JP4734014B2

JP4734014B2 - 熱風炉の制御方法、制御システム、コンピュータプログラム、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体

Info

Publication number: JP4734014B2
Application number: JP2005114957A
Authority: JP
Inventors: 章藤井; 俊昭上之; 孝佐藤; 雅浩伊藤; 拓史川村; 一夫四本; 基樹本田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-04-13
Filing date: 2005-04-12
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2025-04-12
Also published as: JP2005325446A

Description

本発明は、高炉に熱風を供給するための熱風炉の制御方法、制御システム、コンピュータプログラム、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体に関する。

熱風炉は、高炉に熱風を供給するための高炉の付帯設備であり、燃焼及び送風を１サイクルとして稼動する。ところで、熱風炉で使用されるエネルギーは非常に大きいことからも、熱風炉操業における熱効率を向上させることは重要な課題の一つである。そういった観点から熱風炉を制御する手法が種々提案されており、例えば特許文献１等にあるように、熱風炉シミュレータを用いて制御パラメータを修正するものが知られている。

特開平１０−２２６８０９号公報

上記特許文献１をはじめとして、これまで提案されている熱風炉の制御においては、１サイクルごとの制御パラメータを求めるに留まっている。しかしながら、熱風炉プロセスは３日程度の長い時定数を持つことから、３日以上将来のプロセス状態を正確に予測しながら、熱効率を向上させる制御パターンを決めることが必要となってくる。

本発明は上記のような点に鑑みてなされたものであり、厳密にモデル化されたシミュレータでプロセスの将来の状態を予測しながら１サイクルを細分化した制御を行うことにより熱風炉操業における熱効率を向上させることを目的とする。

本発明の熱風炉の制御方法の一つは、高炉への送風に熱を与える蓄熱室と上記蓄熱室を加熱するための燃焼室とにより構成され、燃焼及び送風を１サイクルとして稼動する熱風炉を制御するために、上記燃焼室における燃焼ガス温度及び燃焼ガス流量を制御する熱風炉の制御方法であって、１サイクル中の燃焼期間を複数分割し、その分割された期間ごとに燃焼ガス温度及び燃焼ガス流量を変える点に特徴を有する。この場合に、１サイクル中の燃焼期間に燃焼ガス温度切替時刻と燃焼ガス流量切替時刻をそれぞれ設定して、燃焼ガス温度は燃焼開始時刻から燃焼ガス温度切替時刻までの平均温度が燃焼ガス温度切替時刻から燃焼終了時刻までの平均温度よりも高くなるように制御し、また燃焼ガス流量は燃焼開始時刻から燃焼ガス流量切替時刻までの平均流量が燃焼ガス流量切替時刻から燃焼終了までの平均流量よりも小さくなるように制御する。また、例えば、１サイクル中の燃焼期間を前期及び後期に二分割し、前期における燃焼ガス温度を後期における燃焼ガス温度よりも高くし、かつ、前期における燃焼ガス流量を後期における燃焼ガス流量よりも小さくしてもよい。この場合に、熱風炉に吹き込む混合ガスのガスカロリー、熱風炉のドーム温度、熱風炉に吹き込む混合ガスの流量、及び投入熱量のうち少なくとも二種以上を制御パラメータとして、分割された期間ごとに燃焼ガス温度及び燃焼ガス流量を変えるようにしてもよい。また、上記制御パラメータのうち所定の制御パラメータを、１サイクル中の燃焼期間を複数分割し、その分割された期間ごとに変えるようにしてもよい。また、燃焼期間を前期及び後期に二分割する場合には、前期から後期へ切替えるタイミングが制御パラメータ毎に異なっていても良い。また、各制御パラメータにおいて前期と後期の各平均値の大小関係が保たれていれば、前期及び後期を各々分割して分割された期間毎に制御パラメータの値を調整しても良い。（以下の明細書及び図の説明においても同様である。）
本発明の熱風炉の制御方法の一つは、複数の制御パラメータの操業実績値を用いて熱風炉シミュレータにより熱風炉の将来の状態を予測する第１の手順と、上記複数の制御パラメータの操業実績値のうち１つを微小量変化させた上で上記熱風炉シミュレータにより熱風炉の３日以上の将来の状態を予測することを、上記複数のパラメータそれぞれについて実行する第２の手順と、上記第１の手順の結果得られる制御性能及び上記第２の手順の結果得られる制御性能から上記各制御パラメータの修正量を求め、各制御パラメータを修正する第３の手順と、上記第３の手順により修正された各制御パラメータを実機に投入する第４の手順とを有する点に特徴を有する。その際、上記制御パラメータには、１サイクル中の燃焼期間における熱風炉に吹き込む混合ガスのガスカロリー、１サイクル中の燃焼期間の前期における熱風炉のドーム温度及び後期におけるドーム温度、１サイクル中の燃焼期間の前期における熱風炉に吹き込む混合ガスの流量及び後期における混合ガスの流量の５つを含み、上記第２の手順では、ガスカロリーを微小量大きくし、前期におけるドーム温度を微小量高くし、後期におけるドーム温度を微小量低くし、前期における混合ガスの流量を微小量大きくし、後期における混合ガスの流量を微小量小さくする。また、上記制御パラメータには、１サイクル中の燃焼期間における熱風炉に吹き込む混合ガスのガスカロリー、１サイクル中の燃焼期間の前期における熱風炉のドーム温度及び後期におけるドーム温度、１サイクル中の燃焼期間の前期における投入熱量及び後期における投入熱量の５つを含み、上記第２の手順では、ガスカロリーを微小量大きくし、前期におけるドーム温度を微小量高くし、後期におけるドーム温度を微小量低くし、前期における投入熱量を微小量小さくし、後期における投入熱量を微小量大きくするようにしてもよい。また、上記制御パラメータには、１サイクル中の燃焼期間における熱風炉に吹き込む混合ガスのガスカロリー、１サイクル中の燃焼期間における投入熱量の２つを含み、上記第２の手順では、ガスカロリーを微小量大きくし、投入熱量を微小量小さくするようにしてもよい。
本発明の熱風炉の制御システムは、高炉への送風に熱を与える蓄熱室と上記蓄熱室を加熱するための燃焼室とにより構成され、燃焼及び送風を１サイクルとして稼動する熱風炉を制御するために、上記燃焼室における燃焼ガス温度及び燃焼ガス流量を、１サイクル中の燃焼期間を複数分割しその分割された期間ごとに変えて制御する熱風炉の制御装置であって、複数の制御パラメータのもとで蓄熱室高さ方向の煉瓦温度分布及び珪石煉瓦最下部温度計位置の温度が計算できる、蓄熱室の伝熱モデルである熱風炉モデルを用いて、複数の制御パラメータの操業実績値を用いて熱風炉における燃焼及び送風のサイクルをシミュレーションして熱風炉の将来の状態予測し、続いて複数の制御パラメータのうち１つを微小量変化させた上で熱風炉の将来の状態を予測することを複数のパラメータそれぞれについて実行して、その結果から各制御パラメータの修正量を求める熱風炉シミュレータと、上記熱風炉シミュレータからの入力に基づいて、燃焼室へ供給する混合ガスのカロリー、混合ガス流量、および空気流量を制御する制御装置とを有し、１サイクル中の燃焼期間に燃焼ガス温度切替時刻と燃焼ガス流量切替時刻をそれぞれ設定して、燃焼ガス温度は燃焼開始時刻から燃焼ガス温度切替時刻までの平均温度が燃焼ガス温度切替時刻から燃焼終了時刻までの平均温度よりも高くなるように制御し、また燃焼ガス流量は燃焼開始時刻から燃焼ガス流量切替時刻までの平均流量が燃焼ガス流量切替時刻から燃焼終了までの平均流量よりも小さくなるように制御する点に特徴を有する。
本発明のコンピュータプログラムの一つは、上記のいずれかの熱風炉の制御方法の各手
順をコンピュータに実行させる点に特徴を有する。
本発明のコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、上記本発明のコンピュータプログラ
ムを記録した点に特徴を有する。

