LEE- Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği-Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/19361

Gözat

Yazar "Kavak, Deniz" ile LEE- Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği-Doktora'a göz atma
  • Öge
    SLAB ısıtma fırınlarında enerji verimliliğine yönelik uyarlamalı ve model öngörülü kontrol
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-08-06) Kavak, Deniz ; Yalçın, Yaprak ; 504072108 ; Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği
    Günümüzde sanayi tesislerinde özellikle demir çelik endüstrisinde rekabet giderek daha fazla artmaktadır. Bu rekabet ortamı demir çelik endüstrilerinin üretim maliyetlerini her geçen sene daha aşağı çekmesini zorunlu kılmaktadır. Özellikle rekabetin çok çetin olduğu ve ürünlerin tedarik kaynağı alternatiflerinin çok çeşitli olduğu sanayilerde en küçük maliyet avantajları bile çok önemlidir. Büyük endüstri tesislerinde ve tezin uygulandığı alan olan demir çelik endüstrisinde en önemli maliyet kalemlerinin başında enerji tüketimleri gelmektedir. Birim ton başına düşen enerji maliyetlerindeki %1 tasarruf bile büyük üretim yapan demir çelik tesislerine çok ciddi maliyet düşürücü etkiler yapmakta ve benzer ürünleri üreten diğer demir çelik tesislerine nazaran maliyet avantajları sağlamaktadır. Entegre demir çelik fabrikaları hammaddeden nihai satılacak ürüne ve üretim için gereken yan kaynakların da üretildiği yardımcı tesislere kadar bütün üretim mekanizmalarına sahiptir. Entegre demir çelik tesisleri ana üretim tesisleri olarak yüksek fırınlar, demir ve çelik üretim, sürekli dökümler, sıcak haddehaneler ve soğuk haddehanelerden oluşmaktadır. Yüksek fırınlarda kok kömürü ile eritilen demir cevheri siparişe uygun kalitelerin üretilebilmesi için çelik üretim potalarında çeşitli alaşım elementlerinin ilave edilmesinden sonra sürekli döküm tesislerinde slablar haline getirilmektedir. Slablar slab ısıtma fırınlarında haddeleme sıcaklığına kadar yeniden ısıtıldıktan sonra sıcak haddehanelerde haddelenerek nihai sıcak rulo haline getirilmektedir. Üretilen sıcak rulolar sipariş durumuna göre ya direkt müşteriye veya soğuk haddeleme için soğuk haddehanelere transfer edilmektedir. Demir çelik tesislerinde demir cevherinin kömürle eritildiği yüksek fırınlardan sonra en fazla enerjinin tüketildiği alanların başında slab ısıtma fırınları gelmektedir. Slab ısıtma fırınlarında yakıt olarak genellikle doğalgaz, kok gazı veya bu iki gaz birlikte aynı fırının farklı bölgelerinde ihtiyaca göre kullanılabilmektedir. Kok gazı demir çelik tesislerinin kok tesislerinde kömürün yüksek fırına şarj edilebilmesi için koklaştırılması sonucu ortaya çıkan kirli bir yan üründür. Kok gazının yoğunluğunun ve kalorifik değerinin kömürün cinsine göre sürekli değişmesinden ve çok kirli olmasından dolayı fırında yanma prosesi olumsuz etkilenebilmektedir. Bundan dolayı kaliteyi etkileyen ve slab yüzeyinde tufalleşmenin yoğun olduğu cehennemlik gibi ısıtma bölgelerinde doğalgaz kullanımı tercih edilmektedir. Fırına şarj edilen slabları ısıtmak enerji açısından oldukça maliyetli bir prosestir. Fırınlardaki ısıtma prosesinin verimli bir şekilde gerçekleştirilmesi saha ekipmanlarının problemsiz çalışmasına ve fırının yanma kontrolünün daha hassas hale getirilmesine bağlıdır. Sahadaki ölçüm cihazları ve valf gibi kontrol ekipmanlarının periyodik bakım planlamaları ve arızalı parçaların yedekleriyle değişimi gibi aksiyonlarla problemsiz çalışması sağlanabilmektedir. Bundan dolayı ısıtma prosesinde hassas ve etkili bir sıcaklık kontrolü çalışmalarına odaklanılmaktadır. Tezin saha uygulamasında kullanılan slab fırını Türkiye'nin en büyük demir çelik fabrikasının sıcak rulo üretiminin yapıldığı sıcak haddehanelerin ihtiyacı olan