准值的大小作为判定高炉工况是否正常及换炉制度的依据，当实际值偏离热平衡测试时的热风总热量(＜10％)时，按正常工况处理，并执行固定周期换炉制度；当实际值偏离热平衡测试时的热风总热量(≥10％)时，按非正常工况处理，并执行非固定周期换炉制度；
步骤3、建立热风炉热平衡模型及煤气消耗量模型
3.1热风炉热平衡模型
为简化计算，以热风炉一个工作周期(含燃烧期、换炉期与送风期)送出的每m3热风为单位，建立总热收入与总热支出热平衡模型：
QR＝Q1+Q2+Q3+Q4……(1)
QZ＝Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7+Q8+Q9……(2)
式中：QR：总热收入(kj/m3)；QZ：总热支出(kj/m3)；
Q1：煤气燃烧化学热(KJ/m3)，Q1＝B×QD……(3)；
B:热风炉送出每m3热风所消耗的煤气量(m3/m3)，QD：煤气低发热量(KJ/m3)；
B＝Vm×τr/(Vf×τf)……(4)
式中：Vm为热风炉烧炉的平均煤气流量(m3/h)，τr及τf分别为热风炉的燃烧期及送风期时间(h)，Vf为热风炉送出的实际热风流量(m3/h)；
Q2：煤气带入的物理热(KJ/m3)；Q2＝B×(cmtm－cmete)……(5)
式中：tm、te分别为煤气及环境的平均温度(℃)，cm、cme分别为煤气在tm及te时的平均比热(KJ/m3℃)；
Q3：助燃空气带入的物理热(KJ/m3)；Q3＝α×B×(cktk－ckete)……(6)
式中：α：燃烧期平均空燃比，tk、tke分别为助燃空气平均预热温度及环境的平均温度(℃)；ck和ce分别为空气在tk℃与te℃时的平均比热(KJ/m3℃)；
Q4：冷风(高炉鼓风)带入的物理热(KJ/m3)；Q4＝cf1tf1－cfete……(7)
式中：tf1、te分别为冷风及环境的平均温度(℃)；cf1、ce分别为空气在tf1及te时的平均比热(KJ/m3℃)；
Q1：热风(高炉鼓风)带出的热量(KJ/m3)；Q1＝cf2tf2－cfete……(8)
式中：tf2、te分别为热风及环境的平均温度(℃)；cf2、cfe分别为空气在tf2和te温度时的平均比热(KJ/m3℃)；
Q2：烟气带出的热量(KJ/m3)；Q2＝BbVy(cy2ty2－cyete)……(9)
式中：ty2、te分别为烟气与环境的平均温度；cy2、cye分别为烟气在ty2及te温度时的平均比热(KJ/m3℃)；
Vy：实际烟气量(m3/m3煤气)，若没有实测数据，可按烟气成分推算；b：煤气不完全燃烧时烟气修正系数(煤气完全燃烧时b＝1)；
Q3：化学不完全燃烧损失的热量，既烟气中未燃烧的可燃气体热损失(KJ/m3)，按烟气成分计算，若煤气完全燃烧，则Q3＝0；
Q4：炉体表面散热量(KJ/m3)
Q4＝∑[k×(ti-te)×Ai]×τ/(Vf×τf)……(10)
式中：k：对流换热系数(kj/m2℃)可根据该表面几何位置查表选取,ti、te分别为第i处炉体表面温度与该处环境温度(℃)；Ai：第i处炉体表面积(m2)；τ：测试周期时间(h)；τ＝τr+τf；Vf：送风期平均风量(m3/h)；
Q5：冷风管道表面散热(KJ/m3)
Q5＝∑[k×(ti-te)×Ai]×τ/(Vf×τf)……(11)
Q6：热风管道表面散热(KJ/m3)
Q6＝∑[k×(ti-te)×Ai]×τ/(Vf×τf)……(12)
