CN101638717B - 热轧加热炉主从控制比例系数的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热轧加热炉过程控制领域。一种热轧加热炉主从控制比例系数的确定方法，第一步，确定在预报时间段内支出的热量，包括板坯需要吸收的热量、炉墙损失的热量、冷却水消耗的热量、炉门热量损失以及其它部分的热量损失；第二步，利用根据热平衡方程建立的预报模型，求出加热炉各个段上部和下部在预测时间段内所需要的燃料量；第三步，根据预报的加热炉当前段的上下部所需要的燃料量，确定主从控制的比例系数，并且根据当前时刻实际测量的加热炉上下部的燃料流量进行滚动优化。本发明能很好地满足板坯加热质量、轧线节奏的要求，并节约能源，从而克服了目前热轧加热炉主从控制靠人工经验设定上下部燃料比例系数不准确的缺陷。

Description

热轧加热炉主从控制比例系数的确定方法

技术领域

本发明涉及热轧加热炉主从控制比例系数的确定方法，属于热轧过程控制领域。

背景技术

热轧加热炉的主要功能是对板坯进行加热以减小变形抗力，优化组织性能，达到工艺所要求的目标温度、均热度，并满足轧线节奏的要求，同时尽可能节能。如果板坯的出炉温度过高或过低，导致氧化烧损严重或增加轧机负荷，也直接影响产品的最终的组织性能。

加热炉板坯加热控制属于大滞后的非线性动态系统，而且不确定性因素较多，为了确保热轧工艺所要求的目标温度和均热度，必须在考虑了所有影响板坯加热的因素后，对加热炉所需要的燃料进行动态的调整。对于燃料的动态调整有两种方法，一是加热炉上下部段根据各自热电偶的测量值和设定值进行比较，分别进行调整；第二种方法是加热炉的上部段根据热电偶的测量值进行调整，下部段的燃料变化和上部段服从一定的比例关系，进行主从控制。当下部热电偶不可靠和上下段耦合严重的情况下，第二种方法比较有效。

热轧加热炉主从控制的目的是实现加热炉上下部段的燃料比例控制，核心内容是确定加热炉上下部段燃料的比例系数。目前加热炉主从控制方法的比例系数有两种确定方法，一种是在一级计算机上直接控制，加热炉各个段上下燃料的比例系数是通过操作界面由操作工手动输入的，这种方法具有很大的随意性，而且变化不灵活，全靠人工操作，无法满足复杂多变的生产要求。第二种方法是通过二级过程计算机设定的，目前常常使用的方法是把操作工的经验统计成表格数据，然后根据不同的情况加以选用，主要缺点表格是一种经验数据，无法很好地适应不同板坯的加热情况。目前，加热炉过程控制计算系统中， 一般都有热平衡功能，根据现场生产情况，统计各个班组生产的燃料消化，但是缺乏通过热平衡预报加热炉上下段燃料流量在一定的时间段内的变化比例关系，从而进行自动燃烧控制的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热轧加热炉主从控制比例系数的确定方法，该方法利用热平衡的原理，预报在一段时间内加热炉控制段所需要的上下燃料流量，并结合实际的上下流量累计值确定主从控制比例系数，从而实现对上下部燃料流量进行控制。

本发明是这样实现的：一种热轧加热炉主从控制比例系数的确定方法，根据加热炉组成的几段部分，即炉尾段、预热段、加热段和均热段，对其中的预热段、加热段和均热段作为控制段，加热段可再分为第一加热段和第二加热段；

