JP2013072123A - 熱風炉の燃焼制御装置及び熱風炉の燃焼制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃焼制御装置40は、設定対象炉の投入熱量の設定に際し、先行炉の送風終了時の熱余裕指標実績値QYi(設定対象炉から先行炉へ支援した熱量)と、設定対象炉自身の送風終了時の熱余裕指標実績値QYj(後行炉から設定対象炉へ支援してもらった熱量)とに基づいて、設定対象炉単体での投入熱量の過不足を評価し、その過不足を補正するための過不足補正量ΔGbを設定する。そして、前回の燃焼期における投入熱量Gxに過不足補正量ΔGbを加算することで、今回の燃焼期における設定対象炉への投入熱量Gを設定する。
【選択図】 図2
Description
図5は、熱風炉の炉内の構造を示す模式図である。図5に示すように、熱風炉11は燃焼室12と蓄熱室13とからなっている。蓄熱室13の内部には、蓄熱レンガ19が積まれており、符号14の部位はドーム、符号15の部位は珪石レンガ下部と呼ばれている。燃焼期には、燃焼室12において、燃料ガスを供給口16から、燃焼用空気を供給口17から、それぞれ供給して燃焼させ、その燃焼排ガスを蓄熱室13に通して内部の蓄熱レンガ19を加熱する。引き続く送風期には、供給口18から冷風を蓄熱室13に通し、蓄熱レンガ19との熱交換により熱風を得る。このような熱風炉11を複数基設置し、位相を炉ごとにずらしながら燃焼期と送風期のサイクルを繰り返すことによって、高炉操業において必要な温度及び流量の熱風を途切れることなく供給している。
熱風炉の操業には、一つの炉からの熱風と冷風を混合して温度調整を行って高炉に熱風を供給するシングル操業と、少なくとも3基以上の熱風炉のうちの2基を、時間をずらして同時に通風し、得られた熱風を混合して高炉に供給するスタガードパラレル操業がある。
また、スタガードパラレル操業においては、先行炉の熱不足を後行炉が補うが、後行炉が先行炉の熱不足を補った結果、当該後行炉の熱が不足すると、更に後ろの炉がその熱不足を補うというように、複数基ある熱風炉の間で熱を補完する連鎖が発生する。このような熱補完の連鎖が発生した場合、各熱風炉および各熱風炉間の熱バランスを短時間で安定化させることが望ましい。
そこで、本発明は、各炉への投入熱量を最適化し、熱バランスを安定化させることを可能にした熱風炉の燃焼制御装置及びその燃焼制御方法を提供することを課題としている。
これにより、熱風炉への投入熱量を、前回の送風期における高炉必要熱量と次回の送風期における高炉必要熱量との差分に応じて設定することができる。そのため、高炉必要熱量が変化したときには、熱風炉に蓄熱させる熱量を迅速に変更することができる。このように、より制御性を高めることができる。
これにより、熱風炉への投入熱量を最適化することができるので、複数基の熱風炉間で熱補完の連鎖が発生した場合であっても、熱バランスを短期間で安定させることができる燃焼制御方法とすることができる。
(構成)
図1は、本実施形態における熱風炉の燃焼制御装置及び関連設備の構成を示す図である。
図中、符号11は熱風炉(以下、単に炉とも称す)である。この熱風炉11は、図4に示すように燃焼室12と蓄熱室13とからなっている。蓄熱室13の内部には、蓄熱レンガ19が積まれており、符号14の部位はドーム、符号15の部位は珪石レンガ下部と呼ばれている。燃焼期には、燃焼室12において、燃料ガスを供給口16から、燃焼用空気を供給口17から、それぞれ供給して燃焼させ、その燃焼排ガスを蓄熱室13に通して内部の蓄熱レンガ19を加熱する。引き続く送風期には、供給口18から冷風を蓄熱室13に通し、蓄熱レンガ19との熱交換により熱風を得る。このとき得られた熱風は高炉へ供給される。このような熱風炉11を複数基(例えば、図6に示すように4基)連結し、図7に示すように、位相を炉ごとにずらしながら予め定められた制御周期ごとに燃焼期と送風期のサイクルを繰り返すことによって、高炉操業において必要な温度及び流量の熱風を途切れることなく供給している。
