橫火焰玻璃窯爐控制系統(tǒng)探討 
   

玻璃配合料從加料口加入窯爐后.經(jīng)高溫加熱熔化成玻璃液，進行澄清、均化、冷卻，然后經(jīng)過供料通道進入成形區(qū)成型。沿窯池的縱向方向。按玻璃液的熔化過程相應地分成熔化部、工作部、供料通道。流液洞前稱為熔化部.流液洞后稱為工作部。如圖1所示。
   
   

   
    橫火焰是指窯內(nèi)火焰方向從一側(cè)流向另一側(cè)，橫越熔窯的寬度。與玻璃液流方向垂直，用蓄熱室作為余熱回收設備。即助燃空氣通過蓄熱室預熱后由小爐到達熔化池內(nèi).與天然氣混合燃燒產(chǎn)生大量熱量傳遞給混合料及玻璃液.煙氣從熔窯一側(cè)小爐排出.流經(jīng)蓄熱室的時候.將大量余熱傳給蓄熱室內(nèi)格子磚.磚的溫度隨著通過煙氣的時間延長逐漸升高，經(jīng)過一段時間的加熱后.換向閘板改變煙氣和助燃空氣流向。
   
    　　玻璃的熔制是一個非常復雜的過程.它包括一系列物理化學現(xiàn)象和反應。這些現(xiàn)象和反應.使各種原料的機械混合物變成了復雜的熔融物即玻璃液。大致可分為5個階段：硅酸鹽形成、玻璃形成、澄清、均化和冷卻。對于連續(xù)生產(chǎn)的玻璃池窯.玻璃形成過程的各個階段是在池窯的不同部位.同一時間內(nèi)進行的.玻璃液在不同階段有不同的物理化學反應.對溫度有不同的要求。因此溫度是影響玻璃熔制質(zhì)量的主要因素.必須沿池窯的縱向。根據(jù)玻璃熔制要求建立有利于玻璃熔制的穩(wěn)定的溫度曲線。
   
    　　玻璃熔制過程中.玻璃液面有一規(guī)定高度.要求穩(wěn)定.其上下波動范圍要求在±0.5 mm之內(nèi)。在正常情況下.玻璃液面的波動說明投料量有波動.會造成窯內(nèi)溫度的波動。玻璃液面的波動.一方面影響成型作業(yè)的穩(wěn)定。從而影響玻璃的產(chǎn)量和質(zhì)量：另一方面會加劇對池壁耐火材料的侵蝕.這不僅污染玻璃液造成許多缺陷.還會縮短熔窯使用壽命。
   
    　　窯爐內(nèi)壓力大小、穩(wěn)定程度也對爐內(nèi)溫度、液面高低即液位有影響。筆者希望窯內(nèi)壓力在熔化部接近玻璃液面處是零壓，并要求穩(wěn)定。這樣既沒有冷空氣吸入.也沒有火焰從空口逸出。但零壓是臨界狀態(tài).較難控制.通?？刂圃谖⒄龎悍端脙?nèi)。玻璃窯爐的投資昂貴.作為高溫設備.在它服務期限內(nèi)不能輕易地停工檢修和進行更換改造?而玻璃熔化過程的復雜性、干擾因素眾多、干擾來源不易確定、調(diào)整措施見效滯后.都使得玻璃窯爐的穩(wěn)定運行極為困難。生產(chǎn)工廠的經(jīng)濟效益將在很大程度上取決于玻璃窯爐的生產(chǎn)狀態(tài)。為此.玻璃窯爐要求功能齊全、性能可靠的控制系統(tǒng)來保證工藝參數(shù)的穩(wěn)定。
   
    　　1窯爐自動控制系統(tǒng)
   
    　　窯爐控制系統(tǒng)必須保證窯爐的溫度、壓力、液位、燃燒系統(tǒng)的流量等熱工參數(shù)的穩(wěn)定.保證燃燒過程中的正常換向。在安全的前提下.控制系統(tǒng)對參數(shù)的控制精度是衡量整套系統(tǒng)的一個重要指標.目前有采用PLC控制系統(tǒng)和由單回路控制器冗余控制主要T藝參數(shù)。用小型PLC冗余控制換向過程：有使用DCS控制系統(tǒng).用一臺微型PLC冗余控制換向過程。隨控制技術(shù)的發(fā)展，基于PLC的DCS系統(tǒng)目前在國內(nèi)外都得到了廣泛的應用.可編程控制器(PLC)與DCS控制系統(tǒng)的界限區(qū)別也越來越模糊。
   
    　　2溫度控制系統(tǒng)
   
    　　溫度控制系統(tǒng)包括熔化池溫度控制、工作池溫度控制、通道溫度控制。因窯爐是一個較大的熱T對象.各個地方的溫度有很大的差異.無法全部進行測量.只能由工藝人員選擇關鍵點的測量值進行加權(quán)平均作為溫度過程值(PV)，并把這個PV作為被控量改變?nèi)剂狭髁俊Ｒ跃S持該平均值的穩(wěn)定。因此它義包含了燃氣控制和助燃空氣控制。
   
