JP5583615B2 - 高炉操業特徴量演算装置、高炉操業特徴量演算方法及びプログラム - Google Patents
高炉操業特徴量演算装置、高炉操業特徴量演算方法及びプログラム Download PDFInfo
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Description
(1)高炉という動的システムについて
(1−1)高炉内で進行している反応の概略
(1−2)システムとしての取り扱い
(2)第1の実施形態
(2−1)高炉操業状態制御システムの概略について
(2−2)高炉操業状態制御装置の全体構成について
(2−3)高炉操業状態制御方法の全体的な流れについて
(2−5)高炉操業特徴量の演算について
(2−5−1)高炉操業特徴量演算部の構成について
(2−5−2)高炉操業特徴量の演算方法について
(2−6)高炉操業の安定性評価について
(2−6−1)高炉操業状態制御システムの構成概念
(2−6−2)操業制御部の構成について
(2−6−3)高炉操業の安定性評価
(3)本発明の実施形態に係る高炉操業状態制御装置のハードウェア構成について
(4)実施例
まず、図1を参照しながら、本発明の実施形態で着目する高炉という動的システムについて、簡単に説明する。図1は、本発明の実施形態で着目する高炉について説明するための説明図である。
図1に示したように、高炉は、円筒の徳利形状を有する竪型炉の一種であり、炉の頭頂部(以下、炉頂部とも称する。)から供給される原料と、炉の下方に設けられた羽口から供給される熱風により生成される還元性ガスとが反応する反応装置として機能する。
以上説明したように、高炉の内部では、固体、液体、気体の3つの相状態が共存しており、互いに関連しあいながら複数の化学反応が進行しており、高炉の内部で生じている現象は、非定常的な現象(非定常現象)であるといえる。また、高炉の内部で起こっている非定常現象は、秒単位で進行するものから、分単位、時間単位、日単位、週単位で進行するものまで、各種のものが存在している。従って、以下で説明する本発明の実施形態では、高炉という反応装置を、一つの動的なシステムとして取り扱うこととする。
<高炉操業状態制御システムの概略について>
続いて、図2を参照しながら、本発明の第1の実施形態に係る高炉操業状態制御システムについて説明する。図2は、本実施形態に係る高炉操業状態制御システムの一例を示した説明図である。
次に、図3を参照しながら、本実施形態に係る高炉操業状態制御装置の全体構成について説明する。図3は、本実施形態に係る高炉操業状態制御装置の全体構成を示したブロック図である。
続いて、図4を参照しながら、本実施形態に係る高炉操業状態制御方法の全体的な流れについて説明する。図4は、本実施形態に係る高炉操業状態制御方法の全体的な流れの一例を示した流れ図である。
[高炉操業特徴量演算部の構成について]
次に、図5〜図10を参照しながら、本実施形態に係る高炉操業状態制御装置10が備える高炉操業特徴量演算部103の構成について、詳細に説明する。
[H2]:還元性ガスH2のモル分率
[H2O]:H2Oガスのモル分率
kc,1:反応式1の還元反応の速度定数[cm/s]
kc,2:反応式2の還元反応の速度定数[cm/s]
ke,1:反応式1の還元反応の平衡定数
ke,2:反応式2の還元反応の平衡定数
[CO]:還元性ガスCOのモル分率
[CO2]:CO2ガスのモル分率
kc,9:反応式9の還元反応の速度定数[cm/s]
kc,10:反応式10の還元反応の速度定数[cm/s]
ke,9:反応式9の還元反応の平衡定数
ke,10:反応式10の還元反応の平衡定数
y1:第1界面に関する界面半径比
y2:第2界面に関する界面半径比
Yb:粒子周囲のガスのモル分率
Y0:鉄鉱石粒子表面におけるガスのモル分率
Y1:第1界面でのガスのモル分率
Y2:第2界面でのガスのモル分率
Ye,1:第1界面でのガスの平衡モル分率
Ye,2:第2界面でのガスの平衡モル分率
