(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数基の熱風炉に対して予め定められた制御周期ごとに燃焼期及び送風期のサイクルを繰り返して行うことにより高炉に対して所望の温度と流量の熱風を供給する熱風炉の燃焼制御方法において、
各炉の燃焼期における投入熱量と、それに対する各炉の送風期における各炉の熱レベルの応答に関して炉間の干渉を考慮した熱風炉全体の動特性を表すモデルとに基づいて、現在から将来の第一の区間における投入熱量の時系列に対する次の送風期から将来の第二の区間における熱レベルの推移の予測値を算出する工程と、
前記予測値に基づいて、予め与えられた操業上及び／又は設備上の制約範囲内で所定の評価関数を最適化するような前記第一の区間における各炉への投入熱量の時系列を求める工程と、
前記各炉への投入熱量の時系列のうち現在時刻に対応する投入熱量に基づいて各炉に投入する熱量を調整する工程と
を有し、
前記操業上及び／又は設備上の制約として、送風中間点熱風温度、送風終了時レンガ温度及び送風期の混合冷風量の少なくとも１以上を用い、
前記評価関数として、各炉の熱レベルの推移の予測値とその目標値との偏差の二乗又は絶対値を将来の第二の区間について加算したものと、投入熱量又はその変更量の二乗又は絶対値を将来の第二の区間について加算したものとに重み付けをしたものを用いる
ことを特徴とする熱風炉の燃焼制御方法。
【請求項２】
複数基の熱風炉に対して予め定められた制御周期ごとに燃焼期及び送風期のサイクルを繰り返して行うことにより高炉に対して所望の温度と流量の熱風を供給する熱風炉の燃焼制御方法において、
各炉の燃焼期における投入熱量と、高炉に送風する熱風の温度と流量の設定値と、それらに対する各炉の送風期における各炉の熱レベルの応答に関して炉間の干渉を考慮した熱風炉全体の動特性を表すモデルとに基づいて、現在から将来の第一の区間における投入熱量の時系列に対する次の送風期から将来の第二の区間における熱レベルの推移の予測値を算出する工程と、
前記予測値に基づいて、予め与えられた操業上及び／又は設備上の制約範囲内で所定の評価関数を最適化するような前記第一の区間における各炉への投入熱量の時系列を求める工程と、
前記各炉への投入熱量の時系列のうち現在時刻に対応する投入熱量に基づいて各炉に投入する熱量を調整する工程と
を有し、
前記操業上及び／又は設備上の制約として、送風中間点熱風温度、送風終了時レンガ温度及び送風期の混合冷風量の少なくとも１以上を用い、
前記評価関数として、各炉の熱レベルの推移の予測値とその目標値との偏差の二乗又は絶対値を将来の第二の区間について加算したものと、投入熱量又はその変更量の二乗又は絶対値を将来の第二の区間について加算したものとに重み付けをしたものを用いる
ことを特徴とする熱風炉の燃焼制御方法。
【請求項３】
現在から将来の第一の区間における投入熱量の時系列に対する次の送風期から将来の第二の区間における熱レベルの推移の予測値を、現在時刻の熱レベルの実績値に基づいて補正し、その補正値を前記予測値として前記投入熱量の時系列を求めることを特徴とする請求項１又は２記載の熱風炉の燃焼制御方法。
【請求項４】
複数基の熱風炉に対して予め定められた制御周期ごとに燃焼期及び送風期のサイクルを繰り返して行うことにより高炉に対して所望の温度と流量の熱風を供給する熱風炉の燃焼制御装置において、
各炉の燃焼期における投入熱量と、それに対する各炉の送風期における各炉の熱レベルの応答に関して炉間の干渉を考慮した熱風炉全体の動特性を表すモデルとに基づいて、現在から将来の第一の区間における投入熱量の時系列に対する次の送風期から将来の第二の区間における熱レベルの推移の予測値を算出する予測温度算出手段と、
前記予測値に基づいて、予め与えられた操業上及び／又は設備上の制約範囲内で所定の評価関数を最適化するような前記第一の区間における各炉への投入熱量の時系列を求める投入熱量算出手段と、
前記各炉への投入熱量の時系列のうち現在時刻に対応する投入熱量に基づいて各炉に投入する熱量を調整する投入熱量調整手段と
を有し、
前記投入熱量算出手段は、
前記操業上及び／又は設備上の制約として、送風中間点熱風温度、送風終了時レンガ温度及び送風期の混合冷風量の少なくとも１以上を用い、
前記評価関数として、各炉の熱レベルの推移の予測値とその目標値との偏差の二乗又は絶対値を将来の第二の区間について加算したものと、投入熱量又はその変更量の二乗又は絶対値を将来の第二の区間について加算したものとに重み付けをしたものを用いる
ことを特徴とする熱風炉の燃焼制御装置。
【請求項５】
複数基の熱風炉に対して予め定められた制御周期ごとに燃焼期及び送風期のサイクルを繰り返して行うことにより高炉に対して所望の温度と流量の熱風を供給する熱風炉の燃焼制御装置において、
各炉の燃焼期における投入熱量と、高炉に送風する熱風の温度と流量の設定値と、それらに対する各炉の送風期における各炉の熱レベルの応答に関して炉間の干渉を考慮した熱風炉全体の動特性を表すモデルを用いて、現在から将来の第一の区間における投入熱量の時系列に対する次の送風期から将来の第二の区間における熱レベルの推移の予測値を算出する予測温度算出手段と、
前記予測値に基づいて、予め与えられた操業上及び／又は設備上の制約範囲内で所定の評価関数を最適化するような前記第一の区間における各炉への投入熱量の時系列を求める投入熱量算出手段と、
前記各炉への投入熱量の時系列のうち現在時刻に対応する投入熱量に基づいて各炉に投入する熱量を調整する投入熱量調整手段と
を有し、
前記投入熱量算出手段は、
前記操業上及び／又は設備上の制約として、送風中間点熱風温度、送風終了時レンガ温度及び送風期の混合冷風量の少なくとも１以上を用い、
