基于模型與算法的加熱爐節(jié)能應用與實踐

 

匯報內(nèi)容

 

一．需求分析及建設目標

 

二．優(yōu)化策略及系統(tǒng)架構

三．關鍵應用場景

 

四．實施規(guī)劃及項目價值

 

業(yè)務現(xiàn)狀

 

針對不同理化指標和尺寸的鋼坯，進行不同的加熱工藝參數(shù)控制，如氣量、風量、

風壓、爐膛溫度、出口溫度、爐膛壓力等；

 

分段加熱，由低溫爐區(qū)向高溫爐區(qū)大約六個階段進行加熱；

 

每爐區(qū)有一溫度探測點，各爐區(qū)依據(jù)工藝要求有不同數(shù)量的燃料及空氣投入裝置；

 

通過多年經(jīng)驗積累制訂不同材料的加熱參數(shù)，但仍有新牌號材料需進行工藝規(guī)劃；

 

靠熟練操作工經(jīng)驗工藝調(diào)度，工藝調(diào)度不是很頻繁，訂單批量大小不固定，工單小

 

發(fā)和投入產(chǎn)出數(shù)量、質(zhì)檢信息手工輸入，中控室可以查詢。

 

業(yè)務現(xiàn)狀

 

窯爐大約九年修了一次。。

 

按批次連續(xù)進行坯料加熱的投入和產(chǎn)出，出爐后進行入加工工序；

 

加工的首工序沖孔對坯料溫度有具體要求， 溫度合適方能上機作業(yè)；

 

加熱情況對產(chǎn)品質(zhì)量的影響在后工序如軋制、定徑、矯直、冷卻階段得以反饋；

 

客戶在環(huán)形爐的熱工節(jié)能方面已達到了行業(yè)領先水平，但仍將持續(xù)改進。

 

需求分析

 

企業(yè)對成本挖潛提出了更高的需求，環(huán)形爐做為最久的工藝裝備、耗能裝備是本次節(jié)

 

能降耗及產(chǎn)品工藝質(zhì)量提升的重點；

 

對坯料的環(huán)形爐加熱工藝參數(shù)進行持續(xù)優(yōu)化和快速規(guī)劃，從經(jīng)驗參數(shù)逐漸到精準參數(shù)

 

的轉(zhuǎn)化；

 

對坯料的環(huán)形爐加熱作業(yè)實現(xiàn)精益控制，從經(jīng)驗的開放式控制到精準的閉環(huán)式控制；

 

通過合理的工藝優(yōu)化及工藝控制，在降低能耗及排放的同時。提升加熱工藝作業(yè)效率，

 

并基于前工序的工藝質(zhì)量優(yōu)化， 提升后面加工工序的流轉(zhuǎn)效率和加工質(zhì)量；

 

項目建設目標

實現(xiàn)生產(chǎn)效率提升；

 

在對工藝及質(zhì)量指標體系的定義的基礎上， 通過與生產(chǎn)自動化系統(tǒng)及制造管理系統(tǒng) 的融 合，實時獲取生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)、工藝、質(zhì)量、設備、能源等相關數(shù)據(jù)和指標，以對生

產(chǎn)運營過程進行精準的測量、精準的評價， 通過這種數(shù)字化手段，將個人生產(chǎn)作業(yè)經(jīng)驗

 

轉(zhuǎn)變成企業(yè)知識，并以此指導優(yōu)化調(diào)度過程，提高生產(chǎn)效率。

生產(chǎn)效率提升關鍵詞：

 

生產(chǎn)時間、準備時間、加熱時間、換裝時間、搶修時間等等。

 

項目建設目標實施關鍵

實現(xiàn)能耗降低；

 

在儀表、閥門、和自動化的基礎上， 通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)的對標和智能 分析，發(fā)現(xiàn)燃燒控制的最優(yōu)路徑，完善燃燒控制標準并持續(xù)優(yōu)化，持續(xù)改善節(jié)能降

耗的目標；

 

能耗降低的關鍵詞：

 

