專利名稱：加熱爐燃料量決策系統(tǒng)及其決策方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及加熱爐優(yōu)化控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于鋼坯優(yōu)化加熱曲線的加熱爐燃料量決策方法。
背景技術(shù)：
加熱爐是熱軋生產(chǎn)中的重要設(shè)備，也是熱軋產(chǎn)線耗能較大的設(shè)備之一，隨著能源供應短缺與能源需求增長、過量的資源能源消耗量與有限的資源環(huán)境承載力的矛盾的突出，加之熱軋產(chǎn)品和工藝裝備的快速升級、高附加值鋼板對加熱爐加熱工藝要求的不斷提高，使加熱爐面臨節(jié)能降耗及提高自身控制水平的嚴峻挑戰(zhàn)。
相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員，針對上述問題進行了大量的研究工作，尤其在加熱爐優(yōu)化控制數(shù)學模型開發(fā)方面，最典型的主要有兩種一是，基于數(shù)據(jù)挖掘及統(tǒng)計理論開發(fā)的加熱爐爐溫設(shè)定值優(yōu)化模型，其主要包括數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)挖掘分析兩個模塊。數(shù)據(jù)處理主要完成實時數(shù)據(jù)采集獲取加熱爐當前溫熱制度，然后通過數(shù)據(jù)挖掘分析模塊將采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理成分析樣本并按照一定的規(guī)則存儲于數(shù)據(jù)庫中，生產(chǎn)時從數(shù)據(jù)庫中獲取加熱爐當前狀態(tài)的最優(yōu)爐溫設(shè)定值；二是，基于熱工專業(yè)理論開發(fā)的加熱爐爐溫決策數(shù)學模型及加熱爐內(nèi)鋼坯溫度預測數(shù)學模型。
前者撇開了熱工專業(yè)理論，樣本的優(yōu)劣直接影響爐溫決策及鋼溫預報，從而影響加熱爐控制效果，其用于指導實際生產(chǎn)顯然無法合理實現(xiàn)加熱爐最優(yōu)控制及節(jié)能降耗宗旨；后者更注重加熱爐爐溫決策及鋼溫預報，其主要是通過基于熱工專業(yè)理論建立的加熱爐二級核心數(shù)學模型進行最優(yōu)爐溫設(shè)定值的計算作為決策爐溫，并將其下發(fā)至一級，再由一級根據(jù)該決策爐溫與加熱爐內(nèi)熱電偶的檢測爐溫之間偏差的大小逐步進行燃料量的調(diào)節(jié)，直至這種偏差滿足控制精度為止，這種調(diào)節(jié)近似于“收斂”的過程，顯然這種爐溫的決策只是實現(xiàn)加熱爐優(yōu)化控制的間接方法，鑒于加熱爐“大滯后、大熱慣性”的特點，這種決策并不會最大程度實現(xiàn)加熱爐的節(jié)能降耗。 發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是針對上述問題提供一種基于鋼坯優(yōu)化加熱曲線的加熱爐燃料量決策方法，該方法通過加熱爐二級核心數(shù)學模型直接計算加熱爐燃料量決策值，并直接下發(fā)至執(zhí)行機構(gòu)，避免了以往一級控制系統(tǒng)通過二級控制系統(tǒng)下發(fā)的決策爐溫與加熱爐內(nèi)熱電偶檢測爐溫的偏差不斷調(diào)節(jié)燃料量的“收斂”過程，利于實現(xiàn)加熱爐節(jié)能降耗及最優(yōu)控制。
本發(fā)明解決所述技術(shù)問題主要采取如下技術(shù)方案加熱爐燃料量決策系統(tǒng),包括 計算參數(shù)初始化模塊，用于對決策計算參數(shù)的初始化；優(yōu)化加熱曲線生成模塊，用于對每塊鋼坯計算生成其優(yōu)化加熱曲線；控制方程求解模塊，用于計算獲得鋼坯平均溫度及表面溫度；鋼坯位置跟蹤模塊，用于預報鋼坯當前位置；燃料量決策模塊，用于計算獲得燃料量決策值；上述各模塊依次相連。
所述的系統(tǒng)，控制方程求解模塊包括能量平衡方程及爐墻導熱方程求解子模塊， 用于獲得爐氣溫度場及爐墻溫度場；鋼坯導熱方程求解子模塊，用于獲得鋼坯溫度場；這兩個子模塊依次相連。
所述的系統(tǒng)，鋼坯位置跟蹤模塊和燃料量決策模塊之間還依次接有目標鋼溫計算模塊和燃料量決策系數(shù)計算模塊，目標鋼溫計算模塊用于計算相應的鋼坯目標平均溫度和表面溫度，燃料量決策系數(shù)計算模塊用于計算燃料量決策值所需要的決策系數(shù)。