slabları ısıtmak için kullanılmaktadır. Tesiste 1.Sıcak Haddehane, 2.Sıcak Haddehane ve Levha Haddehanesi olmak üzere 3 ana üretim hattı bulunmaktadır. Bunlardan Levha Haddehanesi Türkiye'nin ilk ve tek levha üreten tesisi olup savunma sanayi saclarının üretiminde önemli bir görev üstlenmektedir. Bunun yanısıra rüzgar türbinleri, gemi sanayi, iş makinaları gibi çeşitli önemli endüstrilere de girdi olarak levha hammaddesini üretmektedir. Tezde modellenen ve MPC uygulamasının yapıldığı 4.Slab fırını olarak isimlendirilen slab ısıtma fırını hem Levha Haddehanesini hem de 1.Sıcak Haddehane tesislerini beslemektedir. Slablar fırına şarj olduktan sonra haddehanedeki haddeleme proseslerinin belirlediği 1160-1250°C sıcaklığına kadar ısıtılmaktadır. Bu sıcaklık haddelenecek malzeme cinsi ve ebatlarına ve nihai ürünün özelliklerine göre hadde yükleri ve mekanik dayanımları baz alınarak haddeleme modelleri tarafından belirlenmekte ve Slab Isıtma Fırını Kontrol Sistemine referans olarak aktarılmaktadır. Slab ısıtma fırınları genel olarak önısıtma, ısıtma ve cehennemlik olarak isimlendirilen üç bölgeden oluşmaktadır. Bu ısıtma kontrolünün yapıldığı bölgelerin dışında fırının giriş kısmında ısınan havanın slablarla teması yoluyla konvektif ısı transferinin yapıldığı herhangi bir yakıcı ve kontrolün bulunmadığı reküperatif bölge bulunmaktadır. 4.slab ısıtma fırını 13 metre genişliğinde ve 30 metre uzunluğundadır. 220 ton/saat ısıtma kapasitesi bulunan fırında şarj edilebilen en büyük slab ebatları 12 metre boyunda 1.5 metre genişliğinde ve 300mm kalınlığındadır. Enerji sarfiyatı olarak 350Mcal/ton civarı harcanan 4.slab fırınında kok ve doğalgaz yakıt olarak kullanılmaktadır. Slab fırınlarında proses otomasyonu Seviye1 ve Seviye2 olarak isimlendirilen iki seviyede ele alınmaktadır. Seviye1 otomasyonu, saha enstrümanlarından gelen verilerin işlendiği ve valf gibi kontrol ekipmanlarının geleneksel PID metotları kullanılarak sıcaklığa göre PLC vasıtasıyla kontrol edildiği ve SCADA üzerinden izlendiği kontrol katmanıdır. Seviye 2 olarak adlandırılan otomasyon katmanı ise, fırındaki malzemelerin izlendiği, slablara ve fırına ilişkin tüm verilerin tutulduğu veritabanının bulunduğu, slabların termal ısınma modelinin ve optimum ısınma eğrilerinin oluşturulduğu, buna bağlı ısı ihtiyaçlarının (heat demand) belirlenerek bulanık mantık (fuzzy logic) üzerinden sıcaklık referansı ve PID parametrelerinin oluşturularak Seviye 1 sistemine gönderildiği kontrol katmanıdır. Tezin uygulamasının yapıldığı Seviye1 kontrol katmanında kullanılan geleneksel PID kontrolörü fırının dinamik değişimlerine ve fırındaki belirsiz parametre ve bozucu değişimlerine yeteri kadar adapte olamamaktadır. Her ne kadar Seviye2 kontrol katmanındaki bulanık mantık PID katsayılarını güncellese de, sıcaklık kontrolü için kullanılan PID kontrolörü fırının dinamik değişimleri karşısında etkili bir kontrol sağlayamamaktadır. Bu konuda literatürde geliştirilmiş çok farklı kontrol yaklaşımları bulunmaktadır. Bunlardan en önemlisi ve endüstride de kullanımı giderek yaygınlaşanı MPC olarak bilinen model öngörülü kontrol metodudur. MPC yaklaşımı dinamik değişiklikleri rahatlıkla ele alabilen, sistem kısıtlarını da içerebilen, doğrusal olmayan modellerde de çok etkili bir kontrol metodudur. Endüstri de giderek yaygınlaşmasından dolayı literatürde MPC yaklaşımının da çok farklı çeşitleri geliştirilmiştir. MPC metodu her iki seviyede de uygulanabilmektedir. MPC metodunun başarısı kontrol edilecek sistemin doğru modellenmesine bağlıdır. Slab fırınları doğrusal olmayan sistem dinamiklerine sahip, yüksek zaman gecikmeleri ve zaman sabitleri olan, ölçülemeyen bozucuların olduğu kompleks proseslerdir. Dolayısıyla hassas ve etkili bir kontrol