前記評価関数として、各炉の熱レベルの推移の予測値とその目標値との偏差の二乗又は絶対値を将来の第二の区間について加算したものと、投入熱量又はその変更量の二乗又は絶対値を将来の第二の区間について加算したものとに重み付けをしたものを用いる
ことを特徴とする熱風炉の燃焼制御装置。
【請求項６】
現在から将来の第一の区間における投入熱量の時系列に対する次の送風期から将来の第二の区間における熱レベルの推移の予測値を、現在時刻の実績値に基づいて補正し、その補正値を前記予測値として前記投入熱量算出手段に出力する熱レベル予測値補正手段を更に備えたことを特徴とする請求項４又は５記載の熱風炉の燃焼制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉などに対して熱風を供給する熱風炉の燃焼制御方法及びその燃焼制御装置に関し、特に、熱風炉の燃焼期における投入熱量を設備上、操業上の制約条件の下での最適するための制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱風炉は、燃焼期に燃焼ガスなどによりレンガなどから構築された炉内の蓄熱部を昇温させて熱エネルギーを蓄積し、それに引き続く送風期において炉内に冷風を通して蓄熱部との熱交換によって熱風を得て、それを高炉に供給する設備である。
【０００３】
図８は、熱風炉の炉内の構造を示す模式図である。図８に示されるように、熱風炉１は燃焼室１２と蓄熱室１３とからなっている。蓄熱室１３の内部には、蓄熱レンガ１９が積まれており、１４の部位はドーム、１５の部位は珪石レンガ下部と呼ばれている。燃焼期には、燃焼室１２において、燃料ガスを供給口１６から、燃焼用空気を供給口１７から、それぞれ供給して燃焼させ、その燃焼排ガスを蓄熱室１３に通して内部の蓄熱レンガ１９を加熱する。引き続く送風期には、供給口１８から冷風を蓄熱室１３に通し、蓄熱レンガ１９との熱交換により熱風を得る。このような熱風炉１を複数基設置し、位相を炉ごとにずらしながら燃焼期と送風期のサイクルを繰り返すことによって、高炉操業において必要な温度及び流量の熱風を途切れることなく供給している。
【０００４】
図９は、送風期における送風温度制御系の模式図を示す。一基の熱風炉にのみ通風する場合と二基に同時に通風する場合があり、前者では混冷バタフライ弁ＭＢの開度を調整して冷風を混合することにより、後者では一方の熱風炉の冷風バタフライ弁を全開とし、もう一方の熱風炉の冷風バタフライ弁の開度を調整することによって高炉に送風する熱風の温度制御を行う。
【０００５】
燃焼期には、引き続く送風期の間、熱風温度を確保するのに必要な熱量を投入する必要があるが、省エネルギー及び炭酸ガス排出削減のためには投入熱量を極力抑える必要がある。しかし、珪石レンガは、変態点温度である５７３℃よりも温度が下がると急激な膨張を生じ、崩壊する可能性がある。そのため、送風末期においても珪石レンガ下部１５の温度を変態点温度以上に保つ必要がある。また、設備保護の観点から、ドーム１４はある温度以上に加熱することはできない。投入熱量は、このような制約条件のもとで最小化することが望ましく、この投入熱量決定が熱風炉の燃焼制御の重要な課題である。
【０００６】
熱風炉の操業には、一つの炉からの熱風と冷風を混合して温度調整を行って高炉に熱風を供給するシングル操業と、少なくとも３基以上の熱風炉のうちの２基を時間をずらして同時に通風し、得られた熱風を混合して高炉に供給するスタガードパラレル操業がある。
【０００７】
図１０は、スタガードパラレル操業の概念図である。図１０において、kは離散化された時刻であり、炉の切替時刻に一致させている。以降、炉の切替間隔をピリオドと呼ぶ。熱風炉１（図１０では１ＨＳ）は、時刻ｋ＝０において送風期を終え、燃焼期に入る。熱風炉２（図１０では２ＨＳ）は、１ピリオド遅れて時刻ｋ＝１において送風期を終えて燃焼期に入る。熱風炉３（図１０では３ＨＳ）は、時刻ｋ＝０において燃焼期を終えて送風期に入る。熱風炉４（図１０では４ＨＳ）は、時刻ｋ＝１において燃焼期を終えて送風期に入る。そのため、ｋ＝１と２の間は３ＨＳと４ＨＳの二基送風状態となる。ｋ＝０と１の間は３ＨＳは後行炉であり、３ＨＳに先行する２ＨＳよりも熱レベルが高く、より高温の熱風を供給する役割を担う。したがって、ｋ＝１においては３ＨＳからの熱風温度は高炉への送風温度設定値よりも高い状態にあることが必要である。そのため、ｋ＝１では３ＨＳ，４ＨＳからの熱風はともに送風温度設定値よりも高くなる。そこで、４ＨＳは３ＨＳからの熱風温度が送風温度設定値まで低下する時刻（図１０ではＡで示す）まで待機し、その間は３ＨＳの一基送風とし、３ＨＳからの熱風に冷風（混合冷風）を混合することにより送風温度制御を行う。
【０００８】
シングル操業の場合には、各炉からの熱風温度は送風温度設定値よりも常に高い必要があるが、スタガードパラレル操業では、送風温度設定値よりも低い先行炉からの熱風と、送風温度設定値よりも高い後行炉からの熱風を混合して使用するため、前者に比べて炉の蓄熱量のレベル（以下、熱レベル）を下げることができ、熱効率を上げることができる。そのため、大型高炉の場合には、スタガードパラレル操業が行われるのが一般的である。
【０００９】
従来、熱風炉の燃焼制御方法に関しては、燃焼期及び送風期からなる１つのサイクルが終了した後の熱風炉の熱レベルを求め、それに基づいて次回の投入熱量を決定する方法が一般に行われている。例えば、特公平６−３７６５１号公報（特許文献１）及び特公平７−１００８０６号公報（特許文献２）には、送風終了時の熱風炉の熱レベル、熱レベルの変化、レンガ温度をファジィ理論に基づく判断関数に変換し、それぞれの実測値に基づいてファジィ推論に基づいて操作量の選択と投入熱量を決定する方法が開示されている。熱レベルを表す指標としては、ドーム温度、珪石レンガ継目温度、冷風バタフライ弁開度が用いられている。
【００１０】
