熱風炉の燃焼制御装置及び熱風炉の燃焼制御方法
【課題】各炉への投入熱量を最適化し、熱バランスを安定化させることを可能にした熱風炉の燃焼制御装置及びその燃焼制御方法を提供する。
【解決手段】燃焼制御装置４０は、設定対象炉の投入熱量の設定に際し、先行炉の送風終了時の熱余裕指標実績値ＱＹｉ（設定対象炉から先行炉へ支援した熱量）と、設定対象炉自身の送風終了時の熱余裕指標実績値ＱＹｊ（後行炉から設定対象炉へ支援してもらった熱量）とに基づいて、設定対象炉単体での投入熱量の過不足を評価し、その過不足を補正するための過不足補正量ΔＧｂを設定する。そして、前回の燃焼期における投入熱量Ｇｘに過不足補正量ΔＧｂを加算することで、今回の燃焼期における設定対象炉への投入熱量Ｇを設定する。
【解決手段】燃焼制御装置４０は、設定対象炉の投入熱量の設定に際し、先行炉の送風終了時の熱余裕指標実績値ＱＹｉ（設定対象炉から先行炉へ支援した熱量）と、設定対象炉自身の送風終了時の熱余裕指標実績値ＱＹｊ（後行炉から設定対象炉へ支援してもらった熱量）とに基づいて、設定対象炉単体での投入熱量の過不足を評価し、その過不足を補正するための過不足補正量ΔＧｂを設定する。そして、前回の燃焼期における投入熱量Ｇｘに過不足補正量ΔＧｂを加算することで、今回の燃焼期における設定対象炉への投入熱量Ｇを設定する。
【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装置及びその燃焼制御方法に関し、特に、熱風炉の燃焼期における投入熱量を最適化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。
図５は、熱風炉の炉内の構造を示す模式図である。図５に示すように、熱風炉１１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、符号１４の部位はドーム、符号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１１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。
【０００３】
図６は、送風期における送風温度制御系の模式図である。１基の熱風炉１１にのみ通風する場合と２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１１の冷風バタフライ弁ＣＢを開とし、もう一方の熱風炉１１の冷風バタフライ弁ＣＢの開度を調整することにより高炉に送風する熱風の温度制御を行う。図６では、熱風炉１（１ＨＳ）と熱風炉２（２ＨＳ）の２基に同時に通風する場合を示している。
【０００４】
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。
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。
【０００５】
図７は、スタガードパラレル操業の概念図である。図７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６の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６の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６の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６の４ＨＳ）は、時刻ｋ＝１において燃焼期を終えて送風期に入る。
【０００６】
そのため、ｋ＝１からｋ＝２の間は３ＨＳと４ＨＳの２基送風状態となる。ｋ＝０からｋ＝１の間、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７の矢印Ａ）まで待機し、その間は３ＨＳの１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。
【０００７】
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。
【０００８】
従来、熱風炉の投入熱量制御方法として、例えば特許文献１に記載の技術がある。この技術は、熱理論的に求めた必要蓄熱量をベースに各種補正を行って、投入熱量を決定するものである。具体的には、高炉から要請される次回送風条件から送風期理論放熱量を熱理論的に求めて必要蓄熱量のべースとし、これに熱量誤差や燃焼開始前の残熱量を加味して必要投入熱量を求める。さらに、冷風温度変動による送風温度の変動を抑制するべく上記必要投入熱量を補正して今回の燃焼期における熱風炉への投入熱量を決定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平７−１４５４１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来の熱風炉の投入熱量制御方法では、熱風炉への投入熱量の良否評価を、操業条件によっても影響を受ける送風温度の変動で行っているため、良否判定が難しい。また、過剰あるいは過少な熱余裕の状態を判別するのが困難であるため、熱風炉への投入熱量を最適化することができず、熱余裕の過不足が生じるおそれがある。
また、スタガードパラレル操業においては、先行炉の熱不足を後行炉が補うが、後行炉が先行炉の熱不足を補った結果、当該後行炉の熱が不足すると、更に後ろの炉がその熱不足を補うというように、複数基ある熱風炉の間で熱を補完する連鎖が発生する。このような熱補完の連鎖が発生した場合、各熱風炉および各熱風炉間の熱バランスを短時間で安定化させることが望ましい。
そこで、本発明は、各炉への投入熱量を最適化し、熱バランスを安定化させることを可能にした熱風炉の燃焼制御装置及びその燃焼制御方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、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であって、先行炉の送風終了時における熱余裕を表す指標の実績値と、当該先行炉に続いて前記高炉に対して熱風を供給する後行炉の送風終了時における熱余裕を表す指標の実績値とに基づいて、当該後行炉の前回の燃焼期における投入熱量の過不足を補正する過不足補正量を設定する過不足補正量設定手段と、前記後行炉の前回の燃焼期における投入熱量に、前記過不足補正量設定手段で設定した過不足補正量を加算することで、前記後行炉の今回の燃焼期における投入熱量を設定する投入熱量設定手段と、を備えることを特徴としている。
【００１２】
これにより、投入熱量設定対象の熱風炉（設定対象炉）においては、設定対象炉から先行炉へ支援した熱量と、後行炉から設定対象炉に支援してもらった熱量とのバランスをチェックすることにより、当該対象炉単体での熱量過不足を評価し、投入熱量を決定することができる。したがって、スタガードパラレル操業において、複数基の熱風炉間で熱を補完する連鎖が発生した場合に、熱バランスを短期間で安定させることができる。
【００１３】
さらに、上記において、各熱風炉の熱余裕を表す指標の実績値と各熱風炉の熱余裕を表す指標の目標値との差分に基づいて、各熱風炉の前回の燃焼期における投入熱量に対するフィードバック補正量を設定するフィードバック補正量設定手段をさらに備え、前記投入熱量設定手段は、前記後行炉の前回の燃焼期における投入熱量に、前記過不足補正量設定手段で設定した過不足補正量と、前記フィードバック補正量設定手段で設定した前記後行炉のフィードバック補正量とを加算することで、前記後行炉の今回の燃焼期における投入熱量を設定することを特徴としている。
【００１４】
これにより、熱余裕指標の実績値の変化及び熱余裕指標の目標値の変化に対応して熱風炉への投入熱量を設定することができ、操業状態に応じた過不足のない熱余裕を熱風炉に持たせることができる。このように、より制御性を高めることができる。また、熱余裕指標に目標値を設定することにより、過剰あるいは過少な熱余裕の状態を容易に判別することができる。そのため、熱風炉への投入熱量の良否評価を容易に行うことができる。さらに、投入熱量の設定に際し、速度型制御を採用するので、比較的簡易な構成で燃焼制御が可能となる。
【００１５】
また、上記において、前回の送風期において熱風炉から高炉に供給すべき熱風の熱量と、次回の送風期において熱風炉から高炉に供給すべき熱風の熱量との差分に基づいて、各熱風炉の前回の燃焼期における投入熱量に対するフィードフォワード補正量を設定するフィードフォワード補正量設定手段をさらに備え、前記投入熱量設定手段は、前記後行炉の前回の燃焼期における投入熱量に、前記過不足補正量設定手段で設定した過不足補正量と、前記フィードバック補正量設定手段で設定した前記後行炉のフィードバック補正量と、前記フィードフォワード補正量設定手段で設定した前記後行炉のフィードフォワード補正量とを加算することで、前記後行炉の今回の燃焼期における投入熱量を設定することを特徴としている。
これにより、熱風炉への投入熱量を、前回の送風期における高炉必要熱量と次回の送風期における高炉必要熱量との差分に応じて設定することができる。そのため、高炉必要熱量が変化したときには、熱風炉に蓄熱させる熱量を迅速に変更することができる。このように、より制御性を高めることができる。
【００１６】
さらに、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であって、先行炉の送風終了時における熱余裕を表す指標の実績値と、当該先行炉に続いて前記高炉に対して熱風を供給する後行炉の送風終了時における熱余裕を表す指標の実績値とに基づいて、当該後行炉の前回の燃焼期における投入熱量の過不足を補正する過不足補正量を設定するステップと、前記後行炉の前回の燃焼期における投入熱量に、前記過不足補正量設定手段で設定した過不足補正量を加算することで、前記後行炉の今回の燃焼期における投入熱量を設定するステップと、を備えることを特徴としている。
これにより、熱風炉への投入熱量を最適化することができるので、複数基の熱風炉間で熱補完の連鎖が発生した場合であっても、熱バランスを短期間で安定させることができる燃焼制御方法とすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、投入熱量設定対象の熱風炉の前回の送風期における熱量過不足を評価し、前回の燃焼期における熱風炉への投入熱量に対する過不足補正量を設定することができる。したがって、熱風炉への投入熱量を最適化することができる。その結果、複数基の熱風炉間での熱補完の連鎖による炉間の熱バランスの干渉を抑制することができるので、各熱風炉および各熱風炉間の熱バランスを短期間で安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態における熱風炉の燃焼制御装置及び関連設備の構成を示す図である。
