JP4533545B2

JP4533545B2 - 加熱炉の炉温制御方法

Info

Publication number: JP4533545B2
Application number: JP2001045515A
Authority: JP
Inventors: 洋野崎
Original assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 2001-02-21
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2021-02-21
Also published as: JP2002249820A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱炉の炉温を効率よく制御して、耐火物の溶損を防止する加熱炉の炉温制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、加熱炉に内張りされる耐火物を選定する場合、コストの面からは耐熱上限温度の低い耐火物を使用することが望ましかったが、このためには、加熱炉の使用時の温度制御において炉壁又は炉内の上限温度を厳しく守ることが必要であった。
図４（Ａ）に示すように、加熱炉８０の通常操業状態においては、定期的に低温の製品８１が投入され、炉内で加熱され、また、定期的に加熱炉８０から高温の製品８２が抽出されていた。高温の製品８２は、加熱炉８０から受け取った熱量を持って抽出されるので、加熱炉８０には、炉温制御装置８３から一定量の燃料が常時供給され、不足する熱量を補っていた。炉温制御装置８３は、このような通常操業状態において、加熱炉８０の炉温が一定となるように調整されていた。
加熱炉８０の炉温が変化した場合には、一般的なＰＩＤ（比例、積分、微分）制御を用いて燃料の供給量を増減させ、温度変化を吸収していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の加熱炉８０は、加熱炉８０から高温の製品８２の抽出が急に停止した場合には、炉温が急激に上昇してオーバーシュートが発生する傾向があった。
図４（Ｂ）の炉温の測定値Ｔ_pv1に示すように、加熱炉８０の熱応答性が遅い場合には、ＰＩＤ（比例、積分、微分）制御では、短時間で温度変化を吸収することが困難な場合があった。このため、従来では問題なく使用できていた耐熱上限温度Ｔ_p1の耐火物を、低い耐熱上限温度Ｔ_p2の耐火物に変更した場合には、劣化が発生して、加熱炉８０内の耐火物の寿命が短くなることがあった。
また、測定値Ｔ_pv2に示すように、加熱炉８０の熱応答性が早い場合には、燃料の供給量の急激な変化に対応して炉内の温度が時間に対して振動してしまい、温度が安定するまでに時間がかかることもあった。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、温度の急激な上昇を防止しつつ、通常の操業時には熱応答性が早い加熱炉の炉温制御方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う本発明に係る加熱炉の炉温制御方法は、設定炉温に対する測定値に基づいて燃料及び空気の供給量を調整する炉温制御方法であって、
耐火物の耐熱上限温度より低く前記設定炉温より高い制限開始温度を設定し、前記測定値が、前記耐熱上限温度より低く前記制限開始温度より高いときには、前記燃料の供給量に、前記測定値の増加に対して単調減少する以下の式で示される補正値を乗じて前記供給量を再設定し、しかも、前記燃料及び前記空気の供給量は、一方の流量変化に対応して他方の流量制御を行う空燃比制御装置によって制御される。
