熱軋加熱爐主從控制比例係數的確定方法

2023-06-10 01:00:41 3

專利名稱：熱軋加熱爐主從控制比例係數的確定方法
技術領域：
本發明涉及熱軋加熱爐主從控制比例係數的確定方法，屬於熱軋 過程控制領域。
背景技術：
熱軋加熱爐的主要功能是對板坯進行加熱以減小變形抗力，優化 組織性能，達到工藝所要求的目標溫度、均熱度，並滿足軋線節奏的 要求，同時儘可能節能。如果板坯的出爐溫度過高或過低，導致氧化 燒損嚴重或增加軋機負荷，也直接影響產品的最終的組織性能。
加熱爐板坯加熱控制屬於大滯後的非線性動態系統，而且不確定 性因素較多，為了確保熱軋工藝所要求的目標溫度和均熱度，必須在 考慮了所有影響板坯加熱的因素後，對加熱爐所需要的燃料進行動態 的調整。對於燃料的動態調整有兩種方法， 一是加熱爐上下部段根據
各自熱電偶的測量值和設定值進行比較，分別進行調整；第二種方法 是加熱爐的上部段根據熱電偶的測量值進行調整，下部段的燃料變化 和上部段服從一定的比例關係，進行主從控制。當下部熱電偶不可靠 和上下段耦合嚴重的情況下，第二種方法比較有效。
熱軋加熱爐主從控制的目的是實現加熱爐上下部段的燃料比例控 制，核心內容是確定加熱爐上下部段燃料的比例係數。目前加熱爐主 從控制方法的比例係數有兩種確定方法， 一種是在一級計算機上直接 控制，加熱爐各個段上下燃料的比例係數是通過操作界面由操作工手 動輸入的，這種方法具有很大的隨意性，而且變化不靈活，全靠人工 操作，無法滿足複雜多變的生產要求。第二種方法是通過二級過程計 算機設定的，目前常常使用的方法是把操作工的經驗統計成表格數據， 然後根據不同的情況加以選用，主要缺點表格是一種經驗數據，無法 很好地適應不同板坯的加熱情況。目前，加熱爐過程控制計算系統中，一般都有熱平衡功能，根據現場生產情況，統計各個班組生產的燃料消化，但是缺乏通過熱平衡預報加熱爐上下段燃料流量在一定的時間段內的變化比例關係，從而進行自動燃燒控制的方法。

發明內容
本發明的目的在於提供一種熱軋加熱爐主從控制比例係數的確定方法，該方法利用熱平衡的原理，預報在一段時間內加熱爐控制段所需要的上下燃料流量，並結合實際的上下流量累計值確定主從控制比例係數，從而實現對上下部燃料流量進行控制。
本發明是這樣實現的 一種熱軋加熱爐主從控制比例係數的確定方法，根據加熱爐組成的幾段部分，即爐尾段、預熱段、加熱段和均熱段，對其中的預熱段、加熱段和均熱段作為控制段，加熱段可再分為第一加熱段和第二加熱段；
所述的主從控制比例係數的確定方法是
第一步，確定在預報時間段內支出的熱量，包括板坯需要吸收的熱量、爐牆損失的熱量、冷卻水消耗的熱量、爐門熱量損失以及其它部分的熱量損失；
第二步，利用根據熱平衡方程建立的預報模型，求出加熱爐各個段上部和下部在預測時間段內所需要的燃料量；艮口
式中
乂為段號，_/ = 1,2,3,4分別表示預熱段、 一加段、二加段、均熱段；
表示預報的下部燃料流量；F^表示預報的上部燃料流量；
第三步，根據預報的加熱爐當前段的上下部所需要的燃料量，確定主從控制的比例係數，並且根據當前時刻實際測量的加熱爐上下部的燃料流量進行滾動優化；其方法如下