加熱爐燃料量決策方法，依次包括以下步驟
SI)通過計算參數(shù)初始化模塊對鋼坯信息和加熱爐信息進行初始化，并將計時器初始化為零；
S2)調(diào)用優(yōu)化加熱曲線生成模塊，對每塊鋼坯計算生成其優(yōu)化加熱曲線，即計算生成包含M個元素的鋼還位置數(shù)組POS [M],及與其對應的包含MXN個元素的鋼還節(jié)點溫度數(shù)組TEMP[M，N] ;M為按加熱爐爐長方向劃分的位置數(shù)目，N為鋼坯厚度方向的節(jié)點數(shù)目；
S3)調(diào)用控制方程求解模塊，根據(jù)當前燃料量Qfuei得到新的爐內(nèi)溫度場及鋼坯溫度場；
S4)調(diào)用鋼坯位置跟蹤模塊，計算鋼坯當前位置POSnqw，然后利用優(yōu)化加熱曲線模塊生成的鋼坯優(yōu)化加熱曲線計算鋼坯當前位置所對應的目標平均溫度t·, aim及目標表面initsuf, aim ；
S5)令燃料量Qfuel = Qfuel+ ζ，ζ為一個大于零的小量，控制方程求解模塊按照步驟S3相同的計算方法獲得燃料量為Qfuel+ ζ時的爐內(nèi)溫度場及鋼坯溫度場；
S6)調(diào)用燃料量決策模塊，根據(jù)步驟S3、S4、S5計算獲得的數(shù)據(jù)計算獲得本決策周期的燃料量決策值。
所述的方法，步驟SI的鋼坯信息包括鋼坯幾何尺寸、鋼種及其物性參數(shù)和上一燃料量決策周期記錄的鋼坯溫度場，加熱爐信息包括熱電偶檢測的加熱爐當前爐溫、儀表監(jiān)測的燃料及空氣量、爐墻厚度及其物性參數(shù)、加熱爐出鋼節(jié)奏、上一燃料量決策周期記錄的爐內(nèi)溫度場。
所述的方法，步驟S2生成優(yōu)化加熱曲線的方法為對每塊鋼坯計算生成其優(yōu)化加熱曲線，即以鋼坯在加熱爐內(nèi)加熱至目標溫度所需的最小燃料消耗量為目標函數(shù)，仿真計算鋼坯在加熱爐內(nèi)的運動及加熱升溫過程獲得，所述目標函數(shù)為，在加熱爐加熱過程中，鋼坯表面溫升對鋼坯在加熱爐內(nèi)加熱時間的積分，其計算式如下
J = ^Tmnf {t)di
式中，tl、t2分別為鋼坯入爐時間與出爐時間，Tsurf⑴為加熱過程中鋼坯表面溫度隨時間的變化函數(shù)，J表示燃料消耗量大小，即所述目標函數(shù)的值。
所述的方法，步驟S3具體包括設(shè)當前為第k個控制周期，能量平衡方程及爐墻導熱方程求解子模塊根據(jù)燃料量Qfml及熱電偶檢測的各爐段爐溫求解能量平衡方程和爐墻導熱方程，獲得本次燃料量決策周期的爐氣溫度場及爐墻溫度場；
能量平衡方程為
Qcombustion+Qair+Qfuel，in+Qgas+Qconvec+Qradi+Qcool+Qother
式中，Qrambustim為燃料燃燒化學熱，Qair為空氣帶入的物理熱，Qfueljin為燃料帶入的物理熱，Qgas為煙氣載熱，Qconvec為爐氣對流換熱量，Qradi為爐氣輻射收入熱量，Qcool為冷卻介質(zhì)吸收熱量，Qother為其他方式熱交換熱量；
爐墻導熱方程為
權(quán)利要求
1.加熱爐燃料量決策系統(tǒng)，其特征在于包括計算參數(shù)初始化模塊，用于對決策計算參數(shù)的初始化；優(yōu)化加熱曲線生成模塊，用于對每塊鋼坯計算生成其優(yōu)化加熱曲線；控制方程求解模塊，用于計算獲得鋼坯平均溫度及表面溫度；鋼坯位置跟蹤模塊，用于預報鋼坯當前位置；燃料量決策模塊，用于計算獲得燃料量決策值；上述各模塊依次相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，控制方程求解模塊包括能量平衡方程及爐墻導熱方程求解子模塊，用于獲得爐氣溫度場及爐墻溫度場；鋼坯導熱方程求解子模塊， 用于獲得鋼坯溫度場；這兩個子模塊依次相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于鋼坯位置跟蹤模塊和燃料量決策模塊之間還依次接有目標鋼溫計算模塊和燃料量決策系數(shù)計算模塊，目標鋼溫計算模塊用于計算相應的鋼坯目標平均溫度和表面溫度，燃料量決策系數(shù)計算模塊用于計算燃料量決策值所需要的決策系數(shù)。
