加熱爐最小能耗優(yōu)化控制策略的研究

青山

　摘　要:以某鋼廠推鋼式連續(xù)加熱爐為背景,建立了加熱爐的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,并在此基礎(chǔ)上解
決了加熱爐最小能耗優(yōu)化控制問題。文中針對(duì)不同鋼種,尤其是特種鋼進(jìn)行仿真計(jì)算,得出了各自
的最佳爐溫設(shè)定曲線,并獲得了滿意的效果。
關(guān)鍵詞:加熱爐　最小能耗　數(shù)學(xué)模型
ABSTRACT:This paper establishes a continuous dynamic mathematic model of reheating furnace
and based on which ,resolves the problem of minimum consumption control of the furnace .And carries out
the simulation research calculations for various steel ,especially for the special steel with satisfied results.
KEYWORDS :Reheating furnace 　Minimum consumption 　Mathematical model
中圖分類號(hào):TP273 +
. 1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
0 　引　言
節(jié)能是各工業(yè)部門極為重視的課題,自70 年代
能源危機(jī)以來,國(guó)際上各工業(yè)先進(jìn)國(guó)對(duì)各種燃燒設(shè)
備的節(jié)能控制進(jìn)行了廣泛深入的研究。主要從設(shè)備
及自動(dòng)控制兩方面采取措施,且都已取得不小的進(jìn)
展,大大降低了能耗。實(shí)踐證明,自動(dòng)控制技術(shù)是一
種有效的節(jié)能手段。
目前,我國(guó)加熱爐能耗較大,提高我國(guó)加熱爐自
動(dòng)化水平,節(jié)能降耗具有現(xiàn)實(shí)意義。為深入地討論
這一問題及獲得具體數(shù)據(jù),本文以某鋼廠推鋼式連
續(xù)加熱爐為背景,研究加熱爐節(jié)能優(yōu)化控制問題。
眾所周知,為了達(dá)到鋼錠加熱工藝及出爐溫度的均
勻性要求,加熱爐消耗了大量的能量,僅追求常規(guī)的
最佳燃燒控制是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。本文以實(shí)現(xiàn)加熱爐生
產(chǎn)過程的最佳節(jié)能控制為目的,開發(fā)加熱爐的計(jì)算
機(jī)監(jiān)督控制層。這個(gè)問題用傳統(tǒng)的經(jīng)典控制理論的
方法是不能解決的,而必須依賴于以狀態(tài)空間法為
基礎(chǔ)的工業(yè)過程模型化及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用,建
立加熱爐動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,并以該模型為基礎(chǔ),應(yīng)用過
程優(yōu)化的理論,尋找以最小能耗為目標(biāo)函數(shù)的最佳
爐溫設(shè)定值,這樣,不論在理論上和工程實(shí)踐中均有
重要意義,將對(duì)傳統(tǒng)的方法產(chǎn)生根本的變革。
1 　加熱爐過程控制的基本內(nèi)容
加熱爐主要包括燃燒和熱交換兩大物理過程,
如何使其在各種狀態(tài)下保持最佳燃燒,及如何根據(jù)
軋制節(jié)奏,組織加熱爐的燃燒及加熱過程,從而降低
能耗,提高成材率。這兩方面就構(gòu)成了現(xiàn)代加熱爐
控制的基本內(nèi)容,也是當(dāng)前加熱爐節(jié)能過程控制的
關(guān)鍵。
加熱爐控制的主要目標(biāo)是鋼錠的加熱質(zhì)量,而
這又與軋制生產(chǎn)情況、鋼料的規(guī)格種類、爐內(nèi)加熱時(shí)
間的長(zhǎng)短密切相關(guān)。由于加熱爐- 軋機(jī)生產(chǎn)工況的
復(fù)雜多變,由操作人員憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)定爐溫往往留有加
熱余量,這不僅導(dǎo)致加熱爐能耗上升,而且對(duì)于鋼材
質(zhì)量指標(biāo)也是有害的。因此,以計(jì)算機(jī)為工具,科學(xué)
地決定加熱爐的設(shè)定控制是十分必要的。要實(shí)現(xiàn)加
熱爐設(shè)定控制,其主要困難來自爐內(nèi)鋼錠的溫度分
布的不可檢測(cè),解決這一問題的有效途徑之一是建
立加熱爐的數(shù)學(xué)模型,用加熱過程的可測(cè)變量來估
計(jì)爐內(nèi)鋼錠的溫度分布,然后把設(shè)定控制與鋼錠出
爐溫度聯(lián)系起來,以求得最佳節(jié)能的加熱爐爐溫設(shè)
定值。因此,首先建立簡(jiǎn)單可行的加熱爐鋼錠加熱
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　　　　　　自動(dòng)化與儀器儀表
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數(shù)學(xué)模型,克服鋼溫的不可檢測(cè)的困難,實(shí)時(shí)估計(jì)鋼
錠的熱狀態(tài),以便為操作人員提供操作指導(dǎo),并為實(shí)
施節(jié)能優(yōu)化控制策略提供必要條件。
2 　加熱爐數(shù)學(xué)模型的建立
從工程角度看,建立性能良好,簡(jiǎn)單可靠,易于
工程實(shí)施的數(shù)學(xué)模型是實(shí)現(xiàn)加熱爐計(jì)算機(jī)控制的關(guān)
鍵。有限差分法是求解導(dǎo)熱問題的一種有效近似方
法,具有計(jì)算簡(jiǎn)單、計(jì)算精度高的特點(diǎn),由于爐內(nèi)鋼
錠溫度分布的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)很難獲得,本文從機(jī)理入手,
以加熱爐計(jì)算機(jī)控制為目的,運(yùn)用有限差分原理,通
過時(shí)間空間同時(shí)離散化的方法,建立描述鋼錠熱狀
態(tài)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。
加熱爐是一個(gè)極其復(fù)雜的工業(yè)對(duì)象,是典型的
具有分布參數(shù)的工業(yè)設(shè)備。爐溫與爐內(nèi)鋼錠溫度不
僅是時(shí)間的函數(shù),而且也是位置的函數(shù)。為簡(jiǎn)化最
終所建立的機(jī)理模型結(jié)構(gòu),在著手模型化工作之前,
特做一些適當(dāng)?shù)募僭O(shè),這樣就可以在此基礎(chǔ)上,將鋼
錠在爐內(nèi)不穩(wěn)定導(dǎo)熱問題描述為二維偏微分方程及
相應(yīng)的邊界條件;采用移動(dòng)坐標(biāo)系,即坐標(biāo)系與鋼錠
同步移動(dòng),鋼錠在移動(dòng)坐標(biāo)系中相對(duì)靜止,這樣,依
據(jù)有限差分原理,將在爐鋼錠的不穩(wěn)定導(dǎo)熱方程及
相應(yīng)的邊界條件進(jìn)行離散化處理,