Q7：烟道表面散热(KJ/m3)
Q7＝∑[k×(ti-te)×Ai]×τ/(Vf×τf)……(13)
Q8：热风炉泄压带出热(KJ/m3)
Q8＝VL(cf2tf2－cfete)/∑Vfτf……(14)
式中：VL为热风炉容积(m3)；tf2、te分别为热风及环境的平均温度；cf2和cfe分别为空气在tf2及te时的平均比热(KJ/m3℃)；
Q9：冷却水吸热(KJ/m3)
Q9＝GS(CCtc-Cjtj)×τ/∑Vfτf……(15)
式中：GS为冷却水流量kg/h；Cc、Cj分别为出水与进水比热(KJ/m3℃)；tc、tj分别为出水与进水温度(℃)；
热风炉热效率η＝(Q1-Q4)/(QR-Q4)……(16)
3.2热风炉煤气消耗量模型
由上式(1)、(16)可得：Q1＝(Q1-Q4)/η-(Q2+Q3)……(17)
代入(3)式：B＝[(Q1-Q4)/η-(Q2+Q3)]/QD……(18)
热风炉燃烧期的总煤气量：Bz＝B×Vf×τf……(19)
将(18)式B代入(19)式可得
Bz＝[(Q1-Q4)/η-(Q2+Q3)]/QD×(Vf×τf)……(20)
从(20)式可知，在热风炉燃烧期，影响总煤气消耗量的主要因素有：送风期热风带出的热量(Q1-Q4)，热风炉热效率η，空、煤气预热温度(Q2+Q3)，煤气低发热量QD及总风量(Vf×τf)；在实时操作过程中，对式(20)给出的总煤气量应根据实时采集的数据进行动态修正；
(1)当助燃空气、煤气预热温度偏离热平衡测试值时，按下式进行修正：
ΔQ2＝B×(cm1tm1－cmtm)……(21)
ΔQ3＝α×B×(ck1tk1－cktk)……(22)
式中：ΔQ2、ΔQ3：分别为煤气与助燃空气带入物理热的修正量(KJ/m3)；
tm、tm1：分别为热平衡测试时与实际生产时的煤气预热温度(℃)；
cm、cm1：分别为tm、tm1温度时的煤气平均比热(KJ/m3℃)；
tk、tk1：分别为热平衡测试时与实际生产时的助燃空气预热温度(℃)；
ck、ck1：分别为tk、tk1温度时的助燃空气平均比热(KJ/m3℃)；
(2)当热风炉从送风期转为燃烧期时，在送风期热风带出的热量偏离热平衡测试值时，按下式进行修正：
ΔQ1＝cfstfs－cf2tf2……(23)
式中：ΔQ1：为前一送风期热风带出热量与热平衡时的差值(KJ/m3)；
tf2、tfs：分别为热平衡测试时与前一送风期热风平均温度(℃)；
cf2、cfs：分别为tf2、tfs温度时的平均比热(KJ/m3℃)
(3)当煤气发热量偏离热平衡测试值时，按下式进行修正：
ΔQD＝QD1-QD……(24)
式中：ΔQD：为当前煤气发热量与热平衡时的差值(KJ/m3)；
QD、QD1：分别为热平衡测试时与当前时刻煤气低发热量(KJ/m3)；
综合上述影响因素，热风炉燃烧期的总煤气消耗量Bz(m3)可按下式进行动态修正：
Bz＝[(Q1+ΔQ1-Q4)/η-(Q2+ΔQ2+Q3+ΔQ3)]/(QD+ΔQD)×Vf×τf……(25)
步骤4、确定热风炉送风期及燃烧期(烧炉)时间
热风炉送风期时间及燃烧期时间取决于高炉所配置的热风炉座数和送风制度(单炉送风，包括一烧一送、两烧一送、三烧一送，双炉送风、半并联交叉送风)，具体送风制度由现场工艺技术操作规程给定；
4.1送风期时间的确定
1)在高炉正常生产工况时，热风炉按固定周期时间进行送风和换炉，其送风时间依据送风制度进行计算：
