黃嗣熠,葛瑩瑩,劉 可

新型浮法節(jié)能控制系統(tǒng)在玻璃生產(chǎn)線中的應(yīng)用

黃嗣熠,葛瑩瑩,劉 可

(中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司,蚌埠 233010)

該文從自動(dòng)控制及算法方面討論了如何通過改進(jìn)控制程序?qū)崿F(xiàn)玻璃熔窯節(jié)能降耗的目標(biāo),結(jié)合在神木瑞城生產(chǎn)線調(diào)試及生產(chǎn)過程中的工作經(jīng)驗(yàn),介紹了改進(jìn)控制程序的實(shí)施原理和具體辦法以及實(shí)際應(yīng)用中的效果。

玻璃; 節(jié)能; 控制算法

玻璃行業(yè)是一個(gè)高能耗行業(yè),其中玻璃熔窯的能耗占玻璃行業(yè)能耗的80%以上,而燃料成本則占到玻璃成本的35%～50%。我國(guó)大部分的浮法玻璃生產(chǎn)線產(chǎn)生單位質(zhì)量的玻璃液的能耗為6 500～7 500 kJ/kg,整個(gè)玻璃熔窯的熱效率也僅為30%～40%。而國(guó)際上先進(jìn)的浮法玻璃企業(yè)單位能耗只有5 800 kJ/kg,其熔窯熱效率則達(dá)到45%～55%?？梢娢覈?guó)浮法玻璃生產(chǎn)與國(guó)際先進(jìn)水平還存在著一定的差距。

如何提高玻璃熔窯的熱效率,減少單位玻璃液的能耗,進(jìn)而降低玻璃生產(chǎn)的燃料成本,同時(shí)達(dá)到節(jié)能的目的,一直以來都是我國(guó)玻璃企業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展的目標(biāo)。在控制過程方面,減小熔化過程溫度的波動(dòng)、保證溫度曲線的穩(wěn)定有助于節(jié)約燃料,達(dá)到節(jié)能的目的。目前,玻璃熔窯的溫度控制多采用交叉限幅的方式,通過觀察溫度的變化來人工調(diào)節(jié)燃料量,進(jìn)而調(diào)節(jié)玻璃熔窯溫度。但是由于玻璃熔窯大慣性和純滯后的特點(diǎn),以及人工控制的延遲和不穩(wěn)定性,導(dǎo)致在燃料量的調(diào)節(jié)上存在較大的波動(dòng)。特別是在換火環(huán)節(jié),容易出現(xiàn)過調(diào)現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)致溫度波動(dòng)較大。經(jīng)過探索,在交叉限幅的基礎(chǔ)上,對(duì)溫度控制進(jìn)行了改進(jìn)。通過監(jiān)測(cè)溫度變化,直接利用控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)燃料量。這樣既達(dá)到了節(jié)能目的,又減少了人工操作的波動(dòng)影響,節(jié)約了人力成本,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)玻璃生產(chǎn)的自動(dòng)化控制。

1 燃料成分分析

以天然氣作燃料的熔窯為例,天然氣成分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

考慮到天然氣主要成分為CH4,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,假定天然氣只有CH4,則燃燒反應(yīng)化學(xué)方程式如下

表1 天然氣成分?jǐn)?shù)據(jù)

由于熔窯體積固定,應(yīng)當(dāng)計(jì)算其定容絕熱燃燒溫度,由能量守恒得

式中,Hreac為反應(yīng)物在初始溫度Tinit下的焓,Hprod為生成物在最終溫度Tad下的焓;Ru為普適氣體常數(shù)(8.314 kJ·kmol-1·K-1);Nreac和Nprod分別為反應(yīng)物和產(chǎn)物的摩爾數(shù)。

