一种基于时间和炉长的双维度步进式加热炉升温曲线优化设定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于时间和炉长的双维度步进式加热炉升温曲线优化设定方法，该方法根据炉内多个钢坯序列的加热工艺要求与钢坯状态，对炉内温度设定值进行时间和炉长两个维度的优化，与传统基于单个钢坯的加热炉长度方向单设定值优化相比，本发明专利技术所提出方法考虑到多个待加热钢坯序列的不同加热要求和前后排序，对每个炉温设定点的时间序列值也进行了优化，即通过炉温设定的时间序列动态优化，实现前后钢坯差异化加热工艺要求的精确控制，充分利用了加热炉的炉温动态调节能力，实现了钢坯的差异化加热，达到提高钢坯加热质量、降低能量消耗、降低氧化烧损、延长加热炉寿命的效果。

Optimization method for setting up temperature curve of double dimension step heating furnace based on time and length

The invention discloses a reheating furnace temperature curve optimization method based on time and the length of the furnace is double dimension step, the method based on the multiple sequence furnace billet heating process and billet state, optimizing setting value time and the length of the furnace of the two dimensions of the furnace temperature, and traditional heating furnace length the direction of a single Billet Based on single set value optimization compared to the method of the present invention considered a number of different heating requirements for heating billet sequence before and after sorting, for each set of temperature time series fixed value is also optimized by temperature setting time series dynamic optimization, realize accurate control of billet before and after the requirements of alienation the heating process, make full use of the temperature of the heating furnace dynamic adjustment ability, the difference of billet heating, improve billet heating quality and reduce energy dissipation Effect of reducing burning loss and prolonging service life of heating furnace.

【技术实现步骤摘要】
一种基于时间和炉长的双维度步进式加热炉升温曲线优化设定方法
本专利技术涉及钢铁生产中加热炉优化控制
，特别涉及一种基于时间和炉长的双维度步进式加热炉升温曲线优化设定方法。
技术介绍