燃焼制御装置40の制御対象は、上述のように、図5の熱風炉11が図6に示すように連結されたものである。熱風炉11では、図7に示すように燃焼・送風のサイクルを繰り返しながらスタガードパラレル操業が実施されている。また、このスタガードパラレル操業においては、先行炉に熱不足が発生すると、その熱不足を後行炉が補う熱支援を行うようになっている。先行炉への熱支援は後行炉の各送風期の前半の期間内で行う。
送風温度制御装置50は、上述した入力信号に基づいて、熱風炉11からの送風温度が高炉に必要な熱量に応じて決定される送風温度設定値となるように送風温度制御を行う。具体的には、熱風炉11からの送風温度が送風温度設定値となるように、スタガードパラレル操業において、1基の熱風炉11にのみ通風する場合での混冷バタフライ弁MBの開度調整、及び2基に同時に通風する場合での冷風バタフライ弁CBの開度調整をすることによって、高炉に送風する熱風の温度を制御する。
図2は、燃焼制御装置40の具体的構成を示すブロック図である。この図2では、高炉に対して続けて熱風を供給する2基の熱風炉11(先行炉11a及び後行炉11b)に着目し、これら先行炉11a及び後行炉11bに対応する部分について示している。
燃焼制御装置40では、投入熱量設定対象の熱風炉11(以下、設定対象炉ともいう)を図2に示す後行炉11bとして見立てて、投入熱量設定処理を実施する。このとき、燃焼制御装置40は、先行炉11aの送風終了時における熱余裕を表す指標(熱余裕指標)の実績値と、設定対象炉11bの送風終了時における熱余裕指標の実績値とに基づいて、設定対象炉11bの前回の燃焼期における投入熱量の過不足を補正する過不足補正量を設定する。そして、上記前回の投入熱量に過不足補正量を加算したものを今回の燃焼期における設定対象炉11bの投入熱量として燃焼制御を行う。
図2に示すように、燃焼制御装置40は、先行炉11aに対応する熱余裕指標実績演算部41a、熱余裕過不足制御部42a及び加算器43aと、設定対象炉11bに対応する熱余裕指標実績演算部41b、熱余裕過不足制御部42b及び加算器43bと、を備える。
熱余裕指標実績演算部41bは、設定対象炉11bの熱余裕を表す指標の実績値(熱余裕指標実績値)QYjを演算し、出力する。ここでは、熱余裕指標として設定対象炉11bの送風終了時の混冷バタフライ弁MB開度(混冷弁開度)MBxと、同タイミングにおける設定対象炉11bの後行炉の冷風バタフライ弁CB開度(冷風弁開度)CBxとを用いる。混冷弁開度MBx及び冷風弁開度CBxは、それぞれ混冷弁開度センサ34及び冷弁開度センサ35で検出した信号を用いる。
QYj=f(MBx,CBx) ………(1)
ここで、f( )は括弧内の変数をパラメータとし、熱余裕指標実績値QYjを演算する関数であり、例えば下記に表す関数を用いることができる。
QYj=fMB・(MBx−MBz)+fCB・(CBx−CBz) ………(2)
ここで、fMB,fCBはそれぞれ予め設定された係数であり、MBz及びCBzは、それぞれ指標演算にあたっての各開度の基準値である。
先ず、設定対象炉11bが前回の送風期に先行炉11aに支援した熱量に相当する熱余裕を求める。なお、図7において、k=4で1HSへの投入熱量の設定を行う場合、すなわちk=4からk=6の期間が「今回の燃焼期」である場合、k=2からk=4の期間が「前回の送風期」となる。
したがって、設定対象炉11bが前回の送風期に先行炉11aに支援した熱量相当の熱余裕RXは、下記のようになる。
QYi≧0のとき、 RX=0,
QYi<0のとき、 RX=−QYi ………(3)
RY=QYj ………(4)
このとき、上記先行炉11aに支援した熱量相当の熱余裕RXと、上記設定対象炉11bに残った熱量相当の熱余裕RYとの和SXは、設定対象炉11bが前回の送風期に放出した熱量と、当該設定対象炉11bが前回の送風期の前に蓄積していた熱量との過不足を表す(SX:熱余裕過不足)。