空燃比、天然氣流量、空氣流量、電量、加熱時間、閥門執(zhí)行機構精準度、氧含量、

爐溫等等。

 

項目建設目標實現(xiàn)路徑

 

提高燒爐自動化水平；

 

實現(xiàn)環(huán)形加熱爐自動燒爐，提高自動化水平， 降低操作人員的勞動強度，提高加熱質(zhì)量。

燒爐空燃比動態(tài)優(yōu)化與節(jié)能降耗：

 

實現(xiàn)爐溫自動控制以及空燃比動態(tài)優(yōu)化，提升燃氣燃燒效率，減低加熱爐噸鋼能耗和氧

 

化燒損，實現(xiàn)節(jié)能降耗。

 

提升生產(chǎn)效率

 

優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度和設備管理水平，減少等待和準備時間，減少搶修時間。

 

解決的問題

 

匯報內(nèi)容

 

一．需求分析及建設目標

 

二．優(yōu)化策略及系統(tǒng)架構

 

三．關鍵應用場景

 

四．實施規(guī)劃及項目價值

 

優(yōu)化策略

 

通過環(huán)形爐熱工智能模型的建設，建立加熱爐加熱工藝過程與不同鋼坯的對照關系， 依據(jù)

后續(xù)工藝生產(chǎn)進度，依托模型自動調(diào)整加熱的溫度與步進的速度；

通過對DCS系統(tǒng)的燃燒自動化，對進風量、進氣量等熱工動態(tài)控制模型的建立，實現(xiàn)對面

向工藝目標的熱工作業(yè)的智能控制， 從而達到穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、節(jié)能降耗的目標。

 

系統(tǒng)總體架構

工藝智能優(yōu)化架構

匯報內(nèi)容

一．需求分析及建設目標

二．優(yōu)化策略及系統(tǒng)架構

 

三．關鍵應用場景

 

四．實施規(guī)劃及項目價值

 

工藝智能優(yōu)化

智能化管理（AI）—工藝智能優(yōu)化目標

實現(xiàn)對常規(guī)牌號及規(guī)格坯料加熱溫控參數(shù)標準的智能優(yōu)化，從而替代人

工經(jīng)驗、穩(wěn)定質(zhì)量指標、提升收率；

 

實現(xiàn)對個性產(chǎn)品生產(chǎn)的溫控參數(shù)的智能推薦。輔助實現(xiàn)快速工藝設計、

快速訂單響應。

 

智能化管理（AI）—工藝智能優(yōu)化目標

 

通過數(shù)字化系統(tǒng)的建立，對熱工作業(yè)工藝標準進行優(yōu)化，把加熱爐的作業(yè)數(shù)據(jù)數(shù)字 化，從而把操作工的操作經(jīng)驗轉(zhuǎn)變成企業(yè)的知識，再通過對這些知識大數(shù)據(jù)（工藝 質(zhì)量大數(shù)據(jù)）建模分析，實現(xiàn)由系統(tǒng)動態(tài)地智能推薦不同坯料不同工況下的優(yōu)化的 加熱工藝參數(shù)，從而建立優(yōu)化的加熱作業(yè)的工藝標準，并通過DCS集成將該標準下

發(fā)到DCS操作上位去執(zhí)行；

 

智能化管理（AI）—工藝智能優(yōu)化機理

智能化管理（AI）—工藝智能優(yōu)化技術路線

智能化管理（AI）—工藝智能優(yōu)化技術路線

智能化管理（AI）—基于智能模型的工藝優(yōu)化

 

利用平臺建立反應溫度、成品質(zhì)量之間的關聯(lián)關系及算法模型， 并進行模型的 訓練；

 

通過模型對存量或增量的工藝質(zhì)量大數(shù)據(jù)進行分析，從而自動規(guī)劃不同牌號、 不同配方，不同原料質(zhì)量指標、不同產(chǎn)品質(zhì)量指標下的優(yōu)化工藝標準推薦，如 形成動態(tài)的聚合反應的標準溫控曲線，以對聚合反應進行作業(yè)指導，從而保障