^ (A) = ^ (A: — 1) + " x [i 。 (A: — 1)—^ (A: —1)]本發明根據熱平衡原理，通過預報加熱爐控制段熱量支出和投入，來確定上下部所需要燃料比例係數的，並根據加熱爐實際測量的燃料流量進行自學習，優化主從控制比例係數，更好地滿足板坯加熱質量、軋線節奏的要求，並節約能源，從而克服了目前熱軋加熱爐主從控制靠人工經驗設定上下部燃料比例係數不準確的缺陷。


圖1為本發明的加熱爐第j個控制段的熱平衡原理示意圖;圖2本發明加熱爐主從控制比例係數確定流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。熱軋加熱爐一般分為爐尾段、預熱段、加熱段和均熱段，其中的預熱段、加熱段和均熱段為控制段，加熱段可再分為第一加熱段和第二加熱段。圖1為加熱爐第j個控制段的熱平衡原理示意圖，該段投入的熱量包括燃料的物理熱、空氣的物理熱、燃料的燃燒熱以及上遊段流入的熱量；支出的熱量包括板坯吸收的熱量、爐牆和爐門損失的熱量、梁冷卻帶走的熱量、流到下遊段的熱量。
一種熱軋加熱爐主從控制比例係數的確定方法，如圖2所示，第一步，通過模型確定在預報時間段內支出的熱量，包括板坯需要吸收的熱量、爐牆損失的熱量、冷卻水消耗的熱量、爐門熱量損失以及其它部分的熱量損失；
第二步，利用根據熱平衡方程建立的預報模型，求出加熱爐各個段上部和下部在預測時間段內所需要的燃料量；艮口
式中
7為段號，7 = 1,2,3,4分別表示預熱段、 一加段、二加段、均熱段；仄，,表示預報的下部燃料流量；i^表示預報的上部燃料流量；
第三步，根據預報的加熱爐當前段的上下部所需要的燃料量，確定主從控制的比例係數，並且根據當前時刻實際測量的加熱爐上下部的燃料流量進行滾動優化；即利用前一周期的實際燃料量，計算實際發生的主從控制的比例係數；然後，確定前一周期預報的比例係數和實際的比例係數的誤差，並對該誤差進行平滑處理，獲得學習係數；本周期計算的主從控制的比例係數與學習係數相加，就是優化後的主從控制的比例係數。這個步驟按每一個周期滾動進行，不斷優化最終的主從控制的比例係數。
下面具體說明上述的每個步驟。
一、預報加熱爐控制段的熱量支出，包括板坯需要吸收的熱量、爐牆損失的熱量、冷卻水消耗的熱量、爐門熱量損失以及其它部分的熱量損失，具體方法如下
1、板坯加熱需要的熱量
利用板坯達到目標溫度所需要的爐氣溫度曲線，根據預報時間間隔可以獲得相應的上下爐氣溫度，再根據熱流計算模型確定板坯上下表面所需要的熱量，並對當前段內的所有板坯進行累加，確定總的熱量需求。具體計算方法如下
首先，對第j段內的第/塊板坯，按預測時間計算出該板坯達到目標溫度時的板坯溫度和爐氣溫度，進而計算板坯上下表面熱流量&,、《々,，艮卩
= ". s5 . [(7^ + 273)4 -( ,+ 273)4 ]CT j + 273)4 273)4]
射-
r^.為第y段上爐溫；T^為第y段下爐溫。
,、^為第y影響區內第z'塊板坯在預報時間步長結束時的上下表面溫度。"為物理常數，^為上表面的輻射係數，^為下表面的輻射係數;然後，分別計算出在預測時間段內該板坯上下總吸熱量『^、
『",胡=. ， = S力.