所述的主从控制比例系数的确定方法是：

第一步，确定在预报时间段内支出的热量，包括板坯需要吸收的热量、炉墙损失的热量、冷却水消耗的热量、炉门热量损失以及其它部分的热量损失；

第二步，利用根据热平衡方程建立的预报模型，求出加热炉各个段上部和下部在预测时间段内所需要的燃料量；即：

F_I，j＝(P_I，j+R_I，j·F_Ig，j+1)/K_I，j

F_S，j＝(P_S，j+R_S，j·F_Sg，j+1)/K_S，j

式中：

j为段号，j＝1，2，3，4分别表示预热段、一加段、二加段、均热段；

F_I，j表示预报的下部燃料流量；

F_S，j表示预报的上部燃料流量；

第三步，根据预报的加热炉当前段的上下部所需要的燃料量，确定主从控制的比例系数，并且根据当前时刻实际测量的加热炉上下部的燃料流量进行滚动优化；其方法如下：

χ_j(k)＝R_j(k)+ψ_j(k)

ψ_j(k)＝ψ_j(k-1)+β×[R_a(k-1)-R_j(k-1)]

$R_j\left(k\right)=\frac{F_{I,j}\left(k\right)}{F_{S,j}\left(k\right)},$ $R_a(k-1)=\frac{Q_S^A(k-1)}{Q_I^A(k-1)}$

本发明根据热平衡原理，通过预报加热炉控制段热量支出和投入，来确定上下部所需要燃料比例系数的，并根据加热炉实际测量的燃料流量进行自学习，优化主从控制比例系数，更好地满足板坯加热质量、轧线节奏的要求，并节约能源，从而克服了目前热轧加热炉主从控制靠人工经验设定上下部燃料比例系数不准确的缺陷。

附图说明

图1为本发明的加热炉第j个控制段的热平衡原理示意图；

图2本发明加热炉主从控制比例系数确定流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

热轧加热炉一般分为炉尾段、预热段、加热段和均热段，其中的预热段、加热段和均热段为控制段，加热段可再分为第一加热段和第二加热段。图1为加热炉第j个控制段的热平衡原理示意图，该段投入的热量包括：燃料的物理热、空气的物理热、燃料的燃烧热以及上游段流入的热量；支出的热量包括：板坯吸收的热量、炉墙和炉门损失的热量、梁冷却带走的热量、流到下游段的热量。

一种热轧加热炉主从控制比例系数的确定方法，如图2所示，

第一步，通过模型确定在预报时间段内支出的热量，包括板坯需要吸收的热量、炉墙损失的热量、冷却水消耗的热量、炉门热量损失以及其它部分的热量损失；

第二步，利用根据热平衡方程建立的预报模型，求出加热炉各个段上部和下部在预测时间段内所需要的燃料量；即：

F_I，j＝(P_I，j+R_I，j·F_Ig，j+1)/K_I，j

F_S，j＝(P_S，j+R_S，j·F_Sg，j+1)/K_S，j

式中：

j为段号，j＝1，2，3，4分别表示预热段、一加段、二加段、均热段；

F_I，j表示预报的下部燃料流量；

F_S，j表示预报的上部燃料流量；

第三步，根据预报的加热炉当前段的上下部所需要的燃料量，确定主从控制的比例系数，并且根据当前时刻实际测量的加热炉上下部的燃料流量进行滚动优化；即利用前一周期的实际燃料量，计算实际发生的主从控制的比例系数；然后，确定前一周期预报的比例系数和实际的比例系数的误差，并对该误差进行平滑处理，获得学习系数；本周期计算的主从控制的比例系数与学习系数相加，就是优化后的主从控制的比例系数。这个步骤按每一个周期滚动进行，不断优化最终的主从控制的比例系数。

下面具体说明上述的每个步骤。

一、预报加热炉控制段的热量支出，包括板坯需要吸收的热量、炉墙损失的热量、冷却水消耗的热量、炉门热量损失以及其它部分的热量损失，具体方法如下：

1、板坯加热需要的热量

利用板坯达到目标温度所需要的炉气温度曲线，根据预报时间间隔可以获得相应的上下炉气温度，再根据热流计算模型确定板坯上下表面所需要的热量，并对当前段内的所有板坯进行累加，确定总的热量需求。具体计算方法如下：