4.加熱爐燃料量決策方法，其特征在于依次包括以下步驟S1)通過計算參數(shù)初始化模塊對鋼坯信息和加熱爐信息進行初始化，并將計時器初始化為零；S2)調(diào)用優(yōu)化加熱曲線生成模塊，對每塊鋼坯計算生成其優(yōu)化加熱曲線，即計算生成包含M個元素的鋼坯位置數(shù)組POS [M]，及與其對應的包含MXN個元素的鋼坯節(jié)點溫度數(shù)組 TEMP[M, N] ;M為按加熱爐爐長方向劃分的位置數(shù)目，N為鋼坯厚度方向的節(jié)點數(shù)目；S3)調(diào)用控制方程求解模塊，根據(jù)當前燃料量Qflffil得到新的爐內(nèi)溫度場及鋼坯溫度場；S4)調(diào)用鋼坯位置跟蹤模塊，計算鋼坯當前位置POSmw,然后利用優(yōu)化加熱曲線模塊生成的鋼坯優(yōu)化加熱曲線計算鋼坯當前位置所對應的目標平均溫度t_, aim及目標表面溫度t_, aimS5)令燃料量Qflffil= Qfuel+ ζ , ζ為一個大于零的小量，控制方程求解模塊按照步驟S3 相同的計算方法獲得燃料量為Qfml+ξ時的爐內(nèi)溫度場及鋼坯溫度場；S6)調(diào)用燃料量決策模塊，根據(jù)步驟S3、S4、S5計算獲得的數(shù)據(jù)計算獲得本決策周期的燃料量決策值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于步驟SI的鋼坯信息包括鋼坯幾何尺寸、 鋼種及其物性參數(shù)和上一燃料量決策周期記錄的鋼坯溫度場，加熱爐信息包括熱電偶檢測的加熱爐當前爐溫、儀表監(jiān)測的燃料及空氣量、爐墻厚度及其物性參數(shù)、加熱爐出鋼節(jié)奏、 上一燃料量決策周期記錄的爐內(nèi)溫度場。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟S2生成優(yōu)化加熱曲線的方法為對每塊鋼坯計算生成其優(yōu)化加熱曲線，即以鋼坯在加熱爐內(nèi)加熱至目標溫度所需的最小燃料消耗量為目標函數(shù)，仿真計算鋼坯在加熱爐內(nèi)的運動及加熱升溫過程獲得，所述目標函數(shù)為，在加熱爐加熱過程中，鋼坯表面溫升對鋼坯在加熱爐內(nèi)加熱時間的積分，其計算式如下
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟S3具體包括設(shè)當前為第k個控制周期，能量平衡方程及爐墻導熱方程求解子模塊根據(jù)燃料量Qflffil及熱電偶檢測的各爐段爐溫求解能量平衡方程和爐墻導熱方程，獲得本次燃料量決策周期的爐氣溫度場及爐墻溫度場；能量平衡方程為
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，步驟S4求解目標平均溫度t_aim及目標 表面溫度tsuf,aiD1的方法為根據(jù)步驟S2中生成的鋼坯優(yōu)化加熱曲線調(diào)用目標鋼溫計算模塊插值計算鋼坯當前位 直所對應的目標平均溫度tav6, aim及目標表面溫度tsuf, aim ；所述目標平均溫度aiffl及目標表面溫度tsuf, aiffl按公式⑴、⑵計算
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，步驟S5具體包括551)根據(jù)計時器計時情況，判斷是否到達燃料量決策周期，如未到達，則計時器繼續(xù)計 時，并轉(zhuǎn)至步驟S3繼續(xù)計算；如到達，則記錄tave,
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，步驟S6獲得本決策周期的燃料量決策值 ； 的方法包括S61)燃料量決策系數(shù)計算模塊按下式(7)、(8)計算燃料量決策系數(shù)Cp C全文摘要
本發(fā)明涉及加熱爐優(yōu)化控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及加熱爐燃料量的決策方法。一種基于鋼坯優(yōu)化加熱曲線的加熱爐燃料量決策方法，其主要包括優(yōu)化加熱曲線生成模塊、控制方程求解模塊、鋼坯位置跟蹤模塊及燃料量決策模塊。其特征在于，首先通過優(yōu)化加熱曲線生成模塊離線或者在線計算生鋼坯的優(yōu)化加熱曲線，然后基于該優(yōu)化加熱曲線進行燃料量決策，將二級核心數(shù)學模型決策的燃料量直接下發(fā)至執(zhí)行機構(gòu)，避開了以往一級控制系統(tǒng)通過二級控制系統(tǒng)下發(fā)的決策爐溫與加熱爐內(nèi)熱電偶檢測爐溫的偏差不斷調(diào)節(jié)燃料量的“收斂”過程，利于實現(xiàn)加熱爐節(jié)能降耗及最優(yōu)控制。
文檔編號C21D9/70GK102994732SQ20121050848
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者段廣東, 李繼釗, 周末, 鄭劍輝 申請人:中冶南方(武漢)威仕工業(yè)爐有限公司