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专利名称：一种基于数字孪生模型的高炉热风炉煤气消耗预测方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410250332.9

专利申请（专利权）人：鞍钢股份有限公司
权利人地址：辽宁省鞍山市铁西区鞍钢厂区

专利发明（设计）人：孙守斌,刘常鹏,李卫东,闫东阳,孟迪,张炎,王东山,赵俣,郝博,贾振

专利摘要：本发明公开了一种基于数字孪生模型的高炉热风炉煤气消耗预测方法，包括：建立热风炉的初始数字孪生模型；将实际烧炉的初始条件输入初始数字孪生模型中生成模拟的温度变化特性曲线；获取实际烧炉过程中获取的温度变化特性曲线；根据温度变化特性曲线的比较结果对初始数字孪生模型进行修正，并基于修正后的数字孪生模型生成不同初始条件的温度变化特性曲线合集；获取待预测的烧炉初始条件对应的温度变化特性曲线，根据烧炉所需总时间、煤气流量以及热风炉运行时间对煤气剩余用量和烧炉剩余时长进行预测。本发明主要利用数字孪生技术构建热风炉的数字孪生模型，得出煤气剩余用量和烧炉剩余时长预测值，为优化调配煤气使用提供了有效的数据支持。

主权利要求：
1.一种基于数字孪生模型的高炉热风炉煤气消耗预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据热风炉设计图、历史运行数据、传热学与流体力学原理建立热风炉的初始数字孪生模型；
S2、获取实际烧炉初始条件，将所述实际烧炉的初始条件输入初始数字孪生模型中，从而生成模拟的温度变化特性曲线，所述烧炉初始条件包括煤气温度、煤气流量、空气温度以及空气流量，所述温度变化曲线包括拱顶温度变化特性曲线和排烟温度变化特性曲线；
S3、获取实际烧炉过程中的温度变化特性曲线；
S4、根据模拟的温度变化特性曲线与实际温度变化特性曲线的比较结果对初始数字孪生模型进行修正，并基于修正后的数字孪生模型生成不同初始条件的温度变化特性曲线合集，所述热风炉烧炉温度曲线合集通过修正后的数字孪生模型模拟不同初始条件下热风炉烧炉过程获。黄渲，根据模拟的温度变化特性曲线与实际温度变化特性曲线的比较结果对初始数字孪生模型进行修正，包括：S401、获取由初始的数字孪生模型M根据实际烧炉的初始条件生成的模拟的拱顶温度变化特性曲线G和排烟温度变化特性曲线P；
S402、获取实际烧炉的初始条件下生成的真实的拱顶温度变化特性曲线G'和排烟温度变化特性曲线P'进行对比；
S403、将模拟的拱顶温度变化特性曲线G和真实的拱顶温度变化特性曲线G'根据以下比较函数获生成拱顶温度变化差异值：其中，G(t)表示拱顶温度变化差异值，G”(t)表示t时刻热风炉拱顶温度，Gw(t)表示t时刻模拟的拱顶温度，t′表示烧炉过程从开始到当前时刻所经历的时间；
S404、将模拟的排烟温度变化特性曲线P和真实的排烟温度变化特性曲线P'根据以下比较函数获生成排烟温度变化差异值：其中，P(t)表示排烟温度变化差异值，P”(t)表示t时刻排烟温度，Pw(t)表示t时刻模拟的排烟温度，t′表示烧炉过程从开始到当前时刻所经历的时间；
S405、根据拱顶温度变化差异值G(t)和排烟温度变化差异值P(t)对初始的数字孪生模型M进行修正，从而生成修正的数字孪生模型M'；
S5、获取待预测的烧炉初始条件对应的温度变化特性曲线，根据烧炉所需总时间、煤气流量以及热风炉运行时间对煤气剩余用量和烧炉剩余时长进行预测，包括：根据烧炉所需的总时间tw以及烧炉过程从开始到当前时刻所经历的时间t′计算烧炉剩余时长的预测值ts，同时，根据初始条件给出的煤气流量Qm以及烧炉所需的总时间tw计算烧炉过程煤气消耗总量Qw，基于煤气流量Qm以及烧炉过程从开始到当前时刻经历的时间t′计算已经消耗的煤气量Qy，再基于烧炉过程煤气消耗总量Qw和烧炉过程从开始到当前时刻已经消耗的煤气量Qy计算煤气计划用量的预测值Qs。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生模型的高炉热风炉煤气消耗预测方法，其特征在于，S405还包括：将拱顶温度变化差异值和排烟温度变化差异值分别与预设阈值进行比较，比较结果符合要求则判断修正的数字孪生模型有效，再基于有效的数字孪生模型根据不同初始条件生成对应的温度变化特性曲线；否则按照当前条件对修正的数字孪生模型进行再次修正。
