Control of the media supply of burners of a gas-fired furnace

Abstract

Das Thema dieser Arbeit ist die Analyse der Medienversorgung von Brennern eines direkt-befeuerten Bandglühofens. Der Ofen ist Teil einer Feuerverzinkungsanlage der voestalpine Stahl GmbH am Standort Linz. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Analyse der Versorgung von Brennern mit Erdgas und Luft für die Heizzone 4 des Ofens. Ein mathematisches Modell für die gesamte Medienversorgung, basierend auf fluiddynamischen Grundgesetzen wird erstellt um die Rohrströmungen und die dazugehörigen Drücke zu beschreiben. Unbekannte Systemparameter wurden anhand von Messdaten der Anlage identifiziert. Zur Validierung des vollständigen mathematischen Modells der Medienversorgung wurde eine Simulation mit Messdaten durchgeführt. Die regelungstechnische Aufgabe besteht darin, ein gutes Folgeverhalten des Brennstoffmassenstroms zu garantieren und einem klar vorgegebenen Verbrennungsluftverhältnis mit einem definierten Toleranzbereich gut zu folgen, um Produktqualität zu gewährleisten und Sicherheitsvorschriften einzuhalten. Der Regelkreis besteht aus einer statischen Vorsteuerung und einem stabilisierenden Ausgangsregler um der gewünschten Trajektorie zu folgen. Für den Entwurf der Vorsteuerung und des Reglers wurde ein reduziertes mathematisches Modell erstellt. Verschiedene Ausgangsreglerkonzepte wurden untersucht. Zwei dezentrale SISO-PI Regler, ein LQR-Regler mit Integralanteil und Extended Kalman Filter und ein MIMO-PI Regler mit einer Entkopplungsmatrix und zwei dezentralen SISO-PI Reglern wurden untersucht.

In this thesis, the media supply network of an industrial strip annealing furnace which is part of a hot-dip galvanizing line of the voestalpine Stahl GmbH is analyzed. The focus of this work is on the supply of natural gas and combustion air to the burners for the heat zone 4 of the furnace. A mathematical model for the media supply network based on fluid mechanics is derived to describe pipe flows and pressure drops. Unknown model parameters are identified by means of measurement data. A simulation of the model is carried out and validated by means of measurement data. The control objectives are to ensure a defined heat input and to follow a distinct air-fuel equivalence ratio that needs to be in a certain tolerance range to ensure product quality and safety. The proposed control loop consists of a static feedforward controller and a stabilizing feedback controller to follow the desired trajectory. For both controller designs a reduced mathematical model is implemented. For the feedback controller different approaches are discussed. The investigated feedback control strategies are two decentralized SISO-PI controllers, a linear quadratic controller with I-gain and an Extended Kalman Filter and a MIMO-PI controller with a decoupling matrix and two decentralized SISO-PI controllers.