馮建業(yè)

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計院有限公司 秦皇島 066004）

0 引言

隨著玻璃行業(yè)的不斷發(fā)展，玻璃產(chǎn)量和質(zhì)量的提高，玻璃熔窯的節(jié)能環(huán)保越來越引起人們的關(guān)注。除了對熔窯結(jié)構(gòu)、燃燒技術(shù)及裝備等進(jìn)行技術(shù)改造外，玻璃熔窯熱工DCS控制系統(tǒng)改進(jìn)可以使操作人員更靈活、簡單精確地控制生產(chǎn)工藝參數(shù)，從而實現(xiàn)窯爐熱工制度的穩(wěn)定，更重要的是可以通過改進(jìn)控制來實現(xiàn)降低窯爐能耗及減少污染物排放的目的。

1 熔窯DCS控制系統(tǒng)的組成和主要控制參數(shù)

為了對生產(chǎn)過程進(jìn)行先進(jìn)控制和科學(xué)管理，通常采用計算機(jī)控制系統(tǒng)（DCS）對熔窯熱工參數(shù)進(jìn)行采集檢測、數(shù)據(jù)處理和自動控制。DCS主要由工程師站、操作員站、過程控制器、I/O站、通訊網(wǎng)絡(luò)等部分組成。

窯爐的過程監(jiān)測信號及狀態(tài)信號全部引入自控系統(tǒng)中完成監(jiān)視、控制、報警功能。窯壓控制、助燃介質(zhì)控制、天然氣流量控制備用手動操作器，以便系統(tǒng)手動調(diào)試或緊急狀態(tài)下能手動控制窯爐。

馬蹄焰熔窯控制系統(tǒng)一般采用PLC+上位機(jī)控制或者單純儀表人為操作控制。圖1為熔窯PLC+上位機(jī)自控系統(tǒng)控制界面。整個系統(tǒng)采用積木式結(jié)構(gòu)， 可根據(jù)系統(tǒng)大小進(jìn)行靈活擴(kuò)展。主要控制算法在控制器中執(zhí)行，由操作員站機(jī)完成生產(chǎn)參數(shù)的給定及變更，來實現(xiàn)集中操作。這種控制方式簡便靈活，集成度高，所有控制參數(shù)一目了然。是一種既經(jīng)濟(jì)又高效的配置，目前在生產(chǎn)線上有較多應(yīng)用。

圖1 窯爐生產(chǎn)線流程及PLC+上位機(jī)自控系統(tǒng)控制界面

老式熔窯儀表控制系統(tǒng)常用于各種以煤氣為燃料的馬蹄焰窯爐，其可靠性高、操作相對簡單，但系統(tǒng)集成度低，對于各控制點，需要單獨的控制回路以完成特定操作，控制系統(tǒng)占用空間大。

2 熔窯溫度控制

熔窯的溫度控制是實現(xiàn)玻璃熔化及保證玻璃質(zhì)量的關(guān)鍵控制因素。通常以大碹碹頂溫度為準(zhǔn)，根據(jù)其溫度變化合理調(diào)整風(fēng)燃比系數(shù)，手動或自動控制助燃風(fēng)和燃?xì)庥昧?，實現(xiàn)窯爐溫度精確控制，保持窯爐工況穩(wěn)定。通過計算機(jī)對窯爐工況進(jìn)行顯示、設(shè)定、控制、儲存等功能，便于出現(xiàn)事故時對比數(shù)據(jù)和查找問題。

2.1 溫度控制系統(tǒng)

溫度測量系統(tǒng)包括：碹頂熱電偶、池底熱電偶、觀察孔輻射計等。溫度控制系統(tǒng)關(guān)聯(lián)：燃料的流量控制、助燃介質(zhì)的流量控制、燃料與助燃介質(zhì)的配比控制等。

2.2 窯爐溫度控制的實現(xiàn)方式

（1）恒定溫度控制

此種控制方式是保證控制點溫度的穩(wěn)定，通過主控點溫度的測量值與設(shè)定值比較，再通過燃料及助燃介質(zhì)的控制器增加或減小燃料及助燃介質(zhì)送入窯爐的流量。但燃料及助燃介質(zhì)的流量并不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)火焰忽大忽小的情況。