3.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生模型的高炉热风炉煤气消耗预测方法，其特征在于，判断当前数字孪生模型有效的要求为：拱顶温度变化差异值G(t)＜100，且排烟温度变化差异值P(t)＜50。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生模型的高炉热风炉煤气消耗预测方法，其特征在于，将所述实际烧炉的初始条件输入初始数字孪生模型中，从而生成模拟的温度变化特性曲线，包括：记录拱顶温度变化特性曲线G直至热风炉拱顶温度达到工艺所规定的目标温度为止，记录排烟温度变化特性曲线P直至热风炉排烟温度达到工艺所规定的排烟温度上限值为止。 说明书 : 一种基于数字孪生模型的高炉热风炉煤气消耗预测方法技术领域[0001] 本发明涉及高炉热风炉节能技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生模型实现高炉热风炉煤气消耗预测的方法。背景技术[0002] 钢铁行业副产品煤气是钢厂最重要的二次能源，占企业总能耗的30％左右，科学合理地对煤气资源的能耗趋势进行追踪预测，使调度人员从总体把握煤气资源的波动趋势，进行优化调配，最大限度地利用煤气资源，对节约成本和减少环境污染具有重要意义。热风炉是高炉系统的主要耗能设备，消耗了大约40％的高炉煤气。随着炼铁技术的不断进步，对热风炉降低能耗的要求逐步提高。[0003] 目前，高炉一般配置有三或四座热风炉，一般采用两烧一送或两烧两送的工作制度，热风炉要经过燃烧?闷炉?送风?换炉?燃烧这样一个周期过程，其中只在燃烧状态消耗煤气。热风炉每日换炉的次数和每次换炉的时间由热风炉的座数和燃烧制度而定。一个热风炉的煤气消耗是间断性的，而一座高炉的3个或4个热风炉的煤气消耗特性却是连续性的。准确预测燃烧状态热风炉的煤气消耗量，能够对煤气产耗动态平衡和优化调配提供有力支撑。发明内容[0004] 本发明的目的是要提供一种基于数字孪生模型的高炉热风炉煤气消耗预测方法。本发明主要利用数字孪生技术构建热风炉的数字孪生模型，通过数字孪生模型得出煤气剩余用量和烧炉剩余时长预测值。[0005] 本发明采用的技术手段如下：[0006] 一种基于数字孪生模型的高炉热风炉煤气消耗预测方法，包括以下步骤：[0007] S1、根据热风炉设计图、历史运行数据、传热学与流体力学原理建立热风炉的初始数字孪生模型；[0008] S2、获取实际烧炉初始条件，将所述实际烧炉的初始条件输入初始数字孪生模型中，从而生成模拟的温度变化特性曲线，所述烧炉初始条件包括煤气温度、煤气流量、空气温度以及空气流量，所述温度变化曲线包括拱顶温度变化特性曲线和排烟温度变化特性曲线；[0009] S3、获取实际烧炉过程中的温度变化特性曲线；[0010] S4、根据模拟的温度变化特性曲线与实际温度变化特性曲线的比较结果对初始数字孪生模型进行修正，并基于修正后的数字孪生模型生成不同初始条件的温度变化特性曲线合集，所述热风炉烧炉温度曲线合集通过修正后的数字孪生模型模拟不同初始条件下热风炉烧炉过程获。籟0011] S5、获取待预测的烧炉初始条件对应的温度变化特性曲线，根据烧炉所需总时间、煤气流量以及热风炉运行时间对煤气剩余用量和烧炉剩余时长进行预测。