VC,1:第1還元反応生成物層の界面での還元反応速度[mol/s]
VC,2:第2還元反応生成物層の界面での還元反応速度[mol/s]
VD,1:第1還元反応生成物層での還元反応速度[mol/s]
VD,2:第2還元反応生成物層での還元反応速度[mol/s]
kf:ガス境膜内の物質移動係数[m/s]
TG:還元性ガスの温度[K]
PG:還元性ガスの圧力[Pa]
RG:気体定数[J/mol・K]
Fe2O3+3CO → 2Fe+3CO ・・・(反応式12)
まず、固体相モデルについて説明する。
固体相モデルは、以下の式141で表される物質収支式と、式142で表される熱収支式と、式143及び式144で表される移動速度決定式からなる。ここで、下記式143及び式144で表される移動速度決定式は、いわゆるkinematic modelにおける定式を利用している。
vS:固体相流れの速度ベクトル[m/s]
αij:固体成分iの化学反応式jにおける係数
mS,i:固体成分iの単位モルあたりの質量[kg/mol]
di:固体成分iの密度[kg/m3]
Rj:化学反応式jの反応速度
t:時間[s]
ε:空隙率
TL:液体相温度[K]
TG:気体相温度[K]
ρS:固体相密度[kg/m3]=Σ(di・αi)
CS:固体相比熱[J/(kg・K)]
ηS:固体相への熱分配率
kS:固体相の熱拡散率[W/(m・K)・m]
UGS:気体相から固体相への熱伝達率[W/(m2・K)・m2]
ULS:液体相から固体相への熱伝達率[W/(m2・K)・m2]
vS,y:固体相移動速度のy成分[m/s]
BS:比例定数
α:固体相の体積分率の総和=Σαi
次に、液体相モデルについて説明する。
液体相モデルは、以下の式145で表される物質収支式と、式146で表される熱収支式と、式147及び式148で表される移動速度決定式からなる。ここで、下記式147及び式148で表される移動速度決定式は、いわゆるkinematic modelにおける定式を利用している。
vL:液体相流れの速度ベクトル[m/s]
bij:液体成分iの化学反応式jにおける係数
mL,i:液体成分iの単位モルあたりの質量[kg/mol]
di:固体成分iの密度[kg/m3]
Rj:化学反応式jの反応速度
t:時間[s]
TL:液体相温度[K]
TG:気体相温度[K]
γL:液体相密度[kg/m3]=Σγi
CL:液体相比熱[J/(kg・K)]
ηL:液体相への熱分配率
kL:液体相の熱拡散率[W/(m・K)・m]
USL:固体相から液体相への熱伝達率[W/(m2・K)・m2]
UGL:気体相から液体相への熱伝達率[W/(m2・K)・m2]
vL,y:液体相移動速度のy成分[m/s]
BL:比例定数
γ:液体相の体積分率の総和=Σγi
次に、気体相モデルについて説明する。
気体相モデルは、以下の式149で表される物質収支式と、式150で表される熱収支式と、式151〜式153で表される移動速度決定式からなる。ここで、下記式151〜式153で表される移動速度決定式は、いわゆるErgun式を利用している。
vG:気体相流れの速度ベクトル[m/s]
kG:気体拡散係数[m2/s]
aij:気体成分iの化学反応式jにおける係数
mG,i:気体成分iの単位モルあたりの質量[kg/mol]
di:固体成分iの密度[kg/m3]
Rj:化学反応式jの反応速度
t:時間[s]
ε:空隙率
TL:液体相温度[K]
TG:気体相温度[K]
βG:気体相密度[kg/m3]=Σβi
CG:気体相比熱[J/(kg・K)]
ηG:気体相への熱分配率
kG:気体相の熱拡散率[W/(m・K)・m]
USG:固体相から気体相への熱伝達率[W/(m2・K)・m2]
ULG:液体相から気体相への熱伝達率[W/(m2・K)・m2]
vρ,G:気体相の質量速度ベクトル[kg/(m2・s)]
vρ,G,x:気体相の質量速度のx成分[kg/(m2・s)]
vρ,G,y:気体相の質量速度のy成分[kg/(m2・s)]
g:重力加速度[m/s2]
μG:気体の粘度[kg・m/s]
φG:粒子の形状係数
