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管道化熔盐炉加热系统CB仿真模型的研究
添加时间: 2017-10-1 20:23:15 文章来源: 文章作者: 点击数:21

管道化熔盐炉加热系统CB仿真模型的研究

周孑民,万小立,宁练

(中南大学 能源科学与工程学院 湖南 长沙 410083

  要:针对管道化溶出过程中熔盐炉加热系统难于控制、运行效率低、系统能耗高的现象,依据加热系统的运行机理,利用Control-Build工程控制软件建立了熔盐炉加热系统的仿真模型。得到了不同运行工况下热工参数的仿真值,与实际测得数据进行比较,误差在5%以内。应用该模型对系统进行仿真优化研究,结果表明:在保证矿浆温度的情况下,控制矿浆流量为283.5-297.5 m3/h,有利于降低加热矿浆所需熔盐的进口温度,达到节能目的;计算得到管道化溶出系统的清疤周期为56天。

关键词:熔盐炉加热系统,Control-Build软件,仿真模型,优化研究

中图分类号:TP391.9      文献标识码:A       文章编号:

Research of Control-Build simulation model for heating system

of Molten Salt furnace in Tube Digestion

Zhou Jie-min, Wan Xiao-li, Ning Lian

(School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha, 410083 China)

AbstractBased on the fact that heating system of molten salt furnace in tube digestion has some shortcomings such as being difficult to control, low operating efficiency and high energy consumption in the digestion process, a simulation model of the system was established by using engineering control software Control-Build according to the operating mechanism of the system. The thermal parameters under different operating conditions were obtained from this model, and the errors compared with the site data are within 5%. The result of the simulation for the system shows thatin the case that the temperature of pulp meets the requirement, if the flow of pulp is controlled at 283.5-297.5 m3/h, temperature of molten salt, which is used for heating pulp, can be reduced, and energy can be saved. According to the simulation, the cycle of scar-cleaned of tube digestion system was found to be 56 days.

Key words: heating system of molten salt furnace, Control-Build, simulation model, optimization research

管道化溶出系统以其工艺的独特性和技术的先进性成为我国氧化铝生产的重要工序[1],而熔盐炉加热系统是管道化溶出系统的热能来源。我国的铝矿主要是一水硬铝石矿,溶出条件苛刻,涉及到许多复杂的物理化学反应、传热、传质过程,这使得熔盐炉系统的控制欠理想,从而造成设备运行效率低、系统能耗高,甚至无法完成生产技术指标。针对上述现象,国内外很多企业、科研院所都在尝试通过仿真的方法来解决氧化铝厂熔盐炉加热系统的控制问题。

国外,SidrakYousry L[2]设计了一种简便但较为准确的动态仿真模型,对溶出过程可能的控制因素进行控制;KumagaeYoshio[3]Dcbye-Hueckel公式和chen氏模型来解释溶液中固相物质和电解质的存在,用Aspen工程软件来对溶出过程进行仿真;TizonEric[4][1]对工业拜尔法所用循环母液和高岭石的预脱硅和溶出过程进行了数值模拟。国内,中国长城铝业公司[5]利用二次回归正交法设计回归出烧结法生产氧化铝工艺中钠硅渣常压氧化钙水化法脱钠的数学模型,提出了工艺的最佳条件;天津大学化工学院[6]根据液固流化床的防垢机理建立了结垢模型;中南大学冶金科学与工程学院的李小斌、王宇、刘桂华[7]等对拜耳法生产氧化铝管道化溶出的能量流动过程进行了数值模拟,研究了溶出过程中节能降耗的途径。

运用数值模拟可得到热工参数如温度、压力的场分布,但由于计算过程复杂、速度慢、对参数选取的要求高,难以应用于大型工艺流程的仿真。因此,本文以先进的工控仿真软件为平台,依据实际生产情况,建立并求解熔盐炉加热系统仿真模型,获得系统的最佳操作参数,为生产实践提供一定的指导。

1  熔盐炉加热系统仿真模型的建立

1.1  物理模型


熔盐炉是一种以燃烧化学燃料的方式对盘管内熔盐进行高温加热后作为热载体在熔盐炉和用热设备之间进行加热循环的封闭的加热设备,它起到的是将化学燃料的化学能转化成热能、以辐射换热和对流换热的形式传递给盘管内熔盐的作用[8]熔盐炉加热系统是管道化溶出系统中最关键的加热设备,是管道化溶出系统的能量来源[9,10,11]。图1是熔盐炉加热系统的示意图,如图所示,熔盐在熔盐炉中被加热后送入换热段加热矿浆、经换热降温后在熔盐罐内停留一段时间再返回熔盐炉继续被加热,其中熔盐加热段由四个大型套管换热器组成,矿浆由SWT1端的内管流入该系统,依次经过SWT1SWT2SWT3SWT4。高温熔盐从SWT4端的外管流入,依次经过SWT4SWT3SWT2SWT1

