Ekstremum arama algoritması ile çelik şerit üretimindeki endüstriyel boya kurutma fırınının toplam enerji maliyeti optimizasyonu
Total energy cost optimization of industrial paint drying oven in steel strip production with extremum seeking control
Yazar: SÜLEYMAN YILMAZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT FURAT
İskenderun Teknik Üniversitesi / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy

Özet:
Ağır sanayi tesisleri, pazarda rekabet edebilmek için, üretimin en önemli maliyetlerinden 
biri olan enerji maliyetlerini en aza indirmenin yollarını bulmaya çalışır. Bu çalışmada, 
çelik şerit üretim hattında kullanılan gerçek bir fırın sistemi üzerinde bir uygulamalı 
maliyet optimizasyonu yapılmıştır. Fırın sistemleri aynı anda farklı enerji kaynaklarını 
tüketirler. Bu nedenle, enerji maliyeti optimizasyonu fırın sistemleri için gerekli bir 
çalışmadır. Bu çalışmada üzerinde çalışılan gerçek fırın sistemi, iki bölge ve her bölge de 
sekiz bölümden oluşmaktadır. Çelik şeritlerin sürekli ısıtılması için her bölgeye bir doğal 
gaz brülörü ve 45kW gücünde bir sirkülasyon fanı yerleştirilmiştir. Fırın yapısını ve dahili 
brülör kontrol kurgusunu değiştirmeden fırın sisteminde fan hızlarını optimize ederek 
ısıtma işleminin toplam maliyetini en aza indirecek şekilde eğim tabanlı Ekstremum 
Arama Algoritması (EAA) geliştirilmiştir. Geliştirilmiş EAA, fırın güvenliği, ölçüm cihazı 
özellikleri ve kararlılık gecikmeleri gibi kısıtlamaları da aşacak şekilde çelik şerit 
üretiminde uygulanmıştır. EAA uygulanarak ölçülen enerji tüketim değerleri ile fırın 
üreticisinin tavsiye ettiği ayarlar ile elde edilen enerji tüketim değerleri maliyet 
bakımından karşılaştırılmıştır. Gerçek bir üretimin sonunda, geliştirilen EAA, fanların 
farklı çalışma hızlarında aynı ürünün daha az toplam maliyetle üretilebileceğini 
göstermiştir. Elektrik enerjisi ve doğal gazın toplam maliyeti, makina imalatçısının tavsiye 
ettiği %70 fan hızı yerine %78 kullanılması durumunda %3,44 oranında azalmıştır. Fırın 
sisteminin her bir bölgesinin doğal gaz tüketiminin ayrı ayrı ölçümü sağlanması 
durumunda tasarrufun daha da artırılabileceği öngörülmektedir.

Abstract:
Heavy industry facilities try to find ways to minimize energy costs, one of the most 
important costs of production, in order to compete in the market. In this study, an applied 
cost optimization was performed on a real furnace system used in a steel strip production 
line. Furnace systems consume different energy sources at the same time. Therefore, 
energy cost optimization is a necessary study for furnace systems. The actual kiln system 
studied in this study consists of two zones and each zone consists of eight parts. For 
continuous heating of the steel strips, a natural gas burner and a 45kW circulation fan are 
placed in each zone. A slope-based Extreme Seeking Control (ESC) has been developed to 
minimize the total cost of the heating process by optimizing the fan speeds in the furnace 
system without changing the furnace structure and internal burner control setup. Improved 
ESC has been applied in steel strip production, overcoming constraints such as furnace 
safety, meter characteristics, and stability delays. The energy consumption values measured 
by applying ESC and the energy consumption values obtained with the settings 
recommended by the oven manufacturer were compared in terms of cost. At the end of a 
real production, the developed ESC showed that the same product can be produced with 
less total cost at different operating speeds of the fans. The total cost of electrical energy 
and natural gas was reduced by 3.44% when 78% was used instead of the machine 
manufacturer's recommended 70% fan speed. It is envisaged that the savings can be further 
increased if the natural gas consumption of each zone of the furnace system is measured 
separately.