单炉送风时：τf＝(τr+τh)/(N-1)……(26)
双炉送风时：τf＝2(τr+τh)/(N-2)……(27)
半并联交叉送风时：τf＝τr+τh……(28)
式中：τf、τr、τh：分别为送风、烧炉、换炉时间(h),N:高炉所配置的热风炉座数(N＝3或4)；
2)在高炉非正常生产工况(含高炉减风、休风、复风)时，按非固定周期时间进行送风和换炉，具体时间取决于送风期的热风平均流量与平均风温，其送风时间可按下式计算：
由热风炉送风期送出热风的总热量平衡可得：
Vf×τf×Q1＝(Vf+ΔVf)×(τf+Δτf)×Q1，归并后可得：
Δτf＝(Vf×τf)/(Vf+ΔVf)-τf……(29)
τff＝τf+Δτf……(30)
式中：τff：为热风炉非固定周期送风时间(h)；ΔVf：为高炉正常工况与非正常工况时热风炉送风期平均风量差值(m3/h)；Δτf：为高炉正常工况与非正常工况时热风炉送风期送风时间差值(h)，当ΔVf为负值时，Δτf为正，代表总送风时间τff延长，反之缩短；
当高炉工况由非正常工况转为正常工况时，应及时调整为固定周期换炉制度；
4.2燃烧期时间的确定
燃烧期时间取决于热风炉座数和送风制度，按不同的热风炉座数和送风制度分别计算：
单炉送风时：τr＝(N-1)×τf-τh……(31)
双炉送风时：τr＝τf×(N-2)/2-τh……(32)
半并联交叉送风时：τr＝τf-τh……(33)
式中：τr：燃烧期时间(含焖炉)(h)
步骤5、热风炉燃烧期分段时间及煤气流量的确定
5.1燃烧期各段时间的确定
依据热风炉烧炉特点，将热风炉燃烧期细分为快速加热期、保温蓄热期、排烟温度控制期(含闷炉)三个阶段，各加热期的加热时间可按下式确定：
τk＝(0.18～0.30)×τr……(34)；τw＝(0.48～0.60)×τr……(35)；
τy＝(0.07～0.10)×τr……(36)；τh＝C……(37)；(C：为常数，约为0.17小时)
τr＝τk+τw+τy……(38)；
式中：τk、τw、τy、τh：分别为快速加热期、保温蓄热期、排烟温度控制期(含闷炉)与换炉期时间(h)，τr：为燃烧期时间(h)；
5.2各加热期煤气总量的确定
Bk＝kk Bz/τk……(39)；Bw＝kw Bz/τw……(40)；By＝ky Bz/τy……(41)；
式中：Bk、Bw、By：分别为快速加热期(加热初期)、保温蓄热期(加热中期)、排烟温度控制期(加热末期)煤气流量(m3/h)；Bz：为燃烧期总煤气量(m3)；
kk、kw、ky：分别为快速加热期、保温蓄热期、排烟温度控制期煤气流量系数；
其中：kk＝0.20～0.35……(42)；kw＝0.65～0.75……(43)；ky＝0.05～0.10……(44)；
换炉期不消耗煤气；
步骤6、热风炉各加热期空燃比的优化
按在线采集的煤气热值计算最佳空燃比α，其经验算法为：α＝QD/4180……(45)；
在快速加热期(加热初期)：αk＝(1.00～1.05)×α……(46)；
在拱顶温度保温期(加热中期)：αw＞1.05×α……(47)；
在排烟温度控制期(加热末期)：αy＝(1.00～1.05)×α……(48)；
式中：αk、αw、αy：分别为快速加热期、保温蓄热期、排烟温度控制期空燃比。
还包括空燃比控制方法，采用煤气热值前馈控制法，在送往热风炉的煤气管道上安装煤气热值分析仪，将实时采集的煤气热值上传到计算机系统，按(45)～(48)式进行计算和控制。