本発明によれば、１サイクル中の燃焼期間を複数分割し、その分割された期間ごとに燃焼ガス温度及び燃焼ガス流量を制御することにより、例えば１サイクル中の前期における燃焼ガス温度を後期における燃焼ガス温度よりも高くし、かつ、前期における燃焼ガス流量を後期における燃焼ガス流量よりも小さくすることにより、熱風炉操業における熱効率を向上させることができる。

また、１サイクル中を複数分割された燃焼期間に燃焼ガス温度切替時刻と燃焼ガス流量切替時刻をそれぞれ設定して、燃焼ガス温度は燃焼開始時刻から燃焼ガス温度切替時刻までの平均温度が燃焼ガス温度切替時刻から燃焼終了時刻までの平均温度よりも高くなるように制御し、また燃焼ガス流量は燃焼開始時刻から燃焼ガス流量切替時刻までの平均流量が燃焼ガス流量切替時刻から燃焼終了までの平均流量よりも小さくなるように制御することにより、排ガス顕熱を削減し熱効率を向上させることができる。

本発明は、１サイクル中の燃焼期間における燃焼ガス温度及び燃焼ガス流量の制御パターンによっても熱風炉操業における熱効率が異なってくるのではないかという視点からなされたものである。以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。

まず、図１を参照して、熱風炉１００の概要について説明する。熱風炉１００は、高炉に熱風を供給するための蓄熱式熱交換器であり、高炉への送風に熱を与える蓄熱室１０１と、蓄熱室１０１を加熱するための燃焼室１０２とにより構成される。

燃焼室１０２では、供給口１０３から吹き込まれる高炉ガスとコークス炉ガス（又は他の高カロリーガス）との混合ガス及び供給口１０４から吹き込まれる空気を燃焼させ、その燃焼ガスを蓄熱室１０１内部に積まれた蓄熱煉瓦を通過させて熱を蓄える。図示例では、蓄熱煉瓦として、下側から順に耐火粘土煉瓦１０５、ハイアルミナ煉瓦１０６、シリカを主成分とする珪石煉瓦１０７が積まれている。そして、高温となった蓄熱室１０１の下部供給口１０８から冷風空気を吹き込むと、この冷風空気は蓄熱煉瓦１０５、１０６、１０７の熱を奪って９００〜１３００℃程度に昇温し、熱風出口１１０を通って図示しない高炉へと送風される。

上述のように熱風炉１００は燃焼及び送風を１サイクルとして稼動する。一般的には、熱風炉１００は１つの高炉に対して４基程度設置され、例えば２基燃焼、２基送風として、各熱風炉１００の燃焼及び送風のサイクルを１／２づつずらす操業が行なわれる（スタガードパラレル操業）。

（第１の実施形態）
図２には熱風炉の制御システムの全体構成を示す。同図に示すように、１つの高炉２００に対して４基の熱風炉１００が設置されている。そして、これら熱風炉１００を制御するための制御システムは、熱風炉シミュレータ３００と、ＤＣＳ（分散形制御システム）として構成される制御装置４００とにより構成される。

熱風炉シミュレータ３００は、熱風炉モデル３０１及び制御部３０２により構成され、複数の制御パラメータ（本例においては、後述するように混合ガスカロリーＰ₁、ドーム温度Ｐ₂及びＰ₃、混合ガス流量Ｐ₄及びＰ₅）のもとで熱風炉モデル３０１を用いて熱風炉１００における燃焼及び送風のサイクルをシミュレーションし、Ｎサイクル先の状態予測を行う。この場合に、例えば実操業でスタガードパラレル操業が行われているのであれば、同じ形態でシミュレーションを行うようにする。