また、特開平１０−２２６８０９号公報（特許文献３）には、熱風炉シミュレータを用いて数サイクル先の送風終了後の熱レベルを求め、数サイクル先が熱余りか熱不足かを表す熱傾向指数を求め、現在の熱レベルと熱傾向指数によって投入熱量を修正する方法が開示されている。熱レベルを表す指標としては、各炉からの熱風温度と送風温度設定値との偏差、珪石レンガ下部温度、混合冷風量が用いられている。
また、特開平１−３１９６１９号公報（特許文献４）には、送風期のある一定時点における熱レベルとその目標値の偏差を監視し、この偏差が設定値よりも大きいときにはファジィ推論を、設定値以下の時には最適フィードバック制御によって燃焼期の排ガス温度最終値を演算し、この排ガス温度最終値に基づいて投入熱量を制御する方法が開示されている。
【００１１】
【特許文献１】特公平６−３７６５１号公報
【特許文献２】特公平７−１００８０６号公報
【特許文献３】特開平１０−２２６８０９号公報
【特許文献４】特開平１−３１９６１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
スタガードパラレル操業では、２基に同時に通風するため、先行炉の熱レベルによって後行炉が冷風に与えるべき熱エネルギーの量が影響を受ける。例えば、先行炉の熱レベルが高ければ後行炉への通風が開始されるタイミング（図１０の４ＨＳの場合はA点）が遅れ、実質的な送風期間が短くなり、その分後行炉は熱エネルギーを使わずに済み、熱余りの状態になる。さらに、それが次の炉の熱レベルにも伝播する。また、逆にある炉が熱不足になれば、後続する炉にもそれが伝播して熱不足の傾向が長く続く。スタガードパラレル操業では、このような炉間の干渉のため、投入熱量を変更したときに炉の熱レベルが定常状態に達するまでに２，３日を要し、炉間の干渉がないシングル操業に比べて熱風炉全体の応答は非常に遅くなる。スタガードパラレル操業下の熱風炉は、このように非常に時定数が大きい系であるため、動特性を考慮しない制御系では、投入熱量操作が不適切なものとなり、炉の熱レベルが大きく変動してしまう可能性がある。
【００１３】
また、上記の例を含めた従来技術では、レンガ温度における制約条件を陽に考慮することができないため、算出された投入熱量操作を実施した場合に制約条件が守られる保証がない。すなわち、制御の過程でレンガ温度がオーバーシュートして制約範囲を外れてしまうことが起こりうる。さらに、高炉への送風温度、送風流量を確保するためには、炉の熱レベルはあるレベル以上に維持されなければならないが、従来技術では熱レベルに課せられるそのような制約条件を陽に考慮することができないこと、また、制御対象の大きな時定数の考慮がなされていないことから、過渡的な状態では熱レベルが上記の下限を下回り、高炉から要請される条件の熱風を供給できなくなる可能性がある。
【００１４】
上記の観点から従来技術を見ると、特公平６−３７６５１号公報（特許文献１）及び特公平７−１００８０６号公報（特許文献２）は、ファジィ推論をベースとしており、熱風炉全体の動特性は考慮されていない。特開平１０−２２６８０９号公報（特許文献３）は、熱風炉シミュレータによる数サイクル先の予測値を用いており、動特性の考慮は多少なされているが、陽には取り扱われていない。特開平１−３１９６１９号公報（特許文献４）に開示されている最適レギュレータを用いた制御方法では、手法自体は動特性を考慮することができるが、特開平１−３１９６１９号公報（特許文献４）では炉ごとに制御系を構成しているため、炉間の干渉を考慮したものにはなっておらず、熱風炉全体の動特性は考慮されていない。
【００１５】
このように、従来技術では、熱風炉の燃焼制御において、制御対象の動特性の考慮が不十分であること、及び設備上、操業上の制約条件が陽に考慮できないことにより、過渡状態では各炉への投入熱量が過多あるいは過少となり、高炉に必要な熱風を供給できない、設備が損傷する、熱効率が低下するといった不具合を生じるおそれがあった。そのため、従来技術では、かなり余裕を持たせた投入熱量設定を行わざるを得ず、熱効率の悪化を招いていた。
【００１６】
上記の従来技術による熱風炉の燃焼制御の問題点は、以下の３点に集約される。
（１）スタガードパラレル操業における炉間の干渉や、その結果として生じる熱風炉全体の大きな時定数、すなわち熱風炉全体の動特性が考慮されていない。
（２）レンガ温度の上下限制約など、設備上、操業上の制約条件が操作量算出時に陽に考慮されていないため、それが満たされる保証がない。
（３）熱レベル自体の下限も陽に考慮できないこと、（１）の動特性が考慮できないことから、過渡的には熱レベルの下限値を維持できず、高炉から要請される温度と流量の熱風を供給できない恐れがある。
【００１７】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、設備上、操業上の制約条件の下で各炉への投入熱量を最適化することを可能にした熱風炉の燃焼制御方法及びその燃焼制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明に係る熱風炉の燃焼制御方法は、複数基の熱風炉に対して予め定められた制御周期ごとに燃焼期及び送風期のサイクルを繰り返して行うことにより高炉に対して所望の温度と流量の熱風を供給する熱風炉の燃焼制御方法において、各炉の燃焼期における投入熱量と、それに対する各炉の送風期における各炉の熱レベルの応答に関して炉間の干渉を考慮した熱風炉全体の動特性を表すモデルとに基づいて、現在から将来の第一の区間における投入熱量の時系列に対する次の送風期から将来の第二の区間における熱レベルの推移の予測値を算出する工程と、前記予測値に基づいて、予め与えられた操業上及び／又は設備上の制約範囲内で所定の評価関数を最適化するような前記第一の区間における各炉への投入熱量の時系列を求める工程と、前記各炉への投入熱量の時系列のうち現在時刻に対応する投入熱量に基づいて各炉に投入する熱量を調整する工程とを有し、前記操業上及び／又は設備上の制約として、送風中間点熱風温度、送風終了時レンガ温度及び送風期の混合冷風量の少なくとも１以上を用い、前記評価関数として、各炉の熱レベルの推移の予測値とその目標値との偏差の二乗又は絶対値を将来の第二の区間について加算したものと、投入熱量又はその変更量の二乗又は絶対値を将来の第二の区間について加算したものとに重み付けをしたものを用いる。