工藝的匹配、質(zhì)量的穩(wěn)定、收率的提高、能耗的減低；

 

如果實現(xiàn)了閉環(huán)的自動化改造，則對優(yōu)化的溫控參數(shù)進行下發(fā)。

工藝智能控制

 

自動控制關鍵參數(shù)

輸入數(shù)據(jù)： 溫度信號（爐膛溫度等） 、流量信號（總管空氣、天然氣流量，各段 空氣、天然氣流量等）壓力信號（總管空氣、天然氣壓力、爐膛壓力等）閥位信 號（空氣天然氣各閥閥位、鼓風機、引風機、助燃風機閥位信號等）， 其他（出

鋼胚溫度、氧含量檢測等） 。

 

輸出數(shù)據(jù)： 天然氣調(diào)節(jié)閥總管動作量、天然氣調(diào)節(jié)閥支管動作量、空氣調(diào)節(jié)閥總 管動作量、空氣調(diào)節(jié)閥支管動作量、風機（鼓風、引風、助燃風機）動作量、助

燃風機閥門動作量（如有）等。

 

自動控制改造升級原則

盡量利用現(xiàn)有的設施與設備，減少改造投資；

 

對滿足生產(chǎn)要求的功能予以保留，對缺少的自動功能進行補充完善，盡量保

持原來的操作習慣；

 

改造過程盡量減少對生產(chǎn)的影響，調(diào)試過程盡可能少影響生產(chǎn)，盡可能少干

擾現(xiàn)場。

 

可隨時切換到現(xiàn)有操作狀態(tài)。

爐溫控制畫面截圖

自動化優(yōu)化主要功能

爐膛燃燒控制的優(yōu)化，主要通過判斷不同參數(shù)和燒爐情況，不斷優(yōu)化空燃比， 實現(xiàn)燒

爐過程全自動優(yōu)化控制。

流量優(yōu)化控制： 針對空氣和天然氣調(diào)節(jié)過程的外部干擾因素，改善過程特性， 提高執(zhí)行 過程的控制質(zhì)量；

空燃比優(yōu)化控制： 模糊控制模型依據(jù)工況判斷溫度變化、閥門操作等信息，實現(xiàn)空燃比 快速尋優(yōu)；

燃燒控制決策： 通過分析爐膛溫度、生產(chǎn)節(jié)奏、空氣天然氣流量和壓力等信息，實現(xiàn)各 段爐膛溫度的優(yōu)化控制；

自學習模型： 依據(jù)爐膛工況，實現(xiàn)控制算法內(nèi)關鍵變量的自學習計算和修正， 提高控制 精度。

 

爐溫控制系統(tǒng)總體架構

爐溫控制策略

根據(jù)企業(yè)管理目標及工藝控制要求， 對生產(chǎn)爐溫控制關鍵指標進行梳理定義。

交叉控制策略： 為了讓空燃比控制更加精細， 依據(jù)溫度偏差自動調(diào)整雙交叉限幅，有效控制動 態(tài)空燃比，溫度偏差較大的時候減弱或取消限幅功能，提高控制系統(tǒng)的響應速度，將這個情況

下的參數(shù)設置修改為單交叉限幅控制， 即升溫先加風，減溫先降天然氣；

模糊+PID溫度控制器： 在溫度偏差大于閾值時，采用速度更快模糊控制策略進行快速調(diào)節(jié)，

在較小溫度偏差時采用PID進行精細調(diào)節(jié)；

前饋優(yōu)化： 當生產(chǎn)節(jié)奏和產(chǎn)品發(fā)生變化，胚料所需吸收的熱量也發(fā)生變化，必然使天氣燃氣消

耗量也發(fā)生變化，需要依據(jù)生產(chǎn)節(jié)奏， 依據(jù)前饋優(yōu)化計算， 即時增減流量，實現(xiàn)更及時控制。

 

爐溫自動化控制關鍵技術

 

空燃比自動優(yōu)化： 依據(jù)熱效率及熱損失與過剩空氣系數(shù)關系曲線結合自尋優(yōu) 函數(shù)，在工況變化時自動找到新的空燃比，使燃料充分燃燒，爐內(nèi)氧含量降