    　　2.1熔化池溫度控制原理
   
    　　溫度設定值(SP)與溫度過程值(PV)之間的偏差經(jīng)控制器運算后.得出一個輸出值作為燃氣控制系統(tǒng)的設定值.同時乘以一個空燃比系數(shù)作為助燃空氣的設定值，再經(jīng)PID控制器運算后調(diào)整各自的流量控制閥。保證正常的燃燒狀況.進而得到穩(wěn)定的溫度。這樣就形成了溫度和燃氣的串級控制。在實際工作中.經(jīng)常使用兩種方式控制熔化池溫度，一是自動控制天然氣總流量，手動分配各小爐天然氣流量的方式。圖2所示為控制天然氣總管流量控制熔化池溫度的方塊圖。
   

    二是自動控制小爐天然氣流量的方式。圖3所示為控制Ⅳ個小爐天然氣流量控制熔化池溫度的方塊圖。
   

   
    圖2、圖3中，r為溫度，Q。、Q。分別為天然氣和助燃空氣的流量，sp、pv分別為設定值和過程值。對于溫度控制器，采用過PID算法、位式控制法和模糊控制算法.由于玻璃窯爐是一個大的熱1二對象，具有熱慣性大、滯后時間長和隨機干擾多的特點.PID算法整定出合適的參數(shù)比較困難，基本上處于手動控制模式。
   
    位式控制模式思路是：根據(jù)溫度過程值與溫度設定值的偏差.規(guī)定在一定時間內(nèi)分幾次調(diào)整完一定量的燃氣.結(jié)合操作人員的經(jīng)驗和季節(jié)變化來設定調(diào)整時間段、燃氣每次調(diào)整量及總調(diào)整量，模糊控制算法是把操作經(jīng)驗總結(jié)為若干法則.依照人們模糊推理過程確定推理法則，根據(jù)實時采集并模糊化的信息。按確定的推理法則輸}n控制指令。使用出料量、環(huán)境溫度和控制溫度偏差及其變化率4個變量，把這些值分段模糊化.確定控制集合.通過IF?THEN?找到對應的控制值輸出到燃氣調(diào)節(jié)閥。由于窯爐有上述特點.確定了一個5～15 rain的調(diào)節(jié)周期和一次5。20 NCMH調(diào)整量.在實際應用中加權(quán)溫度控制在±l℃范圍。
   
    　　2.2工作池溫度控制原理
   
    　　工作池是熔化池和通道的連接部分.玻璃液在此進一步澄清、均化。大部分時間處于冷卻過程。本部分壓力一般只監(jiān)測不進行控制.其穩(wěn)定基本取決于燃氣的流量穩(wěn)定.參數(shù)的穩(wěn)定對玻璃質(zhì)量具有十分重要的意義。
   
    　　工作池溫度也是一個測量溫度的加權(quán)值。對于燃氣管道上有輸出信號的流量測量裝置且沒有安裝比例閥的情況下。可以使用圖2的控制模式.只是空燃比較大而已。
   
    　　對于燃氣管道上安裝有比例閥的情況下.一般采用分程控制模式。所謂分程控制模式是：當工作池溫度PID控制回路的輸出處于0～50%時.助燃空氣流量調(diào)節(jié)閥的開度固定在適當開度如50%.天然氣流量調(diào)節(jié)閥的開度處于自動控制狀態(tài)。這樣在過量空氣狀態(tài)下運行。從而對工作池進行冷卻：當控制回路的輸出為50%～100%時.天然氣流量調(diào)節(jié)閥的開度固定在100%.同時逐漸打開助燃空氣流量調(diào)節(jié)閥.隨著助燃空氣從50%。100%增加.比率調(diào)節(jié)器成比率地增加天然氣流量.這樣在正常的空燃比狀態(tài)下運行.對工作池進行加熱，如圖4所示。
   

    　　2.3通道溫度控制原理
   
    　　通道是一個用耐火材料砌筑的封閉的供料道.它具有分配和輸送玻璃液的作用。在通道中，玻璃液通過準確的溫度調(diào)節(jié)和進一步均化.達到成型的要求。這里的參數(shù)波動將導致玻璃不良上升，通道外的冷卻風也可以對局部區(qū)域降溫.但大部分調(diào)溫依賴于燃燒系統(tǒng).它所用的燒槍一般是無焰的，某區(qū)加權(quán)溫度的控制經(jīng)控制器調(diào)節(jié)助燃空氣閥門.空氣流過預調(diào)好的混合器時.就與一定比例的天然氣混合，進入通道燃燒。如圖5所示。
   