熱風炉シミュレータ３００では、詳細は後述するが、複数の制御パラメータＰ₁〜Ｐ₅の操業実績値を用いて熱風炉１００の将来の状態を予測し、続いて制御パラメータＰ₁〜Ｐ₅のうち１つを微小量変化させた上で熱風炉１００の将来の状態を予測することを複数のパラメータＰ₁〜Ｐ₅それぞれについて実行して、その結果から各制御パラメータＰ₁〜Ｐ₅の修正量を求める。

なお、熱風炉モデル３０１としては、熱風炉１００のみでなく制御装置４００を含めた実機全体をシミュレーションできる必要がある。更に、熱風炉１００のシミュレーションを行うモデルは、蓄熱室高さ方向の煉瓦温度分布及び珪石煉瓦最下部温度計位置の温度が計算できるように蓄熱室を少なくとも鉛直方向２次元にメッシュ分割した伝熱モデルである必要がある。

制御装置４００は、混合ガスカロリー制御部４０１及びドーム温度制御部４０２により構成される。混合ガスカロリー制御部４０１では供給口１０３から吹き込まれる混合ガスのカロリーが熱風炉シミュレータから与えられる混合ガスカロリーＰ₁と一致するように、高炉ガスとコークス炉ガス（又は他の高複数種類の高カロリーガス）の混合比を制御する。ドーム温度制御部では、ドーム温度として測定される燃焼ガス温度（混合ガス及び空気を燃焼させた結果の雰囲気温度）実測値が熱風炉シミュレータから与えられるドーム温度Ｐ₂及びＰ₃と一致するように、熱風炉シミュレータから与えられる混合ガス流量Ｐ₄及びＰ₅を基準として供給口１０３から吹き込まれる混合ガス流量と供給口１０４から吹き込まれる空気流量を制御する。

ここで、熱風炉シミュレータ３００から与えられる修正された制御パラメータＰ₁〜Ｐ₅を実機に投入すると、実質的に制御される燃焼室１０２における燃焼ガス温度及び燃焼ガス流量は、図４（ｂ）に示すように、１サイクル中の燃焼期間の前期では燃焼ガス温度が比較的高く、かつ、燃焼ガス流量が比較的小さくなり、後期では燃焼ガス温度が比較的低く、かつ、燃焼ガス流量が比較的大きくなる、換言すれば、前期における燃焼ガス温度が後期における燃焼ガス温度よりも高くなり、かつ、前期における燃焼ガス流量が後期における燃焼ガス流量よりも小さくなる。

本願発明者らは鋭意検討を重ねた結果、同じ熱量を投入する場合でも、１サイクル中の燃焼期間における燃焼ガス温度及び燃焼ガス流量のパターンによって熱効率が異なることを見出し、特に図４（ｂ）に示すようにした場合に最も熱効率が向上することが新たに判明した。これは、燃焼期間の前期では、蓄積煉瓦温度が低い状態にあるので燃焼ガス温度を高くすることで熱交換の効率が上がり、また、燃焼ガス流量を小さくすることで蓄熱室１０１の下部まで燃焼ガスが達しにくくして排ガス温度が上昇するのを避けることができるからである。そこで、上述したように燃焼室１０２における燃焼ガス温度及び燃焼ガス流量を、図４（ｂ）に示すように、１サイクル中の燃焼期間の前期では燃焼ガス温度を比較的高く、かつ、燃焼ガス流量を比較的小さくし、後期では燃焼ガス温度を比較的低く、かつ、燃焼ガス流量を比較的大きくするようにしたものである。

以下、図３のフローチャートを参照して、本実施形態の熱風炉の制御システムによる熱風炉の制御動作について説明する。まず、複数の制御パラメータ、本例においては１サイクル中の燃焼期間における熱風炉１００に吹き込む混合ガスのガスカロリーＰ₁、１サイクル中の燃焼期間の前期における熱風炉１００のドーム（図１の符号１０９を参照）温度Ｐ₂、及び、後期におけるドーム温度Ｐ₃、１サイクル中の燃焼期間の前期における熱風炉に吹き込む混合ガスの流量Ｐ₄、及び、後期における混合ガスの流量Ｐ₅の５つを操業実績値に初期設定する（ステップＳ１０１）。

次に、上記ステップＳ１０１において設定された制御パラメータＰ₁〜Ｐ₅の操業実績値を用いて、熱風炉シミュレータ３００により熱風炉１００における燃焼及び送風のサイクルをシミュレーションし、Ｎサイクル先の状態予測を行う（ステップＳ１０２）。シミュレーションに際しては、実プロセスの操業制約条件、例えば混合ガス流量の上下限値やドーム温度の上下限値（設備能力に依存）を考慮する。

次に、上記ステップＳ１０２でのシミュレーションの結果得られる制御性能を評価し、それを所定ルールのもとで評価値に変換して基準評価値として保存する（ステップＳ１０３）。ここで、制御性能とは「熱効率」、「排ガス温度」、「高炉２００への送風温度」、「珪石煉瓦１０７の最低温度」を意味する。「熱効率」は、熱風炉の操業では一般的に混合ガスの燃焼で発生する投入熱量に対する高炉への送風熱量の比率で評価されるが、送風温度や送風流量と言った操業条件が同じであれば蓄熱室１０１の下部の排出口１０８から排気される排ガスの顕熱（熱量）と負の相関関係がある。即ち、排ガス顕熱が小さければ熱効率は大きく、反対に排ガス顕熱が大きければ熱効率は小さい。更に、排ガス顕熱は排ガス流量と排ガス温度の積に物性値である排ガス比熱を乗じて算出されるが、操業条件が同じ場合には排ガス温度を低くすればそれだけ排ガス顕熱を小さくし熱効率を向上させるために効果がある。そこで、「排ガス温度」を熱効率の評価指標の一つとして採用している。また、「高炉２００への送風温度」は、上述したように９００〜１３００℃程度の範囲の所望温度で平均値が一定となることが最適であり、その観点で評価される。また、「珪石煉瓦１０７の最低温度」は、珪石煉瓦の変態点温度が５７３℃であることから、珪石煉瓦１０７の最下部での最低温度が変態点温度以下とならないことが最低限要求されるが、その上で、排ガス温度に影響するため珪石煉瓦１０７の最下部での最低温度ができるだけ低くなるようにする必要があり、その観点で評価される。