將式(2)展開得

這里h0f,i為物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成焓,不隨溫度變化,可查表得到。Cp,i(T)為物質(zhì)的定壓比熱容,隨溫度變化,由于燃燒過程中溫度是變化的,取平均溫度T=(Tinit+Tad)/2時(shí)的熱容來計(jì)算。假定不考慮預(yù)熱過程,則取初始溫度為室溫Tinit=298 K,Tad為待求的燃燒溫度。假定為溫度為2 100 K,則取T=1 200 K時(shí)的熱容進(jìn)行計(jì)算。

相關(guān)物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù),見表2。

表2 相關(guān)物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)

代入式(5)計(jì)算得到

由式(6)計(jì)算出的燃燒溫度只是理論燃燒溫度,在實(shí)際的燃燒過程中總有一部分熱量損失掉,并且燃燒也經(jīng)常不充分。所以,實(shí)際的燃燒溫度總是低于理論燃燒溫度。各種窯爐可以達(dá)到的最高實(shí)際溫度(即火焰溫度),可從表3所列的各種窯爐高溫系數(shù)η(又稱為燃燒熱效率)求得。

表3 各種窯爐的高溫系數(shù)

目前的大型玻璃熔窯都屬于連續(xù)式的,計(jì)算實(shí)際燃燒溫度時(shí)的高溫系數(shù)可取0.7,那么實(shí)際燃燒溫度計(jì)算公式如下根據(jù)上面的結(jié)果,對(duì)于不同的過量空氣系數(shù)或者空氣/燃?xì)怏w積比,可以得到燃燒溫度,見表4。

表4 不同空氣/燃?xì)怏w積比情況下的燃燒溫度表

2 算法及軟件實(shí)施

在熔窯穩(wěn)定燃燒的情況下,增加或者減少燃?xì)饬?熔窯溫度的變化可由如下方法計(jì)算。以風(fēng)氣比(助燃風(fēng)/燃?xì)怏w積比)11∶1,燃?xì)饬?80 Nm3/h為例。得出溫度變化隨燃?xì)庾兓€,見圖1。

根據(jù)以上計(jì)算可知,在熔窯溫度達(dá)到某一預(yù)設(shè)值后,其溫度變化與燃料用量為正比關(guān)系。根據(jù)所使用燃料主要成分,可利用二元一次函數(shù)模型Y=a X+b,計(jì)算出當(dāng)前溫度設(shè)定值所需燃料量,其中Y為當(dāng)前溫度偏差值,X為所需燃料偏差值。圖2為具體實(shí)施的程序。

此方法可以在熔窯溫度出現(xiàn)波動(dòng)時(shí),及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)燃料進(jìn)行調(diào)整,以確保熔化溫度的迅速恢復(fù)和相對(duì)穩(wěn)定。陜西神木瑞城玻璃有限公司應(yīng)用此程序后,換火過程中的熔窯溫度變化曲線,見圖3。

3 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)的熔窯溫度調(diào)節(jié)方式通過人為觀察熔窯溫度變化,根據(jù)操作人員的經(jīng)驗(yàn)來調(diào)節(jié)燃料量,進(jìn)而調(diào)節(jié)熔窯溫度。而該文中提出的新型浮法節(jié)能控制系統(tǒng)在玻璃熔窯溫度控制方面進(jìn)行了一定的改進(jìn),對(duì)熔窯溫度變化和燃料量的關(guān)系進(jìn)行了準(zhǔn)確的估計(jì)。將這種關(guān)系直接輸入到控制系統(tǒng)中,并以熔窯實(shí)際溫度和設(shè)定溫度的差值為被調(diào)量,直接通過控制系統(tǒng)改變?nèi)剂狭康脑O(shè)定值,從而調(diào)節(jié)熔窯的溫度。這樣就避免了由于人為操作所帶來的不確定性和不穩(wěn)定性。