    　　由于助燃空氣用量較大.當環(huán)境溫差較大時對溫度控制將產(chǎn)生非常明顯的影響.為此我們利用余熱從碹頂引來熱空氣.自動控制冷、熱空氣進入助燃風機的閥門開度.使得助燃風溫度穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。為窯爐溫度控制創(chuàng)造了一定有利的條件。對于上述任何控制回路.根據(jù)需要可以隨時實現(xiàn)定值控制，增加了控制系統(tǒng)的靈活性。
    3熔化池壓力控制系統(tǒng)
   
    　　爐壓控制系統(tǒng)一般由測壓裝置、控制器和調(diào)壓機構(gòu)組成。測壓裝置通常由窯爐后部兩側(cè)的胸墻上插入爐內(nèi)取壓.兩個壓力管道連接后從中間部位引一管到差壓變送器高壓側(cè).同樣方法在爐內(nèi)取壓管附近取一窯爐外部氣壓信號送至變送器低壓側(cè)，得到的信號傳送給PID控制器.PID輸出去調(diào)節(jié)煙道上的調(diào)節(jié)閥的開度.利用簡單的負反饋回路把窯爐的壓力穩(wěn)定控制在規(guī)定的范同內(nèi)。
   
    　　為了保證窯爐的燃燒效率和溫度穩(wěn)定.熔化池壓力采用微正壓控制。熔化池天然氣流量和助燃風流量大小和變化都將直接引起熔化池壓力波動。因此熔化池壓力控制采用了帶有前饋的PID控制模式.即前饋PID算法會首先檢測到天然氣和助燃風流量的變化.從而提前調(diào)整壓力擋板開度來實現(xiàn)熔化池壓力穩(wěn)定。在實際運行過程中，窯爐壓力的控制精度達到±1.96 Pa。工作示意圖見圖6。
   

    　　雖然正常燃燒期間窯爐壓力得到很好的控制.但在換向期間由于天然氣流量突然降到零.系統(tǒng)平衡突然被打破.控制系統(tǒng)不能馬上彌補天然氣流量的損失.造成壓力大幅波動，引起窯爐溫度、玻璃液位也產(chǎn)生較大波動.影響產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。雖然不能消除這種壓力波動.但可以采取一些措施.如適當增加換向期間助燃空氣流量部分彌補天然氣流量的消失.煙道上增加補氣閥適時適量打開相對減小煙道的抽力和換向期間關小調(diào)壓閥開度等措施.盡可能縮小壓力波動范圍。達到幾乎不影響液位的程度。
   
    　　4液位控制衡
   
    　　液位控制系統(tǒng)一般由液位計、控制器、變頻柜和加料機組成。目前較為*的是使用激光液位計。安裝于液面較為穩(wěn)定的丁作池.其測量精度為±O.01mln。加料機采用的是螺旋式加料機.每臺加料機對應一臺變頻器，正常情況液位控制在±0.15 mm。
   
    　　工作過程如下：液位計的測量信號傳送到控制器.經(jīng)控制器運算后的輸出信號送到變頻器.控制加料機螺旋桿的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)加料量的多少.玻璃原料在熔化池內(nèi)經(jīng)過充分的熔化、反應等復雜的過程才能通過流液洞進入工作池.整個過程需要時間長.玻璃液通過后續(xù)控制裝置穩(wěn)定出料量.故而玻璃液位控制系統(tǒng)具有大慣性、大滯后和無自平衡能力的特點。因此，平時維護好關鍵沒備如液位計、加料機，并根據(jù)生產(chǎn)計劃的變更調(diào)整控制器的參數(shù).才能保持液位穩(wěn)定。如圖7所示。
   

    　　對于控制器，可以是高、低速兩位式的控制方式，大多數(shù)使用PID控制器。如果要用較少的變頻器驅(qū)動多臺加料機.需要在變頻器后手動調(diào)整加料機的加料比例。針對加料機使用臺數(shù)多少問題.原則上根據(jù)加料機大小、加料位置寬窄等綜合考慮.盡量使用多臺加料機.這樣在維修加料機時對液位控制的影響較小。
   
    　　液位控制能否達到T藝要求.在液位控制系統(tǒng)外主要集中到熔化池壓力穩(wěn)定上。因熔化池與工作池經(jīng)流液洞相連形成一個連通器，壓力波動將引起液面變化.在穩(wěn)定壓力上已經(jīng)采取了多種措施。液位控制系統(tǒng)主要有液位計、加料機，對液位計，按其使用手冊做好日常維護，保證正常穩(wěn)定工作即可。加料機螺旋桿磨損最終影響加料能力。為此需定期檢測螺旋桿的旋轉(zhuǎn)情況就可確定加料機加料能力，并可發(fā)出加料停止報警;記錄螺旋桿T作壽命.即同等混合料需要多少轉(zhuǎn)可以加完，以判斷螺旋桿磨損情況;在規(guī)定時間內(nèi)沒有螺旋桿旋轉(zhuǎn)信號，即為加料停止。圖8為某窯爐監(jiān)控畫面。