玻璃熔窯熱工DCS控制系統及應用

馮建業

（秦皇島玻璃工業研究設計院有限公司 秦皇島 066004）

0 引言

隨著玻璃行業的不斷發展，玻璃產量和質量的提高，玻璃熔窯的節能環保越來越引起人們的關注。除了對熔窯結構、燃燒技術及裝備等進行技術改造外，玻璃熔窯熱工DCS控制系統改進可以使操作人員更靈活、簡單精確地控制生產工藝參數，從而實現窯爐熱工制度的穩定，更重要的是可以通過改進控制來實現降低窯爐能耗及減少污染物排放的目的。

1 熔窯DCS控制系統的組成和主要控制參數

為了對生產過程進行先進控制和科學管理，通常采用計算機控制系統（DCS）對熔窯熱工參數進行采集檢測、數據處理和自動控制。DCS主要由工程師站、操作員站、過程控制器、I/O站、通訊網絡等部分組成。

窯爐的過程監測信號及狀態信號全部引入自控系統中完成監視、控制、報警功能。窯壓控制、助燃介質控制、天然氣流量控制備用手動操作器，以便系統手動調試或緊急狀態下能手動控制窯爐。

馬蹄焰熔窯控制系統一般采用PLC+上位機控制或者單純儀表人為操作控制。圖1為熔窯PLC+上位機自控系統控制界面。整個系統采用積木式結構， 可根據系統大小進行靈活擴展。主要控制算法在控制器中執行，由操作員站機完成生產參數的給定及變更，來實現集中操作。這種控制方式簡便靈活，集成度高，所有控制參數一目了然。是一種既經濟又高效的配置，目前在生產線上有較多應用。

圖1 窯爐生產線流程及PLC+上位機自控系統控制界面

老式熔窯儀表控制系統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，控制系統占用空間大。

2 熔窯溫度控制

熔窯的溫度控制是實現玻璃熔化及保證玻璃質量的關鍵控制因素。通常以大碹碹頂溫度為準，根據其溫度變化合理調整風燃比系數，手動或自動控制助燃風和燃氣用量，實現窯爐溫度精確控制，保持窯爐工況穩定。通過計算機對窯爐工況進行顯示、設定、控制、儲存等功能，便于出現事故時對比數據和查找問題。

2.1 溫度控制系統

溫度測量系統包括：碹頂熱電偶、池底熱電偶、觀察孔輻射計等。溫度控制系統關聯：燃料的流量控制、助燃介質的流量控制、燃料與助燃介質的配比控制等。

2.2 窯爐溫度控制的實現方式

（1）恒定溫度控制

此種控制方式是保證控制點溫度的穩定，通過主控點溫度的測量值與設定值比較，再通過燃料及助燃介質的控制器增加或減小燃料及助燃介質送入窯爐的流量。但燃料及助燃介質的流量并不穩定，容易出現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流量的穩定，優點在于相同時間內送入窯爐的能量恒定，但燃料質量的好壞控制系統無法做到有效補償，容易導致在燃料質量差時，出現窯爐內控制點溫度大幅度下降的情況。

（3）綜合控制方式

通過對PLC進行邏輯編程，可實現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，有效規避恒溫控制或恒流控制的缺陷，此時計算機對于熔窯的控制就變得必不可少。

2.3 溫度控制對熔窯節能減排的作用

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

表1為國內某條160 t/d的馬蹄焰窯爐煙氣成分實際檢測數據。

表1 不同助燃介質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，因此生產中需要穩定控制燃料及助燃介質的合理配比，燃料及助燃介質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備，實時跟蹤檢測煙氣中氧含量變化，及時調整助燃風風機運轉頻率，合理配置助燃空氣流量，優化空燃比，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，從而做到既節能又環保。

3 窯壓控制

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

較高的窯爐壓力會使熔窯內火焰從各觀察孔或縫隙處外溢，燒損外部耐火材料或鋼結構，同時也有可能對生產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入窯爐內，使熔窯內部溫度降低，增加能耗，影響熔窯內玻璃的熔化；同時由于過量的空氣引入必然導致尾氣中氮氧化物含量的增加，對周圍環境產生污染。

3.1 窯壓控制系統

壓力測量系統一般采用熔窯兩側的取壓管路配合微差壓變送器。壓力控制系統包括：煙道旋轉閘板、尾氣引風機等。

3.2 窯壓控制對節能減排的作用

對于窯壓的控制，PLC+上位機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，并對突發的窯壓變動起到良好的補償作用。

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為國內某160 t/d的馬蹄焰窯爐煙氣成份實際檢測數據。

