[发明专利]一种焦炉炭化室传热过程建模与仿真方法

说明书

本发明公开了一种焦炉炭化室传热过程建模与仿真方法。所述的建模与仿真方法包括以下步骤：将焦炉炭化室炉墙及炭化室内1/2煤饼按横向均匀划分平面单元；基于一维双层平面传热理论，构建炉墙平面单元和煤饼平面单元的传热模型；利用外节点法按仿真步长分别对炉墙平面单元和煤饼平面单元的传热模型进行离散化；采用Simulink模块构建炉墙平面单元和煤饼平面单元的仿真模型，并按照焦炉炭化室结构，利用平面单元传热模型组装炭化室传热模型；采用MATLAB GUI构建仿真分析软件，利用炭化室传热模型进行仿真计算。本发明的建模方法原理直观，易于理解，实现步骤简单，建模工作量较小，可以实现对焦炉炭化室传热过程的动态仿真，且炭化室传热过程受仿真时间的驱动。

技术领域

本发明涉及焦炉炭化室传热过程仿真领域，特别是涉及一种焦炉炭化室传热过程建模与仿真方法。

背景技术

随着计算机硬软件技术的快速发展，计算机仿真方法及技术得到了广泛的应用。在复杂工业过程控制领域，应用计算机仿真技术，控制系统设计人员在系统设计阶段就可以分析系统的动静态特性，实现对控制系统结构及参数的优化设计；在系统测试阶段，可以基于被控对象仿真模型实现对控制系统的测试验证，从而最大程度上降低成本，减少试验费用，缩短开发周期，提高研发效率。

炼焦生产过程是一种典型的复杂工业过程，焦炉炭化室是炼焦生产的主要设备，煤饼在炭化室内隔绝空气加热干馏形成焦炭。焦炉的热工管理与控制技术直接决定着炼焦生产过程的安全与高效。而对焦炉炭化室传热过程的分析与计算是优化焦炉热工管理、设计焦炉加热控制系统的必要过程。采用计算机仿真技术可以直观地展示焦炉炭化室传热过程，并可以进一步利用仿真模型对焦炉加热控制系统进行分析和测试。

在炼焦生产过程中，煤饼在炭化室内经过干燥、分解、形成胶质体、胶质体固化及收缩等过程形成焦炭，因此炭化室内煤饼的传热过程是固-液-气三相共存的流体传热过程。传统基于CFD软件的炭化室传热过程建模与分析方法可以较好的模拟焦炉炭化室传热过程，但所构建的模型是一种由热能驱动的静态分析模型，主要用于焦炉设计人员与热工管理人员分析焦炉炭化室内的温度分布，而不适用于作为仿真对象模型测试验证焦炉加热控制算法，且整个建模过程复杂。

发明内容

为了解决现有焦炉炭化室传热过程建模与仿真存在的上述技术问题，本发明提供一种原理直观、易于理解、实现步骤简单的焦炉炭化室传热过程建模与仿真方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：

A1：将焦炉炭化室炉墙及炭化室内1/2煤饼按横向均匀划分平面单元；

A2：基于一维双层平面传热理论，构建炉墙平面单元和煤饼平面单元的传热模型；

A3：利用外节点法按仿真步长分别对炉墙平面单元和煤饼平面单元的传热模型进行离散化；

A4：采用MATLAB的Simulink模块分别构建炉墙平面单元和煤饼平面单元的仿真模型，并按照焦炉炭化室结构，利用平面单元传热模型组装炭化室传热模型；

A5：采用MATLAB GUI构建仿真分析软件，利用炭化室传热模型进行仿真计算。

本发明的技术效果在于：

1、与传统基于CFD软件的焦炉炭化室传热过程建模方法相比，具有建模过程简洁、仿真过程受时间驱动、仿真结果展示直观等优点，虽然在建模过程中采用平面单元代替网格，但仿真结果仍能较真实的反映焦炉炭化室及炉墙的传热特性。

2、模型的可扩展性，基于本发明构建的焦炉炭化室炉墙与1/2煤饼传热模型，可以方便地构建全焦炉传热过程模型，仅需要将多个封装好的炭化室传热模型W_hC与燃烧室模型链接起来，并通过推焦装煤计划表生成装煤信号，以此驱动各炭化室传热模型。与之对比，采用CFD软件构建的焦炉炭化室传热过程模型仅可对一组炭化室炉墙与1/2煤饼进行传热过程分析，而几乎不可能基于该组模型构建全焦炉传热过程模型。