【００１９】
本発明に係る熱風炉の燃焼制御方法は、複数基の熱風炉に対して予め定められた制御周期ごとに燃焼期及び送風期のサイクルを繰り返して行うことにより高炉に対して所望の温度と流量の熱風を供給する熱風炉の燃焼制御方法において、各炉の燃焼期における投入熱量と、高炉に送風する熱風の温度と流量の設定値と、それらに対する各炉の送風期における各炉の熱レベルの応答に関して炉間の干渉を考慮した熱風炉全体の動特性を表すモデルとに基づいて、現在から将来の第一の区間における投入熱量の時系列に対する次の送風期から将来の第二の区間における熱レベルの推移の予測値を算出する工程と、前記予測値に基づいて、予め与えられた操業上及び／又は設備上の制約範囲内で所定の評価関数を最適化するような前記第一の区間における各炉への投入熱量の時系列を求める工程と、前記各炉への投入熱量の時系列のうち現在時刻に対応する投入熱量に基づいて各炉に投入する熱量を調整する工程とを有し、前記操業上及び／又は設備上の制約として、送風中間点熱風温度、送風終了時レンガ温度及び送風期の混合冷風量の少なくとも１以上を用い、前記評価関数として、各炉の熱レベルの推移の予測値とその目標値との偏差の二乗又は絶対値を将来の第二の区間について加算したものと、投入熱量又はその変更量の二乗又は絶対値を将来の第二の区間について加算したものとに重み付けをしたものを用いる。
【００２０】
本発明に係る熱風炉の燃焼制御方法において、現在から将来の第一の区間における投入熱量の時系列に対する次の送風期から将来の第二の区間における熱レベルの推移の予測値を、現在時刻の実績値に基づいて補正し、その補正値を前記予測値として前記投入熱量の時系列を求める。
【００２１】
本発明に係る熱風炉の燃焼制御装置は、複数基の熱風炉に対して予め定められた制御周期ごとに燃焼期及び送風期のサイクルを繰り返して行うことにより高炉に対して所望の温度と流量の熱風を供給する熱風炉の燃焼制御装置において、各炉の燃焼期における投入熱量と、それに対する各炉の送風期における各炉の熱レベルの応答に関して炉間の干渉を考慮した熱風炉全体の動特性を表すモデルとに基づいて、現在から将来の第一の区間における投入熱量の時系列に対する次の送風期から将来の第二の区間における熱レベルの推移の予測値を算出する予測温度算出手段と、前記予測値に基づいて、予め与えられた操業上及び／又は設備上の制約範囲内で所定の評価関数を最適化するような前記第一の区間における各炉への投入熱量の時系列を求める投入熱量算出手段と、前記各炉への投入熱量の時系列のうち現在時刻に対応する投入熱量に基づいて各炉に投入する熱量を調整する投入熱量調整手段とを有し、前記投入熱量算出手段は、前記操業上及び／又は設備上の制約として、送風中間点熱風温度、送風終了時レンガ温度及び送風期の混合冷風量の少なくとも１以上を用い、前記評価関数として、各炉の熱レベルの推移の予測値とその目標値との偏差の二乗又は絶対値を将来の第二の区間について加算したものと、投入熱量又はその変更量の二乗又は絶対値を将来の第二の区間について加算したものとに重み付けをしたものを用いる。
【００２２】
本発明に係る熱風炉の燃焼制御装置は、複数基の熱風炉に対して予め定められた制御周期ごとに燃焼期及び送風期のサイクルを繰り返して行うことにより高炉に対して所望の温度と流量の熱風を供給する熱風炉の燃焼制御装置において、各炉の燃焼期における投入熱量と、高炉に送風する熱風の温度と流量の設定値と、それらに対する各炉の送風期における各炉の熱レベルの応答に関して炉間の干渉を考慮した熱風炉全体の動特性を表すモデルを用いて、現在から将来の第一の区間における投入熱量の時系列に対する次の送風期から将来の第二の区間における熱レベルの推移の予測値を算出する予測温度算出手段と、前記予測値に基づいて、予め与えられた操業上及び／又は設備上の制約範囲内で所定の評価関数を最適化するような前記第一の区間における各炉への投入熱量の時系列を求める投入熱量算出手段と、前記各炉への投入熱量の時系列のうち現在時刻に対応する投入熱量に基づいて各炉に投入する熱量を調整する投入熱量調整手段とを有し、前記投入熱量算出手段は、前記操業上及び／又は設備上の制約として、送風中間点熱風温度、送風終了時レンガ温度及び送風期の混合冷風量の少なくとも１以上を用い、前記評価関数として、各炉の熱レベルの推移の予測値とその目標値との偏差の二乗又は絶対値を将来の第二の区間について加算したものと、投入熱量又はその変更量の二乗又は絶対値を将来の第二の区間について加算したものとに重み付けをしたものを用いる。
【００２３】
本発明に係る熱風炉の燃焼制御装置は、現在から将来の第一の区間における投入熱量の時系列に対する次の送風期から将来の第二の区間における熱レベルの推移の予測値を、現在時刻の実績値に基づいて補正し、その補正値を前記予測値として前記投入熱量算出手段に出力する熱レベル予測値補正手段を更に備えたものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、将来の第一の区間（一定区間）における投入熱量の時系列を仮定し、それを炉間の干渉を考慮した熱風炉全体の動特性を表すモデルに入力して将来の第二の区間（一定区間）における各炉の熱レベルの推移を予測し、その予測値が操業上、設備上の制約範囲内に収まることを確認するようにしたので、投入熱量操作が不適切になって熱レベルが制約範囲を越えてしまうようなことはない。また、制約条件を満たす投入熱量操作量の時系列の中で、所定の評価関数を最適化するようなものを選択し、それに基づいて投入熱量を操作するから、その評価関数の下で理論上最適な制御性能を得ることができる。