補正値＝１−（（（測定値）−（制限開始温度））／（制限温度範囲）） ^N
但し、０．５≦Ｎ≦２．０
１≧補正値≧０
（制限温度範囲）＝（耐熱上限温度）−（制限開始温度）
ここで、設定炉温とは、炉温調節装置（炉温を最適化するために、例えば、ＰＩＤ制御を用いて加熱炉へ供給する燃料を増減させ、炉温の変化を吸収する装置）の目標温度となる温度をいう。また、測定値とは、炉内の雰囲気温度又は炉内の炉壁の温度を測定した値をいう。また、耐熱上限温度とは、耐火物の溶損が発生しない温度をいい、制限開始温度とは、温度上昇の抑制を開始するときの温度をいう。単調減少とは、測定値が制限開始温度から前記耐熱上限温度まで増加するときに、補正値が常時減少することをいい、減少の割合が一定でない場合も含まれる。
【０００５】
炉温調節装置の通常運転時には、例えば、ＰＩＤ制御を用いて加熱炉へ供給する燃料を増減させ、運転状態が急変した結果、測定値が急激に変化して制限開始温度を超えた場合には、補正値を用いた制御方法に切り替えられる。補正値は、例えば、測定値が制限開始温度に等しくなった場合に１、耐熱上限温度に等しくなった場合に０とすることが好ましく、測定値の上昇に応じて単調減少する。加熱炉の応答性が早いときには、補正値の減少の割合を大きくして、加熱炉の温度を迅速に下げることができ、また、加熱炉の応答性が遅い場合には、補正値の減少の割合を小さくして、加熱炉の温度を安定させながら変更することができる。
かかる構成によって、加熱炉の温度を、耐火物の比熱や熱容量等から決められる応答性に応じて制御することができ、簡単な制御で、測定値が耐熱上限温度を超えて耐火物を溶損することを防止できる。
【０００６】
測定値が制限開始温度に等しいときは、補正開始時の補正値が１になるので、制御方式切替えによる制御動作の暴れを小さくすることができる。また、万一測定値が耐熱上限温度に等しくなったとき、すなわち耐火物の溶損が開始するときは、補正値が０になるので、燃料及び空気の供給量も０になり、耐火物の溶損を最小限に抑えることができる。
Ｎの値は、加熱炉の応答性によって決めることができ、応答性が早い場合には小さい値に、応答性が遅い場合には大きな値に設定するが、耐火物の溶損が発生しない限度において可能な限り大きな値に設定することが好ましい。Ｎの値を小さくすると、迅速に温度を下げることができるが、逆に、制御終了時の変化の割合が大きくなるため、本制御方法から従来の制御方法に切り替わる際の制御動作の暴れが大きくなることがあるからである。
【０００７】
また、前記燃料及び前記空気の供給量を、一方の流量変化に対応して他方の流量制御を行う空燃比制御装置によって制御する。加熱炉を加熱するときには、例えば、燃料を増加させて加える熱量を増加させるが、このとき、燃料の増加に合わせて空気の量も増加させて、燃料と空気の比率を一定範囲に保つことが必要である。空燃比制御装置によって、燃料又は空気の一方側の流量に合わせて他方側の流量を自動的に変化させることができるので、制御を簡単に行うことができる。空燃比制御装置は、一般的には燃焼制御装置のソフトウエアの中で処理を行うが、例えば、炉温調節装置の一部として、電子回路として市販されている装置を用いることができ、また、炉温調節装置とは別に配置して使用することも可能である。
【０００８】
