两种加热炉钢坯能源分摊模型及误差分析

2022-11-28赵义博陈德敏何子淮

冶金能源 2022年6期

陆彪赵义博陈德敏何子淮

(安徽工业大学建筑工程学院)

钢铁工业作为国民经济的基础产业，是衡量国家综合实力和工业化程度的重要标志。2011-2020年，国内制造业增加值与粗钢产量的年均增速分别为7.9%和5.1%[1]。钢铁工业的快速发展以及“双碳”目标的实现，对钢铁制造过程提出了更高的节能降耗要求。因此，对钢铁工业能源利用情况的发展与现状进行详细研究很有必要。

目前，吨钢综合能耗[2-7]、工序单位产品能耗[8-10]以及设备能源利用效率[11-14]是钢铁企业评估能源利用效率的常用指标，而对不同种类产品能耗指标研究较少。陆彪[15]等人基于加热炉设备提出了一种钢坯能源分摊模型，并通过此模型计算出不同种类钢坯吨钢能耗，确定了不同因素对钢坯能耗的影响。经过实际现场应用，该模型计算结果与现场实际情况基本吻合，应用效果良好。但是该模型仅能用于装配二级模型的加热炉，而对未装配二级模型的加热炉则不能进行应用。为了拓宽分摊模型的应用领域，文章在原模型基础上，进行了简化，并将两个模型的计算结果进行对比分析。

1 加热炉钢坯能源分摊模型

1.1 能耗累积时间段

如图1所示，将加热炉内钢坯数量恒定的每个时间段记为一个能耗累积时间段，每个钢坯在加热炉内停留时间划分为k个能耗累积时间段。

图1 第i个能耗累积时间段

在第i个能耗累积时间段内，对燃气瞬时流量进行采样，再根据采样周期计算出加热炉消耗燃气量：

(1)

式中：ESgas，j为第j个采样周期内的燃气的瞬时流量计量，GJ/h；Δt为采样周期时间，h；ni为第i个能耗累积时间段内采样次数；(Qgas)i为第i个能耗累积时间段内加热炉消耗燃气量，GJ。

1.2 模型1

陆彪[15]等人基于能耗累积时间段的定义，建立了可计算各钢坯燃气消耗量的能源分摊模型。文献的主题思路是：在能耗累积时间段内，对加热炉能耗进行离散处理分为钢坯吸热量、炉体热损失以及其它热损失。并在对加热炉能耗离散处理的基础上，应用可计算各钢坯燃气消耗量的能源分摊模型，对每个钢坯能源分摊计算。

以第p块钢坯为例，该钢坯在加热炉内停留时间可以划分k个能耗累积时间段，故该钢坯能源分摊量为：

(2)

式中：Qgas,p1为模型1计算获得的第p块钢坯能源分摊量，GJ；(Qgas,1)i,p1为第i个能耗累积时间段内，模型1计算获得的第p块钢坯吸热量，GJ；(Ggas,2)i,p1为第i个能耗累积时间段内，模型1计算获得的第p块钢坯的炉体热损失分摊量，GJ；(Qgas,3)i,p1为第i个能耗累积时间段内，模型1计算获得的第p块钢坯其它热损失分摊量，GJ。

(Qgas,1)i,p1=10-6·cp·mp·ΔTi,p

(3)

式中：cp为第p块钢坯的比热，kJ/(kg·℃)；mp为第p块钢坯的重量，kg；ΔTi,p为第i个累积分段内，第p块钢坯的温升，℃。

(4)

式中：λ为加热炉炉壁导热系数，W/(m·℃)；An为加热炉某段(预热段、加热段等)的炉壁面积，m2；Tn、T0分别为炉壁的炉内侧和炉外侧温度，℃；Δτ为时间累积分段的时间，s；B为加热炉某段的钢坯重量，kg。

(5)

钢坯吨钢能耗：

qgas,p1=Qgas,p1/mp

(6)

式中：qgas,p1为模型1计算得到的钢坯吨钢能耗，GJ/t。

1.3 模型2

模型1仅能用于装配二级模型的加热炉，而对未装配二级模型的加热炉，则不能实现对钢坯能源分摊量进行计算。文章基于能耗累积时间段的定义，提出了一种新的可计算各钢坯燃气消耗量的能源分摊模型。在能耗累积时间段中，利用炉内钢坯总质量不变的特性，按照每个钢坯重量占比对钢坯能源分摊量进行计算。