ρG:気体の密度[kg/m3]
DP:粒子径(m)
固体相速度、各固体成分の体積分率、固体相温度など
・液体相に関する高炉操業特徴量
液体相速度、各液体成分の密度、液体相温度など
・気体相に関する高炉操業特徴量
気体相速度、気体相圧力、各気体成分の密度、気体相温度など
ここで、実際に高炉内で生じている現象について着目する。
実際の高炉操業において、羽口から供給される熱風のガスによって生じるガス流れは、秒のオーダー(数秒程度)で炉頂部まで到達する。一方、銑鉄の原料となる鉄鉱石等の固体物は、炉内滞留時間が10時間程であることが知られている。このような動特性(換言すれば、現象の時定数)の違いを考慮すると、高炉全体の現象を考慮するにあたって支配的な時定数は、固体相の動特性で決まると考えることができる。
本実施形態に係る特徴量算出部127が実施する上記式141〜式153の解法は、特に限定されるものではないが、例えば、以下のような方法を用いることが可能である。
続いて、図10〜図13を参照しながら、本実施形態に係る高炉操業特徴量演算部103により実施される高炉操業特徴量の演算方法の流れについて、詳細に説明する。図10〜図13は、本実施形態に係る高炉操業特徴量の演算方法の流れの一例を示した流れ図である。
まず、図10を参照しながら、本実施形態に係る高炉操業特徴量の演算方法の全体的な流れの一例について説明する。
次に、図11を参照しながら、図10におけるステップS113で実施される固体相の演算処理の流れについて、簡単に説明する。
次に、図12を参照しながら、図10におけるステップS121で実施される液体相の演算処理の流れについて、簡単に説明する。
次に、図13を参照しながら、図10におけるステップS123で実施される気体相の演算処理の流れについて、簡単に説明する。
次に、図14〜図18を参照しながら、本実施形態に係る操業制御部105の構成と、これにより実施される高炉3の操業状態の安定性評価処理と高炉3の制御方法の決定について説明する。
操業制御部105に関する説明をするに先立ち、本実施形態に係る高炉操業状態制御システムの構成概念を、図14及び図15に基づいて説明する。高炉3は、上述したように、伝熱や流体、化学反応や相変化を伴う大規模・複雑な動的システムである。このような動的システムの制御は、従来、モデルの計算負荷やシステム実装上の課題から線形定常モデルに基づき行われていた。この場合、動的システムに対する過去の入力やシステムの内部状態等は考慮されずにシステム出力が決定されるため、操業目標や操業動作点の変更や外乱に対する高炉3の動的挙動は計算することができなかった。すなわち、線形定常モデルに基づき制御した場合には、システム全体の制御性を動的安定性の観点から捉えることができない。
次に、図16に基づいて、本実施形態に係る操業制御部105の構成について説明する。本実施形態に係る操業制御部105は、図16に示すように、安定性評価部151と、制御方法決定部153とを備える。
(a)可安定性・可制御性に基づく条件(可制御性行列のランク、固有値評価)
(b)ナイキストの安定条件(周波数特性に基づく安定特性評価)
(c)リアプノフの安定条件(大局漸近安定特性評価(内部安定性))
等がある。以下、これらの安定性評価条件について説明する。これらは、例えば、非特許文献9等でまとめられる如く広く知られており、本発明の実施形態において利用することが可能である。
上記式200及び式201の状態空間表現モデルで表されるシステムにおいて、入力ベクトルu(t)を特定の時間関数を選択したとき、状態量ベクトルx(t)を任意の値にもっていくことができるならば、そのシステムは可制御である。システムが可制御であるためには、可制御性行列Ucのランクがnとなることが必要十分条件となる。なお、可制御性行列は、下記式202で表される。
