加热炉最小能耗优化控制策略的研究

青山

　摘　要:以某钢厂推钢式连续加热炉为背景,建立了加热炉的动态数学模型,并在此基础上解
决了加热炉最小能耗优化控制问题。文中针对不同钢种,尤其是特种钢进行仿真计算,得出了各自
的最佳炉温设定曲线,并获得了满意的效果。
关键词:加热炉　最小能耗　数学模型
ABSTRACT:This paper establishes a continuous dynamic mathematic model of reheating furnace
and based on which ,resolves the problem of minimum consumption control of the furnace .And carries out
the simulation research calculations for various steel ,especially for the special steel with satisfied results.
KEYWORDS :Reheating furnace 　Minimum consumption 　Mathematical model
中图分类号:TP273 +
. 1 文献标识码:B
0 　引　言
节能是各工业部门极为重视的课题,自70 年代
能源危机以来,国际上各工业先进国对各种燃烧设
备的节能控制进行了广泛深入的研究。主要从设备
及自动控制两方面采取措施,且都已取得不小的进
展,大大降低了能耗。实践证明,自动控制技术是一
种有效的节能手段。
目前,我国加热炉能耗较大,提高我国加热炉自
动化水平,节能降耗具有现实意义。为深入地讨论
这一问题及获得具体数据,本文以某钢厂推钢式连
续加热炉为背景,研究加热炉节能优化控制问题。
众所周知,为了达到钢锭加热工艺及出炉温度的均
匀性要求,加热炉消耗了大量的能量,仅追求常规的
最佳燃烧控制是远远不够的。本文以实现加热炉生
产过程的最佳节能控制为目的,开发加热炉的计算
机监督控制层。这个问题用传统的经典控制理论的
方法是不能解决的,而必须依赖于以状态空间法为
基础的工业过程模型化及现代控制理论的应用,建
立加热炉动态数学模型,并以该模型为基础,应用过
程优化的理论,寻找以最小能耗为目标函数的最佳
炉温设定值,这样,不论在理论上和工程实践中均有
重要意义,将对传统的方法产生根本的变革。
1 　加热炉过程控制的基本内容
加热炉主要包括燃烧和热交换两大物理过程,
如何使其在各种状态下保持最佳燃烧,及如何根据
轧制节奏,组织加热炉的燃烧及加热过程,从而降低
能耗,提高成材率。这两方面就构成了现代加热炉
控制的基本内容,也是当前加热炉节能过程控制的
关键。
加热炉控制的主要目标是钢锭的加热质量,而
这又与轧制生产情况、钢料的规格种类、炉内加热时
间的长短密切相关。由于加热炉- 轧机生产工况的
复杂多变,由操作人员凭经验设定炉温往往留有加
热余量,这不仅导致加热炉能耗上升,而且对于钢材
质量指标也是有害的。因此,以计算机为工具,科学
地决定加热炉的设定控制是十分必要的。要实现加
热炉设定控制,其主要困难来自炉内钢锭的温度分
布的不可检测,解决这一问题的有效途径之一是建
立加热炉的数学模型,用加热过程的可测变量来估
计炉内钢锭的温度分布,然后把设定控制与钢锭出
炉温度联系起来,以求得最佳节能的加热炉炉温设
定值。因此,首先建立简单可行的加热炉钢锭加热
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　　　　　　自动化与仪器仪表
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数学模型,克服钢温的不可检测的困难,实时估计钢
锭的热状态,以便为操作人员提供操作指导,并为实
施节能优化控制策略提供必要条件。
2 　加热炉数学模型的建立
从工程角度看,建立性能良好,简单可靠,易于
工程实施的数学模型是实现加热炉计算机控制的关
键。有限差分法是求解导热问题的一种有效近似方
法,具有计算简单、计算精度高的特点,由于炉内钢
锭温度分布的实测数据很难获得,本文从机理入手,
以加热炉计算机控制为目的,运用有限差分原理,通
过时间空间同时离散化的方法,建立描述钢锭热状
态的动态数学模型。
加热炉是一个极其复杂的工业对象,是典型的
具有分布参数的工业设备。炉温与炉内钢锭温度不
仅是时间的函数,而且也是位置的函数。为简化最
终所建立的机理模型结构,在着手模型化工作之前,
特做一些适当的假设,这样就可以在此基础上,将钢
锭在炉内不稳定导热问题描述为二维偏微分方程及
相应的边界条件;采用移动坐标系,即坐标系与钢锭
同步移动,钢锭在移动坐标系中相对静止,这样,依
据有限差分原理,将在炉钢锭的不稳定导热方程及
相应的边界条件进行离散化处理,