JPH075948B2 - 熱風炉の制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、高炉に熱風を供給する熱風炉の制御方法に
関する。

［従来の技術］ この種の熱風炉は、燃焼室と蓄熱室を備え、燃焼室内に
燃焼ガスを導入して燃焼し、その燃焼熱を蓄熱室内に蓄
熱する燃焼期間と、蓄熱室内の蓄熱を高炉側に送風する
送風期間とを繰り返しながら運転するようになってい
る。

たとえば、第９図において、熱風炉１はは、燃焼室R1と
蓄熱室R2とを備えている。この熱風炉１では、燃焼期間
は、燃焼室R1内に燃焼ガスを導入させて燃焼させ、その
燃焼熱を図中実線の矢印方向から蓄熱室R2に導いて蓄熱
する。一方、送風期間は、図中２点鎖線の矢印方向に送
風して、蓄熱室R2内の熱を、燃焼室R1内を通して高炉に
供給する。

このような熱風炉１は、通常、第10図のように、複数基
（一般に３〜４基）並列に接続され、それぞれが関連的
に稼動するようになっている。図において、左方から導
入した冷風は、熱風炉１−１〜１−４を通って熱風とさ
れ、図の右方に導出される。この場合、熱風の温度を一
定に保つために、コントロールバルブCVを通して冷風の
一部を導入し、混冷するようになっている。なお、各熱
風炉１−１〜１−４の燃焼系は、送風系と逆方向の系と
して形成される。

このように並列接続された熱風炉１−１〜１−４は、そ
れぞれの送風期間が重なるようにパラレル運転された
り、送風期間が重ならないようにシングル運転されたり
する。

従来、燃焼期間における燃焼ガスの流量制御は、シング
ル運転、あるいはパラレル運転のいかんにかかわらず、
燃焼期間終了時の排ガス温度を一定に保つように制御さ
れている。すなわち、第９図に示すP1点の、燃焼期間終
了時における温度、つまり、排ガス温度最終値が、予め
定めた設定値と等しくなるように、燃焼ガスの流量制御
を行っている。

第11図は、排ガス温度最終値と燃焼ガス流量との関係を
示す図である。このように、排ガス温度は、燃焼ガス流
量によって制御され、その最終値が、予め設定された値
になるようにコントロールされる。この設定値は、オペ
レータの経験と判断により定められるものであり、オペ
レータが変更しない限り、一定に保たれていた。

こうして、燃焼期間終了時の排ガス温度、すなわち排ガ
ス温度の最終値（最大値）を一定に保つことにより、蓄
熱室R2内の蓄熱量を一定に保つことが可能となり、送風
温度を一定に制御できる。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで、上述した従来の制御方法においては、燃焼終
了時の排ガス温度の設定値が一定に保たれていたため、
操業条件の変更、あるいは外乱等への対応は、オペレー
タが介在して、排ガス温度設定値を手動で変更しなけれ
ばならなかった。

この場合、操業条件に見合った設定値となるためには、
オペレータの熟練を要した。また、設定値が適正である
か否かを判断するために、オペレータが常時監視してい
る必要があった。

この発明は、このような背景の下になされたもので、燃
焼終了時の排ガス温度設定値をファジイ推論（あいまい
推論）を利用して求め、操業条件の変化に応じて常に適
正な蓄熱を自動的に行うことのできる、熱風炉の制御方
法を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 上記問題点を解決するためにこの発明は、燃焼室と蓄熱
室を備え、前記燃焼室内に燃焼ガスを導入して燃焼し、
その燃焼熱を前記蓄熱室内に蓄熱する燃焼期間と、前記
蓄熱室内の蓄熱を外部に送風する送風期間とを繰り返し
ながら運転する熱風炉において、前記送風期間の一定時
点における前記燃焼室の温度または炉出口温度と送風温
度との偏差を監視し、この偏差にファジイ推論を施し
て、前記一定時点以後に燃焼を終了する熱風炉の燃焼期
間の排ガス温度最終値を設定し、この排ガス温度最終値
に基づいて燃焼ガス流量を制御することを特徴とする。

