包鋼帶電力公司加熱爐燃燒過程計算機控制系統(tǒng)的研究

包鋼帶電力公司加熱爐燃燒過程計算機控制系統(tǒng)的研究

由于加熱爐熱過程的數(shù)學(xué)模型以及加熱爐燃燒過程的計算機控制，對加熱爐的熱過程、燃燒過程的數(shù)學(xué)模型以及加熱爐燃燒過程的計算機控制的研究非常廣泛?？梢哉f，許多應(yīng)用的新理論、新技術(shù)可以不斷加深對加熱爐燃燒過程的理解。因此，在當(dāng)前的技術(shù)條件下，不僅需要研究加熱爐熱過程的數(shù)學(xué)模型和燃燒過程的計算機控制，而且可以實現(xiàn)對生產(chǎn)和設(shè)計的指導(dǎo)意義上的許多技術(shù)成果。1相耦合的數(shù)學(xué)模型氣體力學(xué)湍流模型、燃燒模型、爐內(nèi)輻射傳熱模型、鋼坯導(dǎo)熱模型相耦合的數(shù)學(xué)模型作為加熱爐熱過程數(shù)學(xué)模型比較真實而全面地反映了加熱爐熱工的全過程,在此基礎(chǔ)上應(yīng)用數(shù)值計算的方法去求解火焰溫度場、爐氣的流場與溫度場、爐墻溫度場及加熱鋼坯的溫度場.1.1湍流相對分子質(zhì)量計算ff加熱爐熱過程中的爐膛內(nèi)爐氣流動、對流傳熱傳質(zhì)與燃燒過程幾乎全部是湍流過程,因此湍流模型是加熱爐熱過程數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ).目前以半經(jīng)驗理論為基礎(chǔ),廣泛研究和應(yīng)用的湍流輸運模型基本上是圍繞著湍流輸運通量進行的,對加熱爐內(nèi)氣體流動的研究通常是引入湍流粘性系數(shù)的概念,以普朗特混合長度理論為依據(jù)而建立k-ε雙方程模型.其控制方程為:連續(xù)方程:?ρ?τ+??xj(ρuj)=0?ρ?τ+??xj(ρuj)=0;(1)動量方程:??τ(ρui)+??xj(ρuiuj)=-?p?xi+??xj[μeff(?ui?xj+?uj?xi)]；(2)??τ(ρui)+??xj(ρuiuj)=??p?xi+??xj[μeff(?ui?xj+?uj?xi)]；(2)k方程:??τ(ρk)+??xj(ρujk)=??xj(μeff?k?xj)+μt?ui?xj(?uj?xi+?ui?xj)-CDρk3/2/l；(3)??τ(ρk)+??xj(ρujk)=??xj(μeff?k?xj)+μt?ui?xj(?uj?xi+?ui?xj)?CDρk3/2/l；(3)ε方程:??τ(ρε)+??xj(ρujε)=??xj(μeff?ε?xj)+C1εkμt?ui?xj(?uj?xi+?ui?xj)-C2ρε2/k；(4)??τ(ρε)+??xj(ρujε)=??xj(μeff?ε?xj)+C1εkμt?ui?xj(?uj?xi+?ui?xj)?C2ρε2/k；(4)式中,ρ為密度,kg/m3;τ為時間,s;xj為直角坐標(biāo)系j方向的坐標(biāo);uj為直角坐標(biāo)系j方向上的速度,m/s;p為壓力,Pa;μ0為分子粘性系數(shù),Pa·s;μt為湍流動力粘性系數(shù),Pa·s,μt=Cμρk2/ε;μeff為湍流有效粘性系數(shù),Pa·s;μeff=μ0+μt;k為湍流脈動動能;Cμ為系數(shù),Cμ=0.09;CD為系數(shù),CD=0.08～0.38;l為湍流的脈動普朗特混合長度;ε為湍流脈動動能耗散系數(shù);C1為系數(shù),C1=1.44;C2為系數(shù),C2=1.92.湍流流動的k-ε雙方程模型在實際工程應(yīng)用中取得了巨大的成就,給出了大批與實驗吻合的數(shù)值解,使越來越多的科技人員認(rèn)識到湍流k-ε雙方程模型的可靠性和實用性,是目前應(yīng)用最廣泛的工程模型.因此,用k-ε雙方程湍流模型來描述加熱爐爐膛內(nèi)爐氣流動過程是完全適用的.1.2+xj加熱爐燃燒過程數(shù)學(xué)模型研究是對加熱爐實際燃燒過程進行理論模型和數(shù)值計算的研究,包括基本方程、理論模型、數(shù)值方法、計算機程序和應(yīng)用等幾個方面.加熱爐燃燒過程是1個湍流燃燒過程,控制加熱爐燃燒過程的基本方程組由式(1),(2),(3)和(4)及能量方程、組分方程組成,其中,能量與組分方程數(shù)學(xué)表達(dá)式分別為:能量方程:??