目前，随着市场竞争的加剧，钢铁加热轧制工序由传统的大批量按计划生产向小批量、多钢种的小批量柔性生产模式转变，传统的基于大批量生产模式的加热炉控制模式无法适应灵活多变的柔性制造生产要求。钢坯加热炉是用来将初轧钢坯或者连铸钢坯加热到一定的温度分布以便粗轧机进行轧制的生产设备，钢铁工业是能源消耗的大户，其中仅加热炉的能耗就占钢铁工业总能耗的25％，提高加热炉的加热效率，降低能耗，对整个钢铁工业的节能具有重要的意义，特别是随着现代化轧机向连续、大型、高速、高精度和多品种方向发展，对钢坯的加热质量也提出了越来越高的要求。然而，加热炉是一个典型的复杂工业对象，包括热力学的、化学的和物理的各种过程，其本质上是一个具有典型的多变量、时变、非线性、强耦合、大惯性和纯滞后等特点的复杂工业生产对象。加热炉控制的目的是按照轧机轧制节奏，设定加热炉区段炉温，使钢坯在炉内充分受热，在钢坯出炉时其出炉温度和均热度满足轧制要求，同时要使所消耗的燃料尽量小。目前通常是通过控制加热炉区段炉温来达到控制加热炉内钢坯温度的目的。过去在钢铁产能长期不能满足我国消费需求的时代背景下，钢铁冶金企业普遍采用加热炉产量型高烧法，在燃料充足的前提下，按照钢坯加热温度的上限烧钢，以实现多烧快烧，尽量保证加热炉的生产能力与轧机生产能力的匹配，提高钢材产量。这样不仅导致了钢坯的氧化烧损严重,而且造成了加热炉的巨大能耗浪费,也使得加热炉的使用寿命缩短。近年来，随着我国钢铁产能供求关系的扭转，出于对降低生产成本、提高生产效率和产品质量的要求，加热炉的优化控制问题成为了国内外工业界和学术界共同关注的热点问题。对于钢坯的温升过程来说，每一块钢坯在理论上都唯一地对应着一条自己的最优温升曲线，只有钢坯的温度沿着这条温升曲线上升，才能保证钢坯的加热性能最好，钢坯消耗的热量最少。加热炉是用来加热钢坯的，钢坯的温升过程是通过加热炉的炉温提供的，因此要想给予钢坯相应的温度分布，加热炉的各段炉温必须有相应的炉温分布。可以说钢坯的最优温升曲线是与加热炉的最优炉温分布曲线相对应的，因此有必要寻找到加热炉的最优炉温分布曲线，有了这条最优炉温分布曲线，就可以通过加热炉燃烧控制系统来实现最佳的炉温分布。对加热炉进行优化控制的目的，实际上就是要在各个炉段的炉温允许范围内寻找最佳的炉温值，即为最优炉温设定值，从而用最少的能耗加热出满足要求的钢坯。炉温优化设定是一类典型的最优决策问题，根据已知的钢坯规格、种类、目标出炉温度、装炉温度和轧制节奏等工况，在加热炉过程模型、钢坯断面温差上限、钢还出炉时断面温差上限、钢还出炉表面温度区间、钢坯出炉时间约束等生产工艺约束下，设定各段炉温，使钢坯在合适的时间加热到合适的温度，且能耗最小。针对加热炉炉温设定的问题，国内也有相关专利和文献提出了一些解决方法，如：公开号为CN103697712A的专利《基于时间感度的动态加热炉炉温控制方法》，根据出炉节奏、加热炉加热能力与步进梁移动信息的最大值动态设定最短在炉时间，根据最短在炉时间，计算钢坯炉温感度值。公开号为CN103146905A的专利《一种基于钢坯优化加热曲线的加热炉炉温决策方法》，从加热炉膛内的传热机理出发，通过虚拟加热,以钢坯优化加热曲线为依据对一块钢坯当前位置所对应炉温进行修正，然后对加热炉每个控制段内所有钢坯对应炉温进行加权平均，从而计算获得加热炉各控制段的决策炉温。公开号为CN105018718A的专利《一种基于热负荷分配的加热炉工艺炉温控制方法》，在现有“料温模式”的基础上，将设备状态、产品工艺有机的结合起来，通过建立热负荷均衡调节模型，将产品温度偏差分配到典型产品所在的控制段，对加热炉燃烧的工艺炉温进行补偿修正，从而提高工艺炉温的控制精度，提高产品的加热质量，减少能源浪费。公开号为CN104894362A的专利《一种冷热钢坯混装的加热炉炉温设定方法》，通过计算某一加热段内所有钢坯的入炉温度均值和出钢温度计算模块获得出钢温度数值，共同补偿加热段的炉温设定，以在冷热钢坯混装时优化各加热段炉温设定以稳定出钢温度。