［作用］ 上記方法によれば、燃焼期間終了時の排ガス温度の設定
値が、ファジイ推論により動的に求められる。

このファジイ推論では、オペレータの経験に基づいてル
ールを作成しやすく、特に難解な解析は必要ないから、
熟練オペレータの運転ノウハウを有効に活用できる。

また、運転中のルールテーブルの変更も容易なので、操
業変更や外乱があっても、常に適正な蓄熱を行うことが
可能となる。

従来、炉内の状態を測ることは困難で、その制御は難し
いプロセスとして知られているが（たとえば、寺野寿郎
「システム工学入門−あいまい問題への挑戦−」共立出
版株式会社 昭和60年p96参照）、この発明により、従
来困難とされていた熱風炉の自動制御化が可能となる。

［実施例］ 以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。な
お、制御対象としての熱風炉の構成は、第９図のものと
同様であり、それらの連結状態は、第10図と同様であ
る。

第１図は、この発明の一実施例の制御部の機能ブロック
図である。図において、１は熱風炉であり、たとえば、
４基の熱風炉１−ｉ（ｉ＝1,2,3,4）からなっている。

これらの熱風炉１−ｉは、第２図に示すように、４つの
フェーズI1〜I4を繰り返しながら、パラレル運転され
る。たとえば、第１フェーズI1では、熱風炉１−１〜１
−４が、それぞれ、送風期間（図中Ｂで示す）の後半、
送風期間の前半、燃焼期間（図中Ａで示す）の後半、燃
焼期間の前半にあり、第２フェーズI2では、それぞれ、
燃焼期間の前半、送風期間の後半、送風期間の前半、燃
焼期間の後半にある。つまり、各加熱炉１−ｉは、燃焼
期間と送風期間を２フェーズずつ繰り返して、パラレル
運転される。なお、第２図中、送風期間Ｂに関しては、
横軸は時間、縦軸は後述する出口温度を示している。一
方、燃焼期間Ａに関しては、横軸が期間を示しているだ
けで、横軸には何の意味もない。

各フェーズIiの開始時点ti、すなわち熱風炉１−ｉの燃
焼期間の中間点において、その熱風炉１−ｉの出口温度
TG（Ii）（第９図、第10図のP3点の温度）が測定され
る。

たとえば、熱風炉１−１の出口温度TG（I1）は、フェー
ズI1の開始時点t1に測定される。同様に、熱風炉１−２
の出口温度TG（I2）は、フェーズI2の開始時点t2に、熱
風炉１−３の出口温度TG（I3）は、フェーズI3の開始時
点t3に、熱風炉１−４の出口温度TG（I4）は、フェーズ
I4の開始時点t4に測定される。つまり、熱風炉１−ｉの
出口温度TG（Ii）は、フェーズIiの開始点tiで測定され
る。

上記出口温度TG（I1）を用い、他の要因も考慮しつつ、
フェーズ１の終了時点で燃焼を終了する熱風炉１−３の
排ガス温度最終値が決定される。次いで、フェーズ２の
開始時点で熱風炉１−２の出口温度TG（I2）が測定さ
れ、これを利用して熱風炉１−４の排ガス温度最終値が
決定される。こうして、熱風炉１の排ガス温度最終値が
逐次決定されて設定され、この設定値（以下、排ガス温
度設定値という）が満たされるように、燃焼ガス流量が
制御される。

再び第１図に戻る。各熱風炉１−ｉは、燃焼部1aと送風
部1bとを備えている。燃焼部1aの前段には、燃焼制御部
２が設けられている。燃焼制御部２は、上述した排ガス
温度設定値により、燃焼ガス流量を制御するものであ
る。

熱風炉１−ｉには、また、温度検出部３が付加され、各
部の温度を検出する。すなわち、熱風炉１−ｉの出口温
度Ｔ（Ii）は、上記のように測定され、排ガス温度最終
値の実測値TEXMAact、および冷風送風温度TAOは、以下
のように測定される。