τ(ρh)+??xj(ρujh)=??xj(Γh?h?xj)+˙Sh??τ(ρh)+??xj(ρujh)=??xj(Γh?h?xj)+S˙h;(5)組分方程:??τ(ρms)+??xj(ρujms)=??xj(Γs?ms?xj)+˙RS?(6)式中,h為熱焓,kJ/(kg·K);Γh為熱擴散系數(shù),W/(m·K);Sh為熱焓源項,W/m3;ms為組分,%;Γs為組分?jǐn)U散系數(shù),m2/s;Rs為反應(yīng)源項,1/s.其它符號同前.在對上述基本方程進行雷諾分解和平均,建立平均量的控制微分方程的過程中,卻出現(xiàn)了新的未知量,導(dǎo)致了加熱爐燃燒過程方程組的不封閉.研究者們不得不設(shè)法用近似但可解的方程組去取代嚴(yán)格而不可解的方程組,這個過程稱為模化或模擬.不同的?；椒ɑ蚍桨妇蜆?gòu)成了不同的模型.目前,加熱爐燃燒過程的數(shù)學(xué)模型采用的是Spalding等人提出的湍流燃燒模型,具體地說,包括:擴散火焰的k-ε-g模型、預(yù)混火焰的旋渦破碎模型、預(yù)混火焰的拉切滑模型、幾率分布函數(shù)的輸運方程模型和平均反應(yīng)速率的輸運方程模型.由于目前軋鋼加熱爐燃燒過程大部分是預(yù)混火焰燃燒過程,因此,考慮到湍流混合、分子輸送和化學(xué)動力學(xué)3方面的影響,一般都采用Spalding在1976年提出的“拉切滑模型”作為加熱爐燃燒過程的數(shù)學(xué)模型進行計算機模擬研究.1.3輻射射導(dǎo)系數(shù)的ka加熱爐爐膛內(nèi)的輻射換熱是爐內(nèi)傳熱的主要傳熱方式,加熱爐爐內(nèi)輻射傳熱過程包括火焰輻射、爐墻輻射、爐氣介質(zhì)輻射等過程.描述爐內(nèi)輻射換熱的基本方程是1個微分-積分方程,即:diλds=-αλiλ(s)+αλiλb(s)-σsλiλ(s)+σsλ4π?∫ωi=4πiλ(s,ωi)Φ(λ?ω?ωi)dωi?(7)iλ(kλ)=iλ(0)exp(-kλ)+∫kλ0Ιλ(kλ,ω)exp[-(kλ-kˉaλ)]dkˉaλ?(8)式中,iλ為輻射強度,W/(m2·Sr);s為輻射射程,m;αλ為輻射吸收系數(shù);σsλ為輻射散射系數(shù);ωi為空間立體角,Sr;Φ(λ,ω,ωi)為輻射相函數(shù);kλ為輻射衰減系數(shù),1/m;k*λ為虛擬輻射衰減系數(shù),1/m;λ為波長,μm.對于這個方程的求解問題,科技工作者們進行了大量的研究并取得了良好的結(jié)果.目前研究爐內(nèi)輻射換熱的數(shù)學(xué)模型主要有區(qū)域法、通量法、蒙特卡洛法和離散傳播法4種.這4種方法各有優(yōu)缺點,很難說哪種方法最佳.對于某一具體的加熱爐輻射傳熱問題,用哪種方法較好,這要看它的計算精度、所允許的計算費用和適用程度.蒙特卡洛法與李保衛(wèi)教授提出的“新熱流法”通常能得到較精確的結(jié)果.1.4穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型通過建立加熱爐熱過程中鋼坯加熱過程數(shù)學(xué)模型來研究鋼坯加熱過程中鋼坯內(nèi)部溫度場是廣泛應(yīng)用的研究方法.根據(jù)計算機自動控制的不同要求,大體上分為:用于加熱爐在線控制的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型和非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型;用于加熱爐離線計算機模擬的三維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型和非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型.其控制方程如下:ρCp?t?τ=??x(λ?t?x)+??y(λ?t?y)+??z(λ?t?z)?(9)式中,λ為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);Cp為比熱,W/(m2·℃);t為溫度,℃.