（2）恒定流量控制

此種控制方式是保證燃料及助燃介質(zhì)流量的穩(wěn)定，優(yōu)點在于相同時間內(nèi)送入窯爐的能量恒定，但燃料質(zhì)量的好壞控制系統(tǒng)無法做到有效補(bǔ)償，容易導(dǎo)致在燃料質(zhì)量差時，出現(xiàn)窯爐內(nèi)控制點溫度大幅度下降的情況。

（3）綜合控制方式

通過對PLC進(jìn)行邏輯編程，可實現(xiàn)基于恒溫控制的流量控制方式或基于恒流控制的溫度控制方式，有效規(guī)避恒溫控制或恒流控制的缺陷，此時計算機(jī)對于熔窯的控制就變得必不可少。

2.3 溫度控制對熔窯節(jié)能減排的作用

對于熔窯，無論采用恒溫控制或者恒流控制，PLC+上位機(jī)具有較高的控制精度、可靠性以及實現(xiàn)獨特的控制邏輯，同時也可以通過編制特定程序?qū)τ趽Q向期間溫度的降低，在換向前或者換向后起到補(bǔ)償，有效輔助熔窯實現(xiàn)穩(wěn)定的溫度制度。穩(wěn)定的溫度制度，可以保證熔窯在較低的綜合成本下長期高效的生產(chǎn)合格產(chǎn)品。

表1為國內(nèi)某條160 t/d的馬蹄焰窯爐煙氣成分實際檢測數(shù)據(jù)。

表1 不同助燃介質(zhì)與燃料配比檢測的窯爐煙氣成分

從表1中可以看出，隨著空燃比的增加，煙氣中的氧含量及氮氧化物排放量均增加，因此生產(chǎn)中需要穩(wěn)定控制燃料及助燃介質(zhì)的合理配比，燃料及助燃介質(zhì)的配比不僅會影響燃料的利用率，同時還會影響尾氣中氮氧化物的排放。此外還要安裝氧氣含量在線檢測設(shè)備，實時跟蹤檢測煙氣中氧含量變化，及時調(diào)整助燃風(fēng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，合理配置助燃空氣流量，優(yōu)化空燃比，使燃料既能充分燃燒，又盡可能地減少煙氣中的氮氧化物排放，從而做到既節(jié)能又環(huán)保。

3 窯壓控制

對于玻璃熔窯，一般保證窯爐內(nèi)壓力為合適的微正壓。較高或較低的窯爐內(nèi)壓力對熔窯都是不利的。

較高的窯爐壓力會使熔窯內(nèi)火焰從各觀察孔或縫隙處外溢，燒損外部耐火材料或鋼結(jié)構(gòu)，同時也有可能對生產(chǎn)線操作人員的安全造成傷害。

較低的窯爐壓力會使外部大量的冷空氣進(jìn)入窯爐內(nèi)，使熔窯內(nèi)部溫度降低，增加能耗，影響熔窯內(nèi)玻璃的熔化；同時由于過量的空氣引入必然導(dǎo)致尾氣中氮氧化物含量的增加，對周圍環(huán)境產(chǎn)生污染。

3.1 窯壓控制系統(tǒng)

壓力測量系統(tǒng)一般采用熔窯兩側(cè)的取壓管路配合微差壓變送器。壓力控制系統(tǒng)包括：煙道旋轉(zhuǎn)閘板、尾氣引風(fēng)機(jī)等。

3.2 窯壓控制對節(jié)能減排的作用

對于窯壓的控制，PLC+上位機(jī)具有較高的控制精度、可靠性，可將窯壓控制在可接受的合適范圍內(nèi)，并對突發(fā)的窯壓變動起到良好的補(bǔ)償作用。

對于尾氣中氮氧化物的排放，窯壓控制同樣具有顯著的影響，表2為國內(nèi)某160 t/d的馬蹄焰窯爐煙氣成份實際檢測數(shù)據(jù)。

表2 不同窯壓下檢測的窯爐尾氣中氮氧化物排放量

從表2中可以看出，窯壓較小時尾氣中NOx的排放量較大。因此，通過運(yùn)用PLC+上位機(jī)合適的控制窯爐內(nèi)壓力，可有效減少窯壓過高導(dǎo)致的窯爐內(nèi)能量外泄及減少窯壓過低導(dǎo)致的外部冷空氣進(jìn)入窯爐而對窯爐的降溫，可有效保證窯爐持續(xù)穩(wěn)定的熔化配合料，同時還可以避免因窯壓波動造成尾氣中NOx排放增加，對于熔窯節(jié)能減排起到很大作用。

