玻璃熔窯熱工DCS控制系統(tǒng)及應(yīng)用

馮建業(yè)

（秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(jì)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(dòng)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(bào)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(dòng)操作器，以便系統(tǒng)手動(dòng)調(diào)試或緊急狀態(tài)下能手動(dòng)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(gè)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(shí)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(diǎn)，需要單獨(dú)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(shí)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(dòng)或自動(dòng)控制助燃風(fēng)和燃?xì)庥昧?，?shí)現(xiàn)窯爐溫度精確控制，保持窯爐工況穩(wěn)定。通過計(jì)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(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)方式

（1）恒定溫度控制

此種控制方式是保證控制點(diǎn)溫度的穩(wěn)定，通過主控點(diǎn)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(diǎn)在于相同時(shí)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(shí)，出現(xiàn)窯爐內(nèi)控制點(diǎn)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(shí)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(shí)計(jì)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(shí)現(xiàn)獨(dú)特的控制邏輯，同時(shí)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(shí)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(shí)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(huì)影響燃料的利用率，同時(shí)還會(huì)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(shí)時(shí)跟蹤檢測煙氣中氧含量變化，及時(shí)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(huì)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(shí)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(huì)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(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)還可以避免因窯壓波動(dòng)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(huì)造成不同程度的侵害，而上下波動(dòng)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(jì)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(dòng)加料機(jī)等。對于液面控制來說，液位是一個(gè)滯后對象，系統(tǒng)較難穩(wěn)定，投料后一段時(shí)間內(nèi)幾乎不反應(yīng)，過一段時(shí)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(jì)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(shí)，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(fèi)；也可避免因液面過高，玻璃液溢出等風(fēng)險(xiǎn)。

5 換向柔性控制

以空氣作為助燃介質(zhì)的窯爐具有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，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(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，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(shí)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(shí)氣體壓力的急劇變化造成危險(xiǎn)。

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(shí)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(shí)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(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)三種工作方式，其中手動(dòng)方式為控制室盤面操作，半自動(dòng)為控制室盤面按鈕觸發(fā)PLC自動(dòng)控制，自動(dòng)方式為定時(shí)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(shí)解鎖。

6 全氧窯爐控制特點(diǎn)

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(shí)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(dòng)和手動(dòng)的方式操作。系統(tǒng)內(nèi)包括安全互鎖裝置和自動(dòng)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(dòng)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(gè)分區(qū)天然氣流量定值自動(dòng)控制，并與天然氣-氧氣比值系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，實(shí)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(jì)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(diǎn)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(gè)測溫點(diǎn)。中小型全氧窯爐，一般在熔化部碹頂熱點(diǎn)部位設(shè)置2個(gè)熱電偶，一個(gè)閉孔，一個(gè)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(shí)時(shí)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(diǎn)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(shí)際溫度與工藝設(shè)定溫度之間的偏差自動(dòng)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(dòng)進(jìn)行比值控制。

（4）窯壓自動(dòng)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(dòng)。窯壓采用反饋調(diào)節(jié)控制，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)。由于全氧窯采用不換向?qū)问?，窯壓穩(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(jì)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(dòng)速度，來調(diào)節(jié)投料速度，以控制熔窯的液面?？刂埔好婢瓤蛇_(dá)≤±0.2 mm。

7 能源管理系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)可實(shí)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(shí)現(xiàn)能源質(zhì)量管理、運(yùn)行管理、動(dòng)態(tài)監(jiān)控管理等自動(dòng)化和無紙化，有效實(shí)施客觀的以數(shù)據(jù)為依據(jù)的能源消耗評價(jià)體系，減少能源管理的成本，提高能源管理的效率，及時(shí)了解真實(shí)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(shí)時(shí)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(jià)。

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(gè)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(jì)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(diǎn)：

（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。