专利名称：加热炉燃料量决策系统及其决策方法
技术领域：
本发明涉及加热炉优化控制技术领域，特别涉及基于钢坯优化加热曲线的加热炉燃料量决策方法。
背景技术：
加热炉是热轧生产中的重要设备，也是热轧产线耗能较大的设备之一，随着能源供应短缺与能源需求增长、过量的资源能源消耗量与有限的资源环境承载力的矛盾的突出，加之热轧产品和工艺装备的快速升级、高附加值钢板对加热炉加热工艺要求的不断提高，使加热炉面临节能降耗及提高自身控制水平的严峻挑战。
相关领域技术人员，针对上述问题进行了大量的研究工作，尤其在加热炉优化控制数学模型开发方面，最典型的主要有两种一是，基于数据挖掘及统计理论开发的加热炉炉温设定值优化模型，其主要包括数据采集与数据挖掘分析两个模块。数据处理主要完成实时数据采集获取加热炉当前温热制度，然后通过数据挖掘分析模块将采集的生产数据处理成分析样本并按照一定的规则存储于数据库中，生产时从数据库中获取加热炉当前状态的最优炉温设定值；二是，基于热工专业理论开发的加热炉炉温决策数学模型及加热炉内钢坯温度预测数学模型。
前者撇开了热工专业理论，样本的优劣直接影响炉温决策及钢温预报，从而影响加热炉控制效果，其用于指导实际生产显然无法合理实现加热炉最优控制及节能降耗宗旨；后者更注重加热炉炉温决策及钢温预报，其主要是通过基于热工专业理论建立的加热炉二级核心数学模型进行最优炉温设定值的计算作为决策炉温，并将其下发至一级，再由一级根据该决策炉温与加热炉内热电偶的检测炉温之间偏差的大小逐步进行燃料量的调节，直至这种偏差满足控制精度为止，这种调节近似于“收敛”的过程，显然这种炉温的决策只是实现加热炉优化控制的间接方法，鉴于加热炉“大滞后、大热惯性”的特点，这种决策并不会最大程度实现加热炉的节能降耗。 发明内容
本发明所解决的技术问题是针对上述问题提供一种基于钢坯优化加热曲线的加热炉燃料量决策方法，该方法通过加热炉二级核心数学模型直接计算加热炉燃料量决策值，并直接下发至执行机构，避免了以往一级控制系统通过二级控制系统下发的决策炉温与加热炉内热电偶检测炉温的偏差不断调节燃料量的“收敛”过程，利于实现加热炉节能降耗及最优控制。
本发明解决所述技术问题主要采取如下技术方案加热炉燃料量决策系统,包括 计算参数初始化模块，用于对决策计算参数的初始化；优化加热曲线生成模块，用于对每块钢坯计算生成其优化加热曲线；控制方程求解模块，用于计算获得钢坯平均温度及表面温度；钢坯位置跟踪模块，用于预报钢坯当前位置；燃料量决策模块，用于计算获得燃料量决策值；上述各模块依次相连。
所述的系统，控制方程求解模块包括能量平衡方程及炉墙导热方程求解子模块， 用于获得炉气温度场及炉墙温度场；钢坯导热方程求解子模块，用于获得钢坯温度场；这两个子模块依次相连。
所述的系统，钢坯位置跟踪模块和燃料量决策模块之间还依次接有目标钢温计算模块和燃料量决策系数计算模块，目标钢温计算模块用于计算相应的钢坯目标平均温度和表面温度，燃料量决策系数计算模块用于计算燃料量决策值所需要的决策系数。
加热炉燃料量决策方法，依次包括以下步骤
SI)通过计算参数初始化模块对钢坯信息和加热炉信息进行初始化，并将计时器初始化为零；
S2)调用优化加热曲线生成模块，对每块钢坯计算生成其优化加热曲线，即计算生成包含M个元素的钢还位置数组POS [M],及与其对应的包含MXN个元素的钢还节点温度数组TEMP[M，N] ;M为按加热炉炉长方向划分的位置数目，N为钢坯厚度方向的节点数目；
S3)调用控制方程求解模块，根据当前燃料量Qfuei得到新的炉内温度场及钢坯温度场；
S4)调用钢坯位置跟踪模块，计算钢坯当前位置POSnqw，然后利用优化加热曲线模块生成的钢坯优化加热曲线计算钢坯当前位置所对应的目标平均温度t·, aim及目标表面initsuf, aim ；
S5)令燃料量Qfuel = Qfuel+ ζ，ζ为一个大于零的小量，控制方程求解模块按照步骤S3相同的计算方法获得燃料量为Qfuel+ ζ时的炉内温度场及钢坯温度场；
S6)调用燃料量决策模块，根据步骤S3、S4、S5计算获得的数据计算获得本决策周期的燃料量决策值。
所述的方法，步骤SI的钢坯信息包括钢坯几何尺寸、钢种及其物性参数和上一燃料量决策周期记录的钢坯温度场，加热炉信息包括热电偶检测的加热炉当前炉温、仪表监测的燃料及空气量、炉墙厚度及其物性参数、加热炉出钢节奏、上一燃料量决策周期记录的炉内温度场。
所述的方法，步骤S2生成优化加热曲线的方法为对每块钢坯计算生成其优化加热曲线，即以钢坯在加热炉内加热至目标温度所需的最小燃料消耗量为目标函数，仿真计算钢坯在加热炉内的运动及加热升温过程获得，所述目标函数为，在加热炉加热过程中，钢坯表面温升对钢坯在加热炉内加热时间的积分，其计算式如下
J = ^Tmnf {t)di
式中，tl、t2分别为钢坯入炉时间与出炉时间，Tsurf⑴为加热过程中钢坯表面温度随时间的变化函数，J表示燃料消耗量大小，即所述目标函数的值。
所述的方法，步骤S3具体包括设当前为第k个控制周期，能量平衡方程及炉墙导热方程求解子模块根据燃料量Qfml及热电偶检测的各炉段炉温求解能量平衡方程和炉墙导热方程，获得本次燃料量决策周期的炉气温度场及炉墙温度场；
能量平衡方程为
Qcombustion+Qair+Qfuel，in+Qgas+Qconvec+Qradi+Qcool+Qother
式中，Qrambustim为燃料燃烧化学热，Qair为空气带入的物理热，Qfueljin为燃料带入的物理热，Qgas为烟气载热，Qconvec为炉气对流换热量，Qradi为炉气辐射收入热量，Qcool为冷却介质吸收热量，Qother为其他方式热交换热量；
