蓄热式加热炉控制模型研究

论文摘要

加热炉是轧线和连铸机之间的重要环节,它按照轧线节奏提供满足加热质量的板坯同时要尽量节能。在当前国内国际能源短缺,能源需求增加,排放严格的形势下,如何节约能源同时减低排放成为重要课题。蓄热式加热炉的出现正体现了这种要求,它采用了高温空气燃烧技术,该技术通过蓄热高温烟气热焓来预热空气或煤气从而提高了燃料理论燃烧温度。蓄热式加热炉与传统加热炉相比具有一些优点,比如工艺温度更高,能回收更多烟气热焓,低氧燃烧污染小,热效率高等;可是,蓄热式加热炉也有一些缺点。比如蓄热式加热炉的预热段难以控制,炉尾烟气易超温,严重时甚至烧坏换热器管道,引起故障停工。蓄热室的尾部烟气也容易超温,严重时烧坏换向阀;由于加热炉本身的大惯性,非线性,多变量,控制本身就具有复杂性,蓄热式加热炉的操作更加复杂。蓄热室的换向操作过于频繁且本身也存在延时,这不仅造成不同负荷下蓄热式加热炉火焰宽度难以控制,炉温调节不连续,另外也造成换向阀磨损加剧,寿命减少。本论文研究内容为:①推导钢温模型并求出代数形式解用于炉温决策研究。本文决策采用模式法以加热质量和燃料积分为性能指标,钢坯升温速度以及相邻段温差限制为约束进行优化求得局部解。②在连续式加热炉热平衡理论基础上,针对蓄热式加热炉的新特点采用分段能量分析法建立蓄热式加热炉热平衡模型,模型包括炉膛热平衡负荷分配模型和蓄热室能量平衡模型。在这一部分,还推导了只有预热段和炉尾段的热平衡模型用于研究控制段与非控制段之间的特殊平衡情况。③依据经典热学与传热学理论,采用微元蓄热体与气体能量守恒的思路建立蓄热室过程模型并利用该模型模拟换向工作过程以及气体流量、换向周期的决策。④在研究加热炉产量与加热质量这一对矛盾的基础上,建立以产量与加热质量为目标炉长分段以及各温度过程量为参数的产量与加热质量模型。本论文重点就是对热平衡负荷分配以及蓄热室操作在机理上进行建模并作一些仿真控制研究。目的有三个:一是提供对蓄热式加热炉的运行机理的一些理解,为炉温设定,供气与排气分配,换向等操作做一个指导。二是研究蓄热式加热炉在何种情况下是节能的,如何发挥蓄热式加热炉的节能潜力。三是如何规避蓄热式加热炉这个复杂工业过程系统所出现的炉温调节不连续,超温正反馈等一系列问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 蓄热式加热炉模型研究意义
• 1.3 蓄热式加热炉的特点
• 1.4 加热炉模型研究综述
• 1.4.1 炉温优化决策
• 1.4.2 蓄热室模型研究
• 1.5 本论文主要工作
• 第二章 蓄热式加热炉钢温预报模型
• 2.1 热力学理论基础
• 2.1.1 经典热力学与传热学简要回顾
• 2.1.2 通用导热方程式
• 2.1.3 钢温模型的背景
• 2.2 钢坯导热过程建模
• 2.2.1 建模对象及其边界分析
• 2.2.2 模型数学描述
• 2.2.3 求解过程
• 2.2.4 模型实例仿真
• 2.3 小结
• 第三章 蓄热式加热炉蓄热室预报模型
• 3.1 蓄热室研究综述
• 3.2 蓄热室物理模型
• 3.2.1 工作原理
• 3.2.2 蓄热室指标
• 3.3 蓄热室数学模型
• 3.3.1 蓄热室内过程及特点
• 3.3.2 蓄热室建模
• 3.3.3 模型方程推导
• 3.3.4 模型求解
• 3.4 模型实例仿真
• 3.4.1 模型求解迭代过程
• 3.4.2 模型参数和接口
• 3.4.3 模型仿真结果
• 3.4.4 换向周期与气体流量研究
• 3.5 小结
• 第四章 蓄热式加热炉热平衡负荷分配模型
• 4.1 热平衡模型的意义
• 4.1.1 传统连续式炉热平衡
• 4.1.2 蓄热式加热炉热平衡
• 4.2 蓄热式加热炉热平衡数学模型
• 4.2.1 模型假设与热焓表示
• 4.2.2 各段热量收支及蓄热室平衡
• 4.2.3 模型方程
• 4.2.4 模型求解
• 4.3 预热段和炉尾段模型
• 4.4 模型仿真研究
• 4.4.1 总管煤气需求仿真
• 4.4.2 炉尾烟气温度对设定的影响
• 4.4.3 分段供热与排烟仿真
• 4.5 小结
• 第五章 蓄热式加热炉产量与加热质量模型
• 5.1 问题来源
• 5.2 模型建立过程
• 5.2.1 节奏建模
• 5.2.2 加热质量建模
• 5.3 小结
• 5.4 模型工具说明
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文