SX=RX+RY ………(5)
SX=0のとき、 ΔGb=0,
SX<0のとき、 ΔGb=−2・Ks・SX,
SX>0のとき、 ΔGb=−Ks・SX ………(6)
ここで、Ksは熱余裕指標から熱量への換算係数である。
すなわち、SX=0である場合には、設定対象炉11bの蓄積熱量には過不足がないと判断し、前回と同じ熱量を投入するように過不足補正量ΔGbを“0”する。
加算器43bは、熱余裕過不足制御部42bで出力した過不足補正量ΔGbを、前回の燃焼期における投入熱量Gxに加算し、今回の投入熱量Gを算出する。すなわち、今回の投入熱量Gは次式により算出されることになる。
G=Gx+ΔGb ………(7)
このようにして設定された投入熱量Gに基づいて、設定対象炉11bのガス弁16aの開度を制御することでガス流量を調整する。
なお、図2において、熱余裕過不足制御部42bが過不足補正量設定手段に対応し、加算器43bが投入熱量設定手段に対応している。
次に、本実施形態の動作について、図3を参照しながら説明する。
図3は、送風量8000Nm3/min、送風温度1100℃前後で安定操業しているときに、本実施形態における燃焼制御を適用した場合の4基の熱風炉11(熱風炉#1〜熱風炉#4)間の熱補完の状態を示している。
各熱風炉11では、上述したように燃焼と送風のサイクルを繰り返しながらスタガードパラレル操業が実施されている。すなわち、熱風炉#1では、時刻t1から時刻t3までの期間が送風期、時刻t3から時刻t5までの期間が燃焼期、時刻t5から時刻t7までの期間が送風期となる。また、送風期のうち前半の期間は、先行炉の熱支援を行う期間であり、先行炉に熱不足が発生している場合はこの期間に先行炉の熱不足を補うべく送風を行う。
同様に、熱風炉#2では、時刻t2から時刻t4までの期間が送風期、時刻t4から時刻t6までの期間が燃焼期、時刻t6から時刻t8までの期間が送風期となる。また、この熱風炉#2では、時刻t4,t8,…で、今回の燃焼期における投入熱量を設定する。
時刻t3の時点では熱風炉#1で熱量過不足は発生しておらず、時刻t2から時刻t3までの期間において、熱風炉#2は熱風炉#1の熱支援を行っていない。すなわち、QYi=0であり、上記(3)式よりRX=0である。また、時刻t4の時点では熱風炉#2で熱量過不足は発生していない。すなわち、QYj=0であり、上記(5)式よりSX=0となる。
したがって、熱余裕過不足制御部42bは、投入熱量設定対象である熱風炉#2において投入熱量の過不足は発生していないと判断し、上記(6)式より過不足補正量ΔGb=0に設定する。そのため、時刻t4では、熱風炉#2の前回の燃焼期における投入熱量Gxが、そのまま熱風炉#2の今回の燃焼期における投入熱量Gとして設定される。
このように、設定対象炉において送風終了時に熱量不足が発生している場合、熱量不足分に相当する熱量を今回の燃焼期に追加投入する。さらに、このとき、設定対象炉において不足した熱量は、後行炉で順次支援するため、後行炉の熱余裕が各々減少することを考慮し、本熱余裕の減少分を補完する熱量も併せて追加投入する。
したがって、熱余裕過不足制御部42bは、投入熱量設定対象である熱風炉#4において投入熱量の過不足は発生していないと判断し、上記(6)式より過不足補正量ΔGb=0に設定する。そのため、時刻t6では、熱風炉#4の前回の燃焼期における投入熱量Gxが、そのまま熱風炉#4の今回の燃焼期における投入熱量Gとして設定される。
炉単体では熱量過不足がないにもかかわらず、送風終了時の熱量不足のみを見て投入熱量を増加してしまうと、熱不足が発生した炉に誘発されて、熱不足が発生していない他の炉においても順次投入ガス量を増やしてしまうため、熱不足が解消した後、各炉において一時的な熱余り状態が発生してしまう。そのため、その後のタイミングでは、上記の熱余りを解消するために、各炉の投入ガス量を減じる必要が生じてしまい、収束が遅れる。
