加熱爐最小能耗優化控制策略的研究

青山

　摘　要:以某鋼廠推鋼式連續加熱爐為背景,建立了加熱爐的動態數學模型,并在此基礎上解
決了加熱爐最小能耗優化控制問題。文中針對不同鋼種,尤其是特種鋼進行仿真計算,得出了各自
的最佳爐溫設定曲線,并獲得了滿意的效果。
關鍵詞:加熱爐　最小能耗　數學模型
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:TP273 +
. 1 文獻標識碼:B
0 　引　言
節能是各工業部門極為重視的課題,自70 年代
能源危機以來,國際上各工業先進國對各種燃燒設
備的節能控制進行了廣泛深入的研究。主要從設備
及自動控制兩方面采取措施,且都已取得不小的進
展,大大降低了能耗。實踐證明,自動控制技術是一
種有效的節能手段。
目前,我國加熱爐能耗較大,提高我國加熱爐自
動化水平,節能降耗具有現實意義。為深入地討論
這一問題及獲得具體數據,本文以某鋼廠推鋼式連
續加熱爐為背景,研究加熱爐節能優化控制問題。
眾所周知,為了達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,僅追求常規的
最佳燃燒控制是遠遠不夠的。本文以實現加熱爐生
產過程的最佳節能控制為目的,開發加熱爐的計算
機監督控制層。這個問題用傳統的經典控制理論的
方法是不能解決的,而必須依賴于以狀態空間法為
基礎的工業過程模型化及現代控制理論的應用,建
立加熱爐動態數學模型,并以該模型為基礎,應用過
程優化的理論,尋找以最小能耗為目標函數的最佳
爐溫設定值,這樣,不論在理論上和工程實踐中均有
重要意義,將對傳統的方法產生根本的變革。
1 　加熱爐過程控制的基本內容
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下保持最佳燃燒,及如何根據
軋制節奏,組織加熱爐的燃燒及加熱過程,從而降低
能耗,提高成材率。這兩方面就構成了現代加熱爐
控制的基本內容,也是當前加熱爐節能過程控制的
關鍵。
加熱爐控制的主要目標是鋼錠的加熱質量,而
這又與軋制生產情況、鋼料的規格種類、爐內加熱時
間的長短密切相關。由于加熱爐- 軋機生產工況的
復雜多變,由操作人員憑經驗設定爐溫往往留有加
熱余量,這不僅導致加熱爐能耗上升,而且對于鋼材
質量指標也是有害的。因此,以計算機為工具,科學
地決定加熱爐的設定控制是十分必要的。要實現加
熱爐設定控制,其主要困難來自爐內鋼錠的溫度分
布的不可檢測,解決這一問題的有效途徑之一是建
立加熱爐的數學模型,用加熱過程的可測變量來估
計爐內鋼錠的溫度分布,然后把設定控制與鋼錠出
爐溫度聯系起來,以求得最佳節能的加熱爐爐溫設
定值。因此,首先建立簡單可行的加熱爐鋼錠加熱
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　　　　　　自動化與儀器儀表
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數學模型,克服鋼溫的不可檢測的困難,實時估計鋼
錠的熱狀態,以便為操作人員提供操作指導,并為實
施節能優化控制策略提供必要條件。
2 　加熱爐數學模型的建立
從工程角度看,建立性能良好,簡單可靠,易于
工程實施的數學模型是實現加熱爐計算機控制的關
鍵。有限差分法是求解導熱問題的一種有效近似方
法,具有計算簡單、計算精度高的特點,由于爐內鋼
錠溫度分布的實測數據很難獲得,本文從機理入手,
以加熱爐計算機控制為目的,運用有限差分原理,通
過時間空間同時離散化的方法,建立描述鋼錠熱狀
態的動態數學模型。
加熱爐是一個極其復雜的工業對象,是典型的
具有分布參數的工業設備。爐溫與爐內鋼錠溫度不
僅是時間的函數,而且也是位置的函數。為簡化最
終所建立的機理模型結構,在著手模型化工作之前,
特做一些適當的假設,這樣就可以在此基礎上,將鋼
錠在爐內不穩定導熱問題描述為二維偏微分方程及
相應的邊界條件;采用移動坐標系,即坐標系與鋼錠
同步移動,鋼錠在移動坐標系中相對靜止,這樣,依
據有限差分原理,將在爐鋼錠的不穩定導熱方程及
相應的邊界條件進行離散化處理,