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，通過運用PLC+上位機合適的控制窯爐內壓力，可有效減少窯壓過高導致的窯爐內能量外泄及減少窯壓過低導致的外部冷空氣進入窯爐而對窯爐的降溫，可有效保證窯爐持續穩定的熔化配合料，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定生產同樣關鍵。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行較為精準的控制。

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

生產中一般采用激光式液面計來檢測熔窯內玻璃液液位。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，冷的配合料進入窯爐，對窯爐的降溫，降溫后過多的燃料加入必然導致的燃料浪費；也可避免因液面過高，玻璃液溢出等風險。

5 換向柔性控制

以空氣作為助燃介質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，很多控制參數如溫度、窯壓等均會出現較大波動，在玻璃生產中應盡量避免，因此對于換向的控制提出了更高的要求。

眾所周知，燃氣燃燒換向的可靠性是確保生產安全的首要任務，在確保換向過程安全的前提下，特別對換向時燃氣的關斷、開通采取特殊柔性控制（緩關、緩開），避免天然氣關斷或開通時氣體壓力的急劇變化造成危險。

基于PLC+上位機對于換向的柔性控制則可有效避免上述問題。由于PLC+上位機可以根據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行補償，以保證窯爐生產的穩定。

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PLC自動控制，自動方式為定時PLC自控系統控制。

以燃料天然氣為例，天然氣換向的全過程為：

預備鈴→天然氣壓力、窯壓、助燃風、介質等過程控制量鎖定→當前火向天然氣緩關、開槍管冷卻氣→煙道廢氣換向→助燃風換向→關槍管冷卻氣、待上火向天然氣緩開→天然氣壓力、窯壓、助燃風、介質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的窯爐。不同于空氣助燃介質的窯爐，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定運行。但由于以純氧作為助燃介質，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可提供玻璃熔制過程中所需的熱能，燃燒系統是以氣動和手動的方式操作。系統內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，便于監視。圖2為天然氣全氧窯DCS電氣控制系統界面。

圖2 系統控制界面

天然氣全氧窯DCS電氣控制系統：

（1）燃料及氧氣總管流量控制

每個分區天然氣流量定值自動控制，并與天然氣-氧氣比值系統協調配合，實現合理燃燒。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，帶溫度和壓力補償，以提高流量檢測精度。流量積算便于考核窯爐燃燒質量，合理分配燃料，節能降耗，控制生產成本。

（2）溫度檢測

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

（3）火焰控制

以大碹碹頂前點溫度為準，采用串級比值控制方式：溫度→天然氣流量→氧氣流量，根據實際溫度與工藝設定溫度之間的偏差自動調節天然氣流量，氧氣流量根據天然氣流量的變化自動進行比值控制。

（4）窯壓自動控制

采用在兩側胸墻取壓方式，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。窯壓采用反饋調節控制，以改善系統的動態調節品質。由于全氧窯采用不換向對燒形式，窯壓穩定度高，因此，采用反饋調節可很好的保證窯壓穩定。

（5）玻璃液面

采用液面計來檢測熔窯玻璃液面，在窯頭儀表室設有一臺投料機變頻器，通過變頻調節投料電機的轉動速度，來調節投料速度，以控制熔窯的液面?？刂埔好婢瓤蛇_≤±0.2 mm。

7 能源管理系統

能源管理系統可實現在信息分析基礎上的能源監控和能源管理的流程優化再造，實現能源質量管理、運行管理、動態監控管理等自動化和無紙化，有效實施客觀的以數據為依據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能降耗的技術和管理措施，向能源管理要效益。

能源管理系統不僅可有效解決能源實時平衡管理和監控管理，還可以通過對大量歷史數據的歸檔和管理，為進一步對數據進行挖掘、分析、加工和處理創造條件。為企業的能源管理“對標”工作建立有效的數據依據，為企業節能減排做出客觀公正的效果評價。

能源管理系統的有效運行可持續、健康、有序地提升整個玻璃行業的能源管理水平，促進玻璃行業的可持續發展。

8 結語

窯爐熱工控制DCS控制系統已被廣泛用做節能、穩定質量及優化工藝的有效手段，熔窯計算機控制系統采用PLC+上位機方式具有以下顯著且優異的特點：

（1）節能降耗：應用PLC+上位機，對窯爐的各參數進行精準且持續的控制，避免了儀表及人為控制中的粗放管理，在生產過程中有效的節約燃料、電能等投入，也可以降低窯爐各污染物的排放量，從而降低后續尾氣處理中的投入。

（2）穩定生產質量：應用PLC+上位機，可保障窯爐內溫度、窯壓、液面等各關鍵參數的長期穩定，是生產優質玻璃制品的有效保障。