続いて、複数の制御パラメータＰ₁〜Ｐ₅のうち１つを操業実績値に対して微小量だけ変化させる。この場合に、制御パラメータＰ₁〜Ｐ₅ごとに、微小量だけ大きくする（高くする）か、小さくする（低くする）かは予め定められている。例えば、制御パラメータＰ₁である混合ガスカロリー[kcal/Nm³]については、図４（ａ）に示すように、操業実績値に対して微小量ΔＰ₁だけ大きくする。

次に、上記ステップＳ１０４において微小量だけ変化させた制御パラメータと残りの制御パラメータの操業実績値とを用いて、上記ステップＳ１０２と同様に熱風炉シミュレータ３００によりＮサイクル先の状態予測を行う（ステップＳ１０５）。例えば、上記ステップＳ１０４において制御パラメータＰ₁を微小量ΔＰ₁だけ大きくした場合は、その微小量だけ変化させた制御パラメータＰ₁と残りの制御パラメータＰ₂〜Ｐ₅の操業実績値とを用いる。

次に、上記ステップＳ１０５でのシミュレーションの結果得られる制御性能、即ち「熱効率」、「高炉２００への送風温度」、「珪石煉瓦１０７の最低温度」を評価し、それを上記ステップＳ１０３と同様のルールのもとで評価値（例えば制御パラメータＰ₁を微小量ΔＰ₁だけ大きくさせた場合は、熱効率評価値１、送風温度評価値１、珪石煉瓦最低温度１と称する）に変換する（ステップＳ１０６）。そして、下式に示すように、上記ステップＳ１０３において保存されている基準評価値との差分を求める。
Δ熱効率評価値１＝「熱効率評価値１」−「熱効率の基準評価値」
Δ送風温度評価値１＝「送風温度評価値１」−「送風温度の基準評価値」
Δ珪石煉瓦最低温度評価値１＝「珪石煉瓦最低温度評価値１」−「珪石煉瓦最低温度の基準評価値」

次に、複数の制御パラメータＰ₁〜Ｐ₅すべてについて上記ステップＳ１０４〜Ｓ１０６が実行されたか否か判断し（ステップＳ１０７）、実行されていなければ未実行の制御パラメータＰ₁〜Ｐ₅について上記ステップＳ１０４〜Ｓ１０６の処理を繰り返す。上記ステップＳ１０４を実行するに際して、図４（ａ）に示すように、制御パラメータＰ₂（１サイクル中の燃焼期間の前期におけるドーム温度[℃]）については、操業実績値に対して微小量ΔＰ₂だけ高くする。また、制御パラメータＰ₃（１サイクル中の燃焼期間の後期におけるドーム温度[℃]）については、操業実績値に対して微小量ΔＰ₃だけ低くする。また、制御パラメータＰ₄（１サイクル中の燃焼期間の前期における混合ガス流量[kNm³/hr]）については、操業実績値に対して微小量ΔＰ₄だけ大きくする。また、制御パラメータＰ₅（１サイクル中の燃焼期間の後期における混合ガス流量[kNm³/hr]）については、操業実績値に対して微小量ΔＰ₅だけ小さくする。なお、微小量ΔＰ₁〜ΔＰ₅とは、具体的には操業実績値に対して数％程度であればよい。

一方、複数の制御パラメータＰ₁〜Ｐ₅すべてについて上記ステップＳ１０４〜Ｓ１０６の処理が実行済みであれば（ステップＳ１０７）、ステップＳ１０８に進む。

ステップＳ１０８では、以上の結果から、各制御パラメータＰ₁〜Ｐ₅の微小変化量ΔＰ₁〜ΔＰ₅を評価値との関係で表わした関係式を定める（下式を参照）。
ΔＰ₁〜（Δ熱効率評価値１、Δ送風温度評価値１、Δ珪石煉瓦最低温度評価値１）
ΔＰ₂〜（Δ熱効率評価値２、Δ送風温度評価値２、Δ珪石煉瓦最低温度評価値２）
ΔＰ₃〜（Δ熱効率評価値３、Δ送風温度評価値３、Δ珪石煉瓦最低温度評価値３）
ΔＰ₄〜（Δ熱効率評価値４、Δ送風温度評価値４、Δ珪石煉瓦最低温度評価値４）
ΔＰ₅〜（Δ熱効率評価値５、Δ送風温度評価値５、Δ珪石煉瓦最低温度評価値５）

そして、上記関係式を用いて、「熱効率」が最大（＝排ガス温度が最低）で、「高炉２００への送風温度」が所望温度で平均値が一定で、「珪石煉瓦１０７の最低温度」が変態点温度以下とならない条件下でできるだけ低くなる微小量ΔＰ₁〜ΔＰ₅を各制御パラメータＰ₁〜Ｐ₅の実績値に対する修正量として求める。