なお、時刻t7での熱風炉#1の投入熱量設定処理、及び時刻t8での熱風炉#2の投入熱量設定処理でも、この時刻t6での熱風炉#4の投入熱量設定処理と同様に、熱風炉#1,#2では投入熱量の過不足は発生していないと判断され、前回の燃焼期における投入熱量Gxがそのまま今回の燃焼期における投入熱量Gとして設定される。
このように、送風終了時に熱量過不足が発生していない場合であっても、単体では熱量過多が生じている場合には、加熱炉間の熱補完は発生しないため、単純に過多分の熱量を減じる。これにより、確実に炉の熱収支を安定させることができる。
以上のように、熱風炉#3で熱量不足が発生し、熱風炉#4以降で熱補完の連鎖が発生した場合であっても、短期間(ここでは4ピリオド)で平衡状態に収束させることができる。
このように、上記実施形態では、投入熱量設定対象の熱風炉(設定対象炉)において、設定対象炉から先行炉へ支援した熱量と、後行炉から設定対象炉へ支援してもらった熱量とのバランスをチェックすることにより、設定対象炉単体での熱量過不足、即ち高炉が必要とする熱量に対する炉が蓄積する熱量を評価し、投入熱量を決定する。
このとき、設定対象炉単体での熱量過不足がないと判断した場合には過不足補正量を“0”として、前回の燃焼期における投入熱量をそのまま今回の燃焼期における投入熱量とする。したがって、先行炉へ支援したことで、送風終了時において熱支援分に相当する熱量不足が生じている場合には、炉単体では熱量過不足がないとして投入熱量を変更しないようにすることができる。これにより、熱量過不足のない炉の熱収支を崩さないようにすることができる。
以上のように、設定対象炉においては、前回の送風期の送風終了時における熱量過不足のみではなく、前回の送風期における先行炉への熱量支援分も考慮して今回の燃焼期の投入熱量を決定するので、各炉の投入熱量を最適化することができる。その結果、スタガードパラレル操業において、複数基の熱風炉間で熱を補完する連鎖が発生した場合に、熱バランスを短期間で安定させることができる。
なお、上記実施形態においては、熱余裕を目標値に一致させるためのフィードバック制御や、必要とされる熱量の変化に対して事前に投入熱量を変更するフィードフォワード制御と併用することもできる。これにより、より制御性を高めることができる。
図4は、本発明をフィードバック制御やフィードフォワード制御と併用した場合の燃焼制御装置40の構成を示すブロック図である。この図4では、高炉に対して続けて熱風を供給する2基の熱風炉11(先行炉11a及び後行炉11b)に着目し、これら先行炉11a及び後行炉(設定対象炉)11bに対応する部分を示している。
熱余裕制御部45bは、減算器44bから出力される熱余裕指標の差分ΔQY(=QYREF−QYj)に基づいて、設定対象炉11bへの投入熱量に対するフィードバック補正量ΔGqを設定する。
ΔGq=Kq・(QYREF−QYj) ………(8)
ここで、Kqは制御ゲインである。
ΔGFF=KFF・(T1・V1−T0・V0) ………(9)
ここで、KFFは補正ゲインである。また、T0は前回の送風温度、T1は次回の送風温度である。さらに、V0は前回の送風量、V1は次回の送風量である。
なお、ここでは高炉必要熱量を表す指標として設定対象炉11bからの送風温度と送風量とを用いる場合について説明したが、送風量が大きく変化しない場合には、簡便な手段として送風温度のみを用いるようにしてもよい。すなわち、この場合には、次式をもとにフィードフォワード補正量ΔGFFを演算する。
ΔGFF=KFFx・(T1−T0) ………(10)
ここで、KFFxは補正ゲインである。
加算器48bは、加算器47bから出力される補正量を、前回の燃焼期における投入熱量Gxに加算し、今回の投入熱量Gを算出する。すなわち、今回の投入熱量Gは次式により算出されることになる。