还包括温升速率与烧炉时间耦合控制；
当热风炉快速加热期结束(其标志是：拱顶温度达到技术操作规程所规定的目标温度，如1350℃或1400℃)后，便进入保温蓄热期，在此时间有两个控制目标，一是保持拱顶温度相对稳定(目标温差±5℃)，二是烟气温升速率与预计烧炉时间相一致，即当烧炉时间达到总烧炉时间的90％时，排烟温度达到目标排烟温度下限值(依据技术操作规程确定，如：350℃)，此时保温蓄热期结束，开始进入排烟温度控制期，在此期间的控制目标：一是缓慢提高排烟温度(排烟温度上限控制在400℃以内)；二是保持拱顶目标温度稳定；三是等待换炉指令；当排烟温度已经达到排烟温度上限(如400℃)，尚未接到换炉指令时，则执行焖炉操作(关停煤气和空气)，等待换炉(焖炉时间越短越好)；
1)在保温蓄热期，其温升速率与烧炉时间耦合控制方法是：
设保温蓄热期开始时间为τw(i)，结束时间为τw(n)，保温蓄热期开始时所对应的排烟温度(检测值)为t(i)，保温蓄热期结束时的排烟温度为t(n)，由此可得保温蓄热期的排烟温升速率为：
b＝[t(n)-t(i)]/[τw(n)-τw(i)]……(49)
由上式可得：τw(i+1)时刻的排烟目标控制温度为：
t(i+1)＝t(i)+b[τw(i+1)-τw(i)]……(50)
2)在排烟温度控制期的控制方法是：以较小的煤气量，最佳的空燃比进行保温操作，温升速率及目标控制温度按照(49)～(50)式进行控制，最高排烟温度不能超过目标排烟温度上限(400℃)，若达到排烟温度上限(400℃)，则执行焖炉操作(关停煤气和空气)，等待换炉；要求焖炉时间越短越好，越短越节能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种高效、实用型热风炉烧炉操控方法，与现行的热风炉操作(含控制)方法相比，在满足为高炉及时提供高质量热风的前提下，具有煤气利用效率高，热风炉中、下部蓄热速度快，降低煤气消耗等显著效果，实用性强，推广前景广阔。
具体实施方式
以下对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
一种高效实用型热风炉烧炉操控方法，方案概括如下：
(1)以热风炉热平衡测试、分析、计算为基础，以热风炉前一送风期的总风量、平均风温为初始条件，建立热风炉燃烧期与送风期热平衡数学模型，合理确定下一燃烧期总煤气消耗量。
(2)在高炉正常生产工况条件下，采用固定周期换炉制度，按工艺要求确定送风时间与烧炉时间；在高炉非正常生产工况(减风、休风、复风)条件下，采用非固定周期换炉制度，以送风总热量为基准，依据当前实时采集到的送往高炉的热风风量、平均风温，预测当前送风热风炉的送风时间和准备送风热风炉的烧炉时间。
(3)将热风炉燃烧期细分为快速加热期、保温蓄热期、排烟温度控制期(含闷炉)与换炉期四个阶段，并细分各加热期的加热时间和煤气流量。
(4)在热风炉不同加热期采取不同的烧炉策略进行烧炉。其中：
在快速加热期，以较大的煤气量、最佳空燃比进行烧炉，直至热风炉拱顶温度达到工艺所规定的目标温度(1350～1400℃)为止。
在保温蓄热期，是以稳定拱顶目标温度和快速提升蓄热室中、下部格子砖蓄热量为控制目标，以相对较小的稳定煤气量组织燃烧，但不追求最佳空燃比，而是要保证总烟气量基本不变(烟气量减少后，不能充满所有格子砖孔洞，烟气流速变小，会削弱热风炉中、下部格子砖的对流换热)，直至排烟温度达到烧炉工艺所规定的排烟温度下限值(350℃)为止，这种操作的特点是强化了热风炉中、下部格子砖的对流传热，快速增加其蓄热量。