其中 為第y段第i塊板坯單面的表面積。
於是，第/段內的N塊板坯上下表面分別吸走總熱量込w， a6;:
仏6j =Z『"，》/ 2/6,; 二 y『"/ '■=1 /=1
2、上下爐牆損失的熱量
加熱爐在生產過程中，爐牆和外面的大氣進行熱交換，要損失一部分熱量，如果込7，;為_/段上部爐牆熱損失，2 為7'段下部爐牆熱損
失，則有
&7J "w4,d,-".A,込7,^,4,,(;廣《)' ,
^巾
、、"'-力y段上下部爐牆熱透射率 (fc"〃W./^C)
力 J'、4,乂 為)段上下部爐牆表面積(m2)
為y段上下爐氣溫度('c)
大氣溫度(°c)A/pre:預報時間間隔。3、冷卻水消耗的熱量
在加熱爐裡面有固定梁和步進梁，它們一般是採用水冷的，根據進入梁水的入口溫度和爐氣溫度，可以確定冷卻水帶走的熱量，如果込"為梁的冷卻水損失，則
2/9j' = 4/ . (T/gj' - D . A e
射
A^:梁水冷透射率Uca〃m2./z.°C)4,:梁水冷表面積(附2)r/g," y段下部爐氣溫度(m2)
管內冷卻水溫度(°C)預報時間間隔
4、 加熱爐爐門損失的熱量
加熱爐在生產過程中，板坯要按照一定的節奏從加熱爐中抽出，從抽鋼機開始動作，到板坯放在輥道上，加熱爐的爐門要打開一段時間，這將導致熱量的損失，這種熱量損失主要表現在均熱段，其它段為零。如果2^、 a^為爐門開啟時的熱損失，則當/ = 1,2,3,4時，具體確定方法如下
& 1>4 = ds f f (7^ 4 + 273)4. re
2川,3 : 2川，2 = 2/11,1 = 0
込 ,4 = d, . f f (4,4 + 273)4 A/戸
其中
o":常數U.88xl0-8)
f:爐門開啟時熱輻射係數
^:爐門開啟時間比率，ye[O,l]
^，4、 :均熱段上下爐溫
A re:預報時間間隔
5、 加熱爐其它部分的熱量損失加熱爐由於密封不嚴等原因造成的熱量，可以根據實際的情況根
據各個段的流量情況，按照一定的比例來確定，如果込12,,、 e,w為上
下部的其它熱損失，貝IJ:
2/12 j. = >"/J .巧隨,j
其中
& ， : y段上下部最大(額定)流量；
//s,,， y段上下部熱損失比例係數；二、預報加熱爐控制上下部所需要的燃料量
考慮加熱爐上下部燃料燃燒熱、上下部空氣含熱、上下部燃料含 熱、上遊段上下部流入廢氣含熱、下遊段流入的廢氣含熱、段內板坯 上下部含熱量變化、上下部爐牆熱損失、流出本段上下部廢氣含熱、 步進梁和固定梁冷卻水損失、從下部段流入上部段的廢氣含熱、爐門 熱損失和其它熱損失，如圖(1)所示，通過加熱爐熱平衡關係，可以 獲得加熱爐上部和下部所需要燃料的預報模型
式中
_/為段號，_/ = 1,2,3,4分別表示預熱段、 一加段、二加段、均熱段; 表示預報的下部燃料流量； i^表示預報的上下部燃料流量；
表示加熱爐y段下部消耗熱量之和，包括:板坯下表面吸收熱
量、下爐牆損失的熱量、冷卻水消耗的熱量、爐門損失的熱量以及其 它部分的熱量損失；其表達式為
屍o' = 2/6J + a7J + a9J + 2川j + 2/12J
i^.表示加熱爐7'段上部消耗熱量之和，包括:板坯上表面吸收熱
量、上爐牆損失的熱量、爐門損失的熱量以及其它部分的熱量損失； 其表達式為
&;表示考慮廢氣進出y段下部時的廢氣綜合等效熱焓，其表達式
為: l = ( "〃+A ),■^ — %,川,4,川
《"表示考慮廢氣進出/段上部時的廢氣綜合等效熱焓，其表達式
為 及sj' = (〃sj—A'). 〃s,y+i . eg,; ' Kg,乂 -化,乂+i ' cg》i . Kg，乂+i
F&^表示_/ + 1段流入到J'段下部的廢氣流量(miV3//0
& ,+1表示_/ +1段流入到y段上部的廢氣流量(^V3 / /z)尺~表示考慮煤氣熱值、助燃空氣物理熱、煤氣物理熱以及其它
投入熱量的y段下部的燃料綜合等效熱焓，其表達式為
《"=~ + 5 ca A + c,.力-(,y+^) . (1 +巧.Cg.
《；表示考慮煤氣熱值、助燃空氣物理熱、煤氣物理熱以及其它投
入熱量的y段上部的燃料綜合等效熱焓，其表達式為
^= + 5. c。 A + c,.力—(//s 「&)." . (1 +巧 cg y 7^.