mekanizması oluşturabilmek için prosese uygun en doğru modeli elde etmek gerekmektedir. Slab fırınları proses itibariyle kompleks olması ve doğrusal olmayan modele sahip olmasının yanında bölgelerin birbiriyle güçlü ısı etkileşimlerinin olduğu, hesaplanabilen kayıpların yanında öngörülemeyen ısı kayıplarının da sıcaklık modellerini etkilediği ve bir çok parametrenin sistem üzerinde etkili olduğu karmaşık proseslerdir. Tezde 4.slab fırını, ısıtma prosesini etkileyen tüm parametre ve bozucuları da içerecek şekilde çok detaylı olarak modellenmiştir. Bölgeler arası sıcaklık etkileşimleri matematiksel olarak detaylı bir şekilde elde edilerek modelde yer verilmiştir. Slab fırını için tasarlanan ısıtma modelini etkileyen bozucular ölçülebilir ısı kayıpları ve öngörülemeyen ısı kayıpları olarak ikiye ayrılarak öngörülemeyen ısı kayıplarının kestirimi için bir uyarlama mekanizması tasarlanarak modele uyarlanmıştır. Uyarlama mekanizmasının tasarımında ise slab ısıtma fırınlarının modellemelerinde literatürde daha önce kullanılmayan daldırma ve değişmezlik (I&I) yaklaşımı kullanılmıştır. Modellenen sistemin kontrolünde uyarlamalı doğrusal olmayan model öngörülü kontrol (NMPC) yaklaşımı kullanılmıştır. NMPC metodu 4.Slab fırınının Seviye1 kontrol katmanında kullanılan sıcaklık PID kontrolörleri yerine tasarlanmıştır. 4.Slab fırını Seviye2 kontrol katmanında ele alınan slabların termal ısınma modelleri ve optimum ısınma eğrileri, termal ısı transfer hesaplama yöntemleriyle detaylı bir şekilde oluşturularak fırındaki en önemli parametrelerden olan gaz ve slab ısı emilim katsayıları ve form faktörü fırın kurulumu sırasında test slabı üzerindeki ölçüm doğrulamalarına göre hassas şekilde ayarlandığından istenilen şekilde çalışmaktadırlar. Fakat bu eğrilere göre oluşturulan referans değerlerin kontrolünü sağlayan Seviye 1 kontrol katmanındaki PID kontrolörleri fırındaki gazın kalorifik değerlerinin değişmesi ve öngörülemeyen kayıplar neticesinde hassas bir şekilde sağlanamamakta ve sıcaklık artış ve azalışların bağlı olarak verimli bir yanma elde edilememektedir. 4.Slab fırını için oluşturduğumuz modelde hem gazın kalorifik değerine hem de öngörülemeyen bozuculara detaylı yer verilmiştir. Gazın kalorifik değerindeki değişim öngörülemeyen bozucu kestiriminin uyarlama mekanizmasına yansıyarak buna bağlı sıcaklık değişimlerinin etkisi tasarlanan NMPC kontrolör tarafından giderilmektedir. Bu kontrol yaklaşımı ve öngörülemeyen ısı kayıplarının kestirimi ile daha verimli bir yanma sistemi kontrolü kurgulanması yapılarak modellenen sistemin dinamik kontrolü sayesinde enerji tasarrufu sağlanması hedeflenmiştir. Raporda sunulan tezde, bilinmeyen parametre ve bozucuların bulunduğu slab ısıtma fırını için bir Uyarlamalı NMPC uygulamasının Seviye1 üzerinde gerçeklemesi ve bundan elde edilen sonuçlar aktarılmıştır. Sonuçlar, detaylı bir şekilde grafikler üzerinde analiz edilerek tezin son bölümünde verilmiştir. Bölgeler arası etkileşime göre oluşturulan detaylı formüller, oluşturulan Matlab Simulink modelleri ve Matlab fonksiyon program blokları ise raporun ekler bölümüne ilave edilmiştir. Ayrıca, önerilen uyarlama mekanizmasını içeren doğrusal olmayan model yapısının doğruluğu, literatürde son 5 yılda uygulaması bulunan sistem tanıma yoluyla elde edilen ARMAX modelleri ile simülasyon ortamında karşılaştırılmış ve sonuçlar son bölümde sunulmuştur. Tezin başarılı bir şekilde bu slab fırınına uygulanması ve yeni kontrol kuramlarının kullanılması, tesislerin geleceğine ve teknolojik gelişimlerine önemli katkılar sağlayacaktır. Ayrıca demir çelik tesislerinin farklı alanlarına da uygulanması konusunda öncü rol oynayarak yeni araştırma olanaklarının da açılmasında cesaretlendirici bir adım olacaktır.