【００２５】
また、評価関数の構成やパラメータを変更することによって制御の応答性を自由に変更することができる。さらに、以上の操作量算出の処理を制御周期ごとに行うから、実際の熱風炉の動特性とモデルとの間に誤差がある場合や、高炉への送風温度や送風流量の設定値に変更があった場合でも適切に修正を行いながら制御を行うことができる。
【００２６】
また、将来の第一の区間における高炉へ送風する熱風の温度と流量の設定値がわかれば、それを考慮したモデルで各炉の熱レベルの推移を予測することにより、熱レベルの予測精度を高めることができ、投入熱量をより適切なものとすることができる。
【００２７】
なお、評価関数としては、上述のように、各炉の熱レベルの予測値とその目標値との偏差の二乗あるいは絶対値を将来の一定区間について加算したものと、投入熱量あるいはその変更量の絶対値あるいは二乗を将来の一定区間について加算したものとに重み付けをしたものを用いることができる。この重みの変更により、投入熱量の大きさと得られる制御性能のトレードオフを考慮した制御系設計を行うことができ、両者のバランスが取れた制御系を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図１は本発明の一実施形態に係る熱風炉の制御装置及び関連設備の構成を示すブロック図である。この燃焼制御装置２０は、熱レベル予測モデルを用いて熱レベルの推移を予測する予測温度算出部２１、予測温度算出部２１で得られた熱レベルの推移の予測値を実績値に基づいて補正する熱レベル予測値補正部２２、制約条件データが記憶された記憶部２３、熱レベル予測値補正部２２で補正された熱レベルの推移の予測値に基づいて各炉への投入熱量を算出する投入熱量算出部２４及び投入熱量算出部２４で算出された投入熱量に基づいて各炉への投入熱量を調整（設定）する投入熱量調整部２５から構成されている。この燃焼制御装置２０は、このような機能を持つものとして特定されるが、その具体的な構成はコンピュータとその演算処理を規定するプログラムによって実現される。また、熱風炉１の珪石レンガ下部にはレンガ温度を測定する温度計３１が取り付けられ、熱風炉１の出口側には熱風の温度を測定する温度計３２が取り付けられており、これらの温度計３１,３２の出力は熱レベル予測値補正部２２に供給される。図１においては他の熱風炉２〜４を省略したが、本実施形態においては図９に示されるように４基の熱風炉が連結されており、熱風炉２〜４においても図１と同様な温度計３１,３２をそれぞれ備えており、それらの出力は図１の熱レベル予測値補正部２２に供給される。また、熱風炉１の燃料ガス供給口１６の上流側にはガス弁１６ａが取り付けられており、投入熱量調整部２５が設定された投入熱量に基づいてガス弁１６ａの開度を調整することによりガス流量又はガスカロリーを調整する。
【００２９】
次に、上記の燃焼制御装置２０の動作説明に先だって、本実施形態の制御方法の前提となっているスタガードパラレル操業や熱レベル予測モデルについて説明する。
燃焼制御装置２０の制御対象は、上述のように、図１の熱風炉が図９のように連結されたものである。そして、図２に示されるように、燃焼・送風のサイクルを繰り返しながらスタガードパラレル操業が実施されており、投入熱量の設定は、各炉の燃焼期に先立って図２の離散化された時刻ｋ＝１，２，…で行われる。
【００３０】
時刻ｋ＝０では、熱風炉１（図２では１ＨＳ）が燃焼期に入るので、その投入熱量が設定される。熱風炉１は、ｋ＝２で燃焼期を終えて送風期に入る。熱風炉２（図２では２ＨＳ）は、１ピリオド遅れて時刻ｋ＝３において燃焼期を終えて送風期に入り、１ＨＳと２ＨＳの二基送風状態となる。ｋ＝２と３の間は１ＨＳは後行炉であり、１ＨＳに先行する熱風炉４（図２では４ＨＳ）よりも熱レベルが高く、より高温の熱風を供給する役割を担う。したがって、ｋ＝３においては１ＨＳからの熱風温度は高炉への送風温度設定値よりも高い状態にあることが必要である。そのため、ｋ＝３では、１ＨＳ，２ＨＳからの熱風はともに送風温度設定値よりも高くなる。そこで、２ＨＳは１ＨＳからの熱風温度が送風温度設定値まで低下する時刻（図２ではＢで示す）まで待機し、その間は１ＨＳの一基送風とし、１ＨＳからの熱風に冷風（混合冷風）を混合することにより送風温度制御を行う。
【００３１】
次に、本実施形態で用いる熱風炉の熱レベルを表す指標と本実施形態における制御タイミング（投入熱量の設定計算を行うタイミング）を、図２を参照しながら説明する。熱効率向上のためには、混合冷風は少ないほどよいが、ｋ＝３における１ＨＳからの熱風温度が高炉への送風温度設定値に一致したときはただちに１ＨＳと２ＨＳの二基送風状態に入ることにより混合冷風量は０となる。すなわち、投入熱量を最小化し、熱効率を最大化するという観点からは、これが理想状態である。同様に、各炉の送風期の中間点において、各炉からの熱風温度を高炉への送風温度設定値に一致させるのが理想状態である。そこで、各炉の送風期の中間点における各炉からの熱風温度（以下、送風中間点熱風温度という）を各炉の熱レベルを表す指標とし、これを制御量として目標値に制御する。送風中間点熱風温度の目標値は、理想的には高炉への送風温度設定値であるが、高炉から要請される送風温度、送風流量の変更などの外乱によって送風中間点熱風温度が送風温度設定値を下回ることは避けなければならない。そこで、余裕を見て、送風中間点熱風温度の目標値は、高炉への送風温度設定値よりも多少高めに設定する。
【００３２】
