1、基金项目：国家自然科学基金（51664040）作者简介：张孝涵（1988-） ，男（汉） ，湖南怀化人，冶金工程，硕士研究生；通讯作者：朱道飞（1979-） ，男，湖南，博士，副教授;email:zdf_ 。铜冶炼企业氧气系统 simulink 建模仿真研究张孝涵 1，朱道飞 1*,江磊 1（1.昆明理工大学冶金与能源工程学院，昆明 650093；）摘要：分析了铜冶炼企业中氧气的生产系统、缓冲储存系统和消耗系统的特点，建立了一个铜冶炼企业的氧气系统数学模型，并以此为基础建立了一个铜冶炼企业氧气系统 Simulink 仿真模型，对一个铜冶炼企业的氧气系统采取不同的制氧方案和添加氧气液化系统和气化
2、系统运行进行了仿真模拟。结果表明，企业的制氧系统采取不同的生产方案对企业的氧气放散率影响很大，企业的制氧系统氧气生产量与企业的平均耗氧量相差越少，放散率越小；适宜的氧气液化系统和气化系统，能将企业氧气系统的氧气放散率减小至零。关键词：氧气系统；Simulink；仿真；放散率中图分类号： 文献标识码： 文章编号：Simulink modeling and Simulation of oxygen system in copper smelting enterprisesZhang Xiaohan1，Zhu Daofei 1，Jiang Lei1(1.Faculty of Metallurgy a
3、nd Energy Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China；)Abstract: Analysis of the characteristics of oxygen in copper smelting enterprises in the production system, buffer storage system and consumption system, established a mathematical model of oxygen system of
4、copper smelting enterprises, as the basis for the establishment of a copper smelter oxygen system Simulink simulation model, oxygen system for a copper smelting enterprises adopt different oxygen the addition of oxygen liquefaction and gasification system and system simulation, the results show that
5、 the oxygen system of enterprises to adopt different production scenarios on oxygen emission rate of enterprises has great influence, enterprise oxygen production and oxygen system enterprises average oxygen consumption is less, less bleeding rate; oxygen liquefaction and gasification system suitabl
6、e, can enterprise oxygen emission rate of the system decreases to zero oxygen.Key words: oxygen system; Simulink; simulation; emission rate在我国多数铜冶炼企业的氧气系统中，氧气的生产和消耗供需不平衡，波动比较大，企业内调度人员对氧气系统中氧气的生产与消耗的变化规律了解得还不够透彻 1，还难以对氧气系统进行科学的调度和管理 2-3。目前，人们从铜冶炼企业氧气供需平衡、生产、作业计划等方面分析了氧气放散的原Comment L1: 图要在正文说明，并且先说明后见