[0012] 进一步地，根据模拟的温度变化特性曲线与实际温度变化特性曲线的比较结果对初始数字孪生模型进行修正，包括：[0013] S401、获取由初始的数字孪生模型M根据实际烧炉的初始条件生成的模拟的拱顶温度变化特性曲线G和排烟温度变化特性曲线P；[0014] S402、获取实际烧炉的初始条件下生成的真实的拱顶温度变化特性曲线G'和排烟温度变化特性曲线P'进行对比；[0015] S403、将模拟的拱顶温度变化特性曲线G和真实的拱顶温度变化特性曲线G'根据以下比较函数获生成拱顶温度变化差异值：[0016][0017] 其中，G(t)表示拱顶温度变化差异值，G”(t)表示t时刻热风炉拱顶温度，Gw(t)表示t时刻模拟的拱顶温度，t′表示烧炉过程从开始到当前时刻所经历的时间；[0018] S404、将模拟的排烟温度变化特性曲线P和真实的排烟温度变化特性曲线P'根据以下比较函数获生成排烟温度变化差异值：[0019][0020] 其中，P(t)表示排烟温度变化差异值，P”(t)表示t时刻排烟温度，Pw(t)表示t时刻模拟的排烟温度，t′表示烧炉过程从开始到当前时刻所经历的时间；[0021] S405、根据拱顶温度变化差异值G(t)和排烟温度变化差异值P(t)对初始的数字孪生模型M进行修正，从而生成修正的数字孪生模型M'。[0022] 进一步地，S405还包括：[0023] 将拱顶温度变化差异值和排烟温度变化差异值分别与预设阈值进行比较，比较结果符合要求则判断修正的数字孪生模型有效，再基于有效的数字孪生模型根据不同初始条件生成对应的温度变化特性曲线；否则按照当前条件对修正的数字孪生模型进行再次修正。[0024] 进一步地，判断当前数字孪生模型有效的要求为：[0025] 拱顶温度变化差异值G(t)＜100，且排烟温度变化差异值P(t)＜50。[0026] 进一步地，根据烧炉所需总时间、煤气流量以及热风炉运行时间对煤气剩余用量和烧炉剩余时长进行预测，包括：[0027] 根据烧炉所需的总时间tw以及烧炉过程从开始到当前时刻所经历的时间t′计算烧炉剩余时长的预测值ts；[0028] 同时，根据初始条件给出的煤气流量Qm以及烧炉所需的总时间tw计算烧炉过程煤气消耗总量Qw，基于煤气流量Qm以及烧炉过程从开始到当前时刻经历的时间t′计算已经消耗的煤气量Qy，再基于烧炉过程煤气消耗总量Qw和烧炉过程从开始到当前时刻已经消耗的煤气量Qy计算煤气计划用量的预测值Qs。[0029] 进一步地，将所述实际烧炉的初始条件输入初始数字孪生模型中，从而生成模拟的温度变化特性曲线，包括：[0030] 记录拱顶温度变化特性曲线G直至热风炉拱顶温度达到工艺所规定的目标温度为止，记录排烟温度变化特性曲线P直至热风炉排烟温度达到工艺所规定的排烟温度上限值为止。[0031] 较现有技术相比，本发明具有以下优点：[0032] 1、本发明通过数字孪生模型对热风炉的烧炉过程进行仿真模拟，并根据实际烧炉过程的真实历史数据，对数字孪生模型进行修正，减小了数字孪生模型的仿真效果与真实烧炉过程的差异。[0033] 2、本发明通过修正的数字孪生模型预测煤气剩余用量和烧炉剩余时长，后续可以根据预测值及时调整管网相关煤气用户的煤气使用计划，为优化煤气调配提供了有力的数据支持和可靠的智力保障。附图说明[0034] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0035] 图1为本发明一种基于数字孪生模型的高炉热风炉煤气消耗预测方法的流程图。[0036] 图2为实施例中修正后的模型M'拱顶温度变化特征曲线。[0037] 图3为实施例中修正后的模型M'排烟温度变化特征曲线。[0038] 图4为实施例中特征曲线G”与特征曲线Gw在0～84min时段的比较结果。[0039] 图5为实施例中特征曲线P”与特征曲线Pw在0～84min时段的比较结果。具体实施方式[0040] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。[0041] 如图1所示，本发明提供了一种基于数字孪生模型的高炉热风炉煤气消耗预测方法，包括以下步骤：[0042] S1、根据热风炉设计图、历史运行数据、传热学与流体力学原理等建立热风炉的初始数字孪生模型M。[0043] S2、获取实际烧炉初始条件，将所述实际烧炉的初始条件输入初始数字孪生模型中，从而生成模拟的温度变化特性曲线，所述烧炉初始条件包括煤气温度、煤气流量、空气温度以及空气流量，所述温度变化曲线包括拱顶温度变化特性曲线和排烟温度变化特性曲线。