低維導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型形式簡單、計算機求解方便,雖然在精度上有所不足,但在加熱爐熱過程計算機在線控制方面,可以滿足現(xiàn)場的工藝要求.三維導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果精度高,真實反映了鋼坯在加熱過程中的瞬時溫度分布和變化,但由于數(shù)值計算求解過程計算工作量大,目前還很難將其應(yīng)用到加熱爐在線控制系統(tǒng)中,一般都是用于低維數(shù)學(xué)模型的參考、修正或研究鋼坯軋制工藝熱過程.隨著計算機計算速度的提高和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展,三維數(shù)學(xué)模型將應(yīng)用于加熱爐動態(tài)計算機控制系統(tǒng)中.2數(shù)值計算機工作加熱爐熱過程數(shù)學(xué)模型的求解在數(shù)理方法(解析法)上是無法進行的,只能利用計算機進行數(shù)值計算.數(shù)值計算工作主要包括網(wǎng)格生成技術(shù)、控制方程的離散化、離散化方程求解及結(jié)果輸出技術(shù)等方面.2.1網(wǎng)格系統(tǒng)的組成加熱爐熱過程的空間網(wǎng)格生成技術(shù)是控制方程離散化的基礎(chǔ).網(wǎng)格的劃分關(guān)系到離散化控制方程的難易,關(guān)系到求解離散方程的收斂性、經(jīng)濟性和準(zhǔn)確性.建立網(wǎng)格系統(tǒng)的方式可以是人為劃定或按一定的要求生成.工作目標(biāo)是建立能適應(yīng)復(fù)雜幾何條件、根據(jù)所計算熱工參數(shù)的空間變化調(diào)整網(wǎng)格位置和疏密的網(wǎng)格系統(tǒng).在加熱爐熱過程數(shù)值計算中常用的網(wǎng)格系統(tǒng)主要有4種,即:笛卡爾直角坐標(biāo)系和柱坐標(biāo)系網(wǎng)格系統(tǒng)、正交曲線網(wǎng)格系統(tǒng)、準(zhǔn)正交曲線網(wǎng)格系統(tǒng)和非正交曲線網(wǎng)格系統(tǒng).在大多數(shù)情況下,網(wǎng)格系統(tǒng)的選擇主要取決于積分區(qū)域的幾何形狀.但與一般工業(yè)過程對應(yīng)的控制方程及數(shù)值計算方法都比較復(fù)雜,幾何形狀也不盡相同,這就要求網(wǎng)格系統(tǒng)具有一定的通用性.因此,研究一種能適用于復(fù)雜邊界條件下的直角坐標(biāo)系、柱坐標(biāo)系和球坐標(biāo)系可相互貼體的網(wǎng)格系統(tǒng)成為數(shù)值計算方法中極為重要的研究課題.為此,人們開發(fā)出一種新的網(wǎng)格系統(tǒng)——貼體坐標(biāo)系(BFC),它能使網(wǎng)格邊界與具有復(fù)雜幾何形狀的固體表面相吻合.2.2有限差分方程控制方程組的離散化是使用計算機求解的前提,需要研究合理而有效的離散化的方法、格式和方案.主要有有限差分、有限元和有限分析等離散化方法.在有限差分方法中有中心差分、上風(fēng)差分、指數(shù)差分、混合差分和高階差分等格式,顯式、半隱式和隱式格式方案.目前在加熱爐熱過程數(shù)學(xué)模型數(shù)值計算中常用的是有限差分中的控制容積法(或稱為有限容積法)、一階或高階上風(fēng)格式和隱式格式方案.(1)有限差分法的基本思想是要建立求解微分方程的解析方法和數(shù)值方法之間的聯(lián)系,在數(shù)值方法的框架內(nèi),把解析方法作為微分方程離散的一種工具.它利用求解在研究體系局部區(qū)域內(nèi)線性化了的微分方程,把函數(shù)在積分網(wǎng)格點上的值與它在鄰近網(wǎng)格點上的值關(guān)聯(lián)起來,實現(xiàn)微分方程的離散化.有限差分方程的一般形式為:aP?P=aP0?P0+aE?E+aW?W+aN?N+aS?S+aF?F+aB?B+SC,(10)式中,aP,aE,aW,aN,aS,aF,aB分別為差分方程中的系數(shù);SC為源項.下標(biāo)0表示P點在前一時刻的狀態(tài);E,W,S,N,F,B為三維空間坐標(biāo)上與P點相鄰的網(wǎng)格點.