その後、上記ステップＳ１０８において求められた修正量ΔＰ₁〜ΔＰ₅を用いて各制御パラメータＰ₁〜Ｐ₅が変更され、制御装置４００は、その修正された制御パラメータＰ₁〜Ｐ₅を実機に投入する（ステップＳ１０９）。この結果、図４（ｂ）に示すように、１サイクル中の燃焼期間の前期では燃焼ガス温度が比較的高く、かつ、燃焼ガス流量が比較的小さくなり、後期では燃焼ガス温度が比較的低く、かつ、燃焼ガス流量が比較的大きくなって、熱風炉１００における熱交換の熱効率が大幅に向上する。

図５には、蓄積煉瓦の温度（横軸）と蓄積煉瓦の高さ（縦軸）との関係を示す。図中点線で表わすのは、制御パラメータＰ₁〜Ｐ₅を操業実績値とした場合の関係である。それに対して、図中実線で表わすのは、図４に示すようにして制御パラメータＰ₁〜Ｐ₅を修正した場合の関係である。同図に示すように、珪石煉瓦１０７の最上部での温度の上下限値ａ、ｂはドーム温度の上下限値に関係するので一定値に管理される。また、珪石煉瓦１０７の最下部での最低温度は変態点温度以下とならないように管理される。また、粘土煉瓦１０５の最下部での温度の下限値ｃは（排ガス温度が高くならないようにできるだけ低く）一定値に管理される。

そして、本実施形態のように制御パラメータＰ₁〜Ｐ₅を修正した場合、上記管理条件を満たしつつ、矢印Ｘに示すように、粘土煉瓦１０５の最下部での温度の上限値が制御パラメータＰ₁〜Ｐ₅を操業実績値とした場合よりも大幅に低くなっているのがわかる。即ち、排ガス温度を下げることができ、熱効率が大幅に向上する結果となっている。

なお、上記実施形態では１サイクル中の燃焼期間を前期及び後期に二分割した例を説明したが、三分割以上として、その分割された期間ごとに燃焼ガス温度及び燃焼ガス流量を変えるようにしてもよい。

また、上記実施形態では制御パラメータを５つとしたが、その数は限定されるものではない。上記実施形態において、混合ガスのガスカロリーＰ₁は設備制約的に細かく設定変更するのが難しいことから１サイクル中の燃焼期間で一定にしたが、ドーム温度Ｐ₂及びＰ₃、混合ガス流量Ｐ₄及びＰ₅については更に細分化するようにしてもよい。

さらに、上記実施形態では、１サイクル中の燃焼期間の前期では燃焼ガス温度が比較的高く、かつ、燃焼ガス流量が比較的小さくなり、後期では燃焼ガス温度が比較的低く、かつ、燃焼ガス流量が比較的大きくなるように、１サイクル中の燃焼期間における混合ガスのガスカロリーＰ₁、１サイクル中の燃焼期間の前期におけるドーム温度Ｐ₂及び後期におけるドーム温度Ｐ₃、１サイクル中の燃焼期間の前期における混合ガスの流量Ｐ₄及び後期における混合ガスの流量Ｐ₅の５つを制御パラメータとしたが、制御パラメータのパターンはその組み合わせに限定されるものではない。

例えば、図６（ａ）に示すように、１サイクル中の燃焼期間における混合ガスのガスカロリーＰ₁、１サイクル中の燃焼期間の前期におけるドーム温度Ｐ₂及び後期におけるドーム温度Ｐ₃、１サイクル中の燃焼期間の前期における投入熱量[kcal]Ｐ₆及び後期における投入熱量[kcal]Ｐ₇の５つを制御パラメータとしてもよい。この場合、制御パラメータＰ₁〜Ｐ₃については図４（ａ）に示すのと同様に微小量変化させ、制御パラメータＰ₆については操業実績値に対して微小量ΔＰ₆だけ小さくし、また、制御パラメータＰ₇については操業実績値に対して微小量ΔＰ₇だけ大きくする。この場合も、図６（ｂ）に示すように、１サイクル中の燃焼期間の前期では燃焼ガス温度が比較的高く、かつ、燃焼ガス流量が比較的小さくなり、後期では燃焼ガス温度が比較的低く、かつ、燃焼ガス流量が比較的大きくなって、熱風炉１００における熱交換の熱効率が大幅に向上する。

或いは、図７（ａ）に示すように、１サイクル中の燃焼期間における混合ガスのガスカロリーＰ₁、１サイクル中の燃焼期間における投入熱量Ｐ₈の２つを制御パラメータとしてもよい。この場合、制御パラメータＰ₁については操業実績値に対して微小量ΔＰ₁だけ大きくし、制御パラメータＰ₈については操業実績値に対して微小量ΔＰ₈だけ小さくする。この場合も、図７（ｂ）に示すように、１サイクル中の燃焼期間の前期では燃焼ガス温度が比較的高く、かつ、燃焼ガス流量が比較的小さくなり、後期では燃焼ガス温度が比較的低く、かつ、燃焼ガス流量が比較的大きくなって、熱風炉１００における熱交換の熱効率が大幅に向上する。

下記の表１には、制御パラメータＰ₁〜Ｐ₃、Ｐ₆〜Ｐ₇（図６のパターン）について、操業実績値とした場合と、上述したように修正する場合（新制御）との制御結果を表わす。同表に示すように、新制御では、送風温度は１１７８℃を維持しながら、珪石煉瓦１０７の最下部での最低温度は変態点温度以上で低くなるとともに、排ガス温度が低くなっており、熱交換の熱効率が向上しているのがわかる。

（第２の実施形態）
本発明は、１サイクル中の燃焼期間における燃焼ガス温度及び燃焼ガス流量の制御パターンによっても熱風炉操業における熱効率が異なってくるのではないかという視点からなされたものである。以下、図面を参照して、本発明を実施するための第２の実施形態について説明する。