到最優(yōu)，提高燃燒效率，降低天然氣的消耗量。

 

自學習算法： 在燃燒的過程中，自動學習加熱爐各檢測變量的特征，建立知 識庫。在工況變化時，調(diào)節(jié)閥反饋不是非常精準的情況下，通過判斷不同參 數(shù)變化和燒爐的情況，推理專家修正策略，修正燃燒控制中的關鍵參數(shù)，隨

時保持最佳燃燒狀態(tài)。

 

匯報內(nèi)容

 

一．需求分析及建設目標

二．優(yōu)化策略及系統(tǒng)架構

三．關鍵應用場景

四．實施規(guī)劃及項目價值

 

項目實施周期規(guī)劃

 

第一階段：基礎自動化及數(shù)據(jù)采集改造： 1個月；

實現(xiàn)燒爐自動化所必需的現(xiàn)場調(diào)研、設計、采購、編程調(diào)試等工作。

 

第二階段：工藝智能優(yōu)化階段 ： 3個月； 建立智能優(yōu)化模型，進行工藝目標的智能優(yōu)化；

 

第三階段：工藝智能控制階段 ： 1個月。 建立智能控制模型，實現(xiàn)工藝作業(yè)的智能控制

 

智能優(yōu)化項目指標考核

 

考核時間： 本系統(tǒng)穩(wěn)定投運30天后，啟動考核驗收，統(tǒng)計考核數(shù)據(jù)；

 

模型有效率： 在涂層工藝階段的模型有效率 =取得正向效果的生產(chǎn)批次數(shù)/使用模型優(yōu)化 參數(shù)生產(chǎn)的總批次數(shù)；

正向效果： 指采用模型優(yōu)化的工藝參數(shù)生產(chǎn)后獲得的質(zhì)量合格率的穩(wěn)定或提升、 目標質(zhì)

量指標的適度可控。

 

工藝規(guī)劃效率： 新產(chǎn)品坯料加熱工藝參數(shù)的規(guī)劃效率 。

 

智能控制項目指標考核

 

考核時間： 本系統(tǒng)穩(wěn)定投運7天后，啟動考核驗收，統(tǒng)計考核數(shù)據(jù)；

 

自動化投用率：安裝調(diào)試完成后，連續(xù)實驗7天， 符合基礎條件時，系統(tǒng)各回路自動投 入運行，通過記錄各回路人工干預次數(shù)（非實施方設備或軟件原因）， 時間加權后判斷 自動化投用率是否大于95%；

 

節(jié)能降耗： 系統(tǒng)投用后，加熱爐天然氣消耗節(jié)約率不低于5%； 在保持工況不變的前提 下，抽取系統(tǒng)使用前后正常生產(chǎn)的一段時間的班組平均數(shù)據(jù)進行比較， 統(tǒng)計天然氣單耗 數(shù)據(jù)（選擇2~3種產(chǎn)量較大的規(guī)格，加熱工藝， 產(chǎn)量等工況類似，異常班組生產(chǎn)數(shù)據(jù)需 剔除）。

 

項目經(jīng)濟指標預估

 

直接經(jīng)濟效益：

節(jié)省天然氣效益 =年加熱鋼坯產(chǎn)量 x 噸鋼天然氣耗量 x 5% x 天然氣單價；

 

間接經(jīng)濟效益：

減少人為干預：減少因為個人能力造成的不良干擾，穩(wěn)定加熱質(zhì)量和產(chǎn)品品質(zhì)，提高成

材率；

提高自動化程度：減輕現(xiàn)場勞動強度和人工因素， 減少加熱爐操作的生產(chǎn)管理問題。

促進企業(yè)技能環(huán)保和低碳經(jīng)濟：通過空燃比的動態(tài)優(yōu)化， 天然氣燃燒充分，減少一氧化

碳和二氧化碳的排放總量。

 

項目實施案例：山西呂梁建龍加熱爐智能燒鋼系統(tǒng)

Thankyou.