本実施形態では、投入熱量の設定計算は、各炉の燃焼期に先立って図２に白い四角で示したタイミングで行う。そのため、設定計算に必要な操業データは、それに先立って収集しておく必要がある。そこで、送風中間点熱風温度は、各ピリオドの最後で収集するものとし、便宜上、そのデータは設定計算を行う離散化された時刻の１ピリオド前の時刻に収集されたものとみなす。例えば、ｋ＝１の直前で高炉３（図２では３ＨＳ）の熱風温度を温度計３２により測定し、それをｋ＝０における送風中間点熱風温度とする。図３では、送風中間点熱風温度を黒丸で示す。それらが各ピリオドの最後で収集するものであることを示すため、各時刻を表す縦線よりも若干前にプロットしている。
【００３３】
次に、投入熱量設定にあたって考慮すべき設備上及び操業上の制約条件について説明する。珪石レンガの保護のため、送風末期においても珪石レンガ下部５の温度を変態点温度以上に保つ必要がある。そこで、送風終了時の珪石レンガ下部温度（以下、送風終了時レンガ温度という）も熱レベルの指標とし、それが下限値を割り込まないように制御する。送風終了時レンガ温度も、設定計算を行う離散化された時刻の１ピリオド前の時刻に収集するものとする。例えば、ｋ＝１の直前で２ＨＳのレンガ温度を温度計３１により測定し、それをｋ＝０における送風終了時レンガ温度とする。図２では、送風終了時レンガ温度を白丸で示す。
【００３４】
また、本発明を実施するには、投入熱量と熱レベルとの関係を表すモデルが必要である。このモデルの構築には、公知の方法を用いることができる。例えば、特開平１０−２２６８０９号公報では、燃焼期には燃焼ガス、送風期には炉内に通風する冷風と蓄熱室内部のレンガとの熱交換モデルを作成し、それを数値計算により解くことによって熱風炉の燃焼、送風を行う熱風炉シミュレータが開示されている。このシミュレータでは、燃料用ガスのカロリー及び流量、空燃比、ガス及びレンガの物性値のデータを用いて燃焼期のシミュレーションを行い、熱交換モデルを用いて蓄熱室内部のレンガ各部の温度変化を計算する。次に、高炉への送風温度及び流量の設定値、蓄熱室に通風する冷風の温度、レンガや空気の物性値を用いて送風期のシミュレーションを行い、レンガ温度、各炉からの熱風温度、各炉への通風量、混合冷風量の時間変化を計算する。
【００３５】
レンガ各部の温度の初期値を与え、この燃焼期及び送風期のシミュレーションのサイクルを繰り返し行うことにより、レンガ各部の温度、熱風温度、混合冷風量のような熱レベルの指標の時間変化を計算することができ、投入熱量の操作や、高炉への送風温度及び送風流量の設定値の変更に対する熱レベルの変動を時系列データとして得ることができる。この熱風炉シミュレータを用いて本実施形態で用いるモデルを作成するには、例えば、時刻ｋ＝０における投入熱量を変更し、それ以降における熱風炉１〜４からの熱風温度の時系列データの中から送風中間点熱風温度に相当するデータを、また、レンガ各部の温度の時系列データの中から送風終了時レンガ温度に相当するデータをそれぞれ抜き出し、時刻順に並べることにより、投入熱量から各炉の送風中間点熱風温度及び送風終了時レンガ温度へのインパルス応答モデルを得ることができる。または、時刻ｋ＝０において投入熱量をステップ状に変更し、それ以降における熱風炉１〜４からの熱風温度の時系列データの中から送風中間点熱風温度に相当するデータを、また、レンガ各部の温度の時系列データの中から送風終了時レンガ温度に相当するデータをそれぞれ抜き出し、時刻順に並べることにより、投入熱量から各炉の送風中間点熱風温度及び送風終了時レンガ温度へのステップ応答モデルを得ることができる。
【００３６】
次に、本実施形態で用いられるモデルの変数について具体的に説明する。
図３は上記のステップ応答モデル（投入熱量をステップ状に変更したときのtblast,tbrickの挙動）を示したものである。同図（ａ）は熱風炉に対する単位ステップ操作、同図（ｂ）は熱風炉への投入熱量に対する単位ステップ操作に対する時刻ｋにおける送風中間点熱風温度の応答、同図（ｃ）は熱風炉への投入熱量に対する単位ステップ操作に対する時刻ｋにおける送風終了時レンガ温度の応答を、それぞれ概念的に示したものである。図４は時刻ｋ、ｕg、Tblast,Tbrick、熱風炉番号の対応関係を示したものである。
図３（ａ）に示されるように、熱風炉への投入熱量をｋ＝０以降、単位だけ増加させる。そして、図３（ｂ）（ｃ）に示されるように、ｋ＝０，１，２，…における送風中間点熱風温度と送風終了時レンガ温度をそれぞれ時系列的に並べて{tblast0,tblast1,tblast2,...}，{tbrick0,tbrick1,tbrick2,...}と表す。ここで、tblastiとtbrickiは、それぞれ熱風炉への投入熱量に対する単位ステップ操作に対する時刻ｋ＝ｉにおける送風中間点熱風温度と送風終了時レンガ温度の応答をそれぞれ表す。実際には、上記のように、tblast0,tblast1,tblast2は、それぞれ３ＨＳ，４ＨＳ，１ＨＳの送風中間点熱風温度であり、tbrick0,tbrick1,tbrick2は、それぞれ２ＨＳ，３ＨＳ，４ＨＳの送風終了時レンガ温度である。
ここで、時刻ｋ＝ｎ以降は応答は整定し、変化しないとしてステップ応答の系列を打ち切ることにすれば、熱風炉への投入熱量操作に対する送風中間点熱風温度Tblastと送風終了時レンガ温度Tbrickの応答はそれぞれ次式により表すことができる。このときの投入熱量ｕg、送風中間点熱風温度Tblast、送風終了時レンガ温度Tbrick及び熱風炉の対応関係は図４に示されるとおりである。
【００３７】
【数１】
0005286729.tif 000002
ここで、ug(k)とΔug(k)は時刻kにおける熱風炉への投入熱量とその変更量をそれぞれ表し、次式により表される。
【００３８】
【数２】
0005286729.tif 000003
【００３９】
上記の説明によりスタガードパラレル操業や熱レベル予測モデルの基本的な考え方が明らかになったところで、図１の燃焼制御装置２０の構成を参照しながら投入熱量の調整方法について説明する。