図８には熱風炉の制御システムの全体構成を示す。同図に示すように、１つの高炉２００に対して４基の熱風炉１００が設置されている。そして、これら熱風炉１００を制御するために制御装置３００がある。

制御装置３００は、操作量設定部３０１と燃焼ガス温度制御部３０２により構成され、燃焼室１０２の供給口１０３から吹き込まれる混合ガス流量と供給口１０４から吹き込まれる空気流量を制御する。

このとき、操作量設定部３０１では、１サイクル中の燃焼期間を複数に分割し、その分割された期間ごとに燃焼ガス温度及び空気流量を設定する。また、燃焼ガス温度制御部３０２では、熱風炉１００でドーム温度として測定された燃焼ガス温度が操作量設定部３０１から与えられたドーム温度と一致するように、供給口１０３から吹き込まれる混合ガス流量を調整する。

また別の形態として、操作量設定部３０１では、空気流量の代わりに混合ガス流量を分割された燃焼期間ごとに設定し、燃焼ガス温度制御部３０２では、熱風炉１００でドーム温度として測定された燃焼ガス温度が操作量設定部３０１から与えられたドーム温度と一致するように、供給口１０４から吹き込まれる空気流量を調整してもよい。

ここで、操作量設定部３０１では、図９（ａ）に示すように燃焼ガス温度、空気流量（又は混合ガス流量）を設定する。その際、燃焼ガス温度は燃焼開始から燃焼ガス温度切替時刻までの平均温度が燃焼ガス温度切替時刻から燃焼終了までの平均温度よりも高くなるように設定し、空気流量（又は混合ガス流量）は燃焼開始から燃焼ガス流量切替時刻までの平均流量が燃焼ガス流量切替時刻から燃焼終了までの平均流量よりも小さくなるように設定する。ただし、燃焼ガス温度切替時刻と燃焼ガス流量切替時刻は同時刻である必要はない。

図９（ａ）に示すように燃焼ガス温度、空気流量（又は混合ガス流量）を設定すると、燃焼室１０２における燃焼ガス温度と燃焼ガス流量は図９（ｂ）に示すようになる。即ち、燃焼ガス温度は燃焼開始から燃焼ガス温度切替時刻までの平均温度が燃焼ガス温度切替時刻から燃焼終了までの平均温度よりも高くなり、燃焼ガス流量は燃焼開始から燃焼ガス流量切替時刻までの平均流量が燃焼ガス流量切替時刻から燃焼終了までの平均流量よりも小さくなる。

本願発明者らは鋭意検討を重ねた結果、同じ熱量を投入する場合でも、１サイクル中の燃焼期間における燃焼ガス温度及び燃焼ガス流量のパターンによって熱効率が異なることを見出し、特に図９（ｂ）に示すようにした場合に熱効率が向上することが新たに判明した。

即ち、燃焼開始から燃焼中間（燃焼開始と燃焼終了の間の中間時刻）までの時間帯では、図９（ｂ）に示すように燃焼ガス温度を高く燃焼ガス流量を小さくすることによって、輻射熱伝達率が大きくなる効果が強くなり、図１０に示すように蓄熱室１０１の上部に集中して蓄熱される。更に、燃焼中間から燃焼終了までの時間帯では、図９（ｂ）に示すように燃焼ガス温度を低く、燃焼ガス流量を大きくすることによって、対流熱伝達率が大きくなる効果が強くなり、図１０に示すように蓄熱室１０１の下部に集中して蓄熱される。

この結果、珪石煉瓦最下部温度の燃焼中の温度推移は図１１のように、燃焼開始から燃焼中間までの時間帯における温度上昇量は従来操業実績に比べて小さめに抑えられ、燃焼中間から燃焼終了までの時間帯における温度上昇量は従来操業実績に比べて大きくなり、最終的な到達温度は従来操業実績と同一となる。そのため、図１０に示すように燃焼終了時の蓄熱室高さ方向の煉瓦温度分布は従来操業実績と同一となるので、送風後に再び燃焼開始するときの蓄熱室高さ方向の煉瓦温度分布も従来操業実績と同じとなり、珪石煉瓦最下部最低温度の管理値に対する余裕代を従来操業実績と同一に保つことができる。

また、排ガス温度の燃焼中の温度推移も図１２に示すように、珪石煉瓦最下部温度と同様の傾向で温度上昇する。このため、図１２の網掛け部に示す排ガス温度降下分に相当するだけの排ガス顕熱を削減し、熱効率を向上させることができる。実プロセスによる制御テストで評価では、表２に示すように熱効率が０．５％向上している。

（その他の実施形態）
上述した実施形態の機能は、コンピュータがコンピュータプログラムを実行することによっても実現される。また、コンピュータプログラムをコンピュータに供給するための手段、例えばかかるプログラムを記録したＣＤ−ＲＯＭ等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体又はかかるプログラムを伝送するインターネット等の伝送媒体も本発明の実施形態として適用することができる。また、上記のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体等のコンピュータプログラムプロダクトも本発明の実施形態として適用することができる。上記のコンピュータプログラム、記録媒体、伝送媒体及びコンピュータプログラムプロダクトは、本発明の範疇に含まれる。記録媒体としては、例えばフレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、不揮発性のメモリ、ＲＯＭ等を用いることができる。

