Media supply of gas burners of a direct-fired furnace

Abstract

Das Thema der vorliegenden Arbeit ist die Analyse der Versorgung von Brennern eines direkt-befeuerten Bandglühofens mit Erdgas und Luft. Der Ofen, in dem Stahlblech kontinuierlich erhitzt wird, ist Teil einer Feuerverzinkungslinie von voestalpine Stahl GmbH am Standort Linz. Es wurde ein modell-basierter Ansatz benutzt, um ein mathematisches Modell der gesamten Medienversorgung zu erstellen, indem die Rohrströmungen und die dazugehörigen Fluidtemperaturen anhand thermodynamischer und fluiddynamischer Grundgesetze beschrieben wurden. Die auftretenden Systemparameter wurden anhand aufgezeichneter Messwerte der Anlage identifiziert. Um die auftretenden partiellen Differentialgleichungen für die Temperatur in einer mehrschichtigen isolierten Rohrwand numerisch zu berechnen, wurde eine Finite-Differenzen-Methode sowie die Galerkin-Methode angewendet. Die Ergebnisse beider Methoden wurden verglichen und mithilfe von Messdaten verifiziert. Anschließend wurde ein reduziertes Modell sowie ein Modell zur Störgrößenaufschaltung erstellt. Basierend auf dem reduzierten Modell wurde eine Zwei-Freiheitsgrad-Regelkreisstruktur entwickelt, welche aus einer flachheitsbasierten Steuerung und einem linearen Ausgangsregler zur Stabilisierung des Trajektorienfehlersystems besteht. Aufgrund von Sicherheitsvorschriften und Anforderungen an die Produktqualität muss gewährleistet werden, dass sich das Verbrennungsluftverhältnis stets in einem wohldefinierten Bereich befindet. Hierfür wurde eine sog. Cross-Limiting Regelung implementiert. Wie eine Untersuchung der Messdaten zeigte, weisen die verwendeten Regelventile ein markantes Totzeitverhalten auf. Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, wurde ein Smith Predictor zur Totzeitkompensation eingesetzt.

In the present work, the media supply of natural gas and combustion air to the burners of an industrial strip annealing furnace is analyzed. The furnace is used in a hot-dip galvanizing line of voestalpine Stahl GmbH. A model-based approach is pursued to determine a mathematical model, where theory from thermodynamics and fluid mechanics is used to describe pipe flows and the corresponding fluid temperatures. Based on measured data, the unknown system parameters of the model are identified. To calculate an approximate solution of the partial differential equations describing the temperature evolution in a multilayer insulated pipe wall, both a finite difference method and the Galerkin method, is applied. The results are compared to each other and validated by measured data. Furthermore, a control design model and a disturbance compensation model are derived. With the obtained model, a two-degrees-of-freedom control strategy is developed, consisting of a flatness-based feedforward controller together and a feedback controller to stabilize the error system. Safety and product quality reasons require that the air-fuel ratio lies in a certain tolerance range. Thus, a so-called cross-limiting control strategy is implemented. An examination of measured data shows that the control valves of the system exhibit considerable dead-time behavior. Hence, a Smith predictor is applied.