【図２】燃焼制御装置の具体的構成を示すブロック図である。
【図３】本実施形態の動作を説明するための図である。
【図４】フィードバック制御及びフィードフォワード制御と併用した場合の燃焼制御装置の具体的構成を示すブロック図である。
【図５】熱風炉の炉内の構造を示す模式図である。
【図６】送風期における送風温度制御系の模式図である。
【図７】スタガードパラレル操業の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（構成）
図１は、本実施形態における熱風炉の燃焼制御装置及び関連設備の構成を示す図である。
図中、符号１１は熱風炉（以下、単に炉とも称す）である。この熱風炉１１は、図４に示すように燃焼室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、符号１４の部位はドーム、符号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。このとき得られた熱風は高炉へ供給される。このような熱風炉１１を複数基（例えば、図６に示すように４基）連結し、図７に示すように、位相を炉ごとにずらしながら予め定められた制御周期ごとに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。
【００２０】
図１に示すように、熱風炉１１の出口側には、高炉に供給する熱風の温度（送風温度）を測定する送風温度計３１が取り付けられている。また、熱風炉１１のドーム１４には、ドーム温度を測定するドーム温度計３２が取り付けられ、熱風炉１１の珪石レンガ下部１５には、レンガ温度を測定するレンガ温度計３３が取り付けられている。さらに、混冷バタフライ弁ＭＢには、当該混冷バタフライ弁ＭＢの開度を検出する混冷弁開度センサ３４が取り付けられており、冷風バタフライ弁ＣＢには、当該冷風バタフライ弁ＣＢの開度を検出する冷風弁開度センサ３５が取り付けられている。
【００２１】
これら送風温度計３１、ドーム温度計３２、混冷弁開度センサ３４及び冷弁開度センサ３５の出力信号は、燃焼制御装置４０に入力される。また、送風温度計３１の出力信号は、送風温度制御装置５０に入力される。なお、図１では図示を省略したが、他の熱風炉１１においても温度計３１〜３３をそれぞれ備えており、また、他の冷風バタフライ弁ＣＢにおいても冷風弁開度センサ３５をそれぞれ備えており、それらの出力信号は燃焼制御装置４０や送風温度制御装置５０に入力されるようになっている。
【００２２】
燃焼制御装置４０は、上述した入力信号に基づいて、熱風炉１１への投入熱量を設定する。そして、設定した投入熱量に基づいて、熱風炉１１の燃料ガス供給口１６（図５）の上流側に設けられたガス弁１６ａの開度を制御する。これにより、ガス流量又はガスカロリーを調整することができる。
燃焼制御装置４０の制御対象は、上述のように、図５の熱風炉１１が図６に示すように連結されたものである。熱風炉１１では、図７に示すように燃焼・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いる。また、このスタガードパラレル操業においては、先行炉に熱不足が発生すると、その熱不足を後行炉が補う熱支援を行うようになっている。先行炉への熱支援は後行炉の各送風期の前半の期間内で行う。
【００２３】
そして、投入熱量の設定は、各炉の燃焼期に先立って図７の離散化された時刻ｋ＝１，２，…（白い四角で示したタイミング）で行うものとする。この燃焼制御装置４０で実施する投入熱量設定処理については、後で詳述する。
送風温度制御装置５０は、上述した入力信号に基づいて、熱風炉１１からの送風温度が高炉に必要な熱量に応じて決定される送風温度設定値となるように送風温度制御を行う。具体的には、熱風炉１１からの送風温度が送風温度設定値となるように、スタガードパラレル操業において、１基の熱風炉１１にのみ通風する場合での混冷バタフライ弁ＭＢの開度調整、及び２基に同時に通風する場合での冷風バタフライ弁ＣＢの開度調整をすることによって、高炉に送風する熱風の温度を制御する。
【００２４】
次に、燃焼制御装置４０で実施する投入熱量設定処理について具体的に説明する。
図２は、燃焼制御装置４０の具体的構成を示すブロック図である。この図２では、高炉に対して続けて熱風を供給する２基の熱風炉１１（先行炉１１ａ及び後行炉１１ｂ）に着目し、これら先行炉１１ａ及び後行炉１１ｂに対応する部分について示している。
燃焼制御装置４０では、投入熱量設定対象の熱風炉１１（以下、設定対象炉ともいう）を図２に示す後行炉１１ｂとして見立てて、投入熱量設定処理を実施する。このとき、燃焼制御装置４０は、先行炉１１ａの送風終了時における熱余裕を表す指標（熱余裕指標）の実績値と、設定対象炉１１ｂの送風終了時における熱余裕指標の実績値とに基づいて、設定対象炉１１ｂの前回の燃焼期における投入熱量の過不足を補正する過不足補正量を設定する。そして、上記前回の投入熱量に過不足補正量を加算したものを今回の燃焼期における設定対象炉１１ｂの投入熱量として燃焼制御を行う。
【００２５】
ここで、熱風炉１１の熱余裕は、高炉から要求された温度、流量の熱風を供給するのに必要な最低限の熱量よりもどれだけ多くの熱量を各炉が有しているかを示すものである。
図２に示すように、燃焼制御装置４０は、先行炉１１ａに対応する熱余裕指標実績演算部４１ａ、熱余裕過不足制御部４２ａ及び加算器４３ａと、設定対象炉１１ｂに対応する熱余裕指標実績演算部４１ｂ、熱余裕過不足制御部４２ｂ及び加算器４３ｂと、を備える。
【００２６】
熱余裕指標実績演算部４１ａ及び４１ｂ、熱余裕過不足制御部４２ａ及び４２ｂ、加算器４３ａ及び４３ｂは、それぞれ同様の処理を行うものである。そのため、ここでは設定対象炉１１ｂに対応する熱余裕指標実績演算部４１ｂ、熱余裕過不足制御部４２ｂ及び加算器４３ｂについて説明する。
熱余裕指標実績演算部４１ｂは、設定対象炉１１ｂの熱余裕を表す指標の実績値（熱余裕指標実績値）ＱＹｊを演算し、出力する。ここでは、熱余裕指標として設定対象炉１１ｂの送風終了時の混冷バタフライ弁ＭＢ開度（混冷弁開度）ＭＢｘと、同タイミングにおける設定対象炉１１ｂの後行炉の冷風バタフライ弁ＣＢ開度（冷風弁開度）ＣＢｘとを用いる。混冷弁開度ＭＢｘ及び冷風弁開度ＣＢｘは、それぞれ混冷弁開度センサ３４及び冷弁開度センサ３５で検出した信号を用いる。
【００２７】
熱余裕指標実績値ＱＹｊは次式により演算する。
ＱＹｊ＝ｆ（ＭＢｘ，ＣＢｘ） ………（１）
ここで、ｆ（ ）は括弧内の変数をパラメータとし、熱余裕指標実績値ＱＹｊを演算する関数であり、例えば下記に表す関数を用いることができる。
ＱＹｊ＝ｆMB・（ＭＢｘ−ＭＢｚ）＋ｆCB・（ＣＢｘ−ＣＢｚ） ………（２）
ここで、ｆMB，ｆCBはそれぞれ予め設定された係数であり、ＭＢｚ及びＣＢｚは、それぞれ指標演算にあたっての各開度の基準値である。
【００２８】
熱余裕過不足制御部４２ｂは、熱余裕指標実績演算部４１ａで演算した先行炉１１ａの送風終了時における熱余裕指標実績値ＱＹｉと、熱余裕指標実績演算部４１ｂで演算した設定対象炉１１ｂの送風終了時における熱余裕指標実績値ＱＹｊとを比較し、設定対象炉１１ｂの前回の燃焼期における当該設定対象炉１１ｂへの投入熱量の過不足分を、熱余裕指標を用いて演算する。
先ず、設定対象炉１１ｂが前回の送風期に先行炉１１ａに支援した熱量に相当する熱余裕を求める。なお、図７において、ｋ＝４で１ＨＳへの投入熱量の設定を行う場合、すなわちｋ＝４からｋ＝６の期間が「今回の燃焼期」である場合、ｋ＝２からｋ＝４の期間が「前回の送風期」となる。
【００２９】
先行炉１１ａの送風終了時において、熱余裕指標実績値ＱＹｉが、ＱＹi≧０の場合、設定対象炉１１ｂから先行炉１１ａへの熱支援は行っていない。一方、ＱＹｉ＜０の場合には、先行炉１１ａの熱不足に対して設定対象炉１１ｂは熱支援を行っている。
したがって、設定対象炉１１ｂが前回の送風期に先行炉１１ａに支援した熱量相当の熱余裕ＲＸは、下記のようになる。
ＱＹｉ≧０のとき、 ＲＸ＝０，
ＱＹｉ＜０のとき、 ＲＸ＝−ＱＹｉ ………（３）
【００３０】
また、設定対象炉１１ｂの送風終了時において、設定対象炉１１ｂに残った熱量相当の熱余裕ＲＹは、熱余裕指標実績値ＱＹｊで表される。
ＲＹ＝ＱＹｊ ………（４）
このとき、上記先行炉１１ａに支援した熱量相当の熱余裕ＲＸと、上記設定対象炉１１ｂに残った熱量相当の熱余裕ＲＹとの和ＳＸは、設定対象炉１１ｂが前回の送風期に放出した熱量と、当該設定対象炉１１ｂが前回の送風期の前に蓄積していた熱量との過不足を表す（ＳＸ：熱余裕過不足）。
ＳＸ＝ＲＸ＋ＲＹ ………（５）
【００３１】
そして、上記（５）式により求めた熱余裕過不足ＳＸに基づいて、設定対象炉１１ｂの蓄積熱量の過不足を判定し、次式をもとに過不足補正量ΔＧｂを算出する。
ＳＸ＝０のとき、 ΔＧｂ＝０，
ＳＸ＜０のとき、 ΔＧｂ＝−２・Ｋｓ・ＳＸ，
ＳＸ＞０のとき、 ΔＧｂ＝−Ｋｓ・ＳＸ ………（６）
ここで、Ｋｓは熱余裕指標から熱量への換算係数である。
すなわち、ＳＸ＝０である場合には、設定対象炉１１ｂの蓄積熱量には過不足がないと判断し、前回と同じ熱量を投入するように過不足補正量ΔＧｂを“０”する。
【００３２】
そして、ＳＸ＜０である場合には、設定対象炉１１ｂの蓄積熱量が不足していると判断し、前回に対して投入熱量を増加するような過不足補正量ΔＧｂを設定する。このとき、設定対象炉１１ｂ自身の熱量不足を解消するための熱量（−Ｋｓ・ＳＸ）と、設定対象炉１１ｂの熱余裕不足を当該設定対象炉１１ｂの後行炉が支援する熱補完連鎖を防止するために熱補完分ＳＸを解消する熱量（−Ｋｓ・ＳＸ）とを加えた（−２・Ｋｓ・ＳＸ）を過不足補正量ΔＧｂとする。
【００３３】
また、ＳＸ＞０である場合には、設定対象炉１１ｂの蓄積熱量が過多であると判断し、前回に対して投入熱量を減じるような過不足補正量ΔＧｂを設定する。このとき、過多な熱量を解消するための熱量（−Ｋｓ・ＳＸ）を過不足補正量ΔＧｂとする。
加算器４３ｂは、熱余裕過不足制御部４２ｂで出力した過不足補正量ΔＧｂを、前回の燃焼期における投入熱量Ｇｘに加算し、今回の投入熱量Ｇを算出する。すなわち、今回の投入熱量Ｇは次式により算出されることになる。