其中
///:燃料熱值(fca//wiV3) 空燃比
c。空氣比熱(fea〃wiV3.°C)
A:進入空氣溫度(°C)
c/:燃料比熱"ca〃譜3.。C)
力燃料溫度(°C)
A: J'段下部廢氣流入上部的比例
7": J'段流出到7-l段的上下部廢氣量比例係數
":燃氣燃燒前後的體積比
J'段流出到卜l段的廢氣比熱(fefl//m7V3.°C)
cg,"1: J'+l段流入)段的廢氣比熱(k^/wA^.'C )
、 7段流出到J'-l段的上下部廢氣溫度(°C)
、，;+1 : 7+1段流入J'段的上下部廢氣溫度(°C)
7&+1， W，w : 7+1段流入7段的上下部廢氣量比例係數
込6,,、込6,,為)段內板坯上下部含熱量變化；&7,,為/'段上部爐牆
熱損失，2 為7段下部爐牆熱損失；2 為_/段梁冷卻水損失；
2,^為y段爐門開啟時的熱損失；&12, a^為y段上下部的其它熱損失。
三、主從控制的比例係數的確定
根據步驟二中，各個段上下部的燃料預報模型，可以從均熱段到 預熱段，按周期確定出各段上下流量比，並和根據上一個周期獲得的實際流量比進行平滑學習。也就是利用前一周期的實際燃料量，計算 實際發生的主從控制的比例係數；然後，確定前一周期預報的比例系 數和實際的比例係數的誤差，並對該誤差進行平滑處理，獲得學習系 數；本周期計算的主從控制的比例係數與學習係數相加，就是優化後 的主從控制的比例係數。這個步驟按每一個周期滾動進行，不斷優化 最終的主從控制的比例係數。具體確定方法如下
y乂 (A:) = ^ (A — 1) + " x [i a (A: -1)—i ) (A: —1)]
，=堅、dD = 4^
式中:
A.為第y段優化後的主從控制的比例係數；
Z e[O,l]，為平滑係數；A為當前預報周期，A-l為上一個預報周期; & 為預報的上下燃料流量比例係數；
A為應用上一個周期加熱爐上下部實際流量確定的比例係數， ",為上下部的實際燃料流量；
^ ^ (A -1)分別為當前預報周期和上一個預報周期的學習係數。
採用四段式步進梁加熱爐，爐尾段、預熱段、 一加熱段、二加熱 段、均熱段的段長分別為ll.Om、 7.4m、 7,0m、 7.0m、 8.65m;爐外部 寬度12.7m，上、下部爐牆高度分別為2.5m禾B 1.5m;每小時產量為250 噸/小時，煤氣熱值/Z,為2200 fca〃miV3，助燃空氣溫度&為600 QC，
空燃比B為2.2，空氣比熱c。為0.324，燃氣比熱c,為0.3785，板坯的物
性參數取低碳鋼的參數，爐尾段、預熱段、 一加熱段、二加熱段、均 熱段的爐頂溫度分別為60GC、 105 QC、 110 QC、 115 QC、 110 。C;各 段爐牆溫度分別為4GC、 85QC、 90GC、 95QC、 90QC，爐尾段、預熱 段、 一加熱段、二加熱段、均熱段的爐牆溫度分別為40 QC、 85 QC、 90。C、 95 0C、 90 0C;爐外空氣溫度為30 QC，空冷輻射係數為0.65，各段爐牆的對流係數為2.1;
通過熱電偶檢測得到，爐尾段、預熱段、 一加熱段、二加熱段、
均熱段的上部爐氣溫度為800°C、 1120°C、 1270QC、 1310°C、 12800C; 下部爐氣溫度分別為800GC、 1100°C、 12700C、 12900C、 12600C;各段 上部爐氣比熱分別為0.365、 0.370、 0.380、 0.390、 0.385;各段下部爐 氣比熱分別為0.365、 0.370、 0.380、 0.390、 0.385;各段爐氣流出比例 係數分別為l、 1、 1、 1、 h冷卻水入口溫度為3GC，出口溫度為500 GC，爐門開啟時間佔總時間比例為0.2。
按照本發明方法以15分鐘為預報時間間隔，首先確定加熱爐上下 部段熱量消耗之和屍~與屍,，;、廢氣綜合等效熱焓l與&,、 / + 1段流 入到y段的廢氣流量&，,+1與以及燃料綜合等效熱焓《,，,與&，,；然 後利用預報模型化=(化+ &7.&，,+1)/^與& = (/^+~ 確定燃料流量；最後結合學習確定主從比例控制係數，對加熱爐各段 燃料的流量進行控制。