本実施形態では、予測温度算出部２１が、将来の一定区間（第一の区間）における投入熱量の時系列を仮定し、それをモデルに入力して将来の一定区間（第二の区間）における各炉の熱レベルの推移を予測する。そして、熱レベル予測値補正部２２がその予測値に所定の補正を施し、投入熱量算出部２４はその補正された予測値が操業上及び／又は設備上の制約範囲内に収まるような投入熱量操作量の時系列の中で、あらかじめ定めておいた評価関数を最適化するようなものを選択し、投入熱量調整部２５がその選択された投入熱量操作量に基づいて投入熱量を操作する。
【００４０】
上記の燃焼制御装置２０の動作を更に詳細に説明すると、図５のフローチャートに示されるように、予測温度算出部２１は、現在時刻をkとし、時刻k〜k+m-1のmステップにわたる投入熱量操作の時系列Δug(k),Δug(k+1),...,Δug(k+m-1)を仮定し、時刻ｋ＋１〜ｋ＋ｐのｐステップにわたる送風中間点熱風温度の時系列Tblast(k+1),Tblast(k+2),...,Tblast(k+p)と、送風終了時レンガ温度の時系列Tbrick(k+1),Tbrick(k+2),...,Tbrick(k+p)をそれぞれ上記の（１），（２）式を用いて求める（Ｓ１１）。ここで、m≦pである。（１），（２）式のモデルが実際の熱風炉の動特性を完全に表現していれば、これらのモデルによって求めた送風中間点熱風温度及び送風終了時レンガ温度をそのまま制御に用いてもよい。しかし、実際には、考慮されていない外乱やモデル化誤差のため、実際の送風中間点熱風温度及び送風終了時レンガ温度とモデルで計算した値には乖離が生じる場合がある。そのような場合にはそれを補正するため、熱レベル予測補正部２５は、現在時刻ｋにおけるモデルによる予測値と実績値の差により、モデルによる将来の予測値を以下のように補正する（Ｓ１２）。
【００４１】
【数３】
0005286729.tif 000004
【００４２】
ここで、Tblast(k+i｜k),Tbrick(k+i｜k)は、時刻k+iにおける送風中間点熱風温度及び送風終了時レンガ温度の補正後の予測値、Tblastactual(k),Tbrickactual(k)は、時刻kにおいて観測した送風中間点熱風温度及び送風終了時レンガ温度の実績値をそれぞれ表す。同様の補正を行うことにより、補正後の送風中間点熱風温度Tblast(k+1｜k),Tblast(k+2｜k),...,Tblast(k+p｜k)と補正後の送風終了時レンガ温度の時系列Tbrick(k+1｜k),Tbrick(k+2｜k),...,Tbrick(k+p｜k)を求めることができ、これを投入熱量操作の算出に用いる。投入熱量算出部２４は、記憶手段２３に記憶されている制約条件データ、例えば送風中間点熱風温度の目標値をTblastrefとし、送風終了時レンガ温度の下限値をTbrickminとすると、求めたい投入熱量操作の時系列Δug(k),Δug(k+1),...,Δug(k+m-1)は、次の（６）式、（７）式の制約条件を満たし、（８）式の評価関数を最小化するものとして求めることができる（Ｓ１３）。
【００４３】
【数４】
0005286729.tif 000005
【００４４】
ここで、a,bは、それぞれ送風中間点熱風温度の制御誤差と投入熱量の大きさに関する重みであり、これを調整することによって制御系の応答性を調整することができる。上記の問題は、（６）式、（７）式の制約条件の下で（８）式の評価関数を最小化する２次計画問題であるので、公知の方法によって解くことができ、最適な投入熱量操作の時系列Δug(k),Δug(k+1),...,Δug(k+m-1)を求めることができる。投入熱量算出部２４は、このうち現在時刻kにおける投入熱量操作Δug(k)だけを投入熱量として投入熱量調整部２５に出力する。投入熱量調整部２５は、投入熱量算出部２４からの投入熱量を時刻ｋにおける投入熱量として設定し、その設定された投入熱量に基づいて、例えばガス流量をガス弁１６ａの開度を調整することによって投入熱量を操作する（Ｓ１４）。ガス流量の調整に代えて、ガスカロリーを調整するようにしてもよい。なお、この投入熱量の操作は、他の３基の熱風炉２〜４に対しても同様になされる。そして、次に投入熱量を設定するタイミングである時刻ｋ＋１において、再び上記の最適化問題を解き、投入熱量操作の時系列を求め、同様に当該時刻に対応した投入熱量操作にしたがって操作を実施する。以下、同様にしてこれを制御周期ごとに繰り返すことにより、投入熱量の調整を行う。
【００４５】
本実施形態の効果を確認するために、計算機シミュレーションを行った結果を図６及び図７に示す。図６及び図７において、横軸は時刻であり、単位は図２に示されているピリオドである。また、縦軸は投入熱量と送風中間点熱風温度であるが、それぞれ無次元化してある。時刻ｋ＝０において、送風中間点熱風温度の値は１であり、これを目標値である０に投入熱量を操作することにより到達させることが制御の目標である。
【００４６】
図６は、従来技術である最適レギュレータを適用した場合であり、送風中間点熱風温度は最終的には目標値の０に到達しているが、その過程で０以下の値を取る期間がある。これは、この期間は炉の熱レベルが目標値以下となることを示しており、高炉に対する送風温度と送風流量を維持できない恐れがある。
【００４７】
図７は、本実施形態を実施した場合であり、投入熱量を適切に操作することにより、図６に見られるような送風中間点熱風温度がオーバーシュートして目標値０を下回るような応答は見られず、良好な制御が行えている。なお、本シミュレーションにおいては送風終了時レンガ温度は、ともに下限値以上であることが確認できたので、図示していない。
【００４８】