Ｇ＝Ｇｘ＋ΔＧｂ ………（７）
【００３４】
なお、図６において、ｋ＝４で１ＨＳへの投入熱量の設定を行う場合、すなわちｋ＝４からｋ＝６の期間が「今回の燃焼期」である場合、ｋ＝０からｋ＝２の期間が「前回の燃焼期」となる。
このようにして設定された投入熱量Ｇに基づいて、設定対象炉１１ｂのガス弁１６ａの開度を制御することでガス流量を調整する。
なお、図２において、熱余裕過不足制御部４２ｂが過不足補正量設定手段に対応し、加算器４３ｂが投入熱量設定手段に対応している。
【００３５】
（動作）
次に、本実施形態の動作について、図３を参照しながら説明する。
図３は、送風量８０００Ｎｍ3／ｍｉｎ、送風温度１１００℃前後で安定操業しているときに、本実施形態における燃焼制御を適用した場合の４基の熱風炉１１（熱風炉＃１〜熱風炉＃４）間の熱補完の状態を示している。
各熱風炉１１では、上述したように燃焼と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いる。すなわち、熱風炉＃１では、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの期間が送風期、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの期間が燃焼期、時刻ｔ５から時刻ｔ７までの期間が送風期となる。また、送風期のうち前半の期間は、先行炉の熱支援を行う期間であり、先行炉に熱不足が発生している場合はこの期間に先行炉の熱不足を補うべく送風を行う。
【００３６】
そして、各熱風炉１１における投入熱量の設定は、各炉の燃焼期に先立って行われる。すなわち、熱風炉＃１では、時刻ｔ３，ｔ７，…で、今回の燃焼期における投入熱量を設定するようになっており、時刻ｔ３では、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの燃焼期の投入熱量、時刻ｔ７では、時刻ｔ７から時刻ｔ９までの燃焼期の投入熱量が設定される。
同様に、熱風炉＃２では、時刻ｔ２から時刻ｔ４までの期間が送風期、時刻ｔ４から時刻ｔ６までの期間が燃焼期、時刻ｔ６から時刻ｔ８までの期間が送風期となる。また、この熱風炉＃２では、時刻ｔ４，ｔ８，…で、今回の燃焼期における投入熱量を設定する。
【００３７】
燃焼制御装置４０は、例えば、時刻ｔ４で熱風炉＃２の投入熱量設定処理を行う場合、先行炉である熱風炉＃１の送風終了時（時刻ｔ３）での熱余裕指標実績値ＱＹｉを取得すると共に、熱風炉＃２の送風終了時（時刻ｔ４）での熱余裕指標実績値ＱＹｊを演算し、加熱炉＃２の熱量過不足を判定する。
時刻ｔ３の時点では熱風炉＃１で熱量過不足は発生しておらず、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間において、熱風炉＃２は熱風炉＃１の熱支援を行っていない。すなわち、ＱＹｉ＝０であり、上記（３）式よりＲＸ＝０である。また、時刻ｔ４の時点では熱風炉＃２で熱量過不足は発生していない。すなわち、ＱＹｊ＝０であり、上記（５）式よりＳＸ＝０となる。
したがって、熱余裕過不足制御部４２ｂは、投入熱量設定対象である熱風炉＃２において投入熱量の過不足は発生していないと判断し、上記（６）式より過不足補正量ΔＧｂ＝０に設定する。そのため、時刻ｔ４では、熱風炉＃２の前回の燃焼期における投入熱量Ｇｘが、そのまま熱風炉＃２の今回の燃焼期における投入熱量Ｇとして設定される。
【００３８】
次に、時刻ｔ５では、燃焼制御装置４０は熱風炉＃３の投入熱量設定処理を行う。上述したように、時刻ｔ４では先行炉である熱風炉＃２で熱量過不足は発生していないため、熱風炉＃２の送風終了時での熱余裕指標実績値ＱＹｉ＝０であり、上記（３）式よりＲＸ＝０である。ところが、何らかの理由により高炉が必要とする熱量に対して熱風炉＃３が供給する熱量が不足し、熱余裕指標ａだけ不足した場合には、熱風炉＃３の送風終了時（時刻ｔ５）での熱余裕指標実績値ＱＹｊ＝−ａとなり、上記（５）式よりＳＸ＝−ａとなる。この場合、時刻ｔ４から時刻ｔ５の期間では、熱風炉＃４は、先行炉である熱風炉＃３の熱余裕指標ａ分の熱量不足を支援する。
【００３９】
ＳＸ＝−ａであるため、熱余裕過不足制御部４２ｂは、時刻ｔ５で投入熱量設定対象である熱風炉＃３において投入熱量の不足が発生していると判断し、上記（６）式より過不足補正量ΔＧｂ＝２・Ｋｓ・ａに設定する。そのため、この時刻ｔ５では、熱風炉＃３の前回の燃焼期における投入熱量Ｇｘに過不足補正量ΔＧｂ＝２・Ｋｓ・ａを加算した熱量が、熱風炉＃３の今回の燃焼期における投入熱量Ｇとして設定される。この過不足補正量ΔＧｂ＝２・Ｋｓ・ａは、熱風炉＃３の送風終了時（時刻ｔ５）における熱余裕ａ相当の熱量不足分と、時刻ｔ４から時刻ｔ５の期間に熱風炉＃４が熱風炉＃３を熱支援した熱余裕ａ相当の熱量分との和である。
このように、設定対象炉において送風終了時に熱量不足が発生している場合、熱量不足分に相当する熱量を今回の燃焼期に追加投入する。さらに、このとき、設定対象炉において不足した熱量は、後行炉で順次支援するため、後行炉の熱余裕が各々減少することを考慮し、本熱余裕の減少分を補完する熱量も併せて追加投入する。
【００４０】
次に、時刻ｔ６では、燃焼制御装置４０は熱風炉＃４の投入熱量設定処理を行う。上述したように、時刻ｔ５では先行炉である熱風炉＃３の熱不足が発生しており、熱風炉＃４は熱風炉＃３の熱支援を行っている。すなわち、ＱＹｉ＝−ａであり、上記（３）式よりＲＸ＝ａである。また、熱風炉＃４が熱風炉＃３の熱支援を行ったために、時刻ｔ６では熱風炉＃４の熱不足が発生している。すなわち、ＱＹｊ＝−ａであり、上記（５）式よりＳＸ＝０となる。これは、熱風炉＃４単体では、前回の送風期に高炉が必要とする熱量と等しい熱量を蓄積していたことを意味する。
したがって、熱余裕過不足制御部４２ｂは、投入熱量設定対象である熱風炉＃４において投入熱量の過不足は発生していないと判断し、上記（６）式より過不足補正量ΔＧｂ＝０に設定する。そのため、時刻ｔ６では、熱風炉＃４の前回の燃焼期における投入熱量Ｇｘが、そのまま熱風炉＃４の今回の燃焼期における投入熱量Ｇとして設定される。
【００４１】
このように、送風終了時に熱量不足が発生している場合であっても、その熱量不足が先行炉の支援を行ったことに起因するものであり、炉単体では熱量過不足がない場合には、投入熱量を変更しないようにする。
炉単体では熱量過不足がないにもかかわらず、送風終了時の熱量不足のみを見て投入熱量を増加してしまうと、熱不足が発生した炉に誘発されて、熱不足が発生していない他の炉においても順次投入ガス量を増やしてしまうため、熱不足が解消した後、各炉において一時的な熱余り状態が発生してしまう。そのため、その後のタイミングでは、上記の熱余りを解消するために、各炉の投入ガス量を減じる必要が生じてしまい、収束が遅れる。
【００４２】
これに対して、本実施形態では、先行炉の送風終了時の熱余裕指標実績値ＱＹｉに基づいて設定対象炉が先行炉に支援した熱量を把握し、設定対象炉の送風終了時の熱量不足分と先行炉の熱支援分とが等しい場合には、過不足補正量ΔＧｂ＝０として投入熱量を変更しない。これにより、熱量過不足のない炉の熱収支を崩さないようにすることができ、上記のような熱量過多およびその後の熱量調整を防止することができる。
なお、時刻ｔ７での熱風炉＃１の投入熱量設定処理、及び時刻ｔ８での熱風炉＃２の投入熱量設定処理でも、この時刻ｔ６での熱風炉＃４の投入熱量設定処理と同様に、熱風炉＃１，＃２では投入熱量の過不足は発生していないと判断され、前回の燃焼期における投入熱量Ｇｘがそのまま今回の燃焼期における投入熱量Ｇとして設定される。
【００４３】
そして、時刻ｔ９では、燃焼制御装置４０は熱風炉＃３の投入熱量設定処理を行う。時刻ｔ７から時刻ｔ８までの送風期間では、熱風炉＃３は先行炉である熱風炉＃２の熱量不足ａ分の熱支援を行うが、時刻ｔ５での投入熱量設定処理で２ａ分の投入熱量を増加する処理を行っているため、時刻ｔ９の送風終了時には熱風炉＃３で熱不足が発生しない。すなわち、先行炉である熱風炉＃２の送風終了時の熱余裕指標実績値ＱＹｉ＝−ａであり、上記（３）式よりＲＸ＝ａであるが、熱風炉＃３の送風終了時の熱余裕指標実績値ＱＹｊ＝０であるため、上記（５）式よりＳＸ＝ａとなる。これは、熱風炉＃３単体では、前回の送風期に、高炉が必要とする熱量に対して熱余裕ａ相当分の熱量を多く蓄積していることを意味する。
【００４４】
したがって、熱余裕過不足制御部４２ｂは、投入熱量設定対象である熱風炉＃３において投入熱量の過多が発生していると判断し、上記（６）式より過不足補正量ΔＧｂ＝−Ｋｓ・ａに設定する。そのため、時刻ｔ９では、熱風炉＃３の前回の燃焼期における投入熱量Ｇｘに過不足補正量ΔＧｂ＝−Ｋｓ・ａを加算した熱量が、熱風炉＃３の今回の燃焼期における投入熱量Ｇとして設定される。すなわち、今回の燃焼期における投入熱量Ｇは、前回の燃焼時における投入熱量Ｇｘから熱余裕ａ相当分の熱量を減じた値となる。
このように、送風終了時に熱量過不足が発生していない場合であっても、単体では熱量過多が生じている場合には、加熱炉間の熱補完は発生しないため、単純に過多分の熱量を減じる。これにより、確実に炉の熱収支を安定させることができる。
【００４５】
そして、時刻ｔ１０以降は、各熱風炉は先行炉への熱支援を行わず、また後行炉からの熱支援も受けない状態となり、高炉が必要とする熱量と等しい熱量を蓄積した平衡状態となる。
以上のように、熱風炉＃３で熱量不足が発生し、熱風炉＃４以降で熱補完の連鎖が発生した場合であっても、短期間（ここでは４ピリオド）で平衡状態に収束させることができる。
【００４６】
（効果）
このように、上記実施形態では、投入熱量設定対象の熱風炉（設定対象炉）において、設定対象炉から先行炉へ支援した熱量と、後行炉から設定対象炉へ支援してもらった熱量とのバランスをチェックすることにより、設定対象炉単体での熱量過不足、即ち高炉が必要とする熱量に対する炉が蓄積する熱量を評価し、投入熱量を決定する。
このとき、設定対象炉単体での熱量過不足がないと判断した場合には過不足補正量を“０”として、前回の燃焼期における投入熱量をそのまま今回の燃焼期における投入熱量とする。したがって、先行炉へ支援したことで、送風終了時において熱支援分に相当する熱量不足が生じている場合には、炉単体では熱量過不足がないとして投入熱量を変更しないようにすることができる。これにより、熱量過不足のない炉の熱収支を崩さないようにすることができる。
【００４７】