排ガス温度の実測値TEXMAactは、第９図のP1点の温度で
あり、各熱風炉１−ｉ毎に、常時測定される。一方、冷
風送風温度TAOは、第10図のP5点の温度であり、各熱風
炉１−１〜１−４について共通に測定される。そして、
測定された温度に基づいて、燃焼制御部２へ供給する排
ガス温度設定値が決定される。この決定はファジイ推論
を利用して行なわれる。

以下、排ガス温度設定値の決定を行う機構につき説明す
る。なお、以下の説明は、熱風炉１−１の出口温度TG
（I1）等により、熱風炉１−３の排ガス温度設定値を決
定する場合を例にとって行うが、これは、第１図におい
てｉ＝1,k＝３とした場合に相当する。なお、他の熱風
炉の排ガス温度設定値も同様に決定される。

排ガス温度設定値を決定するには、現在の出口温度TG
（I1）と送風目標温度TOとの偏差に、ファジイ推論を施
すルール１と、上記偏差の長期傾向にファジイ推論を施
すルール２と、ルール１およびルール２の結果から排ガ
ス温度設定値を決定する過程とがある。以下、これらを
項目別に説明する。

（１）ルール１ まず、フェーズI1の開始時点t1に、熱風炉１−１の出口
温度TG（I1）が測定される。この温度TG（I1）は、第１
図の加え合わせ点５に供給され、送風目標温度TOとの偏
差ΔＴ（I1）が求められる。この場合、送風目標温度TO
に１％程度の余裕をとるために、バイアス温度T01が加
えられる。したがって、偏差ΔＴ（I1）は、次式で与え
られる。

ΔＴ（I1）＝TG（I1）−（TO＋T01） ……（１） すなわち、偏差ΔＴ（I1）は、熱風炉１−１の出口温度
TG（I1）から、余裕込みの送風目標温度（TO＋T01）を
引いたものであり、熱風炉１−１の蓄熱量の大きさに対
応する。したがって、偏差ΔＴ（I1）が大きいときに
は、燃焼ガス流量を減少させるような制御が行なわれる
であろう。

偏差ΔＴ（I1）は、PI制御部６に供給される。PI制御部
６は、比例ゲインがKP、積分ゲインがKIの特性を有し、
その出力は、加え合わせ点７に供給される。加え合わせ
点７は、基準となる排ガス温度設定値TEXMA0から、PI制
御部６の出力と、熱風炉１−３の前回排ガス温度設定値
TEXMAp（I3）とを引き、今回の排ガス温度設定値の変化
分ΔTEXMA1（I3）を求める。すなわち、次式のようにな
る。

ΔTEXMA1（I3） ＝TEXMA0−KP・ΔＴ（I1） −KI・ΔTI−TEXMAp（I3） ……（２） ただし、ΔTIは、 ΔTI（今回）＝ΔTI（前回）＋ΔＴ（I1） …（３） であり、ΔＴ（Ii）の積分値に相当する。なお、変化分
ΔTEXMA1（I3）の１は、ルール１の１を示している。

上記今回変化分ΔTEXMA1（I3）は、ファジイ推論部８に
供給される。ファジイ推論部８は、変化分ΔTEXMA1（I
3）を、第３図に示すような三角形状のメンバーシップ
関数M1に変換する。この種のメンバーシップ関数につい
ては、前述した文献や、富士時報Vol.58.No.4 1985等に
記載されている。

第３図において、横軸はΔTEXMA1（I3）の値を示し、縦
軸はメンバーシップ関数M1の値を示す。メンバーシップ
関数M1は、０から１までの値をとり、確定値ΔTEXMA（I
3）がｎのとき、その回りの値が、一つの集合（ファジ
イ集合）に帰属する度合を示している。このメンバーシ
ップ関数M1は、合成部９へ供給される。

（２）ルール２ 次に、偏差ΔＴ（I1）は、傾向演算部11と加え合わせ点
12とに供給され、ルールの演算が行なわれる。

傾向演算部I1は、最新８フェーズにおける偏差ΔＴ（I
i）の値、すなわち、現フェーズでの値ΔT1、フェーズ
前の値ΔT2、２フェーズ前の値ΔT3という具合にさかの
ぼり、ΔT8までの値を記憶している。そして、次の演算
により、長期の傾向（以下、トレンドという）ΔＴを算
出する。