また、前記制限開始温度を、前記耐熱上限温度より３０度〜５０度低くすることも可能である。耐熱上限温度から制限開始温度を減じた値が３０度より小さい場合には、補正値による供給量の補正が間に合わない場合があり、また、温度上昇を急激に抑えるためには、補正値の変化の割合を大きくしなければならず、温度の安定性が悪くなることがある。また、耐熱上限温度から制限開始温度を減じた値が５０度より大きい場合には、制限開始温度が定常運転時の測定値に近くなり、通常運転状態でも補正値による制御に切り替わることがあり、制御を必要以上に複雑にしてしまう。そこで、制限開始温度を、耐熱上限温度より３０度〜５０度低くすることによって、補正値を用いずに通常運転を行うことができ、また、耐熱上限温度を超えて溶損が発生することを確実に防止することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る加熱炉の炉温制御方法は、炉温制御装置１０を用いて、設定炉温Ｔ_sに対する炉内温度の測定値Ｔ_pvに基づいて燃料及び空気の供給量（設定値）ＳＶ₂、ＳＶ₁を調整する方法である。以下、詳しく説明する。
炉温制御装置１０は、炉温調節装置１１と、炉温調節装置１１の直下流に設けられた空燃比制御装置１２と、空燃比制御装置１２の下流側に設けられ、燃料の供給量を調整する補正装置１３とを有している。炉温調節装置１１は、加熱炉内の炉壁に取付けられた熱電対２１に接続されて測定値Ｔ_pvを連続的に読取り可能に設けられており、また、設定炉温Ｔ_sも入力可能になっている。
【００１０】
炉温を最適化するために炉温調節装置１１によって調整された出力値ＰＶ₁は、空燃比制御装置１２に入力される。空燃比制御装置１２には、図示しない流量計を介して、実際の燃料流量の出力信号ＰＶ₂及び空気流量の出力信号ＰＶ₃がそれぞれ入力されている。空燃比制御装置１２は、出力値ＰＶ₁及び燃料流量の出力信号ＰＶ₂に基づいて空気の供給量設定値ＳＶ₁を演算によって求め、この空気の供給量設定値ＳＶ₁を空気流量調節装置１６を介して空気流量調節弁１８に出力している。また、空燃比制御装置１２は、出力値ＰＶ₁及び空気流量の出力信号ＰＶ₃に基づいて燃料の供給量設定値ＳＶ₂を演算によって求め、この燃料の供給量設定値ＳＶ₂を燃料流量調節装置１５を介して燃料流量調節弁１７に出力している。
このように、空燃比制御装置１２は、実際の燃料流量及び空気流量のうち、一方の流量の出力信号ＰＶ₂又はＰＶ₃の変化に対応して他方の流量制御を自動的に行うことができる。
【００１１】
ここで、図２に示すように、炉温制御装置１０によって制御される炉内の温度を、次のように表すこととする。
加熱炉に使用された耐火物の耐熱上限温度は符号Ｔ_pで表す。また、耐熱上限温度Ｔ_pより低く、かつ設定炉温Ｔ_sより高く設定された制限開始温度は符号Ｔ_bで表す。また、制限温度範囲とは、耐熱上限温度Ｔ_pから制限開始温度Ｔ_bを減じた値とする。制限温度範囲は、例えば、３０度以上５０度以下に設定することができる。
図１に示すように、補正装置１３は、空燃比制御装置１２と燃料流量調節装置１５との間に切替え器１９を介して接続されている。切替え器１９は、炉内温度の測定値Ｔ_pvを読みとり、制限開始温度Ｔ_bと比較する比較回路２０に接続されており、測定値Ｔ_pvが制限開始温度Ｔ_bより高くなったときに、空燃比制御装置１２と燃料流量調節装置１５との接続を解除し、補正装置１３と燃料流量調節装置１５とを接続するように設定されている。また、切替え器１９は、測定値Ｔ_pvが制限開始温度Ｔ_bより低くなったときには、空燃比制御装置１２と燃料流量調節装置１５とを再度接続し、補正装置１３と燃料流量調節装置１５との接続を解除する。
【００１２】
次に、補正装置１３について更に詳しく説明する。
補正装置１３は、燃料の供給量設定値ＳＶ₂を読取り、供給量設定値ＳＶ₂に測定値Ｔ_pv _{の増加に対して単調減少する０以上１以下の範囲の補正値Ｃ} ₁を乗じて、供給量設定値ＳＶ₂を再設定し、供給量設定値ＳＶ₃とし、燃料流量調節装置１５に供給量設定値ＳＶ₃を入力する。
補正値Ｃ₁は、次式で与えられる。
補正値Ｃ₁＝１−（（（測定値Ｔ_pv）−（制限開始温度Ｔ_b））／（制限温度範囲））^N