依然以第p块钢坯为例说明，该钢坯在加热炉内停留时间可以划分k个能耗累积时间段(同模型1)，故该钢坯能源分摊量为：

(7)

式中：Qgas,p2为模型2计算获得的第p块钢坯能源分摊量，GJ；(Qgas,0)i,p2为第i个能耗累积时间段内，模型2计算获得的第p块钢坯按重量分配的能耗分摊量，GJ；

(8)

钢坯吨钢能耗：

qgas,p2=Qgas,p2/mp

(9)

式中：qgas,p2为模型2计算得到的钢坯吨钢能耗，GJ/t。

2 案例分析

选取某轧钢厂步进式加热炉作为研究对象，加热炉尺寸见图2。

图2 案例加热炉尺寸

2.1 数据预处理

对2016年6-8月加热炉二级记录数据进行预处理：

(1)删除能源数据记录时间与钢坯炉内停留时间不相互对应的数据；

(2)删除错误的能源数据记录；

(3)删除停产、保温状态下的加热炉二级记录数据。

2.2 钢坯种类划分

从钢种、钢坯宽度、停留时间以及装载温度的角度对钢坯种类进行了划分。其中，对钢坯宽度、停留时间以及装载温度进行了预处理：

(1)钢种：选取MBTRG00101和MBTRG00301型号钢；

(2)钢坯宽度：加热炉的加热对象主要是厚度为230 mm、长度为10 000 mm的钢坯。钢坯尺寸的讨论只限于钢坯宽度，从1 400 mm到1 700 mm，以100 mm为步长划分归类；

(3)停留时间：由于钢坯在炉内时间各不相同，从3 h到5 h，以0.5 h为间隔划分归类；

(4)装载温度：对装载温度进行划分归类，0～200 ℃为低温、200～400 ℃为中温、>400 ℃为高温。根据现场生产情况，选取装载温度为低温和中温的钢坯。

3 结果误差分析

通过模型1和模型2计算相同属性钢坯吨钢能耗，并对结果进行误差分析。

3.1 MBTRG00101钢种的吨钢能耗计算及分析

分别利用模型1和模型2，在不同钢坯宽度、装载温度以及停留时间的条件下，计算MBTRG00101钢种吨钢能耗。对于具有相同属性的钢坯分类，模型1和模型2计算得出的钢坯吨钢能耗变化规律是一致的，如图3和图4所示，说明模型2具有一定的准确性。

图3 1 400～1 500 mm宽度钢坯吨钢能耗

图4 1 600～1 700 mm宽度钢坯吨钢能耗

为了进一步分析模型2的适用性和准确性，对模型1和模型2进行误差分析，结果见表1。

表1 利用模型1与模型2计算MBTRG00101钢种吨钢能耗的相对误差和绝对误差

对于MBTRG00101钢种，模型1和模型2误差分析结论如下：

(1)模型1与模型2的相对误差均≤3.1%，绝对误差均≤0.04 GJ/t，进一步说明模型1与模型2具有同样的适用性和准确性。但是由于模型1需要分别计算出(Qgas,1)i、(Qgas,2)i和(Qgas,3)i，引起了3次舍入误差，而模型2则仅产生1次舍入误差，所以模型2的计算结果均略大于模型1；

(2)相同装载规格(宽度)和装载温度下，停留时间越长，吨钢能耗的相对误差越小，而其绝对误差变化基本都为0.03 GJ/t左右，说明钢种为MBTRG00101时，模型2也适用。但是若想在钢坯较短的停留时间下获取相对误差和绝对误差都满意的结果，需要对模型2略加修正；

(3)相同装载规格(宽度)和停留时间下，装载温度对钢坯吨钢能耗的相对误差和绝对误差基本无影响；

(4)相同装载温度和停留时间下，装载规格(宽度)对钢坯吨钢能耗的相对误差和绝对误差基本无影响。

以上结果表明：对于MBTRG00101钢种吨钢能耗分析，无论在何种情况下，模型1与模型2具有同样的适用性和准确性。