首先，对第j段内的第i块板坯，按预测时间计算出该板坯达到目标温度时的板坯温度和炉气温度，进而计算板坯上下表面热流量q_Sji、q_Iji，即：

q_Sji＝σ·ε_s·[(T_Sg，j+273)⁴-(θ_Sji+273)⁴]

q_Iji＝σ·ε_I·[(T_Ig，j+273)⁴-(θ_Iji+273)⁴]

其中：

T_Sg，j为第j段上炉温；T_Ig，j为第j段下炉温。

θ_Sji、θ_Iji为第j影响区内第i块板坯在预报时间步长结束时的上下表面温度。

σ为物理常数，ε_S为上表面的辐射系数，ε₁为下表面的辐射系数；然后，分别计算出在预测时间段内该板坯上下总吸热量W_tl，Sji、W_tl，Iji

W_tl，Sji＝S_ji·q_Sji，W_tl，Iji＝S_ji·q_Iji

其中：S_ji为第j段第i块板坯单面的表面积。

于是，第j段内的N块板坯上下表面分别吸走总热量Q_S6，j，Q_I6，j：

$Q_{S6,j}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{tl},\mathrm{Sji}}$ $Q_{I6,j}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{tl},\mathrm{Iji}}$

2、上下炉墙损失的热量

加热炉在生产过程中，炉墙和外面的大气进行热交换，要损失一部分热量，如果Q_S7，j为j段上部炉墙热损失，Q_I7，j为j段下部炉墙热损失，则有：

Q_S7，j＝k_Sw，j·A_Sw，j·(T_Sg，j-θ_a)·Δt_pre

Q_I7，j＝k_Iw，j·A_Iw，j·(T_Ig，j-θ_a)·Δt_pre

其中：

k_Sw，j、k_Iw，j：为j段上下部炉墙热透射率(kcal/m²·h·℃)

A_Sw，j、A_Iw，j：为j段上下部炉墙表面积(m²)

T_Sg，j、T_Ig，j：为j段上下炉气温度(℃)

θ_a：大气温度(℃)

Δt_pre：预报时间间隔。

3、冷却水消耗的热量

在加热炉里面有固定梁和步进梁，它们一般是采用水冷的，根据进入梁水的入口温度和炉气温度，可以确定冷却水带走的热量，如果Q_I9，j为梁的冷却水损失，则

Q_I9，j＝k_cw·A_ci·(T_Ig，j-θ_cw)·Δt_pre

其中：

k_cw：梁水冷透射率(kcal/m²·h·℃)

A_ci：梁水冷表面积(m²)

T_Ig，j：j段下部炉气温度(m²)

θ_cw：管内冷却水温度(℃)

Δt_pre：预报时间间隔

4、加热炉炉门损失的热量

加热炉在生产过程中，板坯要按照一定的节奏从加热炉中抽出，从抽钢机开始动作，到板坯放在辊道上，加热炉的炉门要打开一段时间，这将导致热量的损失，这种热量损失主要表现在均热段，其它段为零。如果Q_S11，j、Q_I11，j为炉门开启时的热损失，则当j＝1，2，3，4时，具体确定方法如下：

Q_S11，3＝Q_S11，2＝Q_S11，1＝0

Q_S11，4＝σ·F_S·ε·ψ·(T_Sg，4+273)⁴·Δt_pre

Q_I11，3＝Q_I11，2＝Q_I11，1＝0

Q_I11，4＝σ·F_I·ε·ψ·(T_Ig，4+273)⁴·Δt_pre

其中：

σ：常数(4.88×10^-8)

ε：炉门开启时热辐射系数

ψ：炉门开启时间比率，ψ∈[0，1]