炉墙导热方程为
权利要求
1.加热炉燃料量决策系统，其特征在于包括计算参数初始化模块，用于对决策计算参数的初始化；优化加热曲线生成模块，用于对每块钢坯计算生成其优化加热曲线；控制方程求解模块，用于计算获得钢坯平均温度及表面温度；钢坯位置跟踪模块，用于预报钢坯当前位置；燃料量决策模块，用于计算获得燃料量决策值；上述各模块依次相连。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，控制方程求解模块包括能量平衡方程及炉墙导热方程求解子模块，用于获得炉气温度场及炉墙温度场；钢坯导热方程求解子模块， 用于获得钢坯温度场；这两个子模块依次相连。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于钢坯位置跟踪模块和燃料量决策模块之间还依次接有目标钢温计算模块和燃料量决策系数计算模块，目标钢温计算模块用于计算相应的钢坯目标平均温度和表面温度，燃料量决策系数计算模块用于计算燃料量决策值所需要的决策系数。
4.加热炉燃料量决策方法，其特征在于依次包括以下步骤S1)通过计算参数初始化模块对钢坯信息和加热炉信息进行初始化，并将计时器初始化为零；S2)调用优化加热曲线生成模块，对每块钢坯计算生成其优化加热曲线，即计算生成包含M个元素的钢坯位置数组POS [M]，及与其对应的包含MXN个元素的钢坯节点温度数组 TEMP[M, N] ;M为按加热炉炉长方向划分的位置数目，N为钢坯厚度方向的节点数目；S3)调用控制方程求解模块，根据当前燃料量Qflffil得到新的炉内温度场及钢坯温度场；S4)调用钢坯位置跟踪模块，计算钢坯当前位置POSmw,然后利用优化加热曲线模块生成的钢坯优化加热曲线计算钢坯当前位置所对应的目标平均温度t_, aim及目标表面温度t_, aimS5)令燃料量Qflffil= Qfuel+ ζ , ζ为一个大于零的小量，控制方程求解模块按照步骤S3 相同的计算方法获得燃料量为Qfml+ξ时的炉内温度场及钢坯温度场；S6)调用燃料量决策模块，根据步骤S3、S4、S5计算获得的数据计算获得本决策周期的燃料量决策值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于步骤SI的钢坯信息包括钢坯几何尺寸、 钢种及其物性参数和上一燃料量决策周期记录的钢坯温度场，加热炉信息包括热电偶检测的加热炉当前炉温、仪表监测的燃料及空气量、炉墙厚度及其物性参数、加热炉出钢节奏、 上一燃料量决策周期记录的炉内温度场。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S2生成优化加热曲线的方法为对每块钢坯计算生成其优化加热曲线，即以钢坯在加热炉内加热至目标温度所需的最小燃料消耗量为目标函数，仿真计算钢坯在加热炉内的运动及加热升温过程获得，所述目标函数为，在加热炉加热过程中，钢坯表面温升对钢坯在加热炉内加热时间的积分，其计算式如下
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S3具体包括设当前为第k个控制周期，能量平衡方程及炉墙导热方程求解子模块根据燃料量Qflffil及热电偶检测的各炉段炉温求解能量平衡方程和炉墙导热方程，获得本次燃料量决策周期的炉气温度场及炉墙温度场；能量平衡方程为
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S4求解目标平均温度t_aim及目标 表面温度tsuf,aiD1的方法为根据步骤S2中生成的钢坯优化加热曲线调用目标钢温计算模块插值计算钢坯当前位 直所对应的目标平均温度tav6, aim及目标表面温度tsuf, aim ；所述目标平均温度aiffl及目标表面温度tsuf, aiffl按公式⑴、⑵计算
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤S5具体包括551)根据计时器计时情况，判断是否到达燃料量决策周期，如未到达，则计时器继续计 时，并转至步骤S3继续计算；如到达，则记录tave,
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤S6获得本决策周期的燃料量决策值 ； 的方法包括S61)燃料量决策系数计算模块按下式(7)、(8)计算燃料量决策系数Cp C全文摘要
本发明涉及加热炉优化控制技术领域，特别涉及加热炉燃料量的决策方法。一种基于钢坯优化加热曲线的加热炉燃料量决策方法，其主要包括优化加热曲线生成模块、控制方程求解模块、钢坯位置跟踪模块及燃料量决策模块。其特征在于，首先通过优化加热曲线生成模块离线或者在线计算生钢坯的优化加热曲线，然后基于该优化加热曲线进行燃料量决策，将二级核心数学模型决策的燃料量直接下发至执行机构，避开了以往一级控制系统通过二级控制系统下发的决策炉温与加热炉内热电偶检测炉温的偏差不断调节燃料量的“收敛”过程，利于实现加热炉节能降耗及最优控制。
文档编号C21D9/70GK102994732SQ20121050848
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者段广东, 李继钊, 周末, 郑剑辉 申请人:中冶南方(武汉)威仕工业炉有限公司