7、图。因，建立了铜冶炼企业氧气决策支持系统4-5，并应用于氧气系统调度 6。文献7详细分析了铜冶炼企业造成氧气放散的原因；文献8-9成功建立了大型联合冶炼企业氧气系统仿真模型并取得了良好的应用效果,但对铜冶炼企业氧气系统的动态模型及仿真研究较少。近两年来，Simulink 广泛应用于各行业的动态系统建模和仿真 10，如交通、电气和航空等11方面。本文根据铜冶炼用氧特点，建立了铜冶炼企业氧气系统的动态平衡数学模型，采用Simulink方法建立了铜冶炼企业氧气系统动态仿真模型。使用该模型可以对铜冶炼企业氧气系统的设备、结构、操作和控制等方面，进行深入研究，并分析和计算艾萨炉、PS 转炉的生产作业计划
8、、氧气生产和储存设备的性能对氧气放散率的影响。同时对氧气系统的生产量、储存量、消耗量和放散量随时间的变化规律做深入探讨。1 铜冶炼企业氧气系统的组成和特点铜冶炼企业氧气系统是由氧气生产系统、氧气缓冲储存系统和氧气消耗系统组成的。氧气生产系统的主要设备为制氧机；氧气缓冲储存系统的主要设备有：压送设备、球罐、氧气管网和液氧装置等；氧气消耗系统的主要设备有：艾萨炉、PS 转炉等。图 1.某铜冶炼企业氧气系统结构图Fig. 1. Structure diagram of the oxygen system in a copper smelting enterprise企业氧气系统平衡状况主要取决于氧气
9、生产系统中制氧机的调整、缓冲储存系统的氧气储存能力和氧气消耗系统的用氧特点。氧气生产系统中制氧机的启动越迅速、变负荷生产调整能力越强，氧气缓冲储存系统中的储氧量越大，氧气消耗系统中耗氧设备的耗氧量越均衡，就越有利于维持企业氧气系统的供需平衡。在铜冶炼企业，艾萨炉炼铜用氧在一定范围内波动，PS 转炉炼铜用氧呈周期性变化，且两者的用氧量占铜厂总耗氧量的比例较高。这些特点对铜冶炼企业氧气系统的供需平衡影响很大，是氧气可能放散的主要原因。单台艾萨炉或者 PS转炉的耗氧量越大、波动越强，影响越显著。2 铜冶炼企业氧气系统数学建模分析了铜冶炼企业氧气系统的生产量、储存量和消耗量与时间的关系后，用数学方程式
10、的形式表达，铜冶炼企业氧气系统动态平衡方程如下。制氧机的氧气生产量：（1）lsdniO tkQtQ0)(,2（2）niOO1,)(22式中： 表示第 i 台制氧机在 t 时刻的氧气生产量，m 3/h； 表示制氧机正常生产时)(,2tQiO Q段的氧气生产量； 表示制氧机正常生产时段， h； 表示制氧机生产负荷变小时段， h；n dt表示制氧机停止生产时段，h； 表示制氧机负荷变大时段， h； 表示制氧机变负荷变s l k化斜率； 表示 t 时刻时氧气生产量， m3/h； n 表示制氧机的总台数。)(2QO缓冲储存系统，如管网的氧气储存量：（3）)(4.2)(22 tKRVPUmOOO式中： 表
11、示 t 时刻时管网内氧气储存量，m 3； 表示 t 时刻时管网内氧气的压力，)(2 2POPa； 表示管网内氧气的体积，m 3； 表示气体常数，8.314kJ/(molK)； 表示 t 时2OVm )(K刻时氧气的温度，K。液氧槽供氧量：（4）snOtLtQ0)(2式中： 表示 t 时刻时液氧槽供氧量，m 3/h； 表示正常供氧时段液氧槽供氧量，2LO Lm3/h； 表示液氧槽正常供氧时段，h； 表示液氧槽停止供氧时段， h。n s艾萨炉熔炼耗氧量：（5）snO tbkAtQA0)(2式中： 表示 t 时刻时艾萨炉熔炼耗氧量，m 3/h； 表示艾萨炉正常生产时段耗氧量，2O Am3/h； 表示
12、启动时段初始时刻艾萨炉熔炼耗氧量，m 3/h； 表示启动时段艾萨炉熔炼耗氧b k量变化斜率； 表示艾萨炉正常生产时段， h； 表示艾萨炉停止生产时段， h； 表示ntstsnt艾萨炉启动时段，h。PS 转炉吹炼耗氧量：（6）1 0)(2 TmTctmTctCQO 式中： 表示 t 时刻时 PS 转炉吹炼耗氧量，m 3/h； 表示 PS 转炉吹炼时段平均耗氧2O C量，m 3/h； 表示延时时段，h； 表示吹炼周期，h； 表示吹炼周期的序数； 表示上一炉吹炼完成后等待时间，h； 表示下一炉吹炼前准备时间， h； 表示 PS 转炉平均吹氧时长，h。稀贵分厂生产时的耗氧量很少且稳定，因此将单位时间内