在排烟温度控制期是以较小量的煤气量、最佳的空燃比组织烧炉，用以保证热风炉拱顶温度稳定。这种操作的特点是：考虑到该控制期已接近烧炉末期，热风炉内部的格子砖基本达到热饱和，再多供给煤气作用不大，为强化热风炉送风前的保温效果，仅提供少量的煤气，用以抵消热风炉炉体表面等的散热损失，直至热风炉排烟温度达到工艺所规定的排烟温度上限值(400℃)为止，在此期间，随时等待换炉指令，准备换炉。若排烟温度已达到上限值，尚未接到换炉指令时，则执行焖炉操作。
(5)最佳空燃比采用煤气热值在线分析前馈控制法，因为这种方法对空燃比调节的更及时。与烟气残氧分析法相比，可减少因空燃比调节滞后所带来的热损失；与自动寻优方法相比，可减少寻优期间的非稳定态的过渡期热损失。
具体包括如下步骤：
1、对各座高炉所有的热风炉，在正常生产工况条件下，进行一次热平衡测试，形成热平衡测试分析报告，并将此测试与分析数据作为各热风炉热平衡计算的基准；该热平衡测试每年进行一次，并按新的测试与分析数据，逐年更新热风炉热平衡计算的基准值，并保存在数据库中；
2、实时采集每座热风炉在送风期的风量、风温和送风时间，在燃烧期的煤气热值、煤气流量、助燃空气流量、燃烧期时间、热风炉拱顶温度、排烟温度、助燃空气与煤气预热温度参数，作为模型计算与动态修正的依据；以热平衡测试时热风带出的总热量为基准值，并以偏离基准值的大小作为判定高炉工况是否正常及换炉制度的依据，当实际值偏离热平衡测试时的热风总热量(＜10％)时，按正常工况处理，并执行固定周期换炉制度；当实际值偏离热平衡测试时的热风总热量(≥10％)时，按非正常工况处理，并执行非固定周期换炉制度；
3、建立热风炉热平衡模型及煤气消耗量模型
3.1热风炉热平衡模型
为简化计算，以热风炉一个工作周期(含燃烧期、换炉期与送风期)送出的每m3热风为单位，建立总热收入与总热支出热平衡模型：
QR＝Q1+Q2+Q3+Q4……(1)
QZ＝Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7+Q8+Q9……(2)
式中：QR：总热收入(kj/m3)；QZ：总热支出(kj/m3)；
Q1：煤气燃烧化学热(KJ/m3)，Q1＝B×QD……(3)；
B:热风炉送出每m3热风所消耗的煤气量(m3/m3)，QD：煤气低发热量(KJ/m3)；
B＝Vm×τr/(Vf×τf)……(4)
式中：Vm为热风炉烧炉的平均煤气流量(m3/h)，τr及τf分别为热风炉的燃烧期及送风期时间(h)，Vf为热风炉送出的实际热风流量(m3/h)；
Q2：煤气带入的物理热(KJ/m3)；Q2＝B×(cmtm－cmete)……(5)
式中：tm、te分别为煤气及环境的平均温度(℃)，cm、cme分别为煤气在tm及te时的平均比热(KJ/m3℃)；
Q3：助燃空气带入的物理热(KJ/m3)；Q3＝α×B×(cktk－ckete)……(6)
式中：α：燃烧期平均空燃比，tk、tke分别为助燃空气平均预热温度及环境的平均温度(℃)；ck和ce分别为空气在tk℃与te℃时的平均比热(KJ/m3℃)；
Q4：冷风(高炉鼓风)带入的物理热(KJ/m3)；Q4＝cf1tf1－cfete……(7)