1 熔盐炉加热系统示意图

Fig.1 Schematic diagram of heating system of molten salt furnace

1.2  数学模型

熔盐炉加热系统仿真模型的建立是基于物料平衡和能量平衡,建模过程主要数学模型如下:

连续性方程

                                 1

式中为流体密度, 为时间, 代表坐标维数, 为速度矢量, 为坐标。

动量传输方程

                       2

式中

其中是表面力矢量,包括静压力和流体粘性压力。是作用于单位体积流体的方向的体积力, 是作用于单位体积流体的反方向的阻力, 为粘性系数,。

能量传输方程

             3

式中是包括动能的总热焓, 表示热交换系数, 分别为辐射与化学反应热源项。

1.3 仿真模型的建立过程

本文利用Control-Build软件(以下简称CB)对熔盐炉加热系统建模。CB软件是目前市场上最先进的自控软件设计工具,它涵盖了工控软件开发过程从设计、控制代码编程到校验测试的不同阶段[12]CB本身是一个功能强大的自控软件仿真校验测试产品[13],提供精确逼真的模型来仿真机电设备、自控系统或生产线的行为、动作和运转情况。具体建模过程如下:

1)确立参数

CB开发仿真系统时,每个部件的仿真都需要建立相应的参数表,以供仿真子模块内部或作为与外部模块之间的接口数据使用。CB的参数分为输入参数、输出参数、局部参数、参变量。本仿真模型中,输入参数是直接给定的参数,如天然气温度、熔盐进口温度、天然气量;输出参数是经过内部程序计算后直接显示的参数,如出炉烟气温度、熔盐出口温度;局部参数是由仿真计算所得,对参数传递起桥梁作用,如熔盐带入显热、燃气带走热、不完全燃烧热;参变量是物料的热物性参数,如天然气密度、比热,熔盐密度、比热。

2) 编写程序

CB的程序编写过程是由物理模型到仿真模型的实现,本仿真模型采用MATLABCB混合编程的方法,根据已建立的熔盐炉加热系统物理模型和数学模型编写程序,同时利用MATLAB的数据处理能力将加热系统生产过程中产生的实时数据(如温度、压力等)送到MATLAB的工作空间,建立原始数据处理模块,为仿真模型调用实时数据提供接口,从而实现CB的系统仿真。

3) 建立模块

本仿真模型采取将对象划分为功能模块的形式。根据熔盐炉加热系统的特点,将其分为熔盐炉模块和SWT换热段模块,分别建模并完成各自的子功能,然后将两个子模块中相关的上一级的输出参数与下一级的输入参数相连,如将熔盐炉的出口熔盐温度与SWT的进口熔盐温度相连接,即可将子模块组成一个整体,实现整个系统的功能。

4)制作视图

视图是用图的方式表现仿真对象。本仿真模型以CB软件为平台开发熔盐炉系统的仿真视图,将熔盐炉、SWT换热段等以简化的实物图表示,为仿真系统提供视觉框架。

2  熔盐炉加热系统仿真模型的结果及验证

2.1运行结果

以管道化系统正常运行时的初始条件为模型的输入参数,即天然气和空气温度恒定、天然气成分不变,熔盐流量342m3/h,熔盐炉漏风系数0.05。选取SWT换热段模块作为验证对象,在四个套管换热器(SWT1SWT2SWT3SWT4)的进出口取五个点对其温度进行验证,图2是该仿真模型运行后得到的界面图,得出生产过程中熔盐和矿浆温度的仿真结果:熔盐温度依次为298.7308.5317.7326.1334.0,矿浆温度依次为218.0234.0248.5261.5273.4

2 SWT段仿真运行界面

Fig.2 Operation interface by simulation of SWT

2.2结果验证

为了验证仿真结果的准确性,将仿真模型计算出来的结果与现场的测量值作比较。比较结果列于表1,由表可知,熔盐温度的仿真结果与实测数据的最大相对误差为2.295%,矿浆温度的最大相对误差为3.112%,均在5%以内,说明该仿真模型具有一定的准确性。