また、設定対象炉単体で熱量不足が生じていると判断した場合には、当該設定対象炉の送風終了時における熱量不足分と先行炉への熱支援分との和を過不足補正量として設定し、前回の燃焼期における投入熱量を増加補正して今回の燃焼期における投入熱量とする。したがって、設定対象炉自身の熱量不足を解消することができると共に、加熱炉間での熱補完の連鎖を短期間で解消することができる。
【００４８】
さらに、設定対象炉単体で熱量過多が生じていると判断した場合には、熱量過多分を過不足補正量として設定し、前回の燃焼期における投入熱量を減少補正して今回の燃焼期における投入熱量とする。したがって、適切に熱収支を安定させることができる。
以上のように、設定対象炉においては、前回の送風期の送風終了時における熱量過不足のみではなく、前回の送風期における先行炉への熱量支援分も考慮して今回の燃焼期の投入熱量を決定するので、各炉の投入熱量を最適化することができる。その結果、スタガードパラレル操業において、複数基の熱風炉間で熱を補完する連鎖が発生した場合に、熱バランスを短期間で安定させることができる。
【００４９】
また、熱余裕指標実績値を用いて各炉の熱量過不足を評価するので、適切な評価が可能となる。特に、本実施形態では、熱余裕指標として混冷弁開度ＭＢｘ及び冷風弁開度ＣＢｘを用いている。混冷弁開度ＭＢｘは、高炉から要求された温度、流量の熱風を供給するために熱風炉からの熱風に混合した冷風の量であり、その値は熱風炉負荷に依存しない。また、冷風弁開度ＣＢｘは、高炉から要求された温度、流量の熱風を供給した後に、炉にどれだけの熱が残っているか（残熱量）を表すものであり、その値も熱風炉負荷に依存しない。このように、操業条件の影響を受けない熱余裕指標を用いるので、容易に熱量過不足の評価を行うことができる。
【００５０】
（応用例）
なお、上記実施形態においては、熱余裕を目標値に一致させるためのフィードバック制御や、必要とされる熱量の変化に対して事前に投入熱量を変更するフィードフォワード制御と併用することもできる。これにより、より制御性を高めることができる。
図４は、本発明をフィードバック制御やフィードフォワード制御と併用した場合の燃焼制御装置４０の構成を示すブロック図である。この図４では、高炉に対して続けて熱風を供給する２基の熱風炉１１（先行炉１１ａ及び後行炉１１ｂ）に着目し、これら先行炉１１ａ及び後行炉（設定対象炉）１１ｂに対応する部分を示している。
【００５１】
図４に示すように、燃焼制御装置４０は、先行炉１１ａに対応する熱余裕指標実績演算部４１ａ、熱余裕過不足制御部４２ａ、減算器４４ａ、熱余裕制御部４５ａ、投入熱量補正量設定部４６ａ、加算器４７ａ及び加算器４８ａと、設定対象炉１１ｂに対応する熱余裕指標実績演算部４１ｂ、熱余裕過不足制御部４２ｂ、減算器４４ｂ、熱余裕制御部４５ｂ、投入熱量補正量設定部４６ｂ、加算器４７ｂ及び加算器４８ｂと、を備える。
【００５２】
熱余裕指標実績演算部４１ａ及び４１ｂ、熱余裕過不足制御部４２ａ及び４２ｂ、減算器４４ａ及び４４ｂ、熱余裕制御部４５ａ及び４５ｂ、投入熱量補正量設定部４６ａ及び４６ｂ、加算器４７ａ及び４７ｂ、加算器４８ａ及び４８ｂは、それぞれ同一処理を行うものであるため、ここでは設定対象炉１１ｂに対応する熱余裕指標実績演算部４１ｂ、熱余裕過不足制御部４２ｂ、減算器４４ｂ、熱余裕制御部４５ｂ、投入熱量補正量設定部４６ｂ、加算器４７ｂ及び加算器４８ｂについてのみ説明する。
【００５３】
減算器４４ｂは、作業者が設定した熱余裕指標の目標値（熱余裕指標目標値）ＱＹREFから熱余裕指標実績演算部４１ｂで演算した熱余裕指標実績値ＱＹｊを減算し、熱余裕指標の差分ΔＱＹを算出する。算出した差分ΔＱＹは熱余裕制御部４５ｂに出力する。
熱余裕制御部４５ｂは、減算器４４ｂから出力される熱余裕指標の差分ΔＱＹ（＝ＱＹREF−ＱＹｊ）に基づいて、設定対象炉１１ｂへの投入熱量に対するフィードバック補正量ΔＧｑを設定する。
ΔＧｑ＝Ｋｑ・（ＱＹREF−ＱＹｊ） ………（８）
ここで、Ｋｑは制御ゲインである。
【００５４】
投入熱量補正量設定部４６ｂは、前回の送風期における高炉必要熱量と、次回の送風期における高炉必要熱量との差に応じて、前回の燃焼期における設定対象炉１１ｂへの投入熱量に対する補正量（フィードフォワード補正量）ΔＧFFを設定する。なお、図７において、ｋ＝２で３ＨＳへの投入熱量の設定を行う場合、すなわちｋ＝２からｋ＝４の期間が「今回の燃焼期」である場合、ｋ＝０からｋ＝２の期間が「前回の送風期」となり、ｋ＝４からｋ＝６の期間が「次回の送風期」となる。
【００５５】
ここでは、高炉必要熱量を表す指標として設定対象炉１１ｂからの送風温度と送風量とを用い、フィードフォワード補正量ΔＧFFは、当該指標に基づいて次式をもとに演算する。
ΔＧFF＝ＫFF・（Ｔ１・Ｖ１−Ｔ０・Ｖ０） ………（９）
ここで、ＫFFは補正ゲインである。また、Ｔ０は前回の送風温度、Ｔ１は次回の送風温度である。さらに、Ｖ０は前回の送風量、Ｖ１は次回の送風量である。
なお、ここでは高炉必要熱量を表す指標として設定対象炉１１ｂからの送風温度と送風量とを用いる場合について説明したが、送風量が大きく変化しない場合には、簡便な手段として送風温度のみを用いるようにしてもよい。すなわち、この場合には、次式をもとにフィードフォワード補正量ΔＧFFを演算する。
ΔＧFF＝ＫFFx・（Ｔ１−Ｔ０） ………（１０）
ここで、ＫFFxは補正ゲインである。
【００５６】
加算器４７ｂは、熱余裕過不足制御部４２ｂで出力した過不足制御量ΔＧｂと、熱余裕制御部４５ｂで出力したフィードバック補正量ΔＧｑと、投入熱量補正量設定部４６ｂで出力したフィードフォワード補正量ΔＧFFとを加算し、前回の投入熱量に対する最終的な補正量を算出する。
加算器４８ｂは、加算器４７ｂから出力される補正量を、前回の燃焼期における投入熱量Ｇｘに加算し、今回の投入熱量Ｇを算出する。すなわち、今回の投入熱量Ｇは次式により算出されることになる。
Ｇ＝Ｇｘ＋ΔＧｂ＋ΔＧFF＋ΔＧｑ ………（１１）
なお、図７において、ｋ＝４で１ＨＳへの投入熱量の設定を行う場合、すなわちｋ＝４からｋ＝６の期間が「今回の燃焼期」である場合、ｋ＝０からｋ＝２の期間が「前回の燃焼期」となる。
【００５７】
以上のように、熱余裕指標の実績値と熱余裕指標の目標値とを比較して熱風炉への投入熱量を決定する構成とすることで、高炉必要熱量の変化に対するマージンを大きくとりたい場合や、熱余裕指標目標値が変更された場合、その他要因により熱余裕指標実績値が変化する場合に適切に対応することができる。そのため、最適な熱余裕状態に熱風炉を維持することができ、燃料原単位を抑制することができる。
【００５８】
また、今回の燃焼期における投入熱量の設定に際し、前回の送風期における高炉必要熱量と次回の送風期における高炉必要熱量とを比較し、その差分に基づいて前回の燃焼期における投入熱量に対するフィードフォワード補正量を設定することで、高炉必要熱量が変化したときには、当該変化に応じて熱風炉に蓄熱させる熱量を迅速に変更することができる。
このように、様々な状況に対応して熱風炉への投入熱量を設定することができるので、熱風炉への投入熱量を最適化することができ、省エネルギーや炭酸ガス排出量の削減を図ることができる。
【００５９】
（変形例）
なお、上記実施形態においては、熱余裕指標として、混冷弁開度と後行炉の冷風弁開度とを用いる場合について説明したが、混冷弁開度のみを用いたり冷風弁開度のみを用いたりすることもできる。さらには、後行炉の冷風バラフライ弁の送風量や、混冷バタフライ弁からの送風量と冷風バラフライ弁からの送風量との比率を用いることもできる。
【符号の説明】
【００６０】
１１…熱風炉、１２…燃焼室、１３…蓄熱室、１４…ドーム、１５…珪石レンガ下部、１６…供給口（燃料ガス）、１７…供給口（燃焼用空気）、１８…供給口（冷風）、１９…蓄熱レンガ、３１…送風温度計、３２…ドーム温度計、３３…レンガ温度計、３４…混冷弁開度センサ、４０…燃焼制御装置、４１…熱余裕指標実績演算部、４２…熱余裕過不足制御部（過不足補正量設定手段）、４３…加算器、４４…減算器、４５…熱余裕制御部（フィードバック補正量設定手段）、４６…投入熱量補正量設定部（フィードフォワード補正量設定手段）、４７…加算器、４８…加算器、５０…送風温度制御装置
【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装置及びその燃焼制御方法に関し、特に、熱風炉の燃焼期における投入熱量を最適化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。
図５は、熱風炉の炉内の構造を示す模式図である。図５に示すように、熱風炉１１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、符号１４の部位はドーム、符号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１１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。
【０００３】
図６は、送風期における送風温度制御系の模式図である。１基の熱風炉１１にのみ通風する場合と２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１１の冷風バタフライ弁ＣＢを開とし、もう一方の熱風炉１１の冷風バタフライ弁ＣＢの開度を調整することにより高炉に送風する熱風の温度制御を行う。図６では、熱風炉１（１ＨＳ）と熱風炉２（２ＨＳ）の２基に同時に通風する場合を示している。
【０００４】
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。
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。
【０００５】
図７は、スタガードパラレル操業の概念図である。図７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６の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６の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６の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６の４ＨＳ）は、時刻ｋ＝１において燃焼期を終えて送風期に入る。
【０００６】