另一方面,在換火期間,由于需要關(guān)閉一側(cè)燃料進(jìn)口,開啟另一側(cè)燃料進(jìn)口,會(huì)使得熔窯內(nèi)溫度出現(xiàn)先下降后逐漸恢復(fù)穩(wěn)定的過程。而傳統(tǒng)的溫度控制方式是實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)的,一旦溫度下降就會(huì)加大燃料量,因而就會(huì)造成在換火期間燃料量的過調(diào),使得剛剛換火后的溫度出現(xiàn)較大波動(dòng)。而這種新型浮法節(jié)能控制系統(tǒng)能夠?qū)Q火期間燃料量回復(fù)的時(shí)間進(jìn)行預(yù)估,對(duì)溫度控制系統(tǒng)實(shí)施一定時(shí)間的暫停,等到溫度基本恢復(fù)之后再開啟溫度調(diào)節(jié)。這樣一來能夠極大地減少換火之后溫度的波動(dòng),減少了由于過調(diào)而浪費(fèi)的燃料。

綜上所述,我們可以總結(jié)出該浮法節(jié)能控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):1)節(jié)能環(huán)保。根據(jù)某玻璃熔窯的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),采用了新系統(tǒng)的生產(chǎn)線能夠節(jié)省燃料,起到了節(jié)能的作用。2)節(jié)省人力成本,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。由于對(duì)熔窯溫度變化和燃料量的關(guān)系進(jìn)行了準(zhǔn)確估計(jì),通過控制系統(tǒng)直接調(diào)節(jié)熔窯溫度,節(jié)省了進(jìn)行燃料量調(diào)節(jié)的人力成本,實(shí)現(xiàn)了玻璃生產(chǎn)的進(jìn)一步自動(dòng)化。3)使用方便。該系統(tǒng)原理簡(jiǎn)單,易于操作,使用方便。

[1] 張玉敏.淺議玻璃窯爐的溫度控制[J].玻璃,2014,36(2):30-38.

[2] 高增麗,張愛娟.我國(guó)玻璃爐窯的現(xiàn)狀及其節(jié)能技術(shù)的發(fā)展[J].冶金能源,2004,23(6),35-37.

[3] 唐福恒.玻璃熔窯使用不同燃料的能耗計(jì)算[J].玻璃,2008,30(9):6-9.

[4] 唐保軍,殷海榮,陳國(guó)平,等.全氧燃燒玻璃熔窯熱工計(jì)算與分析[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,27(1):41-45.

[5] 諸葛勤美,王曙華,王偉峰.浮法玻璃熔窯天然氣和重油燃燒系統(tǒng)的比較[J].玻璃,2013,35(7):3-5.

[6] 王巧梭,張文會(huì).浮法玻璃熔窯節(jié)能途徑[J].玻璃,2005,27(4):57-61.

[7] 王巧梭,張文會(huì).浮法玻璃熔窯節(jié)能途徑[J].玻璃,2005,4(7):31-33.

[8] 周美茹,林 立.浮法玻璃熔窯節(jié)能途徑[J].硅酸鹽通報(bào),2005,19(6):2-5.

[9] 左澤方.浮法玻璃熔窯節(jié)能技術(shù)及途徑[J].玻璃,2001,23(1):10-12.

[10]趙 坤,楊麗萍,應(yīng)海東.關(guān)于浮法玻璃熔窯節(jié)能的幾個(gè)有效途徑[J].玻璃,2004,26(6):36-38.

[11]韓正偉.探究浮法玻璃熔窯的有效節(jié)能途徑[J].山東工業(yè)技術(shù),2014,16(1):23-25.

New Float Energy-saving Control System Application in Glass Production Line

HUANG Si-yi,GE Ying-ying,LIU Ke
(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd,Bengbu 233010,China)

This paper discussed how to realize the goal of energy saving of the glass furnace from the aspects of automatic control and the algorithm by improving the control program.Combined with author's line commissioning and production experience in the process,its specific application implementation principle and method are introduced,as well as the practical application effect.

glass; energy saving; control algorithm

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.05.013

2015-07-06.

黃嗣熠(1987-),助理工程師.E-mail:188836864@qq.com