[0044] 具体来说，包括：[0045] S201、基于初始数字孪生模型M进行仿真燃烧试验，获取试验初始条件数据，所述初始条件数据包括煤气温度、煤气流量、空气温度以及空气流量。[0046] S202、将所述模拟数据输入初始的数字孪生模型M中进行热风炉内部温度场和流场的模拟仿真，获得模拟的拱顶温度变化特性曲线G和排烟温度变化特性曲线P。[0047] 更进一步地，将所述模拟数据输入初始的数字孪生模型M中进行热风炉内部温度场和流场的模拟仿真时，记录拱顶温度变化特性曲线G直至热风炉拱顶温度达到工艺所规定的目标温度为止，记录排烟温度变化特性曲线P直至热风炉排烟温度达到工艺所规定的排烟温度上限值为止。[0048] S3、获取实际烧炉过程中获取的温度变化特性曲线。[0049] 具体包括：[0050] S301、获取实际烧炉过程的真实数据，所述真实数据包括实际烧炉过程中热风炉的煤气温度、煤气流量、空气温度以及空气流量。[0051] S302、根据所述真实数据获取实际运行中热风炉的拱顶温度变化特性曲线G'和排烟温度变化特性曲线P'。[0052] S4、根据模拟的温度变化特性曲线与实际温度变化特性曲线的比较结果对初始数字孪生模型进行修正，并基于修正后的数字孪生模型生成不同初始条件的温度变化特性曲线合集。[0053] 该步骤用于将模拟的拱顶温度变化特性曲线G和排烟温度变化特性曲线P与真实的拱顶温度变化特性曲线G'和排烟温度变化特性曲线P'进行对比，从而获取修正的数字孪生模型M'。具体包括：[0054] S401、获取由初始的数字孪生模型M根据实际烧炉的初始条件生成的模拟的拱顶温度变化特性曲线G和排烟温度变化特性曲线P；[0055] S402、获取实际烧炉的初始条件下生成的真实的拱顶温度变化特性曲线G'和排烟温度变化特性曲线P'进行对比；[0056] S403、将模拟的拱顶温度变化特性曲线G和真实的拱顶温度变化特性曲线G'根据以下比较函数获生成拱顶温度变化差异值：[0057][0058] 其中，G(t)表示拱顶温度变化差异值，G”(t)表示t时刻热风炉拱顶温度，Gw(t)表示t时刻模拟的拱顶温度，t′表示烧炉过程从开始到当前时刻所经历的时间；[0059] S404、将模拟的排烟温度变化特性曲线P和真实的排烟温度变化特性曲线P'根据以下比较函数获生成排烟温度变化差异值：[0060][0061] 其中，P(t)表示排烟温度变化差异值，P”(t)表示t时刻排烟温度，Pw(t)表示t时刻模拟的排烟温度，t′表示烧炉过程从开始到当前时刻所经历的时间；[0062] S405、根据拱顶温度变化差异值G(t)和排烟温度变化差异值P(t)对初始的数字孪生模型M进行修正，从而生成修正的数字孪生模型M'。具体结合传热学和流体力学原理修改当前运行参数下的综合传热系数，直到温度变化差异值小于有效值范围。由于空气与煤气在不同流量下、不同配比下燃烧产生的烟气流体成分、温度和流速都不相同。热风炉内部传热主要以对流传热和热传导为主，对流传热中流体的密度、动力粘度、导热系数、比热容等都会影响流体中速度的分布及热量的传递，从而影响综合传热系数。因此综合传热系数的变化有多种因素耦合作用，不能单纯通过计算获得，还需要结合实际数据进行修正。[0063] 进一步地，该步骤还包括：将拱顶温度变化差异值和排烟温度变化差异值分别与预设阈值进行比较，比较结果符合要求则判断修正的数字孪生模型有效，再基于有效的数字孪生模型根据不同初始条件生成对应的温度变化特性曲线；否则按照当前条件对修正的数字孪生模型进行再次修正，直到符合条件为止，并将该曲线纳入合集中。本申请中，按照当前条件对模型进行修改具体为结合传热学和流体力学原理修改当前运行参数下的综合传热系数，直到温度变化差异值小于有效值范围。[0064] 作为本发明较佳的实施方式，本实施例中判断当前数字孪生模型有效的要求为：拱顶温度变化差异值G(t)＜100，且排烟温度变化差异值P(t)＜50。[0065] S5、获取待预测的烧炉初始条件对应的温度变化特性曲线，根据烧炉所需总时间、煤气流量以及热风炉运行时间对煤气剩余用量和烧炉剩余时长进行预测。