そのため、ｋ＝１からｋ＝２の間は３ＨＳと４ＨＳの２基送風状態となる。ｋ＝０からｋ＝１の間、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７の矢印Ａ）まで待機し、その間は３ＨＳの１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。
【０００７】
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。
【０００８】
従来、熱風炉の投入熱量制御方法として、例えば特許文献１に記載の技術がある。この技術は、熱理論的に求めた必要蓄熱量をベースに各種補正を行って、投入熱量を決定するものである。具体的には、高炉から要請される次回送風条件から送風期理論放熱量を熱理論的に求めて必要蓄熱量のべースとし、これに熱量誤差や燃焼開始前の残熱量を加味して必要投入熱量を求める。さらに、冷風温度変動による送風温度の変動を抑制するべく上記必要投入熱量を補正して今回の燃焼期における熱風炉への投入熱量を決定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平７−１４５４１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来の熱風炉の投入熱量制御方法では、熱風炉への投入熱量の良否評価を、操業条件によっても影響を受ける送風温度の変動で行っているため、良否判定が難しい。また、過剰あるいは過少な熱余裕の状態を判別するのが困難であるため、熱風炉への投入熱量を最適化することができず、熱余裕の過不足が生じるおそれがある。
また、スタガードパラレル操業においては、先行炉の熱不足を後行炉が補うが、後行炉が先行炉の熱不足を補った結果、当該後行炉の熱が不足すると、更に後ろの炉がその熱不足を補うというように、複数基ある熱風炉の間で熱を補完する連鎖が発生する。このような熱補完の連鎖が発生した場合、各熱風炉および各熱風炉間の熱バランスを短時間で安定化させることが望ましい。
そこで、本発明は、各炉への投入熱量を最適化し、熱バランスを安定化させることを可能にした熱風炉の燃焼制御装置及びその燃焼制御方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、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であって、先行炉の送風終了時における熱余裕を表す指標の実績値と、当該先行炉に続いて前記高炉に対して熱風を供給する後行炉の送風終了時における熱余裕を表す指標の実績値とに基づいて、当該後行炉の前回の燃焼期における投入熱量の過不足を補正する過不足補正量を設定する過不足補正量設定手段と、前記後行炉の前回の燃焼期における投入熱量に、前記過不足補正量設定手段で設定した過不足補正量を加算することで、前記後行炉の今回の燃焼期における投入熱量を設定する投入熱量設定手段と、を備えることを特徴としている。
【００１２】
これにより、投入熱量設定対象の熱風炉（設定対象炉）においては、設定対象炉から先行炉へ支援した熱量と、後行炉から設定対象炉に支援してもらった熱量とのバランスをチェックすることにより、当該対象炉単体での熱量過不足を評価し、投入熱量を決定することができる。したがって、スタガードパラレル操業において、複数基の熱風炉間で熱を補完する連鎖が発生した場合に、熱バランスを短期間で安定させることができる。
【００１３】
さらに、上記において、各熱風炉の熱余裕を表す指標の実績値と各熱風炉の熱余裕を表す指標の目標値との差分に基づいて、各熱風炉の前回の燃焼期における投入熱量に対するフィードバック補正量を設定するフィードバック補正量設定手段をさらに備え、前記投入熱量設定手段は、前記後行炉の前回の燃焼期における投入熱量に、前記過不足補正量設定手段で設定した過不足補正量と、前記フィードバック補正量設定手段で設定した前記後行炉のフィードバック補正量とを加算することで、前記後行炉の今回の燃焼期における投入熱量を設定することを特徴としている。
【００１４】
これにより、熱余裕指標の実績値の変化及び熱余裕指標の目標値の変化に対応して熱風炉への投入熱量を設定することができ、操業状態に応じた過不足のない熱余裕を熱風炉に持たせることができる。このように、より制御性を高めることができる。また、熱余裕指標に目標値を設定することにより、過剰あるいは過少な熱余裕の状態を容易に判別することができる。そのため、熱風炉への投入熱量の良否評価を容易に行うことができる。さらに、投入熱量の設定に際し、速度型制御を採用するので、比較的簡易な構成で燃焼制御が可能となる。
【００１５】
また、上記において、前回の送風期において熱風炉から高炉に供給すべき熱風の熱量と、次回の送風期において熱風炉から高炉に供給すべき熱風の熱量との差分に基づいて、各熱風炉の前回の燃焼期における投入熱量に対するフィードフォワード補正量を設定するフィードフォワード補正量設定手段をさらに備え、前記投入熱量設定手段は、前記後行炉の前回の燃焼期における投入熱量に、前記過不足補正量設定手段で設定した過不足補正量と、前記フィードバック補正量設定手段で設定した前記後行炉のフィードバック補正量と、前記フィードフォワード補正量設定手段で設定した前記後行炉のフィードフォワード補正量とを加算することで、前記後行炉の今回の燃焼期における投入熱量を設定することを特徴としている。
これにより、熱風炉への投入熱量を、前回の送風期における高炉必要熱量と次回の送風期における高炉必要熱量との差分に応じて設定することができる。そのため、高炉必要熱量が変化したときには、熱風炉に蓄熱させる熱量を迅速に変更することができる。このように、より制御性を高めることができる。
【００１６】
さらに、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であって、先行炉の送風終了時における熱余裕を表す指標の実績値と、当該先行炉に続いて前記高炉に対して熱風を供給する後行炉の送風終了時における熱余裕を表す指標の実績値とに基づいて、当該後行炉の前回の燃焼期における投入熱量の過不足を補正する過不足補正量を設定するステップと、前記後行炉の前回の燃焼期における投入熱量に、前記過不足補正量設定手段で設定した過不足補正量を加算することで、前記後行炉の今回の燃焼期における投入熱量を設定するステップと、を備えることを特徴としている。
これにより、熱風炉への投入熱量を最適化することができるので、複数基の熱風炉間で熱補完の連鎖が発生した場合であっても、熱バランスを短期間で安定させることができる燃焼制御方法とすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、投入熱量設定対象の熱風炉の前回の送風期における熱量過不足を評価し、前回の燃焼期における熱風炉への投入熱量に対する過不足補正量を設定することができる。したがって、熱風炉への投入熱量を最適化することができる。その結果、複数基の熱風炉間での熱補完の連鎖による炉間の熱バランスの干渉を抑制することができるので、各熱風炉および各熱風炉間の熱バランスを短期間で安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態における熱風炉の燃焼制御装置及び関連設備の構成を示す図である。
【図２】燃焼制御装置の具体的構成を示すブロック図である。
【図３】本実施形態の動作を説明するための図である。
【図４】フィードバック制御及びフィードフォワード制御と併用した場合の燃焼制御装置の具体的構成を示すブロック図である。
【図５】熱風炉の炉内の構造を示す模式図である。
【図６】送風期における送風温度制御系の模式図である。
【図７】スタガードパラレル操業の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（構成）
図１は、本実施形態における熱風炉の燃焼制御装置及び関連設備の構成を示す図である。
図中、符号１１は熱風炉（以下、単に炉とも称す）である。この熱風炉１１は、図４に示すように燃焼室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、符号１４の部位はドーム、符号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。このとき得られた熱風は高炉へ供給される。このような熱風炉１１を複数基（例えば、図６に示すように４基）連結し、図７に示すように、位相を炉ごとにずらしながら予め定められた制御周期ごとに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。
【００２０】
図１に示すように、熱風炉１１の出口側には、高炉に供給する熱風の温度（送風温度）を測定する送風温度計３１が取り付けられている。また、熱風炉１１のドーム１４には、ドーム温度を測定するドーム温度計３２が取り付けられ、熱風炉１１の珪石レンガ下部１５には、レンガ温度を測定するレンガ温度計３３が取り付けられている。さらに、混冷バタフライ弁ＭＢには、当該混冷バタフライ弁ＭＢの開度を検出する混冷弁開度センサ３４が取り付けられており、冷風バタフライ弁ＣＢには、当該冷風バタフライ弁ＣＢの開度を検出する冷風弁開度センサ３５が取り付けられている。
【００２１】
これら送風温度計３１、ドーム温度計３２、混冷弁開度センサ３４及び冷弁開度センサ３５の出力信号は、燃焼制御装置４０に入力される。また、送風温度計３１の出力信号は、送風温度制御装置５０に入力される。なお、図１では図示を省略したが、他の熱風炉１１においても温度計３１〜３３をそれぞれ備えており、また、他の冷風バタフライ弁ＣＢにおいても冷風弁開度センサ３５をそれぞれ備えており、それらの出力信号は燃焼制御装置４０や送風温度制御装置５０に入力されるようになっている。
【００２２】
燃焼制御装置４０は、上述した入力信号に基づいて、熱風炉１１への投入熱量を設定する。そして、設定した投入熱量に基づいて、熱風炉１１の燃料ガス供給口１６（図５）の上流側に設けられたガス弁１６ａの開度を制御する。これにより、ガス流量又はガスカロリーを調整することができる。
燃焼制御装置４０の制御対象は、上述のように、図５の熱風炉１１が図６に示すように連結されたものである。熱風炉１１では、図７に示すように燃焼・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いる。また、このスタガードパラレル操業においては、先行炉に熱不足が発生すると、その熱不足を後行炉が補う熱支援を行うようになっている。先行炉への熱支援は後行炉の各送風期の前半の期間内で行う。
【００２３】