ナイキストの安定判別法は、フィードバック系の内部安定性を判別する手法であり、開ループ伝達関数の周波数応答に基づき、ナイキスト線図を用いて図的に安定性を判別するものである。ナイキスト線図は、複素平面上にωを変化させたときの開ループ伝達関数の絶対値と位相角との関係を表したベクトル軌跡(ナイキスト軌跡)である。ナイキスト軌跡が点(−1,0)の周りを反時計方向にまわる回数が、開ループ伝達関数の不安定極の個数と等しいとき、制御系は安定であると判定することができる。ナイキストの安定判別法は、複雑な計算の必要がなく、高次の系やむだ時間系にも容易に適用できる。また、実データに基づいて判定することができ、直感的にもわかりやすい。
非線形システムである下記式207について、f(x)=0を満たす平衡点がx=0にあるものとする。リアプノフの安定性の定義は、x(0)が原点0(すなわち、平衡点)から少しずれたとき、x(t)が依然として原点近傍に留まり得るか否かを述べており、図16に示した安定性特性曲線のイメージで考えることができる。
1)xの全域でのリアプノフ関数V(x)が存在する
2)‖x‖→∞のとき、V(x)→∞となる
3)Vdot(x)≡0の解x(t)が式207の原点以外の開と恒等的に一致しない
の3つの条件が成立するならば、原点は大域的に漸近安定であることが知られている。なお、Vdot(x)は、式208に示すリアプノフ関数V(x)の時間微分を示す。
図4に示す操業制御部105による高炉操業の安定性評価の処理(ステップS15)の詳細を図18に示す。図18は、本実施形態に係る操業制御部105による高炉操業の安定性評価の処理を示すフローチャートである。
次に、図19を参照しながら、本発明の実施形態に係る高炉操業状態制御装置10のハードウェア構成について、詳細に説明する。図19は、本発明の実施形態に係る高炉操業状態制御装置10のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。
<高炉操業特徴量の演算に関する実施例>
以下では、まず、図20〜図25を参照しながら、本発明の第1の実施形態に係る高炉操業特徴量の演算に関する実施例について説明する。
1)初期状態(t=0以前)において:3相の温度分布 373[K]、3相の流速分布 0[m/s]
2)t=0[sec]において:
a:羽口熱風条件をステップ入力:熱風温度 1500[K]、熱風流量 6300[N・m3/min]、送風圧力 4[atm]
b:炉頂装入物(鉄鉱石+コークス)条件をステップ入力:装入物温度 373[K]、装入流量 375[ton/hour]
固体相・液体相・気体相の各非定常方程式を差分法及び一次オイラー法を用いて、t=0〜200[hour]の範囲で求解した。ここで、演算の経過時間更新のための時間刻みΔtは、3相共通に設定した。具体的には、Δt=0.0001[sec]である。
時間分解能の差に着目し、固体相・液体相については非定常方程式を利用し、気体相については定常方程式を利用した(すなわち、時間tによる偏微分の項を0とみなした。)。ここで、上記方程式の解は、t=0〜200[hour]の範囲で算出した。また、具体的な演算は、図11〜図14に示したような流れで実施するものとし、Δt1(すなわち、液体相及び気体相の時間刻み)=100[sec]、Δt2(すなわち、固体相の時間刻み)=1[sec]とした。
上述のような条件で高炉操業特徴量の演算を実施し、演算に要した時間を測定した。その上で、(第1の実施形態に係る演算方法の演算時間)/(従来法による演算時間)を算出することで、本演算方法による高速化の度合いを算出した。
このような演算の結果、第1の実施形態に係る演算方法は、従来法による演算結果に比べて、73.8倍の高速化を実現することができた。
上述のような条件のもとで、第1の実施形態に係る演算方法を実施することで算出された高炉操業特徴量の一例を、図20〜図25に示した。
3 高炉
5 センサ
7 制御手段
10 高炉操業状態制御装置
101 高炉操業情報取得部
103 高炉操業特徴量演算部
105 操業制御部
107 表示制御部
109 通信制御部
111 記憶部
121 演算制御部
123 パラメータ設定部
125 反応速度算出部