但し、０．５≦Ｎ≦２．０
１≧補正値Ｃ₁≧０
（制限温度範囲）＝（耐熱上限温度Ｔ_p）−（制限開始温度Ｔ_b）
【００１３】
図３に示すように、補正値Ｃ₁は、測定値Ｔ_pvの値に対して単調減少となり、また、Ｎの値によって、その傾きが変化する。例えば、測定値Ｔ_pvが、図２に示すように、急激な温度上昇によって制限開始温度Ｔ_bを超えると補正装置１３が働き、測定値Ｔ_pvが耐熱上限温度Ｔ_pを超える前に、通常の制御動作の場合に比べて急峻に燃料供給量を減少させるため、測定値Ｔ_pvは、耐熱上限温度Ｔ_pに達する前に下降する。
このとき、図３に示すように、補正値Ｃ₁は、測定値Ｔ_pvが制限開始温度Ｔ_bに等しくなったときに１になり、測定値Ｔ_pvが増加するに従って減少する。次いで、測定値Ｔ_pvが減少するときには、補正値Ｃ₁は増加し、１に近づく。すなわち、図３上の座標（０、１）から、右下に向かって移動し、次いで、座標（０、１）に向かって左上に移動する。
【００１４】
このときの移動経路は、Ｎの値によって異なる。例えば、Ｎ＝１のとき、補正値Ｃ₁は、測定値Ｔ_pvが増加するときには一定の減少率で減少し、また、測定値Ｔ_pvが減少するときには一定の増加率で増加する。
また、Ｎ＝２のとき、補正値Ｃ₁は、測定値Ｔ_pvが制限開始温度Ｔ_bを超えた直後の減少率が小さくなり、測定値Ｔ_pvが大きくなったときの減少率が大きくなる。そして、測定値Ｔ_pvが減少して、補正が終了する時の増加率が小さくなる。かかる構成によって、補正後の温度変動が小さくなり測定値Ｔ_pvを早期に安定させることができる。また、Ｎ＝０．５のとき、補正値Ｃ₁は、測定値Ｔ_pvが制限開始温度Ｔ_bを超えた直後の減少率と、測定値Ｔ_pvが減少して補正が終了する時の増加率が大きくなる。かかる構成によって、測定値Ｔ_pvの急激な温度変化に対応して迅速に温度を下げることができる。
【００１５】
補正値Ｃ₁の値が決定した後は、供給量設定値ＳＶ₂に補正値Ｃ₁を乗じて、供給量設定値ＳＶ₃とする。補正値Ｃ₁は、０以上１以下の範囲なので、供給量設定値ＳＶ₃は、供給量設定値ＳＶ₂より小さくなり、炉内の温度上昇は自動的に抑制される。このとき、燃料の供給量設定値をＳＶ₂からＳＶ₃に変更したときの空気の供給量設定値ＳＶ₁は、空燃比制御装置１２の働きによって、自動的に再設定される。
なお、測定値Ｔ_pvが耐熱上限温度Ｔ_pを万一超えた場合には、補正値Ｃ₁は０にすることが好ましい。補正後の温度の変動より溶損の防止を優先するためである。
また、Ｎの値は、測定値Ｔ_pvが耐熱上限温度Ｔ_pを超さない範囲で、できるだけ大きな値にすることが望ましい。炉内温度が下降して補正装置１３による制御終了後の温度変動を少なくして温度を早期に安定させるためである。
【００１６】
次いで、炉温制御方法の手順について説明する。
耐熱上限温度Ｔ_pは、加熱炉の耐火物の種類によって予め定められている。制限開始温度Ｔ_bは、耐熱上限温度Ｔ_pより３０度〜５０度低い温度にしている。例えば、耐熱上限温度Ｔ_pを１２８０度、制限開始温度Ｔ_bを１２５０度、制限温度範囲を３０度にすることができる。補正装置１３に入力するＮの値は、例えばＮ＝１に設定している。加熱炉が定常状態で運転されているとき、すなわち、加熱炉から順次製品が抽出され、測定値Ｔ_pvが１２５０度より小さいときには、補正装置１３は働かずに、炉温は、炉温調節装置１１及び空燃比制御装置１２によって自動調整されている。
【００１７】
ここで、加熱炉内に製品が滞留した場合には、加熱炉内の測定値Ｔ_pvが急激に上昇し、１２５０度を超えたとすると、比較回路２０を介して切替え器１９が作動し、燃料流量調節装置１５と空燃比制御装置１２との接続を解除して、燃料流量調節装置１５へ補正装置１３を接続する。