そして、投入熱量の設定は、各炉の燃焼期に先立って図７の離散化された時刻ｋ＝１，２，…（白い四角で示したタイミング）で行うものとする。この燃焼制御装置４０で実施する投入熱量設定処理については、後で詳述する。
送風温度制御装置５０は、上述した入力信号に基づいて、熱風炉１１からの送風温度が高炉に必要な熱量に応じて決定される送風温度設定値となるように送風温度制御を行う。具体的には、熱風炉１１からの送風温度が送風温度設定値となるように、スタガードパラレル操業において、１基の熱風炉１１にのみ通風する場合での混冷バタフライ弁ＭＢの開度調整、及び２基に同時に通風する場合での冷風バタフライ弁ＣＢの開度調整をすることによって、高炉に送風する熱風の温度を制御する。
【００２４】
次に、燃焼制御装置４０で実施する投入熱量設定処理について具体的に説明する。
図２は、燃焼制御装置４０の具体的構成を示すブロック図である。この図２では、高炉に対して続けて熱風を供給する２基の熱風炉１１（先行炉１１ａ及び後行炉１１ｂ）に着目し、これら先行炉１１ａ及び後行炉１１ｂに対応する部分について示している。
燃焼制御装置４０では、投入熱量設定対象の熱風炉１１（以下、設定対象炉ともいう）を図２に示す後行炉１１ｂとして見立てて、投入熱量設定処理を実施する。このとき、燃焼制御装置４０は、先行炉１１ａの送風終了時における熱余裕を表す指標（熱余裕指標）の実績値と、設定対象炉１１ｂの送風終了時における熱余裕指標の実績値とに基づいて、設定対象炉１１ｂの前回の燃焼期における投入熱量の過不足を補正する過不足補正量を設定する。そして、上記前回の投入熱量に過不足補正量を加算したものを今回の燃焼期における設定対象炉１１ｂの投入熱量として燃焼制御を行う。
【００２５】
ここで、熱風炉１１の熱余裕は、高炉から要求された温度、流量の熱風を供給するのに必要な最低限の熱量よりもどれだけ多くの熱量を各炉が有しているかを示すものである。
図２に示すように、燃焼制御装置４０は、先行炉１１ａに対応する熱余裕指標実績演算部４１ａ、熱余裕過不足制御部４２ａ及び加算器４３ａと、設定対象炉１１ｂに対応する熱余裕指標実績演算部４１ｂ、熱余裕過不足制御部４２ｂ及び加算器４３ｂと、を備える。
【００２６】
熱余裕指標実績演算部４１ａ及び４１ｂ、熱余裕過不足制御部４２ａ及び４２ｂ、加算器４３ａ及び４３ｂは、それぞれ同様の処理を行うものである。そのため、ここでは設定対象炉１１ｂに対応する熱余裕指標実績演算部４１ｂ、熱余裕過不足制御部４２ｂ及び加算器４３ｂについて説明する。
熱余裕指標実績演算部４１ｂは、設定対象炉１１ｂの熱余裕を表す指標の実績値（熱余裕指標実績値）ＱＹｊを演算し、出力する。ここでは、熱余裕指標として設定対象炉１１ｂの送風終了時の混冷バタフライ弁ＭＢ開度（混冷弁開度）ＭＢｘと、同タイミングにおける設定対象炉１１ｂの後行炉の冷風バタフライ弁ＣＢ開度（冷風弁開度）ＣＢｘとを用いる。混冷弁開度ＭＢｘ及び冷風弁開度ＣＢｘは、それぞれ混冷弁開度センサ３４及び冷弁開度センサ３５で検出した信号を用いる。
【００２７】
熱余裕指標実績値ＱＹｊは次式により演算する。
ＱＹｊ＝ｆ（ＭＢｘ，ＣＢｘ） ………（１）
ここで、ｆ（ ）は括弧内の変数をパラメータとし、熱余裕指標実績値ＱＹｊを演算する関数であり、例えば下記に表す関数を用いることができる。
ＱＹｊ＝ｆMB・（ＭＢｘ−ＭＢｚ）＋ｆCB・（ＣＢｘ−ＣＢｚ） ………（２）
ここで、ｆMB，ｆCBはそれぞれ予め設定された係数であり、ＭＢｚ及びＣＢｚは、それぞれ指標演算にあたっての各開度の基準値である。
【００２８】
熱余裕過不足制御部４２ｂは、熱余裕指標実績演算部４１ａで演算した先行炉１１ａの送風終了時における熱余裕指標実績値ＱＹｉと、熱余裕指標実績演算部４１ｂで演算した設定対象炉１１ｂの送風終了時における熱余裕指標実績値ＱＹｊとを比較し、設定対象炉１１ｂの前回の燃焼期における当該設定対象炉１１ｂへの投入熱量の過不足分を、熱余裕指標を用いて演算する。
先ず、設定対象炉１１ｂが前回の送風期に先行炉１１ａに支援した熱量に相当する熱余裕を求める。なお、図７において、ｋ＝４で１ＨＳへの投入熱量の設定を行う場合、すなわちｋ＝４からｋ＝６の期間が「今回の燃焼期」である場合、ｋ＝２からｋ＝４の期間が「前回の送風期」となる。
【００２９】
先行炉１１ａの送風終了時において、熱余裕指標実績値ＱＹｉが、ＱＹi≧０の場合、設定対象炉１１ｂから先行炉１１ａへの熱支援は行っていない。一方、ＱＹｉ＜０の場合には、先行炉１１ａの熱不足に対して設定対象炉１１ｂは熱支援を行っている。
したがって、設定対象炉１１ｂが前回の送風期に先行炉１１ａに支援した熱量相当の熱余裕ＲＸは、下記のようになる。
ＱＹｉ≧０のとき、 ＲＸ＝０，
ＱＹｉ＜０のとき、 ＲＸ＝−ＱＹｉ ………（３）
【００３０】
また、設定対象炉１１ｂの送風終了時において、設定対象炉１１ｂに残った熱量相当の熱余裕ＲＹは、熱余裕指標実績値ＱＹｊで表される。
ＲＹ＝ＱＹｊ ………（４）
このとき、上記先行炉１１ａに支援した熱量相当の熱余裕ＲＸと、上記設定対象炉１１ｂに残った熱量相当の熱余裕ＲＹとの和ＳＸは、設定対象炉１１ｂが前回の送風期に放出した熱量と、当該設定対象炉１１ｂが前回の送風期の前に蓄積していた熱量との過不足を表す（ＳＸ：熱余裕過不足）。
ＳＸ＝ＲＸ＋ＲＹ ………（５）
【００３１】
そして、上記（５）式により求めた熱余裕過不足ＳＸに基づいて、設定対象炉１１ｂの蓄積熱量の過不足を判定し、次式をもとに過不足補正量ΔＧｂを算出する。
ＳＸ＝０のとき、 ΔＧｂ＝０，
ＳＸ＜０のとき、 ΔＧｂ＝−２・Ｋｓ・ＳＸ，
ＳＸ＞０のとき、 ΔＧｂ＝−Ｋｓ・ＳＸ ………（６）
ここで、Ｋｓは熱余裕指標から熱量への換算係数である。
すなわち、ＳＸ＝０である場合には、設定対象炉１１ｂの蓄積熱量には過不足がないと判断し、前回と同じ熱量を投入するように過不足補正量ΔＧｂを“０”する。
【００３２】
そして、ＳＸ＜０である場合には、設定対象炉１１ｂの蓄積熱量が不足していると判断し、前回に対して投入熱量を増加するような過不足補正量ΔＧｂを設定する。このとき、設定対象炉１１ｂ自身の熱量不足を解消するための熱量（−Ｋｓ・ＳＸ）と、設定対象炉１１ｂの熱余裕不足を当該設定対象炉１１ｂの後行炉が支援する熱補完連鎖を防止するために熱補完分ＳＸを解消する熱量（−Ｋｓ・ＳＸ）とを加えた（−２・Ｋｓ・ＳＸ）を過不足補正量ΔＧｂとする。
【００３３】
また、ＳＸ＞０である場合には、設定対象炉１１ｂの蓄積熱量が過多であると判断し、前回に対して投入熱量を減じるような過不足補正量ΔＧｂを設定する。このとき、過多な熱量を解消するための熱量（−Ｋｓ・ＳＸ）を過不足補正量ΔＧｂとする。
加算器４３ｂは、熱余裕過不足制御部４２ｂで出力した過不足補正量ΔＧｂを、前回の燃焼期における投入熱量Ｇｘに加算し、今回の投入熱量Ｇを算出する。すなわち、今回の投入熱量Ｇは次式により算出されることになる。
Ｇ＝Ｇｘ＋ΔＧｂ ………（７）
【００３４】
なお、図６において、ｋ＝４で１ＨＳへの投入熱量の設定を行う場合、すなわちｋ＝４からｋ＝６の期間が「今回の燃焼期」である場合、ｋ＝０からｋ＝２の期間が「前回の燃焼期」となる。
このようにして設定された投入熱量Ｇに基づいて、設定対象炉１１ｂのガス弁１６ａの開度を制御することでガス流量を調整する。
なお、図２において、熱余裕過不足制御部４２ｂが過不足補正量設定手段に対応し、加算器４３ｂが投入熱量設定手段に対応している。
【００３５】
（動作）
次に、本実施形態の動作について、図３を参照しながら説明する。
図３は、送風量８０００Ｎｍ3／ｍｉｎ、送風温度１１００℃前後で安定操業しているときに、本実施形態における燃焼制御を適用した場合の４基の熱風炉１１（熱風炉＃１〜熱風炉＃４）間の熱補完の状態を示している。
各熱風炉１１では、上述したように燃焼と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いる。すなわち、熱風炉＃１では、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの期間が送風期、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの期間が燃焼期、時刻ｔ５から時刻ｔ７までの期間が送風期となる。また、送風期のうち前半の期間は、先行炉の熱支援を行う期間であり、先行炉に熱不足が発生している場合はこの期間に先行炉の熱不足を補うべく送風を行う。
【００３６】
そして、各熱風炉１１における投入熱量の設定は、各炉の燃焼期に先立って行われる。すなわち、熱風炉＃１では、時刻ｔ３，ｔ７，…で、今回の燃焼期における投入熱量を設定するようになっており、時刻ｔ３では、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの燃焼期の投入熱量、時刻ｔ７では、時刻ｔ７から時刻ｔ９までの燃焼期の投入熱量が設定される。
同様に、熱風炉＃２では、時刻ｔ２から時刻ｔ４までの期間が送風期、時刻ｔ４から時刻ｔ６までの期間が燃焼期、時刻ｔ６から時刻ｔ８までの期間が送風期となる。また、この熱風炉＃２では、時刻ｔ４，ｔ８，…で、今回の燃焼期における投入熱量を設定する。
【００３７】
燃焼制御装置４０は、例えば、時刻ｔ４で熱風炉＃２の投入熱量設定処理を行う場合、先行炉である熱風炉＃１の送風終了時（時刻ｔ３）での熱余裕指標実績値ＱＹｉを取得すると共に、熱風炉＃２の送風終了時（時刻ｔ４）での熱余裕指標実績値ＱＹｊを演算し、加熱炉＃２の熱量過不足を判定する。
時刻ｔ３の時点では熱風炉＃１で熱量過不足は発生しておらず、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間において、熱風炉＃２は熱風炉＃１の熱支援を行っていない。すなわち、ＱＹｉ＝０であり、上記（３）式よりＲＸ＝０である。また、時刻ｔ４の時点では熱風炉＃２で熱量過不足は発生していない。すなわち、ＱＹｊ＝０であり、上記（５）式よりＳＸ＝０となる。
したがって、熱余裕過不足制御部４２ｂは、投入熱量設定対象である熱風炉＃２において投入熱量の過不足は発生していないと判断し、上記（６）式より過不足補正量ΔＧｂ＝０に設定する。そのため、時刻ｔ４では、熱風炉＃２の前回の燃焼期における投入熱量Ｇｘが、そのまま熱風炉＃２の今回の燃焼期における投入熱量Ｇとして設定される。
【００３８】