(2)通過把微分方程在控制容積上積分而把微分方程化為差分方程的方法稱為控制容積法.采用控制容積法首先必須劃定網(wǎng)格系統(tǒng),也就是說要確定網(wǎng)格點的分布和網(wǎng)格邊界的位置.計算中常用的方法有2種:一種是先確定網(wǎng)格邊界的位置,而后劃定各網(wǎng)格中心點作為網(wǎng)格點;另一種是先確定網(wǎng)格點的位置,而后把2個網(wǎng)格點連線的中點作為網(wǎng)格邊界與該連線的交點,從而確定網(wǎng)格的邊界.在均勻分布的網(wǎng)格系統(tǒng)中,這2種方法得到的網(wǎng)格系統(tǒng)是完全一樣的,但在非均勻分布的網(wǎng)格系統(tǒng)中二者所得到的結(jié)果不同.這2種方法都可應(yīng)用于加熱爐燃燒過程的數(shù)值計算.為減少控制容積法數(shù)值計算中的失誤,Patankar在總結(jié)大量實際計算經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,歸納提出了微分方程離散化所應(yīng)遵守的4條基本規(guī)則.(3)差分格式的選取是十分重要的.在同一種網(wǎng)格系統(tǒng)中,差分格式不但影響求解的收斂性、準(zhǔn)確性和經(jīng)濟性,而且直接影響數(shù)值解在加熱爐計算機模擬上的真實性.由于選擇合理的差分格式的重要性,使得差分格式一直是加熱爐熱過程計算機模擬中研究的重點之一.在加熱爐熱過程數(shù)值計算中常用的差分格式是上風(fēng)差分格式或半隱式差分格式.2.3計算機程序簡介控制微分方程離散成代數(shù)方程后,如果求解這些代數(shù)方程組,是加熱爐熱過程數(shù)學(xué)模型數(shù)值計算的一個重要任務(wù).加熱爐熱過程數(shù)學(xué)模型是1個多變量耦合模型,數(shù)值計算求解方法很多,常用的算法有SIVA算法、SIMPLE,PISO,IMPLER,SNIP等系列算法.對于多相流問題所使用的是IPSA算法.應(yīng)用范圍較廣的一套算法是SIMPLER算法.根據(jù)離散化方程求解方法編制合理的計算機程序來進行數(shù)值計算,求得數(shù)學(xué)模型控制方程的數(shù)值解,是離散化方程求解的手段.計算機程序是理論模型、控制方程、物性、幾何與邊界條件、數(shù)值方法的綜合體現(xiàn),是實現(xiàn)計算機模擬的載體.目前,國內(nèi)外有眾多的計算機程序在使用,但概括起來主要分為三類:專用程序、類型程序和通用程序.2.4數(shù)值結(jié)果輸出技術(shù)計算機數(shù)值計算結(jié)果的輸出一般以數(shù)據(jù)的形式輸出,隨著計算機模擬技術(shù)的進一步發(fā)展,將計算結(jié)果圖形化是發(fā)展趨勢,是實現(xiàn)計算機繪圖與計算機仿真的必要途徑.計算結(jié)果輸出技術(shù)越來越引起研究人員的重視,常用的程序為BASICA語言程序和WATLAB語言程序.最近以美國A.A.Amsden教授等為代表的研究小組開發(fā)出一套新的數(shù)值結(jié)果輸出軟件,它可以與數(shù)值計算程序兼容運行,在程序運行過程中以可視圖形化的界面輸出中間計算結(jié)果,如計算中間結(jié)果的流場圖、溫度場分布圖、熱流場等.這一新的結(jié)果輸出技術(shù),必將大大推動計算機模擬與計算機仿真技術(shù)的發(fā)展.3加熱爐燃燒控制系統(tǒng)加熱爐熱過程計算機控制系統(tǒng)是1個多變量相互耦合控制系統(tǒng).它的控制對象是加熱爐,控制參數(shù)包括:爐溫、鋼坯溫度、加熱時間及空燃比等變量;干擾因素有軋制節(jié)奏的變化、煤氣的熱值、煤氣的壓力與流量、空氣的壓力與流量的變化,以及其它隨機擾動;調(diào)節(jié)參數(shù)為煤氣的壓力與流量、空氣的壓力與流量、煙道閘板的開啟度等變量.