熱風炉の概略構成を示す図である。第１の形態における熱風炉の制御システムの全体構成を示す図である。第１の形態における熱風炉の制御動作について説明するためのフローチャートである。第１の形態における制御パラメータとそれにより実質的に制御される燃焼ガス温度及び燃焼ガス流量との関係を示す図である。第１の形態における蓄積煉瓦の温度（横軸）と蓄積煉瓦の高さ（縦軸）との関係を示す特性図である。第１の形態における制御パラメータとそれにより実質的に制御される燃焼ガス温度及び燃焼ガス流量との関係を示す図である。第１の形態における制御パラメータとそれにより実質的に制御される燃焼ガス温度及び燃焼ガス流量との関係を示す図である。第２の形態における熱風炉の制御システムの全体構成を示す図である。第２の形態における制御パラメータとそれにより実質的に制御される燃焼ガス温度及び燃焼ガス流量との関係を示す図である。第２の形態における蓄積煉瓦の温度（横軸）と蓄積煉瓦の高さ（縦軸）との関係を示す特性図である。第２の形態における燃焼中の珪石煉瓦最下部温度の推移を示す図である。第２の形態における燃焼中の排ガス温度の推移を示す図である。

符号の説明

１００熱風炉
１０１蓄熱室
１０２燃焼室
１０３燃焼用混合ガスの供給口
１０４燃焼用空気の供給口
１０５耐火粘土煉瓦
１０６ハイアルミナ煉瓦
１０７珪石煉瓦
１０８排ガスの排出口兼冷風空気の供給口
１０９ドーム
１１０熱風出口
２００高炉
３００熱風炉シミュレータ
３０１熱風炉モデル
３０２制御部
４００制御装置
４０１混合ガスカロリー制御部
４０２ドーム温度制御部