13、稀贵分厂耗氧量设定为常数M。铜冶炼企业外供的氧气量在较长时段内一般比较稳定，为了便于计算，设定单位时间段内企业外供氧气量为常数 W。根据上述分析和氧气平衡原理，可以得到在时间(t,t+T)时段内的氧气系统平衡方程，表达式为： dtWMtQCAtUdtQLtT OOOTtOO )()()( 222223 铜冶炼企业氧气系统 Simulink 仿真系统的设计铜冶炼企业氧气系统动态模型中含有分段函数、积分等复杂计算，使用 Simulink 工具能够简便地完成这些工作，所以我们应用 Simulink 工具建立铜冶炼企业氧气系统仿真模型，进行氧气系统仿真研究。根据铜冶炼企业氧气系统数学模型的要求与企业生
14、产实际情况，铜冶炼企业氧气系统Simulink 仿真模型用不同层级的子模型与模块连接构造而成。上层建立铜冶炼企业氧气系统总体模型与各个子系统模型，下层针对子系统中的各个设备与功能建立单独的模型。该仿真模型能够有效运行铜冶炼企业氧气系统数学模型的所有运算，并完成运算得到仿真结果。该仿真模型是根据层次的不同，从顶层到底层逐层设计。顶层建立铜冶炼企业氧气系统仿真总体模型，如图 2 所示。图 2 铜冶炼企业氧气系统仿真模型示意图Fig. 2 Schematic diagram of oxygen system simulation model in a copper smelting enterpri
15、se由图 2 可知，铜冶炼企业氧气系统仿真模型包括三个第一层子系统模型与和六个模块。这三个第一层子系统模型分别是：氧气生产系统模型、氧气缓冲储存系统模型与氧气消耗系统模型；这六个模块分别是 PID 控制示波器、制氧机压力示波器、氧气管储存量示波器、氧气放散量示波器、氧气消耗总量示波器、管网压力与储存量示波器等。氧气生产系统子模型包括两个第二层子系统模型即：16000m 3/h 制氧机子系统模型和6500m3/h 制氧机子系统模型以及其他功能模块，如图 3 所示。图 3 氧气生产系统子模型示意图Fig. 3 Schematic diagram of sub model of oxygen pro
16、duction system氧气缓冲储存系统子模型包括三个第二层子系统模型，即氧气储存量子系统模型、氧气罐储存率子系统模型和放散量子系统模型以及其他功能模块，如图 4 所示。图 4 氧气缓冲储存系统子模型示意图Fig. 4 Schematic diagram of sub model of oxygen buffer storage system氧气消耗系统子模型包括四个第二层子系统模型，即艾萨炉子系统模型、PS 转炉子系统模型、稀贵分厂子系统模型和外供子系统模型以及其他功能模块，如图 5 所示。图 5 氧气消耗系统子模型示意图Fig. 5 Schematic diagram of sub m
17、odel of oxygen consumption system该模型能够自由设定参数，在一段时间内，对铜冶炼企业氧气系统运行进行仿真模拟，得到该企业氧气系统在这一段时间内的氧气生产量、储存量、消耗量和放散量等随时间的变化的数据。4 应用举例某铜冶炼企业氧气系统的主要设备有：制氧机 2 台，压送设备 2 台，气体球罐 3 个，艾萨炉 1 座，PS 转炉 5 台。基于 Simulink 软件构建该冶炼企业的氧气系统仿真模型。应用此模型能够模拟铜冶炼企业内氧气系统中氧气的生产、缓冲储存和消耗以及该企业的氧气系统氧气放散量情况。4.1 制氧机生产控制调控方案的改变对氧气系统放散的影响该铜冶炼企业有
18、 2 台制氧机，各个制氧机的生产能力：1 号制氧机生产能力为1.6104m3/h，并且能进行变负荷生产，变负荷范围为 75%至 105%之间；2 号制氧机的生产能力为 0.65104m3/h，不能进行变负荷生产，不同的生产调控方案制氧机的生产能力不同，对氧气放散率的影响也不同。选取不同的方案和得到的仿真计算结果如下表所示。表 1 不同方案下的氧气系统的氧气放散情况Table 1 Oxygen release in the oxygen system under different scenarios生产方案 方案一 方案二 方案三 方案四 方案五 方案六制氧机生产状态（1号，2 号）/（%）（