なお、本実施形態では、時刻ｋ＝０において熱風炉１の投入熱量を設定するように時刻と炉の順番が対応づけられており、時刻ｋ＝０において投入熱量を操作して求めたインパルス応答モデルは、熱風炉１の投入熱量操作に対する応答である。熱風炉２の投入熱量操作に対する応答を求めるには図２の時刻ｋ＝１において（但し、その計算ではｋ＝０と設定することになる）、また、熱風炉３の投入熱量操作に対する応答を求めるには図２の時刻ｋ＝２において（但し、この場合においてもその計算にはｋ＝０と設定することになる）、それぞれ投入熱量を操作し、投入熱量を操作した時刻以降の送風中間点熱風温度及び送風終了時レンガ温度を求めることにより、熱風炉１の投入熱量操作の場合と同様のインパルス応答モデルを求めることができる。ステップ応答モデルについても同様である。但し、本発明においては、実際の炉に特性の差異があっても、フィードバック制御の作用によって補償されるため、ある１つの炉に対するモデルを使用すれば十分な効果が得られる。
【００４９】
また、本実施形態では、炉の熱レベルの指標として送風中間点熱風温度と送風終了時レンガ温度を用いたが、送風終了時レンガ温度に十分余裕があり、それが下限値を下回ることがないことが明らかであれば、（７）式の制約条件を考える必要がなくなり、送風終了時レンガ温度を予測する必要もなくなる。その場合には、（１）式と（４）式を用いて送風中間点熱風温度を予測し、（６）式の制約条件の下で（８）式を最小化する問題を解けばよい。また、熱レベルの指標として混合冷風量を用いることもできる。その場合には、図２の灰色の丸で示すように先行炉の送風が終了して後行炉がシングル送風になったタイミングにおける混合冷風量を用いてもよいし、各送風期における混合冷風量の平均値を求め、それを用いてもよい。混合冷風量に関して、制約条件がある場合には、（６）式、（７）式と同様にそれを不等式で表せばよい。
【００５０】
また、本発明では、本実施形態で説明したように、複数の熱レベルの指標を同時に用いることができ、それらに制約条件があれば、（６）式、（７）式と同様にそれを不等式で表すことによって投入熱量設定に陽に考慮することができる。
また、上記の将来の一定区間における高炉へ送風する熱風の温度と流量の設定値が分かれば、それを考慮したモデルで各炉の熱レベルの推移を予測することにより、熱レベルの予測精度を高めることができ、投入熱量をより適切なものとすることができる。
【００５１】
例えば送風温度の単位ステップ操作に対する送風中間点熱風温度の応答を
{dblast0,dblast1,dblast2,...}で表す。（１）式と同様に、送風温度操作に対する送風中間点熱風温度の応答Dblastは、
【００５２】
【数５】
0005286729.tif 000006
【００５３】
で表される。ここで、BT(k)とΔBT(k)は時刻kにおける送風温度及びその変更量である。現在時刻をkとし、時刻k〜k+m-1のmステップにわたる送風温度設定値の時系列ΔBT(k),ΔBT(k+1),...,ΔBT(k+m-1)を仮定すれば、これらの影響による時刻k+1〜k+pのpステップにわたる送風中間点熱風温度の時系列Dblast(k+1),Dblast(k+2),...,Dblast(k+p)が求められるから、（４）式に相当する送風中間点熱風温度の予測式を
【００５４】
【数６】
0005286729.tif 000007
【００５５】
とすることで、送風温度設定値の将来の変更を考慮した送風中間点熱風温度を求めることができる。同様にして、送風終了時レンガ温度や、混合冷風量についても送風温度設定値の将来の変更を考慮した予測値を求めることができる。これらの予測値を用いた投入熱量操作量の算出については、（６）〜（８）式からなる最適化問題を解くことにより行うことができる。
また、熱レベルの予測に使うモデルは、本実施形態のようなステップ応答モデル以外にも、インパルス応答モデル、伝達関数モデル、状態方程式のような動特性を表すモデルを用いることができる。
また、本実施形態では熱風炉シミュレータを用いてモデルを導出する説明をしたが、それに限定されず、熱風炉の操業において投入熱量や熱レベルの時系列データの実績値を収集し、それらに対して公知のシステム同定の手法を適用することによってモデルを導出して、そのモデルを使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱風炉の制御装置及び関連設備の構成を示すブロック図である。
【図２】本実施形態における制御タイミングやデータ採取のタイミングを表す線図である。
【図３】ステップ応答モデルを示した線図である。
【図４】時刻ｋ、ｕg、Tblast,Tbrick、及び熱風炉番号の対応関係を示したものである。
【図５】本実施形態における処理過程を示したフローチャートである。
【図６】従来技術である最適レギュレータを適用した場合のシミュレーション結果を表す線図である。
【図７】本発明の実施形態を適用した場合のシミュレーション結果を表す線図である。
【図８】熱風炉の構造を示す模式図である。
【図９】熱風炉の送風制御系を表す模式図である。
【図１０】スタガードパラレル操業の概念図である。
【符号の説明】
【００５７】
２０ 燃焼制御装置、２１ 予測温度算出部、２２ 熱レベル予測値補正部、 ２３ 記憶部、２４ 投入熱量算出部、２５ 投入熱量調整部、３１ 温度計、３２ 温度計。
【図１】
0005286729.tif 000008
【図２】
0005286729.tif 000009
【図３】
0005286729.tif 000010
【図４】
0005286729.tif 000011
【図５】
0005286729.tif 000012
【図６】
0005286729.tif 000013
【図７】
0005286729.tif 000014
【図８】
0005286729.tif 000015
【図９】
0005286729.tif 000016
【図１０】
0005286729.tif 000017