次に、時刻ｔ５では、燃焼制御装置４０は熱風炉＃３の投入熱量設定処理を行う。上述したように、時刻ｔ４では先行炉である熱風炉＃２で熱量過不足は発生していないため、熱風炉＃２の送風終了時での熱余裕指標実績値ＱＹｉ＝０であり、上記（３）式よりＲＸ＝０である。ところが、何らかの理由により高炉が必要とする熱量に対して熱風炉＃３が供給する熱量が不足し、熱余裕指標ａだけ不足した場合には、熱風炉＃３の送風終了時（時刻ｔ５）での熱余裕指標実績値ＱＹｊ＝−ａとなり、上記（５）式よりＳＸ＝−ａとなる。この場合、時刻ｔ４から時刻ｔ５の期間では、熱風炉＃４は、先行炉である熱風炉＃３の熱余裕指標ａ分の熱量不足を支援する。
【００３９】
ＳＸ＝−ａであるため、熱余裕過不足制御部４２ｂは、時刻ｔ５で投入熱量設定対象である熱風炉＃３において投入熱量の不足が発生していると判断し、上記（６）式より過不足補正量ΔＧｂ＝２・Ｋｓ・ａに設定する。そのため、この時刻ｔ５では、熱風炉＃３の前回の燃焼期における投入熱量Ｇｘに過不足補正量ΔＧｂ＝２・Ｋｓ・ａを加算した熱量が、熱風炉＃３の今回の燃焼期における投入熱量Ｇとして設定される。この過不足補正量ΔＧｂ＝２・Ｋｓ・ａは、熱風炉＃３の送風終了時（時刻ｔ５）における熱余裕ａ相当の熱量不足分と、時刻ｔ４から時刻ｔ５の期間に熱風炉＃４が熱風炉＃３を熱支援した熱余裕ａ相当の熱量分との和である。
このように、設定対象炉において送風終了時に熱量不足が発生している場合、熱量不足分に相当する熱量を今回の燃焼期に追加投入する。さらに、このとき、設定対象炉において不足した熱量は、後行炉で順次支援するため、後行炉の熱余裕が各々減少することを考慮し、本熱余裕の減少分を補完する熱量も併せて追加投入する。
【００４０】
次に、時刻ｔ６では、燃焼制御装置４０は熱風炉＃４の投入熱量設定処理を行う。上述したように、時刻ｔ５では先行炉である熱風炉＃３の熱不足が発生しており、熱風炉＃４は熱風炉＃３の熱支援を行っている。すなわち、ＱＹｉ＝−ａであり、上記（３）式よりＲＸ＝ａである。また、熱風炉＃４が熱風炉＃３の熱支援を行ったために、時刻ｔ６では熱風炉＃４の熱不足が発生している。すなわち、ＱＹｊ＝−ａであり、上記（５）式よりＳＸ＝０となる。これは、熱風炉＃４単体では、前回の送風期に高炉が必要とする熱量と等しい熱量を蓄積していたことを意味する。
したがって、熱余裕過不足制御部４２ｂは、投入熱量設定対象である熱風炉＃４において投入熱量の過不足は発生していないと判断し、上記（６）式より過不足補正量ΔＧｂ＝０に設定する。そのため、時刻ｔ６では、熱風炉＃４の前回の燃焼期における投入熱量Ｇｘが、そのまま熱風炉＃４の今回の燃焼期における投入熱量Ｇとして設定される。
【００４１】
このように、送風終了時に熱量不足が発生している場合であっても、その熱量不足が先行炉の支援を行ったことに起因するものであり、炉単体では熱量過不足がない場合には、投入熱量を変更しないようにする。
炉単体では熱量過不足がないにもかかわらず、送風終了時の熱量不足のみを見て投入熱量を増加してしまうと、熱不足が発生した炉に誘発されて、熱不足が発生していない他の炉においても順次投入ガス量を増やしてしまうため、熱不足が解消した後、各炉において一時的な熱余り状態が発生してしまう。そのため、その後のタイミングでは、上記の熱余りを解消するために、各炉の投入ガス量を減じる必要が生じてしまい、収束が遅れる。
【００４２】
これに対して、本実施形態では、先行炉の送風終了時の熱余裕指標実績値ＱＹｉに基づいて設定対象炉が先行炉に支援した熱量を把握し、設定対象炉の送風終了時の熱量不足分と先行炉の熱支援分とが等しい場合には、過不足補正量ΔＧｂ＝０として投入熱量を変更しない。これにより、熱量過不足のない炉の熱収支を崩さないようにすることができ、上記のような熱量過多およびその後の熱量調整を防止することができる。
なお、時刻ｔ７での熱風炉＃１の投入熱量設定処理、及び時刻ｔ８での熱風炉＃２の投入熱量設定処理でも、この時刻ｔ６での熱風炉＃４の投入熱量設定処理と同様に、熱風炉＃１，＃２では投入熱量の過不足は発生していないと判断され、前回の燃焼期における投入熱量Ｇｘがそのまま今回の燃焼期における投入熱量Ｇとして設定される。
【００４３】
そして、時刻ｔ９では、燃焼制御装置４０は熱風炉＃３の投入熱量設定処理を行う。時刻ｔ７から時刻ｔ８までの送風期間では、熱風炉＃３は先行炉である熱風炉＃２の熱量不足ａ分の熱支援を行うが、時刻ｔ５での投入熱量設定処理で２ａ分の投入熱量を増加する処理を行っているため、時刻ｔ９の送風終了時には熱風炉＃３で熱不足が発生しない。すなわち、先行炉である熱風炉＃２の送風終了時の熱余裕指標実績値ＱＹｉ＝−ａであり、上記（３）式よりＲＸ＝ａであるが、熱風炉＃３の送風終了時の熱余裕指標実績値ＱＹｊ＝０であるため、上記（５）式よりＳＸ＝ａとなる。これは、熱風炉＃３単体では、前回の送風期に、高炉が必要とする熱量に対して熱余裕ａ相当分の熱量を多く蓄積していることを意味する。
【００４４】
したがって、熱余裕過不足制御部４２ｂは、投入熱量設定対象である熱風炉＃３において投入熱量の過多が発生していると判断し、上記（６）式より過不足補正量ΔＧｂ＝−Ｋｓ・ａに設定する。そのため、時刻ｔ９では、熱風炉＃３の前回の燃焼期における投入熱量Ｇｘに過不足補正量ΔＧｂ＝−Ｋｓ・ａを加算した熱量が、熱風炉＃３の今回の燃焼期における投入熱量Ｇとして設定される。すなわち、今回の燃焼期における投入熱量Ｇは、前回の燃焼時における投入熱量Ｇｘから熱余裕ａ相当分の熱量を減じた値となる。
このように、送風終了時に熱量過不足が発生していない場合であっても、単体では熱量過多が生じている場合には、加熱炉間の熱補完は発生しないため、単純に過多分の熱量を減じる。これにより、確実に炉の熱収支を安定させることができる。
【００４５】
そして、時刻ｔ１０以降は、各熱風炉は先行炉への熱支援を行わず、また後行炉からの熱支援も受けない状態となり、高炉が必要とする熱量と等しい熱量を蓄積した平衡状態となる。
以上のように、熱風炉＃３で熱量不足が発生し、熱風炉＃４以降で熱補完の連鎖が発生した場合であっても、短期間（ここでは４ピリオド）で平衡状態に収束させることができる。
【００４６】
（効果）
このように、上記実施形態では、投入熱量設定対象の熱風炉（設定対象炉）において、設定対象炉から先行炉へ支援した熱量と、後行炉から設定対象炉へ支援してもらった熱量とのバランスをチェックすることにより、設定対象炉単体での熱量過不足、即ち高炉が必要とする熱量に対する炉が蓄積する熱量を評価し、投入熱量を決定する。
このとき、設定対象炉単体での熱量過不足がないと判断した場合には過不足補正量を“０”として、前回の燃焼期における投入熱量をそのまま今回の燃焼期における投入熱量とする。したがって、先行炉へ支援したことで、送風終了時において熱支援分に相当する熱量不足が生じている場合には、炉単体では熱量過不足がないとして投入熱量を変更しないようにすることができる。これにより、熱量過不足のない炉の熱収支を崩さないようにすることができる。
【００４７】
また、設定対象炉単体で熱量不足が生じていると判断した場合には、当該設定対象炉の送風終了時における熱量不足分と先行炉への熱支援分との和を過不足補正量として設定し、前回の燃焼期における投入熱量を増加補正して今回の燃焼期における投入熱量とする。したがって、設定対象炉自身の熱量不足を解消することができると共に、加熱炉間での熱補完の連鎖を短期間で解消することができる。
【００４８】
さらに、設定対象炉単体で熱量過多が生じていると判断した場合には、熱量過多分を過不足補正量として設定し、前回の燃焼期における投入熱量を減少補正して今回の燃焼期における投入熱量とする。したがって、適切に熱収支を安定させることができる。
以上のように、設定対象炉においては、前回の送風期の送風終了時における熱量過不足のみではなく、前回の送風期における先行炉への熱量支援分も考慮して今回の燃焼期の投入熱量を決定するので、各炉の投入熱量を最適化することができる。その結果、スタガードパラレル操業において、複数基の熱風炉間で熱を補完する連鎖が発生した場合に、熱バランスを短期間で安定させることができる。
【００４９】
また、熱余裕指標実績値を用いて各炉の熱量過不足を評価するので、適切な評価が可能となる。特に、本実施形態では、熱余裕指標として混冷弁開度ＭＢｘ及び冷風弁開度ＣＢｘを用いている。混冷弁開度ＭＢｘは、高炉から要求された温度、流量の熱風を供給するために熱風炉からの熱風に混合した冷風の量であり、その値は熱風炉負荷に依存しない。また、冷風弁開度ＣＢｘは、高炉から要求された温度、流量の熱風を供給した後に、炉にどれだけの熱が残っているか（残熱量）を表すものであり、その値も熱風炉負荷に依存しない。このように、操業条件の影響を受けない熱余裕指標を用いるので、容易に熱量過不足の評価を行うことができる。
【００５０】
（応用例）
なお、上記実施形態においては、熱余裕を目標値に一致させるためのフィードバック制御や、必要とされる熱量の変化に対して事前に投入熱量を変更するフィードフォワード制御と併用することもできる。これにより、より制御性を高めることができる。
図４は、本発明をフィードバック制御やフィードフォワード制御と併用した場合の燃焼制御装置４０の構成を示すブロック図である。この図４では、高炉に対して続けて熱風を供給する２基の熱風炉１１（先行炉１１ａ及び後行炉１１ｂ）に着目し、これら先行炉１１ａ及び後行炉（設定対象炉）１１ｂに対応する部分を示している。
【００５１】
図４に示すように、燃焼制御装置４０は、先行炉１１ａに対応する熱余裕指標実績演算部４１ａ、熱余裕過不足制御部４２ａ、減算器４４ａ、熱余裕制御部４５ａ、投入熱量補正量設定部４６ａ、加算器４７ａ及び加算器４８ａと、設定対象炉１１ｂに対応する熱余裕指標実績演算部４１ｂ、熱余裕過不足制御部４２ｂ、減算器４４ｂ、熱余裕制御部４５ｂ、投入熱量補正量設定部４６ｂ、加算器４７ｂ及び加算器４８ｂと、を備える。
【００５２】
熱余裕指標実績演算部４１ａ及び４１ｂ、熱余裕過不足制御部４２ａ及び４２ｂ、減算器４４ａ及び４４ｂ、熱余裕制御部４５ａ及び４５ｂ、投入熱量補正量設定部４６ａ及び４６ｂ、加算器４７ａ及び４７ｂ、加算器４８ａ及び４８ｂは、それぞれ同一処理を行うものであるため、ここでは設定対象炉１１ｂに対応する熱余裕指標実績演算部４１ｂ、熱余裕過不足制御部４２ｂ、減算器４４ｂ、熱余裕制御部４５ｂ、投入熱量補正量設定部４６ｂ、加算器４７ｂ及び加算器４８ｂについてのみ説明する。
【００５３】
減算器４４ｂは、作業者が設定した熱余裕指標の目標値（熱余裕指標目標値）ＱＹREFから熱余裕指標実績演算部４１ｂで演算した熱余裕指標実績値ＱＹｊを減算し、熱余裕指標の差分ΔＱＹを算出する。算出した差分ΔＱＹは熱余裕制御部４５ｂに出力する。
熱余裕制御部４５ｂは、減算器４４ｂから出力される熱余裕指標の差分ΔＱＹ（＝ＱＹREF−ＱＹｊ）に基づいて、設定対象炉１１ｂへの投入熱量に対するフィードバック補正量ΔＧｑを設定する。