本實施例在穩定條件下預熱段、 一加熱段、二加熱段、均熱段的 計算的主從比例係數分別為0.9107、 1.0218、 0.9657、 1.1696。同時 計算出的各段上部流量分別為5116.9、 7021.6、 5008.4、 1522.6(m3/h); 各段下部流量分別為4992.8、 7686.8、 5562.3、 2003.4(m3/h)。這樣就 可以準確控制加熱爐上下部的流量，提高加熱質量、節約能源。
1權利要求
1、一種熱軋加熱爐主從控制比例係數的確定方法，其特徵是根據加熱爐組成的幾段部分，即爐尾段、預熱段、加熱段和均熱段，對其中的預熱段、加熱段和均熱段作為控制段，加熱段可再分為第一加熱段和第二加熱段；所述的主從控制比例係數的確定方法是第一步，確定在預報時間段內支出的熱量，包括板坯需要吸收的熱量、爐牆損失的熱量、冷卻水消耗的熱量、爐門熱量損失以及其它部分的熱量損失；第二步，利用根據熱平衡方程建立的預報模型，求出加熱爐各個段上部和下部在預測時間段內所需要的燃料量；即FI，j＝(PI，j+RI，j·FIg，j+1)/KI，jFS，j＝(PS，j+RS，j·FSg，j+1)/KS，j式中j為段號，j＝1，2，3，4分別表示預熱段、一加段、二加段、均熱段；FI，j表示預報的下部燃料流量；FS，j表示預報的上部燃料流量；PI，j表示加熱爐j段下部消耗熱量之和，包括板坯下表面吸收熱量、下爐牆損失的熱量、冷卻水消耗的熱量、爐門損失的熱量以及其它部分的熱量損失；PS，j表示加熱爐j段上部消耗熱量之和，包括板坯上表面吸收熱量、上爐牆損失的熱量、爐門損失的熱量以及其它部分的熱量損失；RI，j表示考慮廢氣進出j段下部時的廢氣綜合等效熱焓；PS，j表示考慮廢氣進出j段上部時的廢氣綜合等效熱焓；FIg，j+1表示j+1段流入到j段下部的廢氣流量(mN3/h)；FSg，j+1表示j+1段流入到j段上部的廢氣流量(mN3/h)；KI，j表示考慮煤氣熱值、助燃空氣物理熱、煤氣物理熱以及其它投入熱量的j段下部的燃料綜合等效熱焓；KS，j表示考慮煤氣熱值、助燃空氣物理熱、煤氣物理熱以及其它投入熱量的j段上部的燃料綜合等效熱焓；第三步，根據預報的加熱爐當前段的上下部所需要的燃料量，確定主從控制的比例係數，並且根據當前時刻實際測量的加熱爐上下部的燃料流量進行滾動優化；其方法如下χj(k)＝Rj(k)+ψj(k)ψj(k)＝ψj(k-1)+β×[Ra(k-1)-Rj(k-1)]<![CDATA[ R j ( k )= F I,j ( k ) F S,j ( k ) , ]]> top= "88" left = "45"/><![CDATA[ R a ( k - 1 )= Q S A ( k - 1 ) Q I A ( k - 1 ) ]]> top= "88" left = "84"/>式中χj為第j段優化後的主從控制的比例係數；β∈
，為平滑係數；k為當前預報周期，k-1為上一個預報周期；Rj為預報的上下燃料流量比例係數；Ra為應用上一個周期加熱爐上下部實際流量確定的比例係數，QSA，QIA為上下部的實際燃料流量；ψj(k)，ψj(k-1)分別為當前預報周期和上一個預報周期的學習係數。
全文摘要
本發明涉及熱軋加熱爐過程控制領域。一種熱軋加熱爐主從控制比例係數的確定方法，第一步，確定在預報時間段內支出的熱量，包括板坯需要吸收的熱量、爐牆損失的熱量、冷卻水消耗的熱量、爐門熱量損失以及其它部分的熱量損失；第二步，利用根據熱平衡方程建立的預報模型，求出加熱爐各個段上部和下部在預測時間段內所需要的燃料量；第三步，根據預報的加熱爐當前段的上下部所需要的燃料量，確定主從控制的比例係數，並且根據當前時刻實際測量的加熱爐上下部的燃料流量進行滾動優化。本發明能很好地滿足板坯加熱質量、軋線節奏的要求，並節約能源，從而克服了目前熱軋加熱爐主從控制靠人工經驗設定上下部燃料比例係數不準確的缺陷。
文檔編號C21D11/00GK101638717SQ20081004117
公開日2010年2月3日 申請日期2008年7月30日 優先權日2008年7月30日
發明者呂立華, 陳永剛 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司