授权号为CN100507027C的专利《热轧加热炉炉温动态设定控制方法》，采用钢坯温度预报模型前向递推计算钢坯所在段的段末温度，根据钢坯移动距离动态计算钢坯各炉段段末的目标温度，计算钢坯当前段所需要炉温，并考虑当前段所有钢坯的差异进行专家经验加权设定。授权号为CN102433428B的专利《一种加热炉钢坯加热过程的炉温控制方法》，根据加热炉内热量传递特点，基于钢坯的加热质量要求、生产设备安全等约束条件，采用自适应差分进化算法确定优化控制方案，从而得到加热炉的温度设定，实现钢坯加热过程中的温度控制。授权号为CN103952529B的专利《一种步进式加热炉基于热平衡的炉温优化方法》，利用炉内的热量平衡关系，建立炉温、钢温、供热量和热损失之间关系式，并根据炉型、钢坯规格、种类、目标出炉温度、装炉温度和轧制节奏等工况，计算出沿炉长方向的各段最优炉温，使钢坯在规定的时间内加热到合适的温度和允许的断面温差，且能耗最小。此外，金仁杰等在《连续加热炉数学模型控制中的炉温决策方法》(钢铁，1995，30(1)：67-71)、封筠等在《步进式加热炉炉温优化设定模型及软件开发》(控制与决策，1997,12(4)：369-372)、张卫军等在《加热炉炉温制度的多目标模糊优化方法》(中国有色金属学报，1998，8(2)：715-717)中也提出了加热炉炉温的优化设定方法。上述文献根据生产现场的实际情况,提出基于加热炉工程师及操作工加热经验的炉温优化设定模型,并保留了以钢坯预报模型为基础的机理模型，以备条件具备时使用。炉温优化设定模型根据实时采集的现场工况信号，通过对数据库的查询及知识库的搜索，决策出各段的优化炉温设定值。在此炉温制度下加热出的出炉钢坯可满足轧钢的质量要求，并可在一定程度上减少能耗，进而实现加热炉计算机优化控制的目的。以上公开的方法和文献，对加热炉的炉温优化问题从不同侧重点采用不同方法进行了研究，取得了一定效果，然而，上述方法在优化的过程中，将钢坯在炉内的加热过程视为在不同加热炉段恒定温度场内的缓慢升温过程，把炉温看成是一个改变钢坯温度的手段进行设定值的优化，是一种基于稳态工况的优化。实际上，加热炉生产过程中，加热炉的工况经常会出现各种各样的变化。钢坯的种类、规格、入炉温度及轧制节奏这些因素的变化都会造成钢坯的温度分布偏离理想加热曲线。严格来讲，稳态工况在实际生产中是不存在的，运用稳态加热炉炉温优化方法只能在近似条件和平均意义下保证钢坯加热的质量及加热炉的能耗最小，同时，炉内温度的变化是一个相对缓慢的过程，而同一炉段钢坯的轧制加热工艺要求常常各不相同，上述方法未能有效地利用不同段炉温的变化过程对钢坯进行差异化加热，即未充分利用加热设备的加热控制能力满足钢坯的差异化轧制工艺要求。因此，必须将炉温的变化过程与加热炉在炉内升温的动态过程与钢坯的轧制工艺要求综合考虑，在满足加热炉各项加热工艺约束的条件下，对加热炉工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于时间和炉长的双维度步进式加热炉升温曲线优化设定方法，其特征在于，该方法主要包括离线分析步骤和在线控制步骤，其中：所述离线分析步骤主要采集与炉温控制相关的参数，并以此为基础建立钢坯升温模型；所述在线控制步骤以预先给定的控制周期Δt

【技术特征摘要】
1.一种基于时间和炉长的双维度步进式加热炉升温曲线优化设定方法，其特征在于，该方法主要包括离线分析步骤和在线控制步骤，其中：所述离线分析步骤主要采集与炉温控制相关的参数，并以此为基础建立钢坯升温模型；所述在线控制步骤以预先给定的控制周期Δtc触发，用以实现步进式加热炉升温曲线的实时优化设定。2.根据权利要求1所述的一种基于时间和炉长的双维度步进式加热炉升温曲线优化设定方法，其特征在于，所述离线分析步骤中与炉温控制相关的参数包括：加热炉生产的所有钢种类型集合，记为Gra；对于每一个钢种g∈Gra，通过查表获得其热物理参数，包括各温度下该钢种的密度ρg、热容Cg及热导Kg；加热炉特征参数，包括加热炉的炉区数N、各炉区的炉长Ln,n＝1,2,...,N、各炉区炉气向钢坯的有效传热系数及各炉区水印的热损失系数ηn,n＝1,2,...,N。