[0066] 从执行流程上说，步骤S5中，获取烧炉开始后到待预测时刻位置的实际温度变化特性曲线，利用实际温度变化曲线与各条通过修正模型模拟出来的模拟温度变化特性曲线的差异，获取与真实烧炉情况最为相近的模拟温度变化特性曲线，并基于该模拟温度变化曲线进行后续预测工作。选择与实际烧炉情况最为相近的模拟温度变化特性曲线的过程，可以参考S401?S404中给出的，通过量化温度变化差异值的方式取得。[0067] 预测的具体过程包括：根据烧炉所需的总时间tw以及烧炉过程从开始到当前时刻所经历的时间t′计算烧炉剩余时长的预测值ts。同时，根据初始条件给出的煤气流量Qm以及烧炉所需的总时间tw计算烧炉过程煤气消耗总量Qw，基于煤气流量Qm以及烧炉过程从开始到当前时刻经历的时间t′计算已经消耗的煤气量Qy，再基于烧炉过程煤气消耗总量Qw和烧炉过程从开始到当前时刻已经消耗的煤气量Qy计算煤气计划用量的预测值Qs。[0068] 下面通过具体的应用实例，对本发明的方案和效果做进一步说明。[0069] 本实施例中，将初始条件设置为煤气温度T'm(150℃)、流量Q'm(65000m3/h)和空气3温度T'k(200℃)、流量Q'k(80000m/h)。[0070] 首先，根据热风炉设计图建立热风炉物理模型，利用逆向工程技术建立热风炉的数字孪生模型M。[0071] 其次，将热风炉实际烧炉过程的煤气温度Tm(150℃)、流量Qm(65000m3/h)和空气温3度Tk(200℃)、流量Qk(80000m /h)输入数字孪生模型M中，对数字孪生模型进行热风炉内部温度场和流场的模拟仿真，获得热风炉数字孪生模型随时间t的拱顶温度变化G和排烟温度变化P特性曲线，即(G，P)＝∫M(Tm，Qm，Tk，Qk)dt，拱顶温度变化G直至热风炉拱顶温度达到工艺所规定的目标温度(1350℃)为止，排烟温度变化P直至热风炉排烟温度达到工艺所规定的排烟温度限值(350℃)为止。其中，工艺所规定的热风炉拱顶温度目标温度范围为(1350～1400℃)，工艺所规定的排烟温度变化目标温度范围为(350～400℃)。[0072] 再次，根据实际烧炉过程中热风炉的煤气温度Tm(150℃)、流量Qm(65000m3/h)和空3气温度Tk(200℃)、流量Qk(80000m/h)获取实际运行中热风炉的拱顶温度变化G'和排烟温度变化P'特性曲线；[0073] 随后，将上述初始条件下热风炉数字孪生模型与实际运行中热风炉的拱顶温度变化和排烟温度变化特性曲线进行比较，分析存在的偏差，得数字孪生修正模型M'。[0074] 最后，当烧炉过程中采取初始条件煤气温度T'm(150℃)、流量Q'm(65000m3/h)和空3气温度T'k(200℃)、流量Q'k(80000m/h)，通过数字孪生修正模型M'，可得出该初始条件下一个完整烧炉过程热风炉的拱顶温度变化Gw(图1)和排烟温度变化Pw(图2)特性曲线，即：[0075][0076] 同时得出烧炉所需总时间tw＝2.2h和烧炉过程煤气消耗总量：[0077] Qw＝Qm·tw＝65000×2.2＝143000m3。[0078] 在该初始条件下热风炉实际运行过程中，当烧炉开始84min后，预测未来烧炉计划煤气用量和烧炉剩余时长，将烧炉过程从0到t'＝84min时热风炉拱顶温度历史曲线G”和排烟温度历史曲线P”，将曲线G”，P”与0～84min时的曲线Gw，Pw进行比较(图3、图4)，比较函数和 当G(t)＜100，P(t)＜50时，说明热风炉实际运行曲线与模型M'相符，计算得出已消耗的煤气量：[0079] Qy＝91000m3，[0080] 从而得到煤气计划用量预测值：[0081] Qs＝Qw?Qy＝143000?91000＝52000m3[0082] 烧炉剩余时长的预测值：[0083] ts＝tw?ty＝2.2?1.4＝0.8h。[0084] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

专利地区：辽宁

专利申请日期：2024-03-05

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN118036500B