ΔΔＴ ＝100・［（ΔT1＋ΔT2＋ΔT3＋ΔT4） −（ΔT5＋ΔT6＋ΔT7＋ΔT8）］ ／［４（TO−TAO）］（％） ……（４） ここで、TOは前述した送風目標温度、TAOは冷風送風温
度であり、これらの差は、加熱量すなわち蓄熱量に対応
する。したがって、トレンドΔΔＴは、蓄熱量に対する
出口温度TG（I1）の変化傾向（上昇か下降か）を表して
いる。

一方、加え合わせ点12は、送風目標温度からの偏差Δ
Ｔ′を求める。すなわち、 ΔＴ′＝TG（I1）−TO ……（５） となる。これに（１））式から求めた TG（I1）−TO＝ΔＴ（I1）＋T01 を代入すると、 ΔＴ′＝ΔＴ（I1）＋T01＝ΔT1＋T01 ……（６） となる。こうして求めたトレンドΔΔＴと、送風目標温
度からの偏差ΔＴ′とが、ファジイ推論部13に供給され
る。

ファジイ推論部13は、トレンドΔΔＴと送風温度からの
偏差ΔＴ′とから、後述するメンバーシップ関数M2を求
めるもので、次の〜の手順により処理を行う。

トレンドΔΔＴのメンバーシップ関数を求める。

送風目標温度からの偏差ΔＴ′のメンバーシップ関数
を求める。

これら２組のメンバーシップ関数に第６図のルールを
適用して、レートＤを求める。

このレートＤに、Ｃ＝（TEXMAact−TAO）/100をかけ
て、偏差ΔTEXMA2（＝Ｄ・Ｃ）のメンバーシップ関数M2
を求める。

以下、上記各手順につき説明する。

トレンドΔΔＴのメンバーシップ関数を求める。

第４図（ａ）に示すように、トレンドΔΔＴ［％］に対
して、三角形状の５つのメンバーシップ関数NB,NS,ZO,P
S,PBが対応する。そして、１つの確定値ΔΔＴに対し
て、一般に、２つのメンバーシップ関数が定まる。たと
えば、ΔΔＴの値が0.3％のときは、メンバーシップ関
数ZOとPSとが対応付けられる。なお、メンバーシップ関
数のＮは負、Ｐは正、Ｓは小、Ｂは大を意味する。した
がって、たとえば、NBは負の大を意味する。

送風目標温度からの偏差ΔＴ′メンバーシップ関数を
求める。

ファジイ推論部13は、同様にして、上述した送風目標温
度からの偏差ΔＴ′に対するメンバーシップ関数を決定
する。第４図（ｂ）は、この偏差ΔＴ′［℃］に対応す
る３つのメンバーシップ関数ZO,PS,PBを示しており、偏
差ΔＴ′に応じて、一般に２つのメンバーシップ関数が
選択される。

なお、この図で、T01は、前述したように、送風目標温
度のバイアスを表し、T01BNDは、出口温度が収まるべき
帯域幅の1/2を表している。この帯域幅は、プラントの
特性から経験的に定められるものである。

第５図は、これらの関係を示す図であり、横軸に時間、
縦軸に温度がとられている。まず、温度TOは、送風目標
温度であり、これにバイアス温度T01を加えたものが、
フェーズ中間時における出口目標温度T1（＝TO＋T01）
である。出口温度Ｔ（Ii）は、この目標温度T1になるよ
うに制御され、図に示す曲線のように、帯域内に収まる
ようになっている。なお、帯域の下限温度T0は、TO＋T0
1−T01BNDで与えられ、上限温度T2はTO＋T01＋T01BNDで
与えられる。

これら２組のメンバーシップ関数に第６図のルールを
適用して、レートＤを求める。

第４図の（ａ），（ｂ）で決められたメンバーシップ関
数から、第４図（ｃ））に示すレートＤのメンバーシッ
プ関数が選択される。たとえば、ΔΔＴの値が、NS＝0.
7、ZO＝0.3に対応し、偏差ΔＴ′の値が、PS＝0.6、PB
＝0.4に対応していたとすると、これら４つのメンバー
シップ関数に第６図の規則を適用して、第４図（ｃ）の
レートＤのメンバーシップ関数が選択される。