式中：tf1、te分别为冷风及环境的平均温度(℃)；cf1、ce分别为空气在tf1及te时的平均比热(KJ/m3℃)；
Q1：热风(高炉鼓风)带出的热量(KJ/m3)；Q1＝cf2tf2－cfete……(8)
式中：tf2、te分别为热风及环境的平均温度(℃)；cf2、cfe分别为空气在tf2和te温度时的平均比热(KJ/m3℃)；
Q2：烟气带出的热量(KJ/m3)；Q2＝BbVy(cy2ty2－cyete)……(9)
式中：ty2、te分别为烟气与环境的平均温度；cy2、cye分别为烟气在ty2及te温度时的平均比热(KJ/m3℃)；
Vy：实际烟气量(m3/m3煤气)，若没有实测数据，可按烟气成分推算；b：煤气不完全燃烧时烟气修正系数(煤气完全燃烧时b＝1)；
Q3：化学不完全燃烧损失的热量，既烟气中未燃烧的可燃气体热损失(KJ/m3)，按烟气成分计算，若煤气完全燃烧，则Q3＝0；
Q4：炉体表面散热量(KJ/m3)
Q4＝∑[k×(ti-te)×Ai]×τ/(Vf×τf)……(10)
式中：k：对流换热系数(kj/m2℃)可根据该表面几何位置查表选取,ti、te分别为第i处炉体表面温度与该处环境温度(℃)；Ai：第i处炉体表面积(m2)；τ：测试周期时间(h)；τ＝τr+τf；Vf：送风期平均风量(m3/h)；
Q5：冷风管道表面散热(KJ/m3)
Q5＝∑[k×(ti-te)×Ai]×τ/(Vf×τf)……(11)
Q6：热风管道表面散热(KJ/m3)
Q6＝∑[k×(ti-te)×Ai]×τ/(Vf×τf)……(12)
Q7：烟道表面散热(KJ/m3)
Q7＝∑[k×(ti-te)×Ai]×τ/(Vf×τf)……(13)
Q8：热风炉泄压带出热(KJ/m3)
Q8＝VL(cf2tf2－cfete)/∑Vfτf……(14)
式中：VL为热风炉容积(m3)；tf2、te分别为热风及环境的平均温度；cf2和cfe分别为空气在tf2及te时的平均比热(KJ/m3℃)；
Q9：冷却水吸热(KJ/m3)
Q9＝GS(CCtc-Cjtj)×τ/∑Vfτf……(15)
式中：GS为冷却水流量kg/h；Cc、Cj分别为出水与进水比热(KJ/m3℃)；tc、tj分别为出水与进水温度(℃)；
热风炉热效率η＝(Q1-Q4)/(QR-Q4)……(16)
3.2热风炉煤气消耗量模型
由上式(1)、(16)可得：Q1＝(Q1-Q4)/η-(Q2+Q3)……(17)
代入(3)式：B＝[(Q1-Q4)/η-(Q2+Q3)]/QD……(18)
热风炉燃烧期的总煤气量：Bz＝B×Vf×τf……(19)
将(18)式B代入(19)式可得
Bz＝[(Q1-Q4)/η-(Q2+Q3)]/QD×(Vf×τf)……(20)
从(20)式可知，在热风炉燃烧期，影响总煤气消耗量的主要因素有：送风期热风带出的热量(Q1-Q4)，热风炉热效率η，空、煤气预热温度(Q2+Q3)，煤气低发热量QD及总风量(Vf×τf)；在实时操作过程中，对式(20)给出的总煤气量应根据实时采集的数据进行动态修正；
(1)当助燃空气、煤气预热温度偏离热平衡测试值时，按下式进行修正：
ΔQ2＝B×(cm1tm1－cmtm)……(21)
ΔQ3＝α×B×(ck1tk1－cktk)……(22)
式中：ΔQ2、ΔQ3：分别为煤气与助燃空气带入物理热的修正量(KJ/m3)；
tm、tm1：分别为热平衡测试时与实际生产时的煤气预热温度(℃)；
cm、cm1：分别为tm、tm1温度时的煤气平均比热(KJ/m3℃)；