127 特徴量算出部
151 安定性評価部
153 制御方法決定部
Claims (8)
- 装入された鉄鉱石とコークスを含む原材料から、複数の化学反応からなる還元反応により溶銑を製造する高炉の操業において、前記原材料が固体相、液体相及び気体相の部分からなる装入物の状態を含む高炉の内部状態の指標値であって、高炉の操業状態を表す特徴量である高炉操業特徴量の時間変化を、メッシュで複数の領域に分割した高炉内部それぞれの領域での反応を記述するモデルを用いたシミュレーションにより演算する高炉操業特徴量演算装置であって、
前記高炉操業特徴量を算出する際に用いられる、時間刻み幅、又は、時間刻み幅及びメッシュの大きさを含む設定値であるパラメータを設定するパラメータ設定部と、
高炉に設けられた複数のセンサ及び高炉を制御する制御手段から取得した、高炉の操業状態に関するデータである高炉操業情報と、前記パラメータ設定部により設定された前記パラメータと、を用いて、前記高炉操業特徴量を算出する際に利用する前記化学反応の反応速度を算出する反応速度算出部と、
前記固体相、液体相及び気体相の相状態それぞれについて、前記パラメータ設定部により設定されたパラメータと、前記反応速度算出部により算出された前記反応速度と、前記高炉操業情報と、を利用して、前記相状態それぞれの前記高炉操業特徴量を算出する特徴量算出部と、
前記反応速度及び前記高炉操業特徴量を算出する際の演算上の経過時間の更新を行うとともに、前記パラメータ設定部、前記反応速度算出部及び前記特徴量算出部の制御を行う演算制御部と、
を備え、
前記パラメータ設定部は、前記固体相の前記高炉操業特徴量を算出する際の前記経過時間の時間刻み幅と、前記液体相の前記高炉操業特徴量を算出する際の前記経過時間の時間刻み幅と、前記気体相の前記高炉操業特徴量を算出する際の前記経過時間の時間刻み幅と、をオペレータの入力に基づき互いに独立に設定し、
前記演算制御部は、前記パラメータ設定部により設定されたそれぞれの前記時間刻み幅に基づいて、前記経過時間の更新を行う
ことを特徴とする、高炉操業特徴量演算装置。 - 前記パラメータ設定部は、前記気体相の高炉操業特徴量を算出する際の経過時間の時間刻み幅を、前記液体相及び前記固体相の高炉操業特徴量を算出する際の経過時間の時間刻み幅よりも長く設定することを特徴とする、請求項1に記載の高炉操業特徴量演算装置。
- 前記特徴量算出部は、前記固体相の高炉操業特徴量及び前記液体相の高炉操業特徴量を時間についての非定常モデルを利用して算出し、前記気体相の高炉操業特徴量を時間についての定常モデルを利用して算出することを特徴とする、請求項1又は2に記載の高炉操業特徴量演算装置。
- 前記反応速度算出部は、前記高炉に装入される鉄鉱石の還元反応の反応速度を、未反応成分であるFe2O3からなる未反応核と、Fe2O3が還元されることにより生成される還元反応生成物からなり、前記未反応核の表面に設けられる還元反応生成物層と、を有する未反応核界面モデルを利用して算出することを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の高炉操業特徴量演算装置。
- 前記反応速度算出部は、前記未反応核界面モデルとして、前記還元反応生成物層がFe2O3が還元されることにより生成されるFe3O4からなり、前記未反応核の表面に設けられる第1の還元反応生成物層と、Fe3O4が還元されることにより生成されるFeOからなり、前記第1の還元反応生成物層の表面に設けられる第2の還元反応生成物層と、を備える未反応核2界面モデルを利用することを特徴とする、請求項4に記載の高炉操業特徴量演算装置。
- 前記特徴量算出部は、前記固体相、前記液体相及び前記気体相の速度、前記固体相、前記液体相及び前記気体相の温度、前記固体相を構成する固体成分の体積分率、前記液体相及び前記気体相をそれぞれ構成する成分の密度、並びに、前記気体相の圧力の少なくとも何れかを算出することを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の高炉操業特徴量演算装置。