すなわち、第６図において、トレンドΔΔＴのNS,ZOと
偏差ΔＴ′のPS,PBとの交点から、PS（＃５）,ZO（＃6,
＃８）,NS（＃９）の４つのレートＤのメンバーシップ
関数が選択される。

なお、第６図の規則は、トレンドΔΔＴと偏差Ｔ′の値
を打ち消すようなメンバーシップ関数を対応させるよう
になっている。

以下、第７図を参照して、レートＤのメンバーシップ関
数の選択動作を説明する。

（ｉ）PS（＃５）0.6（第７図（ａ）参照） 第６図に示すように、トレンドΔΔＴのNSと、偏差Δ
Ｔ′のPSとの交点から、レートＤのメンバーシップ関数
PS（＃５）が選択される。また、第７図（ａ）に示すよ
うに、NS＝0.7とPS＝0.6の小さい方の値、すなわち0.6
が、レートＤのメンバーシップ関数PS（＃５）の値とし
て選ばれる。

（ii）ZO（＃６）＝0.4（第７図（ｂ）参照） 第６図に示すように、トレンドΔΔＴのNSと、偏差Δ
Ｔ′のPBとの交点から、レートＤのメンバーシップ関数
ZO（＃６）が選択される。また、第７図（ｂ）に示すよ
うに、NS＝0.7とPB＝0.4の小さい方の値、すなわち0.4
が、レートＤのメンバーシップ関数ZO（＃６）の値とし
て選ばれる。

（iii）ZO（＃８）＝0.3（第７図（ｃ）参照） 第６図に示すように、トレンドΔΔＴのZOと、偏差Δ
Ｔ′のPSとの交点から、レートＤのメンバーシップ関数
ZO（＃８）が選択される。また、第７図（ｃ）に示すよ
うに、ZO＝0.3とPS＝0.6の小さい方の値、すなわち0.3
が、レートＤのメンバーシップ関数ZO（＃８）の値とし
て選ばれる。

（iv）NS（＃９）＝0.3（第７図（ｄ）参照） 第６図に示すように、トレンドΔΔＴのZOと、偏差Δ
Ｔ′のPBとの交点から、レートＤのメンバーシップ関数
NS（＃９）が選択される。また、第７図（ｄ）に示すよ
うに、ZO＝0.3とNS＝0.4の小さい方の値、すなわち0.3
が、レートＤのメンバーシップ関数NS（＃９）の値とし
て選ばれる。

こうして求められたメンバーシップ関数を合成すると、
第７図（ｅ）に示すようになる。すなわち、トレンドΔ
ΔＴのNS＝0.7、ZO＝0.3と、偏差ΔＴ′のPS＝0.6、PB
＝0.4とを合成すると、上記（ｉ）〜（iv）によりNS＝
0.3、ZO＝0.4、PS＝0.6となり、同図に示すような台形
状の図形が合成され、同図の右端のようなメンバーシッ
プ関数M2が作成される。この場合、ZO（＃６）とZO（＃
８）との選択においては、値の大きい方を採用する。

上記レートＤに、Ｃ＝（TEXMAact−TAO）/100をかけ
て、偏差ΔTEXMA2とし、この偏差ΔTEXMA2に上記メンバ
ーシップ関数M2を対応させる。

すなわち、 ΔTEXMA2＝Ｄ・Ｃ ＝Ｄ・（TEXMAact−TAO）/100 ……（７） に上記メンバーシップ関数M2を対応させる。

なお、この値Ｃは、蓄熱量に対応するものであり、これ
をレートＤにかけることにより、ルール１で求めたメン
バーシップ関数M1と、ルール２で求めたメンバーシップ
関数M2のマッチングがとられる。

こうして求められたメンバーシップ関数M2が第１図の合
成手段９へ供給される。

（３）ルール１およびルール２の結果から、排ガス温度
設定値を決定する。

合成手段９は、ファジイ推論部８から供給されたメンバ
ーシップ関数M1（第８図（ａ））と、ファジイ推論部13
とから供給されたメンバーシップ関数M2（第８図
（ｂ））とを、第８図（ｃ）のように重ね合わせ、その
図形の重心をとる。この重心の横軸の値TCOMkが、今回
の変更分TCOMk［℃］として、加え合わせ点５に供給さ
れる。