19、105% ， 100%）（100%，100%）（75%，100%）（105%，0%）（100%，0%）（75%，0%）各方案制氧机生产能力/(m 3/h)23300 22500 18500 16800 16000 12000企业平均耗氧量/( m3/h)16500 16500 16500 16500 16500 16500企业氧气系统氧气放散率/（%）33.2 29.4 8.2 1.5 供氧不足（报警）供氧不足（报警）从表 1 可得，各方案的制氧机氧气生产量与企业平均耗氧量相差越少，则企业的氧气系统氧气放散率越小。企业制氧系统应用不同的生产方案时，氧气系统氧气放散率的差别比较大：其中方案 1
20、的氧气系统放散率最大，达到 33.2%；方案 5 和方案 6 都发生了供氧不足发出警报的情况，因此不能采用；方案 4 的氧气系统放散率最小，只有 1.5%，但是制氧机长时间进行超负荷生产，对制氧机负担较重，且容易发生故障；所以比较合适的制氧系统生产方案是方案 3，其氧气系统放散率为 8.2%。4.2 液化系统和气化系统的调控对企业氧气系统放散量的影响由于铜冶炼企业内耗氧用户用氧时需求各不相同、波动较大等特点，企业内制氧系统的平均产氧量往往要略大于耗氧用户的平均耗氧量。系统内多余的氧气可以经过氧气液化装置转变成液态氧，储存在液氧槽中，也可以制成液氧产品进行出售，既减少了企业内氧气的放散又创造额外
21、的经济价值。企业内氧气液化装置运行情况如图 6 所示。图 6 氧气液化装置运行情况Fig. 6 operation of oxygen liquefaction unit当企业制氧系统发生突发状况或者进行临时检修，而耗氧用户又不能马上停止生产，且管网内存储的氧气不能满足耗氧用户的用氧需求时，这时就必须依靠液态氧气化装置将液氧槽中的液氧气化后转变成气态氧补充到管网中，稳定管网中氧气的压力，维持企业氧气系统的平衡。企业内液氧蒸发装置运行情况如图 7 所示。图 7 液氧蒸发装置运行情况Fig. 7 operation of liquid oxygen evaporation unit经过液化系统和气
22、化系统的调控之后企业内的氧气系统更加稳定，氧气放散率能够减小至零，且有多余的液氧产品用于外供，取得较好的经济效益。5 结论（1）通过建立铜冶炼企业氧气系统数学模型，分析了氧气生产系统、缓冲储存系统和氧气消耗系统的平衡关系，并运用 Simulink 模块对铜冶炼企业氧气系统进行了建模仿真。（2）企业的制氧系统采取不同的生产方案对企业的氧气放散率影响很大，企业的制氧系统氧气生产量与企业的平均耗氧量相差越少，放散率越小。（3）铜冶炼企业氧气系统内建造适当的氧气液化系统和气化系统，能将企业氧气系统的氧气放散率减小至零，且提供一定量的液氧产品可供外销，取得部分经济效益。参考文献： 1赵继平, 战凯, 殷
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24、igent control of BOF oxygen volume and coolant additionJ. Neurocomputing, 2014, 123(123):415-423.5陈作新. 论数据挖掘技术与调度决策及其在氧气生产中的应用J. 大众商务月刊, 2010(6):305-305.6田明勇, 时文玉, 李木. 降低氧气放散率提高空分设备效益J. 深冷技术, 2005(5):35-38.7冯为民, 丛力群. 冶金企业能源管理系统J. 控制工程, 2005, 12(6):597-600.8卢福永, 孙彦广 . 基于某大型钢铁企业的氧气供需模型及仿真C/ 全国冶金自动化信息网 2010 年会. 2010.9刘昕. 氧气公司连续型生产调度系统研究D. 华中科技大学, 2008.10柴雪. 氧气底吹铜熔炼技术仿真平台研究与开发D. 沈阳理工大学, 2014.11张鑫, 惠兴欢, 朱江,等. 铜冶炼炉渣混合浮选工艺研究及生产实践J. 矿冶, 2016, 25(5):23-28.