tk、tk1：分别为热平衡测试时与实际生产时的助燃空气预热温度(℃)；
ck、ck1：分别为tk、tk1温度时的助燃空气平均比热(KJ/m3℃)；
(2)当热风炉从送风期转为燃烧期时，在送风期热风带出的热量偏离热平衡测试值时，按下式进行修正：
ΔQ1＝cfstfs－cf2tf2……(23)
式中：ΔQ1：为前一送风期热风带出热量与热平衡时的差值(KJ/m3)；
tf2、tfs：分别为热平衡测试时与前一送风期热风平均温度(℃)；
cf2、cfs：分别为tf2、tfs温度时的平均比热(KJ/m3℃)
(3)当煤气发热量偏离热平衡测试值时，按下式进行修正：
ΔQD＝QD1-QD……(24)
式中：ΔQD：为当前煤气发热量与热平衡时的差值(KJ/m3)；
QD、QD1：分别为热平衡测试时与当前时刻煤气低发热量(KJ/m3)；
综合上述影响因素，热风炉燃烧期的总煤气消耗量Bz(m3)可按下式进行动态修正：
Bz＝[(Q1+ΔQ1-Q4)/η-(Q2+ΔQ2+Q3+ΔQ3)]/(QD+ΔQD)×Vf×τf……(25)
4、确定热风炉送风期及燃烧期(烧炉)时间
热风炉送风期时间及燃烧期时间取决于高炉所配置的热风炉座数和送风制度(单炉送风，包括一烧一送、两烧一送、三烧一送，双炉送风、半并联交叉送风)，具体送风制度由现场工艺技术操作规程给定；
4.1送风期时间的确定
1)在高炉正常生产工况时，热风炉按固定周期时间进行送风和换炉，其送风时间依据送风制度进行计算：
单炉送风时：τf＝(τr+τh)/(N-1)……(26)
双炉送风时：τf＝2(τr+τh)/(N-2)……(27)
半并联交叉送风时：τf＝τr+τh……(28)
式中：τf、τr、τh：分别为送风、烧炉、换炉时间(h),N:高炉所配置的热风炉座数(N＝3或4)；
2)在高炉非正常生产工况(含高炉减风、休风、复风)时，按非固定周期时间进行送风和换炉，具体时间取决于送风期的热风平均流量与平均风温，其送风时间可按下式计算：
由热风炉送风期送出热风的总热量平衡可得：
Vf×τf×Q1＝(Vf+ΔVf)×(τf+Δτf)×Q1，归并后可得：
Δτf＝(Vf×τf)/(Vf+ΔVf)-τf……(29)
τff＝τf+Δτf……(30)
式中：τff：为热风炉非固定周期送风时间(h)；ΔVf：为高炉正常工况与非正常工况时热风炉送风期平均风量差值(m3/h)；Δτf：为高炉正常工况与非正常工况时热风炉送风期送风时间差值(h)，当ΔVf为负值时，Δτf为正，代表总送风时间τff延长，反之缩短；
当高炉工况由非正常工况转为正常工况时，应及时调整为固定周期换炉制度；
4.2燃烧期时间的确定
燃烧期时间取决于热风炉座数和送风制度，按不同的热风炉座数和送风制度分别计算：
单炉送风时：τr＝(N-1)×τf-τh……(31)
双炉送风时：τr＝τf×(N-2)/2-τh……(32)
半并联交叉送风时：τr＝τf-τh……(33)
式中：τr：燃烧期时间(含焖炉)(h)
5、热风炉燃烧期分段时间及煤气流量的确定
5.1燃烧期各段时间的确定
依据热风炉烧炉特点，将热风炉燃烧期细分为快速加热期、保温蓄热期、排烟温度控制期(含闷炉)三个阶段，各加热期的加热时间可按下式确定：
τk＝(0.18～0.30)×τr……(34)；τw＝(0.48～0.60)×τr……(35)；
τy＝(0.07～0.10)×τr……(36)；τh＝C……(37)；(C：为常数，约为0.17小时)