- 装入された鉄鉱石とコークスを含む原材料から、複数の化学反応からなる還元反応により溶銑を製造する高炉の操業において、前記原材料が固体相、液体相及び気体相の部分からなる装入物の状態を含む高炉の内部状態の指標値であって、高炉の操業状態を表す特徴量である高炉操業特徴量の時間変化を、メッシュで複数の領域に分割した高炉内部それぞれの領域での反応を記述するモデルを用いたシミュレーションにより演算する高炉操業特徴量演算方法であって、
前記高炉操業特徴量を算出する際に用いられる、時間刻み幅、又は、時間刻み幅及びメッシュの大きさを含む設定値であるパラメータを設定するパラメータ設定ステップと、
高炉に設けられた複数のセンサ及び高炉を制御する制御手段から取得した、高炉の操業状態に関するデータである高炉操業情報と、設定された前記パラメータと、を用いて、前記高炉操業特徴量を算出する際に利用する前記化学反応の反応速度を算出する反応速度算出ステップと、
前記固体相、液体相及び気体相の相状態それぞれについて、設定された前記パラメータと、算出された前記反応速度と、前記高炉操業情報と、を利用して、前記相状態それぞれの前記高炉操業特徴量を算出する特徴量算出ステップと、
前記反応速度及び前記高炉操業特徴量を算出する際の演算上の経過時間の更新を行う経過時間更新ステップと、
を含み、
前記パラメータ設定ステップでは、前記固体相の前記高炉操業特徴量を算出する際の前記経過時間の時間刻み幅と、前記液体相の前記高炉操業特徴量を算出する際の前記経過時間の時間刻み幅と、前記気体相の前記高炉操業特徴量を算出する際の前記経過時間の時間刻み幅と、がオペレータの入力に基づき互いに独立に設定され、
前記経過時間更新ステップでは、前記パラメータ設定ステップにより設定されたそれぞれの前記時間刻み幅に基づいて、前記経過時間の更新が行われる
ことを特徴とする、高炉操業特徴量演算方法。 - 装入された鉄鉱石とコークスを含む原材料から、複数の化学反応からなる還元反応により溶銑を製造する高炉の操業において、前記原材料が固体相、液体相及び気体相の部分からなる装入物の状態を含む高炉の内部状態の指標値であって、高炉の操業状態を表す特徴量である高炉操業特徴量の時間変化を、メッシュで複数の領域に分割した高炉内部それぞれの領域での反応を記述するモデルを用いたシミュレーションにより演算する高炉操業特徴量演算装置の機能をコンピュータに実現させるためのプログラムであって、
コンピュータに、
前記高炉操業特徴量を算出する際に用いられる、時間刻み幅、又は、時間刻み幅及びメッシュの大きさを含む設定値であるパラメータを設定するパラメータ設定機能と、
高炉に設けられた複数のセンサ及び高炉を制御する制御手段から取得した、高炉の操業状態に関するデータである高炉操業情報と、前記パラメータ設定機能により設定された前記パラメータと、を用いて、前記高炉操業特徴量を算出する際に利用する前記化学反応の反応速度を算出する反応速度算出機能と、
前記固体相、液体相及び気体相の相状態それぞれについて、前記パラメータ設定機能により設定されたパラメータと、前記反応速度算出機能により算出された前記反応速度と、前記高炉操業情報と、を利用して、前記相状態それぞれの前記高炉操業特徴量を算出する特徴量算出機能と、
前記反応速度及び前記高炉操業特徴量を算出する際の演算上の経過時間の更新を、前記パラメータ設定機能によりオペレータの入力に基づき互いに独立に設定された、前記固体相の前記高炉操業特徴量を算出する際の前記経過時間の時間刻み幅、前記液体相の前記高炉操業特徴量を算出する際の前記経過時間の時間刻み幅、及び、前記気体相の前記高炉操業特徴量を算出する際の前記経過時間の時間刻み幅に基づいて行うとともに、前記パラメータ設定機能、前記反応速度算出機能及び前記特徴量算出機能の制御を行う演算制御機能と、
を実現させるためのプログラム。
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