4 液面控制

液面的控制對于玻璃窯爐的穩(wěn)定生產(chǎn)同樣關(guān)鍵。過高或過低的液面對于窯爐的池壁均會造成不同程度的侵害，而上下波動頻繁的液面對于池壁液面線附近耐火材料造成較大侵蝕。因此需要對玻璃液面進(jìn)行較為精準(zhǔn)的控制。

液面控制系統(tǒng)包括：液面的測量系統(tǒng)，如激光液面計等；壓力的控制系統(tǒng)包括：配合變頻器的弧毯式加料機(jī)、振動加料機(jī)等。對于液面控制來說，液位是一個滯后對象，系統(tǒng)較難穩(wěn)定，投料后一段時間內(nèi)幾乎不反應(yīng)，過一段時間液位慢慢上升，這是比較典型的純滯后對象。

生產(chǎn)中一般采用激光式液面計來檢測熔窯內(nèi)玻璃液液位。高精度液面控制，對于窯爐來講，即可避免因液面過低追趕液面時，冷的配合料進(jìn)入窯爐，對窯爐的降溫，降溫后過多的燃料加入必然導(dǎo)致的燃料浪費；也可避免因液面過高，玻璃液溢出等風(fēng)險。

5 換向柔性控制

以空氣作為助燃介質(zhì)的窯爐具有一個顯著的特點，那就是需要定期換向。換向期間，很多控制參數(shù)如溫度、窯壓等均會出現(xiàn)較大波動，在玻璃生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免，因此對于換向的控制提出了更高的要求。

眾所周知，燃?xì)馊紵龘Q向的可靠性是確保生產(chǎn)安全的首要任務(wù)，在確保換向過程安全的前提下，特別對換向時燃?xì)獾年P(guān)斷、開通采取特殊柔性控制（緩關(guān)、緩開），避免天然氣關(guān)斷或開通時氣體壓力的急劇變化造成危險。

基于PLC+上位機(jī)對于換向的柔性控制則可有效避免上述問題。由于PLC+上位機(jī)可以根據(jù)窯爐實際情況制定不同的換向方案，可在換向前或換向后對于換向期間溫度的降低及時有效地進(jìn)行補(bǔ)償，以保證窯爐生產(chǎn)的穩(wěn)定。

熔窯換火盤有手動、半自動、自動三種工作方式，其中手動方式為控制室盤面操作，半自動為控制室盤面按鈕觸發(fā)PLC自動控制，自動方式為定時PLC自控系統(tǒng)控制。

以燃料天然氣為例，天然氣換向的全過程為：

預(yù)備鈴→天然氣壓力、窯壓、助燃風(fēng)、介質(zhì)等過程控制量鎖定→當(dāng)前火向天然氣緩關(guān)、開槍管冷卻氣→煙道廢氣換向→助燃風(fēng)換向→關(guān)槍管冷卻氣、待上火向天然氣緩開→天然氣壓力、窯壓、助燃風(fēng)、介質(zhì)等過程控制量定時解鎖。

6 全氧窯爐控制特點

全氧窯爐是以純度為90%以上的氧氣作為助燃介質(zhì)的窯爐。不同于空氣助燃介質(zhì)的窯爐，全氧窯爐不需要定期換向。因此，全氧窯爐溫度及窯壓可保證長時間穩(wěn)定運(yùn)行。但由于以純氧作為助燃介質(zhì)，火焰溫度高，火焰易對噴嘴磚等耐火材料造成損害。對于燃料及氧氣的流量、壓力及配比控制要求較高。

純氧噴槍及燃燒系統(tǒng)可提供玻璃熔制過程中所需的熱能，燃燒系統(tǒng)是以氣動和手動的方式操作。系統(tǒng)內(nèi)包括安全互鎖裝置和自動切斷閥來防止不安全的操作，而且氧氣和天然氣皆有流量自動顯示裝置，便于監(jiān)視。圖2為天然氣全氧窯DCS電氣控制系統(tǒng)界面。