T_Sg，4、T_Ig，4：均热段上下炉温

Δt_pre：预报时间间隔

5、加热炉其它部分的热量损失

加热炉由于密封不严等原因造成的热量，可以根据实际的情况根据各个段的流量情况，按照一定的比例来确定，如果Q_S12，j、Q_I12，j为上下部的其它热损失，则：

Q_S12，j＝μ_S，j·H_f·F_Smax，j

Q_I12，j＝μ_I，j·H_f·F_Imax，j

其中：

F_Simax，j，F_Iimax，j：j段上下部最大(额定)流量；

μ_S，j，μ_I，j：j段上下部热损失比例系数；

H_f：燃料热值(kcal/Nm³)。

二、预报加热炉控制上下部所需要的燃料量

考虑加热炉上下部燃料燃烧热、上下部空气含热、上下部燃料含热、上游段上下部流入废气含热、下游段流入的废气含热、段内板坯上下部含热量变化、上下部炉墙热损失、流出本段上下部废气含热、步进梁和固定梁冷却水损失、从下部段流入上部段的废气含热、炉门热损失和其它热损失，如图(1)所示，通过加热炉热平衡关系，可以获得加热炉上部和下部所需要燃料的预报模型：

F_I，j＝(P_I，j+R_I，j·F_Ig，j+1)/K_I，j

F_S，j＝(P_S，j+R_S，j·F_Sg，j+1)/K_S，j

式中：

j为段号，j＝1，2，3，4分别表示预热段、一加段、二加段、均热段；

F_I，j表示预报的下部燃料流量；

F_S，j表示预报的上下部燃料流量；

P_I，j表示加热炉j段下部消耗热量之和，包括：板坯下表面吸收热量、下炉墙损失的热量、冷却水消耗的热量、炉门损失的热量以及其它部分的热量损失；其表达式为：

P_I，j＝Q_I6，j+Q_I7，j+Q_I9，j+Q_I11，j+Q_I12，j

P_S，j表示加热炉j段上部消耗热量之和，包括：板坯上表面吸收热量、上炉墙损失的热量、炉门损失的热量以及其它部分的热量损失；其表达式为：

P_S，j＝Q_S6，j+Q_S7，j+Q_S11，j+Q_S12，j

R_I，j表示考虑废气进出j段下部时的废气综合等效热焓，其表达式为：R_I，j＝(η_I，j+μ_j)·η_I，j+1·c_g，j·T_Ig，j-η_I，j+1·c_g，j+1·T_Ig，j+1

R_S，j表示考虑废气进出j段上部时的废气综合等效热焓，其表达式为：R_S，j＝(η_S，j-μ_j)·η_S，j+1·c_g，j·T_Sg，j-η_S，j+1·c_g，j+1·T_Sg，j+1

F_Ig，j+1表示j+1段流入到j段下部的废气流量(Nm³/h)

F_Sg，j+1表示j+1段流入到j段上部的废气流量(Nm³/h)

K_I，j表示考虑煤气热值、助燃空气物理热、煤气物理热以及其它投入热量的j段下部的燃料综合等效热焓，其表达式为：

K_I，j＝H_f+B·c_a·θ_a+c_f·θ_f-(η_I，j+μ_j)·α·(1+B)·c_g，j·T_Ig，j

K_S，j表示考虑煤气热值、助燃空气物理热、煤气物理热以及其它投入热量的j段上部的燃料综合等效热焓，其表达式为：

K_S，j＝H_f+B·c_a·θ_a+c_f·θ_f-(η_S，j-μ_j)·α·(1+B)·c_g，j·T_Sg，j

其中：

H_f：燃料热值(kcal/Nm³)

B：空燃比

c_a：空气比热(kcal/Nm³·℃)

θ_a：进入空气温度(℃)

c_f：燃料比热(kcal/Nm³·℃)

θ_f：燃料温度(℃)

μ_j：j段下部废气流入上部的比例

η_S，j’η_I，j：j段流出到j-1段的上下部废气量比例系数

α：燃气燃烧前后的体积比

c_g，j：j段流出到j-1段的废气比热(kcal/Nm³·℃)

