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加热炉双模型钢温跟踪系统与总括热吸收率动态补偿研究

伊智  
【摘要】:加热炉SCC (Supervisory Computer Control)控制系统通常以总括热吸收率法作为钢温跟踪的核心模型,所以总括热吸收率ΦCF的取值是准确计算钢温的关键。本文将ΦCF的辨识分为两部分,其一是基于实验的基本辨识,其二是基于机理模型的补偿辨识。基本辨识解决ΦCF在某稳态工况下的取值问题,具有典型意义,而补偿辨识解决ΦCF在实际工况下的动态取值问题,具有一般意义。本文以某厂3号加热炉为研究对象,基于黑匣子实验数据,采用表面温度梯度法实现ΦCF的基本辨识;采用三元模型对ΦCF进行补偿辨识。为使三元模型兼具较高的计算精度和速度,提出了改进型动态三元模型的方法,该模型以当量灰的形式描述炉气辐射特性,并采用引入假想面法的段法模型进行修正,而在钢坯内部导热与炉膛热交换耦合求解时,考虑了钢坯的几何修正,实现了以离线模型修正在线模型,以精确模型修正简化模型的基本构想。在基本辨识和补偿辨识的基础上,开发了适用于在线控制的双模型钢温跟踪系统。具体研究步骤和主要成果为: (1)结合指数宽带模型和Leckner级数式求解非灰体系下的气体辐射特性参数。为提高指数宽带模型的计算速度,使模型能够满足气体辐射特性参数与平均射线行程耦合求解的要求,回归了H20和C02在模型求解过程中较复杂的参数(α/ω和γ),得到了该参数在各谱带的函数表达式,其中包括以β=γPe的形式处理H20自身重叠带,免除了重叠带β的重复计算。为考察回归式的精度和速度,在加热炉操作的温度和压力范围内,分别计算H20和C02单一气体和混合气体的发射率和吸收率,并将结果与常规指数宽带模型相比较。 (2)为计算非灰体系下的气体辐射特性参数和对应的平均射线行程,本文改进了以吸收系数反演气体对部分边界平均射线行程的方法,解除吸收系数为输入条件的限制,以辐射直接交换面积为中间量,实现非灰体系下气体发射率与吸收系数的关联,并由指数宽带模型和贝尔定律,确立发射率与平均射线行程的关系,进而耦合求解非灰体系下平均射线行程和气体辐射特性参数,并与相关文献进行比较。在此基础上,计算了非灰三元模型中任一模型段的气体辐射特性参数及对应的平均射线行程。 (3)采用当量灰的思路描述炉气。分别在非灰体系和灰体系下,建立以炉气和钢坯表面温度为输入条件的一段式三元模型,并以非灰体系下求解的钢坯表面热流为基准,反演当量灰体系下的辐射特性参数和平均射线行程,进而考察各输入条件(如温度、模型段尺寸和燃料成分)与当量灰体系下辐射特性参数的关系。 (4)建立引入假想面的二维稳态段法模型,对炉膛压下进行简化处理,解决了炉内辐射遮蔽问题。为提高模型计算效率,推导二维体系下的辐射直接交换面积积分降重表达式。并改进了全交换面积计算过程,避开由于引入了假想面反射热流密度的求解中出现计算式分母为零的情况,使改进的方法能够适用于存在黑体表面段的体系进行计算。采用该模型模拟某厂3号加热炉的典型工况,并将计算结果与黑匣子实验进行对比验证。 (5)为满足实时性要求,本文提出改进型动态三元模型,通过引入假想面的二维稳态段法模型所计算的假想面热流,修正炉气的能量平衡方程,基本消除了屏蔽段间辐射的计算模式所带来的误差。炉墙内表面边界条件的描述采用完全隐格式,以适应炉内多变工况;外表面边界则采用显格式,以节约计算时间。在钢坯内部导热与炉膛热交换耦合求解时,提出模型段内的钢坯综合平均温度的算法,使模型能够处理不同规格的钢坯和双排料,以及变间距和空步等更一般的情况,为验证改进型动态三元模型的准确性,将该模型与引入假想面的二维段法模型的计算结果进行比较。在此基础上,以某厂3号加热炉为研究对象,采用改进型动态三元模型寻找了不同产量下的最优炉温制度,为该炉子的供热分布提供指导。 另外,为保证模型计算速度,对钢坯内部导热计算进行研究,分别考察一维和二维模拟时的差别,并结合田中功模型,在合理的误差范围内,将钢坯导热差分方程简化为一维。 (6)分别采用黑匣子实验和改进型动态三元模型对ΦCF进行基本辨识和补偿辨识。以黑匣子实验数据为基础,根据实验测得钢坯表面温度曲线,采用表面温度梯度法反演出钢坯表面热流。根据钢坯行进曲线,从黑匣子实验同步记录的炉温曲线中,找出实验坯的历经炉温曲线,并与钢坯表面热流结合,反演ΦCF的基本值。由基本辨识的ΦCF曲线可以看出,当钢坯静止时,在同一位置处ΦCF值是变化的,这直观地证实了ΦCF动态补偿的必要性。因此,本文结合一段式三元模型和改进型动态三元模型对ΦCF进行补偿辨识研究,分析了ΦCF的主要影响因素,得到了ΦCF随温度、钢坯规格和间距,以及钢坯表面黑度变化的规律。 (7)提出并实现双模型钢温跟踪系统,以传统的ΦCF模型为主模型,以改进型动态三元模型为辅助模型,由三元模型实现ΦCF的在线实时动态辨识,以修正基本辨识值。这对于提高钢温跟踪系统的精度有重要意义。同时,以炉温检测值和计算值的差值构成权重,将ΦCF基础值和实时计算值的加权平均作为使用值,有效提高了ΦCF模型的动态精度。在极端情况下以此差值的最大允许幅度作为三元模型退出的判据,可保证双模型系统的安全。


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