1 SWT熔盐、矿浆温度的实测与仿真值对比

Table1 Comparison of measured value and simulation value on temperature of salt and pulp in SWT

熔盐

矿浆

测点

实测值/

仿真值/

相对误差%

实测值/

仿真值/

相对误差%

1

292

298.7

2.295

218

218.0

0

2

309

308.5

0.612

234

234.0

0

3

314

317.7

1.178

241

248.5

3.112

4

328

326.1

0.579

263

261.5

0.570

5

339

334.0

1.497

278

273.4

1.655

3  CB仿真平台在管道化熔盐炉系统的应用

3.1  熔盐温度随矿浆流量的变化规律

正常生产过程中,熔盐温度(熔盐进入SWT套管换热段的入口温度)要控制在一定范围内,矿浆的溶出温度才能保持在270左右,这样才能强化矿浆的溶出过程、缩短溶出反应时间,获得理想的溶出效果[14]

作为系统的可控参数,熔盐温度对加热系统工艺技术指标有极其重要的影响。将熔盐的工艺参数调整到合适的值,从而最大限度地保证矿浆出口温度,是优化管道化溶出系统操作参数的关键。在熔盐和矿浆的换热过程中,矿浆的进口温度和化学性质、系统工况以及系统综合传热系数都会发生变化。针对这种情况,CB仿真系统建立了熔盐加热段与套管换热器的表面热交换过程模型,对其热平衡进行分析并求解,预测SWT套管换热段出口熔盐的温度,在此基础上调节熔盐炉参数使熔盐的出口温度达到溶出要求。

3是以SWT套管换热段出口矿浆温度达到270为标准,利用已建立的熔盐炉加热系统仿真模型得到的矿浆流量变化时熔盐温度的变化规律,并与实际测得数据比较。由图可以看出,矿浆流量在280-283.5 m3/h297.5-304.5 m3/h时,所需输入的熔盐温度增加幅度较大,而矿浆流量在283.5 m3/h -297.5 m3/h变化时,所需输入的熔盐温度增加幅度较小,因此,在保证矿浆温度的情况下,控制矿浆流量在283.5-297.5 m3/h,有利于降低加热单位体积矿浆所需熔盐的进口温度,从而达到节能的目地。

3 熔盐温度随矿浆流量的变化关系(swt换热段出口矿浆温度达到270

Fig.3 Variation of molten salt’s temperature with slurry flow

3.2  清疤周期的确定

结疤是管道化溶出工艺中无法回避的问题。管道化溶出技术采用间接加热方式,虽然可显著降低氧化铝生产过程中的能耗,但在我国一水硬铝石溶出系统的应用中,结疤现象严重,导致整个生产周期中热平衡状态不断发生变化,熔盐加热温度需要不断进行调整,影响设备稳定运行,给生产造成一定危害[14]。因此,在管道化溶出的生产实践中当结疤达到一定厚度、熔盐的温度增加至380 必须停止生产清理结疤[15]

随着生产的进行矿浆侧管道表面逐渐生成结疤换热效果不断恶化传热系数逐渐降低。为使矿浆维持一定的温度必须不断提高熔盐的温度。CB仿真模型根据结疤对换热系数的影响,结合现场各级温度及外部条件,拟合出换热系数与时间的非线性关系式,图4是以SWT套管换热段出口熔盐温度达到<, SPAN style="mso-bidi-font-size: 10.5pt" lang=EN-US>380作为清疤的指标,利用仿真模型得到的熔盐温度随时间天数的变化关系。由图可知,清疤周期为56天左右。从而为系统的清疤时间提供一定的参考依据。

4 熔盐温度随时间的变化关系(以SWT换热段出口熔盐温度达到380为清疤指标)

Fig.4 Variation of molten salt temperature with cycle         

4  结论   

1)        运用CB软件建立管道化熔盐炉系统的仿真模型,该模型提供了可视化且直观的仿真界面,得到不同运行工况下的优化参数;

2 运行该仿真模型并对其计算结果进行验证,其误差在5%以内,说明该仿真具有一定的可信性。

3 应用该模型对熔盐炉加热系统进行仿真研究,结果表明:在保证矿浆温度的情况下,控制矿浆流量在283.5-297.5有利于降低加热单位体积矿浆所需熔盐的进口温度,达到节能目地;模型预测管道化溶出系统的清疤周期约为56天。


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[1]通讯作者:周孑民,男,山东济南人,教授,博导;电话:0731-88836936E-mailjmzhou@mail.csu.edu.cn

          主要从事热物性测试及热工过程检测与控制研究

 
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