3.根据权利要求2所述的一种基于时间和炉长的双维度步进式加热炉升温曲线优化设定方法，其特征在于，所述离线分析步骤建立离散的钢坯升温模型，该模型能够预测钢坯在加热炉的升温情况，该模型只考虑钢坯厚度方向的温度梯度，而近似认为处于同一厚度位置的钢坯层温度处处相等，由此，钢坯温度分布成为与厚度位置x和时间t相关的函数，建立如下传热方程组：其中，上式中第一个方程表示钢坯内部的热传导过程；而第二个方程表示加热炉对钢坯下表面的传热过程，其中Tf为钢坯所在炉区的炉温值，hb是下表面等效传热系数，该参数与加热炉特性、水印参数、炉温及钢坯温度有关；第三个方程表示加热炉对钢坯上表面的传热过程，其中ht是上表面等效传热系数，该参数与加热炉特性、炉温及钢坯温度有关；第四个方程表示钢坯的初始温度值；将上面方程组进行位置离散化处理，其中，沿x方向将钢坯分解为m份，则得到钢坯温度分布向量Ts(k)如下式所示：其中，T1(k)对应钢坯上表面块的温度，Tm(k)为钢坯下表面块的温度；同时，进行时间离散化，假设当前时刻为k，对于给定的钢坯s，其钢种为g、长度为len、宽度为wdt、厚度为thk、当前钢坯温度分布为Ts(k)、钢坯移动速度v、当前钢坯在加热炉中的位置ps(k)和各炉区的炉温值基于上述信息，通过该模型可以计算得到k+1时刻钢坯温度分布Ts(k+1)，采用Mods表示模型关系，建立如下表达式：其中，由于钢坯s的钢种、长度、宽度、厚度、热物理参数，加热炉各炉区的长度、有效传热系数、水印的热损失系数均为常数，保留公式(1)中变量，可以简写为：Ts(k+1)＝Mods(Ts(k),ps(k),v,Tnf)(2)4.根据权利要求3所述的一种基于时间和炉长的双维度步进式加热炉升温曲线优化设定方法，其特征在于，假设当前的控制周期为k，加热炉内所有钢坯号的集合为Slab，所述在线控制步骤包括以下具体步骤：步骤S1：控制周期开始，采集数据并更新温度分布计算值与平均移动速度；步骤S2：校正各炉区出口处钢坯温度分布计算值；步骤S3：判断是否有新的钢坯进入加热炉，如有则计算其最优升温曲线；步骤S4：判断所有钢坯的最优升温曲线是否需要更新，如是则进行更新；步骤S5：采用极值优化算法求解多目标优化问题，得到各炉区的炉温最优设定值；步骤S6：将S5计算得到的各炉区炉温最优设定值下达至PLC，结束本控制周期计算。5.根据权利要求4所述的一种基于时间和炉长的双维度步进式加热炉升温曲线优化设定方法，其特征在于，步骤S1具体包括：步骤S11：采集当前的加热炉内钢坯移动速度v(k)，更新加热炉内所有钢坯的位置，即对于所有的ps(k)＝ps(k-1)+v(k)·Δtc，进而可以判断钢坯s所在的加热炉炉区n；步骤S12：根据该炉区炉温值上一时刻计算得到的钢坯s温度分布Ts(k-1)，当前的加热炉内钢坯移动速度v(k)，以及钢坯升温模型Mods，计算得到当前时刻钢坯s的温度分布Ts(k)；步骤S13：同时根据最近几个控制周期的移动速度值v(k)、v(k-1)、v(k-2)…v(k-q)，其中q为预先给定的值，计算最近一段时间内炉内钢坯平均移动速度6.根据权利要求4所述的一种基于时间和炉长的双维度步进式加热炉升温曲线优化设定方法，其特征在于，步骤S2具体包括：步骤S21：依次检查每一个温度检测装置下面是否有钢坯经过；步骤S22：假设有钢坯s正好经过某个温度检测装置，且检测到其表面温度值为TsSF(k)，则利用TsSF(k)对温度分布计算值Ts(k)进行修正。7.根据权利要求6所述的一种基于时间和炉长的双维度步进式加热炉升温曲线优化设定方法，其特征在于，步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鹏，周玄昊，潘再生，王绍亮，臧鑫，
申请(专利权)人：浙江中控研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33