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横火焰玻璃窑炉控制系统探讨

2012年8月31日  

    
    摘要:叙述了玻璃窑炉中温度、流量、压力和液位自动控制的基本原理,并结合应用实例,探讨了影响控制参数稳定的因素和采取的措施.对设计窑炉控制方案有一定的借鉴意义。
   
    关键词:玻璃窑炉;PLC;DCS;换向;变送器;激光液位计
   
    玻璃配合料从加料口加入窑炉后.经高温加热熔化成玻璃液,进行澄清、均化、冷却,然后经过供料通道进入成形区成型。沿窑池的纵向方向。按玻璃液的熔化过程相应地分成熔化部、工作部、供料通道。流液洞前称为熔化部.流液洞后称为工作部。如图1所示。
   
   

横火焰玻璃窑炉控制系统探讨


   
    横火焰是指窑内火焰方向从一侧流向另一侧,横越熔窑的宽度。与玻璃液流方向垂直,用蓄热室作为余热回收设备。即助燃空气通过蓄热室预热后由小炉到达熔化池内.与天然气混合燃烧产生大量热量传递给混合料及玻璃液.烟气从熔窑一侧小炉排出.流经蓄热室的时候.将大量余热传给蓄热室内格子砖.砖的温度随着通过烟气的时间延长逐渐升高,经过一段时间的加热后.换向闸板改变烟气和助燃空气流向。
   
      玻璃的熔制是一个非常复杂的过程.它包括一系列物理化学现象和反应。这些现象和反应.使各种原料的机械混合物变成了复杂的熔融物即玻璃液。大致可分为5个阶段:硅酸盐形成、玻璃形成、澄清、均化和冷却。对于连续生产的玻璃池窑.玻璃形成过程的各个阶段是在池窑的不同部位.同一时间内进行的.玻璃液在不同阶段有不同的物理化学反应.对温度有不同的要求。因此温度是影响玻璃熔制质量的主要因素.必须沿池窑的纵向。根据玻璃熔制要求建立有利于玻璃熔制的稳定的温度曲线。
   
      玻璃熔制过程中.玻璃液面有一规定高度.要求稳定.其上下波动范围要求在±0.5 mm之内。在正常情况下.玻璃液面的波动说明投料量有波动.会造成窑内温度的波动。玻璃液面的波动.一方面影响成型作业的稳定。从而影响玻璃的产量和质量:另一方面会加剧对池壁耐火材料的侵蚀.这不仅污染玻璃液造成许多缺陷.还会缩短熔窑使用寿命。
   
      窑炉内压力大小、稳定程度也对炉内温度、液面高低即液位有影响。笔者希望窑内压力在熔化部接近玻璃液面处最好是零压,并要求稳定。这样既没有冷空气吸入.也没有火焰从空口逸出。但零压是临界状态.较难控制.通常控制在微正压范嗣内。玻璃窑炉的投资昂贵.作为高温设备.在它服务期限内不能轻易地停工检修和进行更换改造⋯而玻璃熔化过程的复杂性、干扰因素众多、干扰来源不易确定、调整措施见效滞后.都使得玻璃窑炉的稳定运行极为困难。生产工厂的经济效益将在很大程度上取决于玻璃窑炉的生产状态。为此.玻璃窑炉要求功能齐全、性能可靠的控制系统来保证工艺参数的稳定。
   
      1窑炉自动控制系统
   
      窑炉控制系统必须保证窑炉的温度、压力、液位、燃烧系统的流量等热工参数的稳定.保证燃烧过程中的正常换向。在安全的前提下.控制系统对参数的控制精度是衡量整套系统的一个重要指标.目前有采用PLC控制系统和由单回路控制器冗余控制主要T艺参数。用小型PLC冗余控制换向过程:有使用DCS控制系统.用一台微型PLC冗余控制换向过程。随控制技术的发展,基于PLC的DCS系统目前在国内外都得到了广泛的应用.可编程控制器(PLC)与DCS控制系统的界限区别也越来越模糊。
   
      2温度控制系统
   
      温度控制系统包括熔化池温度控制、工作池温度控制、通道温度控制。因窑炉是一个较大的热T对象.各个地方的温度有很大的差异.无法全部进行测量.只能由工艺人员选择关键点的测量值进行加权平均作为温度过程值(PV),并把这个PV作为被控量改变燃料流量。以维持该平均值的稳定。因此它义包含了燃气控制和助燃空气控制。
   