圖2 系統(tǒng)控制界面

天然氣全氧窯DCS電氣控制系統(tǒng)：

（1）燃料及氧氣總管流量控制

每個分區(qū)天然氣流量定值自動控制，并與天然氣-氧氣比值系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)合理燃燒。天然氣及氧氣流量檢測一般采用孔板氣體流量計等高精度流量測量裝置，帶溫度和壓力補(bǔ)償，以提高流量檢測精度。流量積算便于考核窯爐燃燒質(zhì)量，合理分配燃料，節(jié)能降耗，控制生產(chǎn)成本。

（2）溫度檢測

主要在碹頂設(shè)置測溫點進(jìn)行窯爐溫度檢測和控制。對于大型窯爐，需要結(jié)合噴槍設(shè)置多個測溫點。中小型全氧窯爐，一般在熔化部碹頂熱點部位設(shè)置2個熱電偶，一個閉孔，一個開孔；排煙口頂部、底部要設(shè)置熱電偶；池底特定位置要設(shè)置熱電偶；上升道、流道、總煙道等部位也要設(shè)置熱電偶；另外熔化池胸前左右兩側(cè)可以各安裝一臺紅外測溫儀，實時監(jiān)測熔化溫度，保證熔制工藝穩(wěn)定。

（3）火焰控制

以大碹碹頂前點溫度為準(zhǔn)，采用串級比值控制方式：溫度→天然氣流量→氧氣流量，根據(jù)實際溫度與工藝設(shè)定溫度之間的偏差自動調(diào)節(jié)天然氣流量，氧氣流量根據(jù)天然氣流量的變化自動進(jìn)行比值控制。

（4）窯壓自動控制

采用在兩側(cè)胸墻取壓方式，選用高精度的微差壓變送器取壓，以保證窯壓信號檢測精度，減少窯壓的波動。窯壓采用反饋調(diào)節(jié)控制，以改善系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)。由于全氧窯采用不換向?qū)问剑G壓穩(wěn)定度高，因此，采用反饋調(diào)節(jié)可很好的保證窯壓穩(wěn)定。

（5）玻璃液面

采用液面計來檢測熔窯玻璃液面，在窯頭儀表室設(shè)有一臺投料機(jī)變頻器，通過變頻調(diào)節(jié)投料電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度，來調(diào)節(jié)投料速度，以控制熔窯的液面。控制液面精度可達(dá)≤±0.2 mm。

7 能源管理系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)可實現(xiàn)在信息分析基礎(chǔ)上的能源監(jiān)控和能源管理的流程優(yōu)化再造，實現(xiàn)能源質(zhì)量管理、運(yùn)行管理、動態(tài)監(jiān)控管理等自動化和無紙化，有效實施客觀的以數(shù)據(jù)為依據(jù)的能源消耗評價體系，減少能源管理的成本，提高能源管理的效率，及時了解真實的能耗情況和提出節(jié)能降耗的技術(shù)和管理措施，向能源管理要效益。

能源管理系統(tǒng)不僅可有效解決能源實時平衡管理和監(jiān)控管理，還可以通過對大量歷史數(shù)據(jù)的歸檔和管理，為進(jìn)一步對數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、分析、加工和處理創(chuàng)造條件。為企業(yè)的能源管理“對標(biāo)”工作建立有效的數(shù)據(jù)依據(jù)，為企業(yè)節(jié)能減排做出客觀公正的效果評價。

能源管理系統(tǒng)的有效運(yùn)行可持續(xù)、健康、有序地提升整個玻璃行業(yè)的能源管理水平，促進(jìn)玻璃行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

8 結(jié)語

窯爐熱工控制DCS控制系統(tǒng)已被廣泛用做節(jié)能、穩(wěn)定質(zhì)量及優(yōu)化工藝的有效手段，熔窯計算機(jī)控制系統(tǒng)采用PLC+上位機(jī)方式具有以下顯著且優(yōu)異的特點：

（1）節(jié)能降耗：應(yīng)用PLC+上位機(jī)，對窯爐的各參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)且持續(xù)的控制，避免了儀表及人為控制中的粗放管理，在生產(chǎn)過程中有效的節(jié)約燃料、電能等投入，也可以降低窯爐各污染物的排放量，從而降低后續(xù)尾氣處理中的投入。

（2）穩(wěn)定生產(chǎn)質(zhì)量：應(yīng)用PLC+上位機(jī)，可保障窯爐內(nèi)溫度、窯壓、液面等各關(guān)鍵參數(shù)的長期穩(wěn)定，是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)玻璃制品的有效保障。