C_g，j+1：j+1段流入j段的废气比热(kcal/Nm³·℃)

T_Sg，j、T_Ig，j：j段流出到j-1段的上下部废气温度(℃)

T_Sg，j+1、T_Ig，j+1：j+1段流入j段的上下部废气温度(℃)

η_S，j+1’η_I，j+1：j+1段流入j段的上下部废气量比例系数

Q_S6，j、Q_I6，j为j段内板坯上下部含热量变化；Q_S7，j为j段上部炉墙热损失，Q_I7，j为j段下部炉墙热损失；Q_I9，j为j段梁冷却水损失；Q_S11，j、Q_I11，j为j段炉门开启时的热损失；Q_S12，j、Q_I12，j为j段上下部的其它热损失。

三、主从控制的比例系数的确定

根据步骤二中，各个段上下部的燃料预报模型，可以从均热段到预热段，按周期确定出各段上下流量比，并和根据上一个周期获得的 实际流量比进行平滑学习。也就是利用前一周期的实际燃料量，计算实际发生的主从控制的比例系数；然后，确定前一周期预报的比例系数和实际的比例系数的误差，并对该误差进行平滑处理，获得学习系数；本周期计算的主从控制的比例系数与学习系数相加，就是优化后的主从控制的比例系数。这个步骤按每一个周期滚动进行，不断优化最终的主从控制的比例系数。具体确定方法如下：

χ_j(k)＝R_j(k)+ψ_j(k)

ψ_j(k)＝ψ_j(k-1)+β×[R_a(k-1)-R_j(k-1)]

$R_j\left(k\right)=\frac{F_{I,j}\left(k\right)}{F_{S,j}\left(k\right)},$ $R_a(k-1)=\frac{Q_S^A(k-1)}{Q_I^A(k-1)}$

式中：

χ_j为第j段优化后的主从控制的比例系数；

β∈[0，1]，为平滑系数；k为当前预报周期，k-1为上一个预报周期；

R_j为预报的上下燃料流量比例系数；

R_a为应用上一个周期加热炉上下部实际流量确定的比例系数，

为上下部的实际燃料流量；

ψ_j(k)，ψ_j(k-1)分别为当前预报周期和上一个预报周期的学习系数。

实施例

采用四段式步进梁加热炉，炉尾段、预热段、一加热段、二加热段、均热段的段长分别为11.0m、7.4m、7.0m、7.0m、8.65m；炉外部宽度12.7m，上、下部炉墙高度分别为2.5m和1.5m；每小时产量为250吨/小时，煤气热值H_f为2200kcal/Nm³，助燃空气温度θ_a为600℃，空燃比B为2.2，空气比热c_a为0.324，燃气比热c_f为0.3785，板坯的物性参数取低碳钢的参数，炉尾段、预热段、一加热段、二加热段、均热段的炉顶温度分别为：60℃、105℃、110℃、115℃、110℃；各段炉墙温度分别为40℃、85℃、90℃、95℃、90℃，炉尾段、预热段、一加热段、二加热段、均热段的炉墙温度分别为40℃、85℃、90℃、95℃、90℃；炉外空气温度为30℃，空冷辐射系数为0.65， 各段炉墙的对流系数为2.1；

通过热电偶检测得到，炉尾段、预热段、一加热段、二加热段、均热段的上部炉气温度为800℃、1120℃、1270℃、1310℃、1280℃；下部炉气温度分别为800℃、1100℃、1270℃、1290℃、1260℃；各段上部炉气比热分别为0.365、0.370、0.380、0.390、0.385；各段下部炉气比热分别为0.365、0.370、0.380、0.390、0.385；各段炉气流出比例系数分别为1、1、1、1、1；冷却水入口温度为30℃，出口温度为500℃，炉门开启时间占总时间比例为0.2。