      2.1熔化池温度控制原理
   
      温度设定值(SP)与温度过程值(PV)之间的偏差经控制器运算后.得出一个输出值作为燃气控制系统的设定值.同时乘以一个空燃比系数作为助燃空气的设定值,再经PID控制器运算后调整各自的流量控制阀。保证正常的燃烧状况.进而得到稳定的温度。这样就形成了温度和燃气的串级控制。在实际工作中.经常使用两种方式控制熔化池温度,一是自动控制天然气总流量,手动分配各小炉天然气流量的方式。图2所示为控制天然气总管流量控制熔化池温度的方块图。
   

横火焰玻璃窑炉控制系统探讨


    二是自动控制小炉天然气流量的方式。图3所示为控制Ⅳ个小炉天然气流量控制熔化池温度的方块图。
   

横火焰玻璃窑炉控制系统探讨


   
    图2、图3中,r为温度,Q。、Q。分别为天然气和助燃空气的流量,sp、pv分别为设定值和过程值。对于温度控制器,采用过PID算法、位式控制法和模糊控制算法.由于玻璃窑炉是一个大的热1二对象,具有热惯性大、滞后时间长和随机干扰多的特点.PID算法整定出合适的参数比较困难,基本上处于手动控制模式。
   
    位式控制模式思路是:根据温度过程值与温度设定值的偏差.规定在一定时间内分几次调整完一定量的燃气.结合操作人员的经验和季节变化来设定调整时间段、燃气每次调整量及总调整量,模糊控制算法是把操作经验总结为若干法则.依照人们模糊推理过程确定推理法则,根据实时采集并模糊化的信息。按确定的推理法则输}n控制指令。使用出料量、环境温度和控制温度偏差及其变化率4个变量,把这些精确值分段模糊化.确定控制集合.通过IF⋯THEN⋯找到对应的控制值输出到燃气调节阀。由于窑炉有上述特点.确定了一个5~15 rain的调节周期和一次5。20 NCMH调整量.在实际应用中加权温度控制在±l℃范围。
   
      2.2工作池温度控制原理
   
      工作池是熔化池和通道的连接部分.玻璃液在此进一步澄清、均化。大部分时间处于冷却过程。本部分压力一般只监测不进行控制.其稳定基本取决于燃气的流量稳定.参数的稳定对玻璃质量具有十分重要的意义。
   
      工作池温度也是一个测量温度的加权值。对于燃气管道上有输出信号的流量测量装置且没有安装比例阀的情况下。可以使用图2的控制模式.只是空燃比较大而已。
   
      对于燃气管道上安装有比例阀的情况下.一般采用分程控制模式。所谓分程控制模式是:当工作池温度PID控制回路的输出处于0~50%时.助燃空气流量调节阀的开度固定在适当开度如50%.天然气流量调节阀的开度处于自动控制状态。这样在过量空气状态下运行。从而对工作池进行冷却:当控制回路的输出为50%~100%时.天然气流量调节阀的开度固定在100%.同时逐渐打开助燃空气流量调节阀.随着助燃空气从50%。100%增加.比率调节器成比率地增加天然气流量.这样在正常的空燃比状态下运行.对工作池进行加热,如图4所示。
   

横火焰玻璃窑炉控制系统探讨


      2.3通道温度控制原理
   
      通道是一个用耐火材料砌筑的封闭的供料道.它具有分配和输送玻璃液的作用。在通道中,玻璃液通过准确的温度调节和进一步均化.达到成型的要求。这里的参数波动将导致玻璃不良上升,通道外的冷却风也可以对局部区域降温.但大部分调温依赖于燃烧系统.它所用的烧枪一般是无焰的,某区加权温度的控制经控制器调节助燃空气阀门.空气流过预调好的混合器时.就与一定比例的天然气混合,进入通道燃烧。如图5所示。
   

横火焰玻璃窑炉控制系统探讨


      由于助燃空气用量较大.当环境温差较大时对温度控制将产生非常明显的影响.为此我们利用余热从碹顶引来热空气.自动控制冷、热空气进入助燃风机的阀门开度.使得助燃风温度稳定在一定范围内。为窑炉温度控制创造了一定有利的条件。对于上述任何控制回路.根据需要可以随时实现定值控制,增加了控制系统的灵活性。
    3熔化池压力控制系统
   