Claims

高炉への送風に熱を与える蓄熱室と上記蓄熱室を加熱するための燃焼室とにより構成され、燃焼及び送風を１サイクルとして稼動する熱風炉を制御するために、上記燃焼室における燃焼ガス温度及び燃焼ガス流量を、１サイクル中の燃焼期間を複数分割しその分割された期間ごとに変えて制御する熱風炉の制御方法であって、
１サイクル中の燃焼期間に燃焼ガス温度切替時刻と燃焼ガス流量切替時刻をそれぞれ設定して、
燃焼ガス温度は燃焼開始時刻から燃焼ガス温度切替時刻までの平均温度が燃焼ガス温度切替時刻から燃焼終了時刻までの平均温度よりも高くなるように制御し、
また燃焼ガス流量は燃焼開始時刻から燃焼ガス流量切替時刻までの平均流量が燃焼ガス流量切替時刻から燃焼終了までの平均流量よりも小さくなるように制御することを特徴とする熱風炉の制御方法。
１サイクル中の燃焼期間を前期及び後期に二分割し、前期における燃焼ガス温度を後期における燃焼ガス温度よりも高くし、かつ、前期における燃焼ガス流量を後期における燃焼ガス流量よりも小さくすることを特徴とする請求項１に記載の熱風炉の制御方法。
熱風炉に吹き込む混合ガスのガスカロリー、熱風炉のドーム温度、熱風炉に吹き込む混合ガスの流量、及び投入熱量のうち少なくとも二種以上を制御パラメータとして、分割された期間ごとに燃焼ガス温度及び燃焼ガス流量を変えることを特徴とする請求項１に記載の熱風炉の制御方法。
熱風炉に吹き込む混合ガスのガスカロリー、熱風炉のドーム温度、熱風炉に吹き込む混合ガスの流量、及び投入熱量のうち少なくとも二種以上を制御パラメータとして、分割された期間ごとに燃焼ガス温度及び燃焼ガス流量を変えることを特徴とする請求項２に記載の熱風炉の制御方法。
上記制御パラメータのうち所定の制御パラメータを、１サイクル中の燃焼期間を複数分割し、その分割された期間ごとに変えることを特徴とする請求項３又は４に記載の熱風炉の制御方法。
請求項４に記載の熱風炉の制御方法であって、
上記制御パラメータには、１サイクル中の燃焼期間における熱風炉に吹き込む混合ガスのガスカロリー、１サイクル中の燃焼期間の前期における熱風炉のドーム温度及び後期におけるドーム温度、１サイクル中の燃焼期間の前期における熱風炉に吹き込む混合ガスの流量及び後期における混合ガスの流量の５つを含み、
複数の制御パラメータの操業実績値を用いて熱風炉シミュレータにより熱風炉の将来の状態を予測する第１の手順と、
上記複数の制御パラメータの操業実績値のうち１つを微小量変化させた上で上記熱風炉シミュレータにより熱風炉のＮサイクルの将来の状態を予測することを、上記複数のパラメータそれぞれについて実行する第２の手順と、
上記第１の手順の結果得られる制御性能及び上記第２の手順の結果得られる制御性能から上記各制御パラメータの修正量を求め、各制御パラメータを修正する第３の手順と、
上記第３の手順により修正された各制御パラメータを実機に投入する第４の手順とを有し、
上記第２の手順では、ガスカロリーを微小量大きくし、前期におけるドーム温度を微小量高くし、後期におけるドーム温度を微小量低くし、前期における混合ガスの流量を微小量小さくし、後期における混合ガスの流量を微小量大きくすることを特徴とする熱風炉の制御方法。
請求項４に記載の熱風炉の制御方法であって、
上記制御パラメータには、１サイクル中の燃焼期間における熱風炉に吹き込む混合ガスのガスカロリー、１サイクル中の燃焼期間の前期における熱風炉のドーム温度及び後期におけるドーム温度、１サイクル中の燃焼期間の前期における投入熱量及び後期における投入熱量の５つを含み、
複数の制御パラメータの操業実績値を用いて熱風炉シミュレータにより熱風炉の将来の状態を予測する第１の手順と、
上記複数の制御パラメータの操業実績値のうち１つを微小量変化させた上で上記熱風炉シミュレータにより熱風炉のＮサイクルの将来の状態を予測することを、上記複数のパラメータそれぞれについて実行する第２の手順と、
上記第１の手順の結果得られる制御性能及び上記第２の手順の結果得られる制御性能から上記各制御パラメータの修正量を求め、各制御パラメータを修正する第３の手順と、
上記第３の手順により修正された各制御パラメータを実機に投入する第４の手順とを有し、
上記第２の手順では、ガスカロリーを微小量大きくし、前期におけるドーム温度を微小量高くし、後期におけるドーム温度を微小量低くし、前期における投入熱量を微小量小さくし、後期における投入熱量を微小量大きくすることを特徴とする熱風炉の制御方法。
請求項３又は請求項４に記載の熱風炉の制御方法であって、
上記制御パラメータには、１サイクル中の燃焼期間における熱風炉に吹き込む混合ガスのガスカロリー、１サイクル中の燃焼期間における投入熱量の２つを含み、
複数の制御パラメータの操業実績値を用いて熱風炉シミュレータにより熱風炉の将来の状態を予測する第１の手順と、
上記複数の制御パラメータの操業実績値のうち１つを微小量変化させた上で上記熱風炉シミュレータにより熱風炉のＮサイクルの将来の状態を予測することを、上記複数のパラメータそれぞれについて実行する第２の手順と、
上記第１の手順の結果得られる制御性能及び上記第２の手順の結果得られる制御性能から上記各制御パラメータの修正量を求め、各制御パラメータを修正する第３の手順と、
上記第３の手順により修正された各制御パラメータを実機に投入する第４の手順とを有し、
上記第２の手順では、ガスカロリーを微小量大きくし、投入熱量を微小量小さくすることを特徴とする熱風炉の制御方法。
高炉への送風に熱を与える蓄熱室と上記蓄熱室を加熱するための燃焼室とにより構成され、燃焼及び送風を１サイクルとして稼動する熱風炉を制御するために、上記燃焼室における燃焼ガス温度及び燃焼ガス流量を、１サイクル中の燃焼期間を複数分割しその分割された期間ごとに変えて制御する熱風炉の制御システムであって、
複数の制御パラメータのもとで蓄熱室高さ方向の煉瓦温度分布及び珪石煉瓦最下部温度計位置の温度が計算できる、蓄熱室の伝熱モデルである熱風炉モデルを用いて、複数の制御パラメータの操業実績値を用いて熱風炉における燃焼及び送風のサイクルをシミュレーションして熱風炉の将来の状態予測し、続いて複数の制御パラメータのうち１つを微小量変化させた上で熱風炉の将来の状態を予測することを複数のパラメータそれぞれについて実行して、その結果から各制御パラメータの修正量を求める熱風炉シミュレータと、
上記熱風炉シミュレータからの入力に基づいて、燃焼室へ供給する混合ガスのカロリー、混合ガス流量、および空気流量を制御する制御装置とを有し、
１サイクル中の燃焼期間に燃焼ガス温度切替時刻と燃焼ガス流量切替時刻をそれぞれ設定して、燃焼ガス温度は燃焼開始時刻から燃焼ガス温度切替時刻までの平均温度が燃焼ガス温度切替時刻から燃焼終了時刻までの平均温度よりも高くなるように制御し、また燃焼ガス流量は燃焼開始時刻から燃焼ガス流量切替時刻までの平均流量が燃焼ガス流量切替時刻から燃焼終了までの平均流量よりも小さくなるように制御することを特徴とする熱風炉の制御システム。
１サイクル中の燃焼期間を前期及び後期に二分割し、前期における燃焼ガス温度を後期における燃焼ガス温度よりも高くし、かつ、前期における燃焼ガス流量を後期における燃焼ガス流量よりも小さくすることを特徴とする請求項９に記載の熱風炉の制御システム。
熱風炉に吹き込む混合ガスのガスカロリー、熱風炉のドーム温度、熱風炉に吹き込む混合ガスの流量、及び投入熱量のうち少なくとも二種以上を制御パラメータとして、分割された期間ごとに燃焼ガス温度及び燃焼ガス流量を変えることを特徴とする請求項９に記載の熱風炉の制御システム。
熱風炉に吹き込む混合ガスのガスカロリー、熱風炉のドーム温度、熱風炉に吹き込む混合ガスの流量、及び投入熱量のうち少なくとも二種以上を制御パラメータとして、分割された期間ごとに燃焼ガス温度及び燃焼ガス流量を変えることを特徴とする請求項１０に記載の熱風炉の制御システム。
請求項１２に記載の熱風炉の制御システムであって、
上記制御パラメータには、１サイクル中の燃焼期間における熱風炉に吹き込む混合ガスのガスカロリー、１サイクル中の燃焼期間の前期における熱風炉のドーム温度及び後期におけるドーム温度、１サイクル中の燃焼期間の前期における熱風炉に吹き込む混合ガスの流量及び後期における混合ガスの流量の５つを含み、
複数の制御パラメータの操業実績値を用いて熱風炉の将来の状態を予測する第１の熱風炉シミュレーション手段、
上記複数の制御パラメータの操業実績値のうち１つを微小量変化させた上で熱風炉のＮサイクルの将来の状態を予測することを、上記複数のパラメータそれぞれについて実行する第２の熱風炉シミュレーション手段、
および、上記第１の熱風炉シミュレーション手段により得られる制御性能及び上記第２の熱風炉シミュレーション手段により得られる制御性能から上記各制御パラメータの修正量を求め、各制御パラメータを修正する制御パラメータ修正手段、
からなる熱風炉シミュレータ、
並びに、上記制御パラメータ修正手段により修正された各制御パラメータを実機に投入する制御手段を有し、
上記第２の熱風炉シミュレーション手段では、ガスカロリーを微小量大きくし、前期におけるドーム温度を微小量高くし、後期におけるドーム温度を微小量低くし、前期における混合ガスの流量を微小量小さくし、後期における混合ガスの流量を微小量大きくすることを特徴とする熱風炉の制御システム。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱風炉の制御方法の各手順をコンピュータに実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
請求項１４に記載のコンピュータプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。