按照本发明方法以15分钟为预报时间间隔，首先确定加热炉上下部段热量消耗之和P_I，j与P_S，j、废气综合等效热焓R_I，j与R_S，j、j+1段流入到j段的废气流量F_Ig，j+1与F_Sg，j+1以及燃料综合等效热焓K_I，j与K_S，j；然后利用预报模型F_I，j＝(P_I，j+R_I，j·F_Ig，j+1)/K_I，j与F_S，j＝(P_S，j+R_S，j·F_Sg，j+1)/K_S，j确定燃料流量；最后结合学习确定主从比例控制系数，对加热炉各段燃料的流量进行控制。

本实施例在稳定条件下预热段、一加热段、二加热段、均热段的计算的主从比例系数分别为：0.9107、1.0218、0.9657、1.1696。同时计算出的各段上部流量分别为：5116.9、7021.6、5008.4、1522.6(m³/h)；各段下部流量分别为：4992.8、7686.8、5562.3、2003.4(m³/h)。这样就可以准确控制加热炉上下部的流量，提高加热质量、节约能源。

Claims (1)

1.一种热轧加热炉主从控制比例系数的确定方法，其特征是：

根据加热炉组成的几段部分，即炉尾段、预热段、加热段和均热段，对其中的预热段、加热段和均热段作为控制段，加热段可再分为第一加热段和第二加热段；

所述的主从控制比例系数的确定方法是：

第一步，确定在预报时间段内支出的热量，包括板坯需要吸收的热量、炉墙损失的热量、冷却水消耗的热量、炉门热量损失以及其它部分的热量损失；

第二步，利用根据热平衡方程建立的预报模型，求出加热炉各个段上部和下部在预测时间段内所需要的燃料量；即：

F_I，j＝(P_I，j+R_I，j·F_Ig，j+1)/K_I，j

F_S，j＝(P_S，j+R_S，j·F_Sg，j+1)/K_S，j

式中：

j为段号，j＝1，2，3，4分别表示预热段、一加段、二加段、均热段；

F_I，j表示预报的下部燃料流量；

F_S，j表示预报的上部燃料流量；

P_I，j表示加热炉j段下部消耗热量之和，包括：板坯下表面吸收热量、下炉墙损失的热量、冷却水消耗的热量、炉门损失的热量以及其它部分的热量损失；

P_S，j表示加热炉j段上部消耗热量之和，包括：板坯上表面吸收热量、上炉墙损失的热量、炉门损失的热量以及其它部分的热量损失；

R_I，j表示考虑废气进出j段下部时的废气综合等效热焓；

R_S，j表示考虑废气进出j段上部时的废气综合等效热焓；

F_Ig，j+1表示j+1段流入到j段下部的废气流量(Nm³/h)；

F_Sg，j+1表示j+1段流入到j段上部的废气流量(Nm³/h)；

K_I，j表示考虑煤气热值、助燃空气物理热、煤气物理热以及其它投入热量的j段下部的燃料综合等效热焓； 

K_S，j表示考虑煤气热值、助燃空气物理热、煤气物理热以及其它投入热量的j段上部的燃料综合等效热焓；

第三步，根据预报的加热炉当前段的上下部所需要的燃料量，确定主从控制的比例系数，并且根据当前时刻实际测量的加热炉上下部的燃料流量进行滚动优化；其方法如下：

x_j(k)＝R_j(k)+ψ_j(k)

ψ_j(k)＝ψ_j(k-1)+β×[R_a(k-1)-R_j(k-1)]

式中：

x_j为第j段优化后的主从控制的比例系数；

β∈[0，1]，为平滑系数；k为当前预报周期，k-1为上一个预报周期；

R_j为预报的上下燃料流量比例系数；

R_a为应用上一个周期加热炉上下部实际流量确定的比例系数，

Q_S ^A，Q_I ^A为上下部的实际燃料流量；

ψ_j(k)，ψ_j(k-1)分别为当前预报周期和上一个预报周期的学习系数。 

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