G=Gx+ΔGb+ΔGFF+ΔGq ………(11)
なお、図7において、k=4で1HSへの投入熱量の設定を行う場合、すなわちk=4からk=6の期間が「今回の燃焼期」である場合、k=0からk=2の期間が「前回の燃焼期」となる。
このように、様々な状況に対応して熱風炉への投入熱量を設定することができるので、熱風炉への投入熱量を最適化することができ、省エネルギーや炭酸ガス排出量の削減を図ることができる。
なお、上記実施形態においては、熱余裕指標として、混冷弁開度と後行炉の冷風弁開度とを用いる場合について説明したが、混冷弁開度のみを用いたり冷風弁開度のみを用いたりすることもできる。さらには、後行炉の冷風バラフライ弁の送風量や、混冷バタフライ弁からの送風量と冷風バラフライ弁からの送風量との比率を用いることもできる。
Claims (4)
- 複数基の熱風炉に対して予め定められた制御周期ごとに燃焼期及び送風期のサイクルを繰り返して行うことにより、高炉に対して所望の温度と流量の熱風を供給する熱風炉の燃焼制御装置であって、
先行炉の送風終了時における熱余裕を表す指標の実績値と、当該先行炉に続いて前記高炉に対して熱風を供給する後行炉の送風終了時における熱余裕を表す指標の実績値とに基づいて、当該後行炉の前回の燃焼期における投入熱量の過不足を補正する過不足補正量を設定する過不足補正量設定手段と、
前記後行炉の前回の燃焼期における投入熱量に、前記過不足補正量設定手段で設定した過不足補正量を加算することで、前記後行炉の今回の燃焼期における投入熱量を設定する投入熱量設定手段と、を備えることを特徴とする熱風炉の燃焼制御装置。 - 各熱風炉の熱余裕を表す指標の実績値と各熱風炉の熱余裕を表す指標の目標値との差分に基づいて、各熱風炉の前回の燃焼期における投入熱量に対するフィードバック補正量を設定するフィードバック補正量設定手段をさらに備え、
前記投入熱量設定手段は、
前記後行炉の前回の燃焼期における投入熱量に、前記過不足補正量設定手段で設定した過不足補正量と、前記フィードバック補正量設定手段で設定した前記後行炉のフィードバック補正量とを加算することで、前記後行炉の今回の燃焼期における投入熱量を設定することを特徴とする請求項1に記載の熱風炉の燃焼制御装置。 - 前回の送風期において熱風炉から高炉に供給すべき熱風の熱量と、次回の送風期において熱風炉から高炉に供給すべき熱風の熱量との差分に基づいて、各熱風炉の前回の燃焼期における投入熱量に対するフィードフォワード補正量を設定するフィードフォワード補正量設定手段をさらに備え、
前記投入熱量設定手段は、
前記後行炉の前回の燃焼期における投入熱量に、前記過不足補正量設定手段で設定した過不足補正量と、前記フィードバック補正量設定手段で設定した前記後行炉のフィードバック補正量と、前記フィードフォワード補正量設定手段で設定した前記後行炉のフィードフォワード補正量とを加算することで、前記後行炉の今回の燃焼期における投入熱量を設定することを特徴とする請求項2に記載の熱風炉の燃焼制御装置。 - 複数基の熱風炉に対して予め定められた制御周期ごとに燃焼期及び送風期のサイクルを繰り返して行うことにより、高炉に対して所望の温度と流量の熱風を供給する熱風炉の燃焼制御方法であって、
先行炉の送風終了時における熱余裕を表す指標の実績値と、当該先行炉に続いて前記高炉に対して熱風を供給する後行炉の送風終了時における熱余裕を表す指標の実績値とに基づいて、当該後行炉の前回の燃焼期における投入熱量の過不足を補正する過不足補正量を設定するステップと、
前記後行炉の前回の燃焼期における投入熱量に、前記過不足補正量設定手段で設定した過不足補正量を加算することで、前記後行炉の今回の燃焼期における投入熱量を設定するステップと、を備えることを特徴とする熱風炉の燃焼制御方法。
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