ΔＧｑ＝Ｋｑ・（ＱＹREF−ＱＹｊ） ………（８）
ここで、Ｋｑは制御ゲインである。
【００５４】
投入熱量補正量設定部４６ｂは、前回の送風期における高炉必要熱量と、次回の送風期における高炉必要熱量との差に応じて、前回の燃焼期における設定対象炉１１ｂへの投入熱量に対する補正量（フィードフォワード補正量）ΔＧFFを設定する。なお、図７において、ｋ＝２で３ＨＳへの投入熱量の設定を行う場合、すなわちｋ＝２からｋ＝４の期間が「今回の燃焼期」である場合、ｋ＝０からｋ＝２の期間が「前回の送風期」となり、ｋ＝４からｋ＝６の期間が「次回の送風期」となる。
【００５５】
ここでは、高炉必要熱量を表す指標として設定対象炉１１ｂからの送風温度と送風量とを用い、フィードフォワード補正量ΔＧFFは、当該指標に基づいて次式をもとに演算する。
ΔＧFF＝ＫFF・（Ｔ１・Ｖ１−Ｔ０・Ｖ０） ………（９）
ここで、ＫFFは補正ゲインである。また、Ｔ０は前回の送風温度、Ｔ１は次回の送風温度である。さらに、Ｖ０は前回の送風量、Ｖ１は次回の送風量である。
なお、ここでは高炉必要熱量を表す指標として設定対象炉１１ｂからの送風温度と送風量とを用いる場合について説明したが、送風量が大きく変化しない場合には、簡便な手段として送風温度のみを用いるようにしてもよい。すなわち、この場合には、次式をもとにフィードフォワード補正量ΔＧFFを演算する。
ΔＧFF＝ＫFFx・（Ｔ１−Ｔ０） ………（１０）
ここで、ＫFFxは補正ゲインである。
【００５６】
加算器４７ｂは、熱余裕過不足制御部４２ｂで出力した過不足制御量ΔＧｂと、熱余裕制御部４５ｂで出力したフィードバック補正量ΔＧｑと、投入熱量補正量設定部４６ｂで出力したフィードフォワード補正量ΔＧFFとを加算し、前回の投入熱量に対する最終的な補正量を算出する。
加算器４８ｂは、加算器４７ｂから出力される補正量を、前回の燃焼期における投入熱量Ｇｘに加算し、今回の投入熱量Ｇを算出する。すなわち、今回の投入熱量Ｇは次式により算出されることになる。
Ｇ＝Ｇｘ＋ΔＧｂ＋ΔＧFF＋ΔＧｑ ………（１１）
なお、図７において、ｋ＝４で１ＨＳへの投入熱量の設定を行う場合、すなわちｋ＝４からｋ＝６の期間が「今回の燃焼期」である場合、ｋ＝０からｋ＝２の期間が「前回の燃焼期」となる。
【００５７】
以上のように、熱余裕指標の実績値と熱余裕指標の目標値とを比較して熱風炉への投入熱量を決定する構成とすることで、高炉必要熱量の変化に対するマージンを大きくとりたい場合や、熱余裕指標目標値が変更された場合、その他要因により熱余裕指標実績値が変化する場合に適切に対応することができる。そのため、最適な熱余裕状態に熱風炉を維持することができ、燃料原単位を抑制することができる。
【００５８】
また、今回の燃焼期における投入熱量の設定に際し、前回の送風期における高炉必要熱量と次回の送風期における高炉必要熱量とを比較し、その差分に基づいて前回の燃焼期における投入熱量に対するフィードフォワード補正量を設定することで、高炉必要熱量が変化したときには、当該変化に応じて熱風炉に蓄熱させる熱量を迅速に変更することができる。
このように、様々な状況に対応して熱風炉への投入熱量を設定することができるので、熱風炉への投入熱量を最適化することができ、省エネルギーや炭酸ガス排出量の削減を図ることができる。
【００５９】
（変形例）
なお、上記実施形態においては、熱余裕指標として、混冷弁開度と後行炉の冷風弁開度とを用いる場合について説明したが、混冷弁開度のみを用いたり冷風弁開度のみを用いたりすることもできる。さらには、後行炉の冷風バラフライ弁の送風量や、混冷バタフライ弁からの送風量と冷風バラフライ弁からの送風量との比率を用いることもできる。
【符号の説明】
【００６０】
１１…熱風炉、１２…燃焼室、１３…蓄熱室、１４…ドーム、１５…珪石レンガ下部、１６…供給口（燃料ガス）、１７…供給口（燃焼用空気）、１８…供給口（冷風）、１９…蓄熱レンガ、３１…送風温度計、３２…ドーム温度計、３３…レンガ温度計、３４…混冷弁開度センサ、４０…燃焼制御装置、４１…熱余裕指標実績演算部、４２…熱余裕過不足制御部（過不足補正量設定手段）、４３…加算器、４４…減算器、４５…熱余裕制御部（フィードバック補正量設定手段）、４６…投入熱量補正量設定部（フィードフォワード補正量設定手段）、４７…加算器、４８…加算器、５０…送風温度制御装置
【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装置であって、
先行炉の送風終了時における熱余裕を表す指標の実績値と、当該先行炉に続いて前記高炉に対して熱風を供給する後行炉の送風終了時における熱余裕を表す指標の実績値とに基づいて、当該後行炉の前回の燃焼期における投入熱量の過不足を補正する過不足補正量を設定する過不足補正量設定手段と、
前記後行炉の前回の燃焼期における投入熱量に、前記過不足補正量設定手段で設定した過不足補正量を加算することで、前記後行炉の今回の燃焼期における投入熱量を設定する投入熱量設定手段と、を備えることを特徴とする熱風炉の燃焼制御装置。
【請求項２】
各熱風炉の熱余裕を表す指標の実績値と各熱風炉の熱余裕を表す指標の目標値との差分に基づいて、各熱風炉の前回の燃焼期における投入熱量に対するフィードバック補正量を設定するフィードバック補正量設定手段をさらに備え、
前記投入熱量設定手段は、
前記後行炉の前回の燃焼期における投入熱量に、前記過不足補正量設定手段で設定した過不足補正量と、前記フィードバック補正量設定手段で設定した前記後行炉のフィードバック補正量とを加算することで、前記後行炉の今回の燃焼期における投入熱量を設定することを特徴とする請求項１に記載の熱風炉の燃焼制御装置。
【請求項３】
前回の送風期において熱風炉から高炉に供給すべき熱風の熱量と、次回の送風期において熱風炉から高炉に供給すべき熱風の熱量との差分に基づいて、各熱風炉の前回の燃焼期における投入熱量に対するフィードフォワード補正量を設定するフィードフォワード補正量設定手段をさらに備え、
前記投入熱量設定手段は、
前記後行炉の前回の燃焼期における投入熱量に、前記過不足補正量設定手段で設定した過不足補正量と、前記フィードバック補正量設定手段で設定した前記後行炉のフィードバック補正量と、前記フィードフォワード補正量設定手段で設定した前記後行炉のフィードフォワード補正量とを加算することで、前記後行炉の今回の燃焼期における投入熱量を設定することを特徴とする請求項２に記載の熱風炉の燃焼制御装置。
【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方法であって、
先行炉の送風終了時における熱余裕を表す指標の実績値と、当該先行炉に続いて前記高炉に対して熱風を供給する後行炉の送風終了時における熱余裕を表す指標の実績値とに基づいて、当該後行炉の前回の燃焼期における投入熱量の過不足を補正する過不足補正量を設定するステップと、
前記後行炉の前回の燃焼期における投入熱量に、前記過不足補正量設定手段で設定した過不足補正量を加算することで、前記後行炉の今回の燃焼期における投入熱量を設定するステップと、を備えることを特徴とする熱風炉の燃焼制御方法。
【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装置であって、
先行炉の送風終了時における熱余裕を表す指標の実績値と、当該先行炉に続いて前記高炉に対して熱風を供給する後行炉の送風終了時における熱余裕を表す指標の実績値とに基づいて、当該後行炉の前回の燃焼期における投入熱量の過不足を補正する過不足補正量を設定する過不足補正量設定手段と、
前記後行炉の前回の燃焼期における投入熱量に、前記過不足補正量設定手段で設定した過不足補正量を加算することで、前記後行炉の今回の燃焼期における投入熱量を設定する投入熱量設定手段と、を備えることを特徴とする熱風炉の燃焼制御装置。
【請求項２】
各熱風炉の熱余裕を表す指標の実績値と各熱風炉の熱余裕を表す指標の目標値との差分に基づいて、各熱風炉の前回の燃焼期における投入熱量に対するフィードバック補正量を設定するフィードバック補正量設定手段をさらに備え、
前記投入熱量設定手段は、
前記後行炉の前回の燃焼期における投入熱量に、前記過不足補正量設定手段で設定した過不足補正量と、前記フィードバック補正量設定手段で設定した前記後行炉のフィードバック補正量とを加算することで、前記後行炉の今回の燃焼期における投入熱量を設定することを特徴とする請求項１に記載の熱風炉の燃焼制御装置。
【請求項３】
前回の送風期において熱風炉から高炉に供給すべき熱風の熱量と、次回の送風期において熱風炉から高炉に供給すべき熱風の熱量との差分に基づいて、各熱風炉の前回の燃焼期における投入熱量に対するフィードフォワード補正量を設定するフィードフォワード補正量設定手段をさらに備え、
前記投入熱量設定手段は、
前記後行炉の前回の燃焼期における投入熱量に、前記過不足補正量設定手段で設定した過不足補正量と、前記フィードバック補正量設定手段で設定した前記後行炉のフィードバック補正量と、前記フィードフォワード補正量設定手段で設定した前記後行炉のフィードフォワード補正量とを加算することで、前記後行炉の今回の燃焼期における投入熱量を設定することを特徴とする請求項２に記載の熱風炉の燃焼制御装置。
【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方法であって、
先行炉の送風終了時における熱余裕を表す指標の実績値と、当該先行炉に続いて前記高炉に対して熱風を供給する後行炉の送風終了時における熱余裕を表す指標の実績値とに基づいて、当該後行炉の前回の燃焼期における投入熱量の過不足を補正する過不足補正量を設定するステップと、
前記後行炉の前回の燃焼期における投入熱量に、前記過不足補正量設定手段で設定した過不足補正量を加算することで、前記後行炉の今回の燃焼期における投入熱量を設定するステップと、を備えることを特徴とする熱風炉の燃焼制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−７２１２３（Ｐ２０１３−７２１２３Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１３１４８（Ｐ２０１１−２１３１４８）
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
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