以數(shù)學(xué)模型數(shù)值計算結(jié)果為依據(jù),建立用于計算機控制系統(tǒng)軟件的數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)庫,構(gòu)造符合加熱爐生產(chǎn)實際過程的專家系統(tǒng),設(shè)計經(jīng)濟有效的計算機優(yōu)化加熱自動控制系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)備,以最短的時間、最少的燃料將鋼坯加熱到滿足軋制工藝與生產(chǎn)質(zhì)量要求的溫度及溫度分布,從而實現(xiàn)加熱爐計算機控制優(yōu)化燒鋼目標(biāo).燃燒控制是加熱爐熱過程計算機控制的中心內(nèi)容,是加熱爐計算機控制實現(xiàn)優(yōu)化燒鋼的核心技術(shù).燃燒控制實際上是根據(jù)加熱爐生產(chǎn)工況,制定合理燃料供應(yīng)量和空燃比、設(shè)定最佳爐溫的綜合控制.它是以設(shè)定爐溫(由加熱爐燃燒數(shù)學(xué)模型的計算機模擬結(jié)果與結(jié)果優(yōu)化而確定)為目標(biāo)函數(shù),當(dāng)爐溫低于或高于設(shè)定溫度時,需要進行煤氣與空氣量的調(diào)節(jié),以實現(xiàn)爐溫維持在設(shè)定爐溫允許的范圍內(nèi),使鋼坯加熱達(dá)到軋制的要求.為此,針對包鋼帶鋼廠步進底式加熱爐生產(chǎn)實際過程,依據(jù)數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)庫與操作人員的生產(chǎn)經(jīng)驗,構(gòu)造以過程爐溫與爐溫設(shè)定值的偏差、爐溫變化率、換熱器前的煙溫與換熱器保護溫度下限的偏差、煙溫變化率、空燃比等參數(shù)為前提的,進行煤氣、空氣流量和壓力開關(guān)量調(diào)節(jié)的交叉限幅燃燒控制系統(tǒng).加熱爐燃燒控制包括2個方面的內(nèi)容,即:爐溫的調(diào)節(jié)和控制;空燃比的優(yōu)化.3.1爐溫調(diào)度計算根據(jù)包鋼帶鋼廠軋鋼加熱爐生產(chǎn)實際情況選擇加熱爐工況作為關(guān)鍵詞,以數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)庫為爐溫控制專家系統(tǒng)規(guī)則庫,把數(shù)據(jù)庫提供的設(shè)定爐溫作為目標(biāo)函數(shù),構(gòu)造爐溫控制專家系統(tǒng).數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)庫提供了不同工況下的爐溫設(shè)定值、爐溫控制上、下限、爐溫變化率(|t*爐溫|=|t過程當(dāng)前爐溫-t前一周期的爐溫Δτ調(diào)節(jié)周期|為1個適當(dāng)?shù)臄?shù)值(指每1個調(diào)節(jié)周期))、煤氣和空氣的流量等過程控制參數(shù).并且根據(jù)加熱爐生產(chǎn)實際操作規(guī)程和生產(chǎn)經(jīng)驗制定出換熱器保護溫度的上、下限(換熱器前允許煙溫)這一規(guī)則通過人-機對話界面輸入.首先對加熱爐生產(chǎn)過程的煤氣流量和壓力、空氣流量和壓力、各段爐溫、換熱器前煙溫、預(yù)熱空氣溫度等參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理,計算出過程爐溫和設(shè)定值的偏差、爐溫升溫速度、換熱器前的煙溫、煙溫變化速度等需要的數(shù)據(jù).然后對加熱爐熱過程設(shè)定值和過程變量進行綜合分析和比較,推理得出結(jié)論,給出調(diào)節(jié)和控制指令.爐溫控制推理算式可以歸納為如下形式:ΔV煤氣或空氣=f(t爐溫,Δt爐溫,t煙溫,Δt煙溫,n空燃比).(11)依據(jù)上述分析思路和推理步驟,編制計算機控制系統(tǒng)軟件,其程序框圖如圖1所示.3.2空燃比的修訂對于空燃比的優(yōu)化,考慮加熱爐的熱慣性等原因,引入量子力學(xué)粒子隨機軌道模型的思想,進行概率統(tǒng)計,應(yīng)用最小二乘原理進行浮選,不斷完善對空燃比的修訂.空燃比優(yōu)化技術(shù)的基本思路同樣是根據(jù)加熱爐生產(chǎn)過程的反饋爐溫、換熱器前的煙溫、爐溫變化率、煙溫變化率、各段空燃比的情況,按照概率的大小,確