新型浮法节能控制系统在玻璃生产线中的应用

黄嗣熠,葛莹莹,刘 可

新型浮法节能控制系统在玻璃生产线中的应用

黄嗣熠,葛莹莹,刘 可

(中国建材国际工程集团有限公司,蚌埠 233010)

该文从自动控制及算法方面讨论了如何通过改进控制程序实现玻璃熔窑节能降耗的目标,结合在神木瑞城生产线调试及生产过程中的工作经验,介绍了改进控制程序的实施原理和具体办法以及实际应用中的效果。

玻璃; 节能; 控制算法

玻璃行业是一个高能耗行业,其中玻璃熔窑的能耗占玻璃行业能耗的80%以上,而燃料成本则占到玻璃成本的35%～50%。我国大部分的浮法玻璃生产线产生单位质量的玻璃液的能耗为6 500～7 500 kJ/kg,整个玻璃熔窑的热效率也仅为30%～40%。而国际上先进的浮法玻璃企业单位能耗只有5 800 kJ/kg,其熔窑热效率则达到45%～55%。可见我国浮法玻璃生产与国际先进水平还存在着一定的差距。

如何提高玻璃熔窑的热效率,减少单位玻璃液的能耗,进而降低玻璃生产的燃料成本,同时达到节能的目的,一直以来都是我国玻璃企业长期发展的目标。在控制过程方面,减小熔化过程温度的波动、保证温度曲线的稳定有助于节约燃料,达到节能的目的。目前,玻璃熔窑的温度控制多采用交叉限幅的方式,通过观察温度的变化来人工调节燃料量,进而调节玻璃熔窑温度。但是由于玻璃熔窑大惯性和纯滞后的特点,以及人工控制的延迟和不稳定性,导致在燃料量的调节上存在较大的波动。特别是在换火环节,容易出现过调现象,进而导致温度波动较大。经过探索,在交叉限幅的基础上,对温度控制进行了改进。通过监测温度变化,直接利用控制系统调节燃料量。这样既达到了节能目的,又减少了人工操作的波动影响,节约了人力成本,进一步实现玻璃生产的自动化控制。

1 燃料成分分析

以天然气作燃料的熔窑为例,天然气成分数据如表1所示。

考虑到天然气主要成分为CH4,为了简化计算,假定天然气只有CH4,则燃烧反应化学方程式如下

表1 天然气成分数据

由于熔窑体积固定,应当计算其定容绝热燃烧温度,由能量守恒得

式中,Hreac为反应物在初始温度Tinit下的焓,Hprod为生成物在最终温度Tad下的焓;Ru为普适气体常数(8.314 kJ·kmol-1·K-1);Nreac和Nprod分别为反应物和产物的摩尔数。

将式(2)展开得

这里h0f,i为物质的标准生成焓,不随温度变化,可查表得到。Cp,i(T)为物质的定压比热容,随温度变化,由于燃烧过程中温度是变化的,取平均温度T=(Tinit+Tad)/2时的热容来计算。假定不考虑预热过程,则取初始温度为室温Tinit=298 K,Tad为待求的燃烧温度。假定为温度为2 100 K,则取T=1 200 K时的热容进行计算。

相关物质的热力学数据,见表2。

表2 相关物质的热力学数据

代入式(5)计算得到

由式(6)计算出的燃烧温度只是理论燃烧温度,在实际的燃烧过程中总有一部分热量损失掉,并且燃烧也经常不充分。所以,实际的燃烧温度总是低于理论燃烧温度。各种窑炉可以达到的最高实际温度(即火焰温度),可从表3所列的各种窑炉高温系数η(又称为燃烧热效率)求得。

表3 各种窑炉的高温系数

目前的大型玻璃熔窑都属于连续式的,计算实际燃烧温度时的高温系数可取0.7,那么实际燃烧温度计算公式如下根据上面的结果,对于不同的过量空气系数或者空气/燃气体积比,可以得到燃烧温度,见表4。

表4 不同空气/燃气体积比情况下的燃烧温度表

2 算法及软件实施

在熔窑稳定燃烧的情况下,增加或者减少燃气量,熔窑温度的变化可由如下方法计算。以风气比(助燃风/燃气体积比)11∶1,燃气量580 Nm3/h为例。得出温度变化随燃气变化曲线,见图1。

根据以上计算可知,在熔窑温度达到某一预设值后,其温度变化与燃料用量为正比关系。根据所使用燃料主要成分,可利用二元一次函数模型Y=a X+b,计算出当前温度设定值所需燃料量,其中Y为当前温度偏差值,X为所需燃料偏差值。图2为具体实施的程序。

此方法可以在熔窑温度出现波动时,及时准确地对燃料进行调整,以确保熔化温度的迅速恢复和相对稳定。陕西神木瑞城玻璃有限公司应用此程序后,换火过程中的熔窑温度变化曲线,见图3。

3 结 语

传统的熔窑温度调节方式通过人为观察熔窑温度变化,根据操作人员的经验来调节燃料量,进而调节熔窑温度。而该文中提出的新型浮法节能控制系统在玻璃熔窑温度控制方面进行了一定的改进,对熔窑温度变化和燃料量的关系进行了准确的估计。将这种关系直接输入到控制系统中,并以熔窑实际温度和设定温度的差值为被调量,直接通过控制系统改变燃料量的设定值,从而调节熔窑的温度。这样就避免了由于人为操作所带来的不确定性和不稳定性。

另一方面,在换火期间,由于需要关闭一侧燃料进口,开启另一侧燃料进口,会使得熔窑内温度出现先下降后逐渐恢复稳定的过程。而传统的温度控制方式是实时进行调节的,一旦温度下降就会加大燃料量,因而就会造成在换火期间燃料量的过调,使得刚刚换火后的温度出现较大波动。而这种新型浮法节能控制系统能够对换火期间燃料量回复的时间进行预估,对温度控制系统实施一定时间的暂停,等到温度基本恢复之后再开启温度调节。这样一来能够极大地减少换火之后温度的波动,减少了由于过调而浪费的燃料。

综上所述,我们可以总结出该浮法节能控制系统具有以下优点:1)节能环保。根据某玻璃熔窑的实际生产经验,采用了新系统的生产线能够节省燃料,起到了节能的作用。2)节省人力成本,实现自动化生产。由于对熔窑温度变化和燃料量的关系进行了准确估计,通过控制系统直接调节熔窑温度,节省了进行燃料量调节的人力成本,实现了玻璃生产的进一步自动化。3)使用方便。该系统原理简单,易于操作,使用方便。

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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.

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