加え合わせ点15においては、熱風炉１−３の前回の排ガ
ス温度設定値TEXMAp（I3）に、上記今回の変更分TCOMk
を加算し、今回の排ガス温度設定値TEXMA（I3）を求
め、これを燃焼制御部２に供給する。燃焼制御部２は、
供給された排ガス温度設定値TEXMA（I3）により、熱風
炉１−３の燃焼部1aへ供給する燃焼ガス流量を制御し、
燃焼期間の排ガス温度最終値が排ガス温度設定値TEXMA
（I3）と一致するように制御する。

こうして、各フェーズIiの開始時点tiにおいて、該フェ
ーズIiに燃焼を終了する熱風炉１−ｋの排ガス温度設定
値TEXMA（Ik）が、ファジイ推論を利用して自動的に決
定され、これにより燃焼ガスの流量制御が行なわれる。

なお、出口温度の代わりに、ドーム温度（第９図のP2点
の温度）を用いても、同様の作用・効果を得ることがで
きる。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明は、送風期間の一定時点
における燃焼室内の温度または熱風炉の出口温度にファ
ジイ推論を適用して、前記一定時点以後に燃焼期間を終
える熱風炉の燃焼排ガス温度最終値を、動的に設定する
ようにしたので、次の効果を得ることができる。

燃焼期間終了時の排ガス温度の設定値が、実際の送風
結果に応じてファジイ推論により求められ、自動設定さ
れる。このファジイ推論では、オペレータの経験に基づ
いてルールを作成しやすく、特に難解な解析は必要ない
から、熟練オペレータの運転ノウハウを有効に活用でき
る。

運転中のルールテーブルの変更も容易なので、操業変
更や外乱があっても、常に適正な蓄熱を行うことが可能
となる。

オペレータによる燃焼炉の常時監視、調整の必要性が
なくなる。また、オペレータの熟練度も低くて済む。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の制御部の構成を示すブロ
ック図、第２図は熱風炉４基によるパラレル運転時の切
替状況を示す図、第３図はPI制御部の出力に基づいてル
ール１のメンバーシップ関数M1を選択する方法を説明す
るための図、第４図は出口温度の長期的変化（トレン
ド）等からルール２によりメンバーシップ関数を選択す
る方法を説明するための図、第５図は出口温度の制御範
囲を示す図、第６図はトレンドΔΔＴと、送風目標温度
からの偏差ΔＴ′とに基づいて、メンバーシップ関数M2
を選択する際の規則を示す図、第７図はルール２による
メンバーシップ関数M2の合成方法を説明するための図、
第８図はルール１とルール２により作成されたメンバー
シップ関数M1,M2を合成する方法を説明するための図、 第９図は熱風炉の概略構成図、第10図は複数の熱風炉を
備えた送風系統の概略図、第11図は排ガス温度と燃焼ガ
ス流量との関係を示す概略図である。 １−１〜１−４……熱風炉、２……燃焼制御部、３……
温度検出部、8,13……ファジイ推論部、11……傾向演算
部、R1……燃焼室、R2……蓄熱室、Ａ……燃焼期間、Ｂ
……送風温度曲線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃焼室と蓄熱室を備え、前記燃焼室内に燃
   焼ガスを導入して燃焼し、その燃焼熱を前記蓄熱室内に
   蓄熱する燃焼期間と、前記蓄熱室内の蓄熱を外部に送風
   する送風期間とを繰り返しながら運転する熱風炉におい
   て、 前記送風期間の一定時点における前記燃焼室の温度また
   は炉出口温度と送風温度との偏差を監視し、この偏差に
   ファジイ推論を施して、前記一定時点以後に燃焼を終了
   する熱風炉の燃焼期間の排ガス温度最終値を設定し、こ
   の排ガス温度最終値に基づいて燃焼ガス流量を制御する
   ことを特徴とする熱風炉の制御方法。