      炉压控制系统一般由测压装置、控制器和调压机构组成。测压装置通常由窑炉后部两侧的胸墙上插入炉内取压.两个压力管道连接后从中间部位引一管到差压变送器高压侧.同样方法在炉内取压管附近取一窑炉外部气压信号送至变送器低压侧,得到的信号传送给PID控制器.PID输出去调节烟道上的调节阀的开度.利用简单的负反馈回路把窑炉的压力稳定控制在规定的范同内。
   
      为了保证窑炉的燃烧效率和温度稳定.熔化池压力采用微正压控制。熔化池天然气流量和助燃风流量大小和变化都将直接引起熔化池压力波动。因此熔化池压力控制采用了带有前馈的PID控制模式.即前馈PID算法会首先检测到天然气和助燃风流量的变化.从而提前调整压力挡板开度来实现熔化池压力稳定。在实际运行过程中,窑炉压力的控制精度达到±1.96 Pa。工作示意图见图6。
   

横火焰玻璃窑炉控制系统探讨


      虽然正常燃烧期间窑炉压力得到很好的控制.但在换向期间由于天然气流量突然降到零.系统平衡突然被打破.控制系统不能马上弥补天然气流量的损失.造成压力大幅波动,引起窑炉温度、玻璃液位也产生较大波动.影响产品质量的稳定。虽然不能消除这种压力波动.但可以采取一些措施.如适当增加换向期间助燃空气流量部分弥补天然气流量的消失.烟道上增加补气阀适时适量打开相对减小烟道的抽力和换向期间关小调压阀开度等措施.尽可能缩小压力波动范围。达到几乎不影响液位的程度。
   
      4液位控制衡
   
      液位控制系统一般由液位计、控制器、变频柜和加料机组成。目前较为先进的是使用激光液位计。安装于液面较为稳定的丁作池.其测量精度为±O.01mln。加料机采用的是螺旋式加料机.每台加料机对应一台变频器,正常情况液位控制在±0.15 mm。
   
      工作过程如下:液位计的测量信号传送到控制器.经控制器运算后的输出信号送到变频器.控制加料机螺旋杆的转速调节加料量的多少.玻璃原料在熔化池内经过充分的熔化、反应等复杂的过程才能通过流液洞进入工作池.整个过程需要时间长.玻璃液通过后续控制装置稳定出料量.故而玻璃液位控制系统具有大惯性、大滞后和无自平衡能力的特点。因此,平时维护好关键没备如液位计、加料机,并根据生产计划的变更调整控制器的参数.才能保持液位稳定。如图7所示。
   

横火焰玻璃窑炉控制系统探讨


      对于控制器,可以是高、低速两位式的控制方式,大多数使用PID控制器。如果要用较少的变频器驱动多台加料机.需要在变频器后手动调整加料机的加料比例。针对加料机使用台数多少问题.原则上根据加料机大小、加料位置宽窄等综合考虑.尽量使用多台加料机.这样在维修加料机时对液位控制的影响较小。
   
      液位控制能否达到T艺要求.在液位控制系统外主要集中到熔化池压力稳定上。因熔化池与工作池经流液洞相连形成一个连通器,压力波动将引起液面变化.在稳定压力上已经采取了多种措施。液位控制系统主要有液位计、加料机,对液位计,按其使用手册做好日常维护,保证正常稳定工作即可。加料机螺旋杆磨损最终影响加料能力。为此需定期检测螺旋杆的旋转情况就可确定加料机加料能力,并可发出加料停止报警;记录螺旋杆T作寿命.即同等混合料需要多少转可以加完,以判断螺旋杆磨损情况;在规定时间内没有螺旋杆旋转信号,即为加料停止。图8为某窑炉监控画面。
   
   

横火焰玻璃窑炉控制系统探讨


   
      5结语
   
      窑炉温度、流量、压力控制系统同时作用于一个对象.它们之间相互联系又相互影响。控制系统是窑炉生产的中枢神经.其可靠性将直接影响窑炉运行的安全性和稳定性。控制系统不但耍功能强大。还要便于操控,在设计控制系统时,要学习T艺知识。掌握工艺人员的需求.才能设计出高质量的系统。

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