例えば、測定値Ｔ_pvが１２６５度のときには、補正値Ｃ₁＝１−（１２６５−１２５０）／（１２８０−１２５０）＝０．５となり、燃料の供給量設定値ＳＶ₃は、空燃比制御装置１２から出力された燃料の供給量設定値ＳＶ₂の半分に再設定される。このように、測定値Ｔ_pvが１２５０度より小さくなるまで燃料の供給量設定値ＳＶ₃を少なくし、温度上昇を迅速に抑制できる。また、補正値Ｃ₁の変化の割合を炉の応答性を考慮して変更できるので、温度上昇の迅速な抑制と共に、調整後の炉温の安定性を図ることができる。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１、２記載の加熱炉の炉温制御方法においては、燃料の供給量に、測定値の増加に対して単調減少する０以上１以下の範囲の補正値を乗じて、供給量を再設定するので、加熱炉の温度を、耐火物の比熱や熱容量等から決められる応答性に応じて制御することができ、簡単な制御で、測定値が耐熱上限温度を超えて耐火物を溶損することを防止できる。
特に、補正値を、補正値＝１−（（（測定値）−（制限開始温度））／（制限温度範囲））^Nとして、Ｎの値を、０．５以上２以下の範囲内にしているので、加熱炉の応答性を考慮することができ、耐火物の溶損を最小限に抑えることができると共に、制御切替え時の温度の振動を小さくすることができる。
また、燃料及び空気の供給量を、一方の流量変化に対応して他方の流量制御を行う空燃比制御装置によって制御するので、一方の制御を行えば他方が自動的に追随し、制御を簡単に行うことができる。
そして、請求項２記載の加熱炉の炉温制御方法においては、制限温度範囲を、３０度以上５０度以下の範囲にするので、通常運転を行うときには、補正値を用いずに運転することができ、また、耐熱上限温度を超えて溶損が発生することを確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る加熱炉の炉温制御方法に用いる炉温制御装置のブロック図である。
【図２】同加熱炉の炉温制御方法を適用した場合の測定値の変化を示すグラフである。
【図３】同加熱炉の炉温制御方法を適用した場合の補正値の変化を示すグラフである。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ従来例に係る加熱炉の炉温制御方法が適用される加熱炉の説明図と、測定値の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１０：炉温制御装置、１１：炉温調節装置、１２：空燃比制御装置、１３：補正装置、１５：燃料流量調節装置、１６：空気流量調節装置、１７：燃料流量調節弁、１８：空気流量調節弁、１９：切替え器、２０：比較回路、２１：熱電対

Claims

設定炉温に対する測定値に基づいて燃料及び空気の供給量を調整する炉温制御方法であって、
耐火物の耐熱上限温度より低く前記設定炉温より高い制限開始温度を設定し、前記測定値が、前記耐熱上限温度より低く前記制限開始温度より高いときには、前記燃料の供給量に、前記測定値の増加に対して単調減少する以下の式で示される補正値を乗じて前記供給量を再設定し、しかも、前記燃料及び前記空気の供給量は、一方の流量変化に対応して他方の流量制御を行う空燃比制御装置によって制御されることを特徴とする加熱炉の炉温制御方法。
補正値＝１−（（（測定値）−（制限開始温度））／（制限温度範囲）） ^N
但し、０．５≦Ｎ≦２．０
１≧補正値≧０
（制限温度範囲）＝（耐熱上限温度）−（制限開始温度）
請求項１記載の加熱炉の炉温制御方法において、前記制限開始温度は、前記耐熱上限温度より３０度〜５０度低いことを特徴とする加熱炉の炉温制御方法。