τr＝τk+τw+τy……(38)；
式中：τk、τw、τy、τh：分别为快速加热期、保温蓄热期、排烟温度控制期(含闷炉)与换炉期时间(h)，τr：为燃烧期时间(h)；
5.2各加热期煤气总量的确定
Bk＝kk Bz/τk……(39)；Bw＝kw Bz/τw……(40)；By＝ky Bz/τy……(41)；
式中：Bk、Bw、By：分别为快速加热期(加热初期)、保温蓄热期(加热中期)、排烟温度控制期(加热末期)煤气流量(m3/h)；Bz：为燃烧期总煤气量(m3)；
kk、kw、ky：分别为快速加热期、保温蓄热期、排烟温度控制期煤气流量系数；
其中：kk＝0.20～0.35……(42)；kw＝0.65～0.75……(43)；ky＝0.05～0.10……(44)；
换炉期不消耗煤气；
6、热风炉各加热期空燃比的优化
按在线采集的煤气热值计算最佳空燃比α，其经验算法为：α＝QD/4180……(45)；
在快速加热期(加热初期)：αk＝(1.00～1.05)×α……(46)；
在拱顶温度保温期(加热中期)：αw＞1.05×α……(47)；
在排烟温度控制期(加热末期)：αy＝(1.00～1.05)×α……(48)；
式中：αk、αw、αy：分别为快速加热期、保温蓄热期、排烟温度控制期空燃比。
7、空燃比控制方法，采用煤气热值前馈控制法，在送往热风炉的煤气管道上安装煤气热值分析仪，将实时采集的煤气热值上传到计算机系统，按(45)～(48)式进行计算和控制。
8、温升速率与烧炉时间耦合控制；
当热风炉快速加热期结束(其标志是：拱顶温度达到技术操作规程所规定的目标温度，如1350℃或1400℃)后，便进入保温蓄热期，在此时间有两个控制目标，一是保持拱顶温度相对稳定(目标温差±5℃)，二是烟气温升速率与预计烧炉时间相一致，即当烧炉时间达到总烧炉时间的90％时，排烟温度达到目标排烟温度下限值(依据技术操作规程确定，如：350℃)，此时保温蓄热期结束，开始进入排烟温度控制期，在此期间的控制目标：一是缓慢提高排烟温度(排烟温度上限控制在400℃以内)；二是保持拱顶目标温度稳定；三是等待换炉指令；当排烟温度已经达到排烟温度上限(如400℃)，尚未接到换炉指令时，则执行焖炉操作(关停煤气和空气)，等待换炉(焖炉时间越短越好)；
1)在保温蓄热期，其温升速率与烧炉时间耦合控制方法是：
设保温蓄热期开始时间为τw(i)，结束时间为τw(n)，保温蓄热期开始时所对应的排烟温度(检测值)为t(i)，保温蓄热期结束时的排烟温度为t(n)，由此可得保温蓄热期的排烟温升速率为：
b＝[t(n)-t(i)]/[τw(n)-τw(i)]……(49)
由上式可得：τw(i+1)时刻的排烟目标控制温度为：
t(i+1)＝t(i)+b[τw(i+1)-τw(i)]……(50)
2)在排烟温度控制期的控制方法是：以较小的煤气量，最佳的空燃比进行保温操作，温升速率及目标控制温度按照(49)～(50)式进行控制，最高排烟温度不能超过目标排烟温度上限(400℃)，若达到排烟温度上限(400℃)，则执行焖炉操作(关停煤气和空气)，等待换炉；要求焖炉时间越短越好，越短越节能。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
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