实时控制玻璃窑炉燃气供给量的方法、系统与流程

本发明涉及玻璃熔窑
技术领域：
，特别涉及实时控制玻璃熔窑炉燃气供给量的方法、系统。
背景技术：
：玻璃行业是一个高能耗行业，其中玻璃熔窑的能耗占玻璃工业的80％以上，而燃料成本则占到玻璃成本的35％～50％。玻璃产品多采用浮法玻璃熔窑制备，如专利申请201710375067.7公开的浮法玻璃熔窑等。但是，我国大部分的浮法玻璃生产线其产生单位质量的玻璃液的能耗为6500kj/kg～7500kj/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5800kj/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，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。技术实现要素：本发明旨在解决现有技术的问题在于：提供一种在熔窑空间温度出现波动时，及时准确的对燃料进行调整的实时控制玻璃熔窑炉燃气供给量的方法、系统。本发明通过以下技术手段去解决上述技术问题：一种实时控制玻璃熔窑炉燃气供给量的方法，包括以下步骤：s1、获取当前时刻的玻璃熔窑内空间温度tact；s2、将所述tact输入至dcs燃烧系统的燃气供给量模型中，输出得到当前时刻的vgas；所述燃气供给量模型为：其中，η表示玻璃熔窑的高温系数，本发明取值为0.7，当然也可以是0.7-0.75中的任意值，误差影响不大。b表示氧气与燃气的体积比，在生产中通常称为燃烧比，是根据各个厂的生产人员认为设定的，可以“以风定气即固定空气量测试燃气量”，也可以“以气定风即固定燃气量测试空气量”，本发明采用“以风定气”的方式；此比例在dcs中是开放给操作人员的，可以人工设定；换算成空气与燃气的体积比为vgas表示当前时刻的燃气供给量，voxy表示实际氧气输入至玻璃熔窑的流量；vair表示实际空气输入至玻璃熔窑的流量；s3、数控中心根据当前时刻的vgas，发出指令至玻璃熔窑其进燃气管处的调节阀，调节所述调节阀的开度。优选地，当前时刻的vgas传输给pid控制系统，通过pid调节回路计算出所需要的调节阀开度，并以4-20ma信号的形式送至调节阀。优选地，所述s1中的tact为玻璃熔窑其碹顶居中位置的测温位测得的温度。优选地，在所述玻璃熔窑其碹顶居中位置开设通孔，将温度传感器安装在所述通孔处，所述温度传感器测得的温度即为tact。碹顶居中指的是熔化部碹顶中间位置的热电偶(温度传感器)，常规模式中，碹顶热偶均为盲孔安装方式，通过测量碹顶温度，简介控制空间温度，这种测温方式由于隔着碹顶砖，并不是实际意义上实时空间温度，不利于本系统控制熔窑空间温度。而通孔测量方式，可以实时的测量熔窑的空间温度，更直接。优选地，所述s2的燃气供给量模型通过以下步骤建立：s21、建立反应物燃气燃烧反应化学方程式：ch4+b(o2+3.76n2)＝co2+2h2o+(b-2)o2+3.76bn2根据过剩空气系数得到s22、由于玻璃熔窑体积固定，计算其定容绝热燃烧温度，由能量守恒得：hreac-hprod-ru(nreactinit-nprodtad)＝0；(2)其中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，nreac和nprod分别为反应物和产物的摩尔数，ru为普适气体常数8.314kj/kmol·k，将上式展开得：ru(nreactinit-nprodtad)＝8.314[(4.76b+1)tinit-(5.76b-1)tad](5)其中，为物质i的标准生成焓，不随温度变化；cp,i(t)为物质i在t温度下的定压比热容，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；则取初始温度为室温tinit＝298k，初始温度取标态室温，且此温度也用于燃料流量系统计量的稳压补偿公式当中；tad为最终温度，设定为2100k，即本发明的tad是以2100k来计算的，这里的取值不是唯一的，是根据每座窑炉的设定的期望生产温度来改变。玻璃在璃生产线中，熔窑温度需达到650℃-750℃时，dcs控制系统才开始正式使用，而实际生产工况温度约为1500℃，本发明平均温度t视为本系统所需的最低温度。则取t＝1200k时的热容来计算；s23、通过公式(5)，得到窑炉使用初期是由专门的人员进行烤窑的，所有的仪器仪表并未投入使用，当温度达到一定值后，才使用厂区燃烧系统管道，而烤窑过程是经验使能，并不准确计量；因此，本发明不考虑预热过程。优选地，所述玻璃熔窑包括连续式玻璃窑、坩埚窑、间隙式作业窑、隧道窑、竖窑、旋窑中的一种。优选地，所述温度传感器的型号为热偶te-207。本发明还公开一种实时控制玻璃熔窑燃气供给量的系统，包括玻璃熔窑、温度传感器、数控中心、调节阀、进燃气管、进风管；所述温度传感器设置在所述玻璃熔窑中，用以测得当前时刻的玻璃熔窑空间温度tact；所述tact输入至所述数控中心的燃气供给量模型中，能输出得到当前时刻的vgas；所述燃气供给量模型为：其中，η表示玻璃熔窑的高温系数，b表示氧气与燃气的体积比，换算成空气与燃气的体积比为vgas表示当前时刻的燃气供给量，voxy表示实际氧气输入至玻璃熔窑的流量；vair表示实际空气输入至玻璃熔窑的流量；所述数控中心根据当前时刻的vgas，发出指令至与所述玻璃熔窑的进燃气口连通的所述进燃气管处的所述调节阀，调节所述调节阀的开度；所述进风管与所述玻璃熔窑的进风口连通，用于为所述玻璃熔窑输入空气。优选地，所述燃气供给量模型通过以下步骤建立：s21、建立反应物燃气燃烧反应化学方程式：ch4+b(o2+3.76n2)＝co2+2h2o+(b-2)o2+3.76bn2根据过剩空气系数得到s22、由于玻璃熔窑体积固定，计算其定容绝热燃烧温度，由能量守恒得：hreac-hprod-ru(nreactinit-nprodtad)＝0；(2)其中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，nreac和nprod分别为反应物和产物的摩尔数，ru为普适气体常数8.314kj/kmol·k，将上式展开得：ru(nreactinit-nprodtad)＝8.314[(4.76b+1)tinit-(5.76b-1)tad](5)其中，为物质i的标准生成焓，不随温度变化；cp,i(t)为物质i在t温度下的定压比热容，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；设定不考虑预热过程，则取初始温度为室温tinit＝298k，tad为最终温度，设定为2100k，则取t＝1200k时的热容来计算；s23、通过公式(5)，得到优选地，所述tact为玻璃熔窑其碹顶居中位置的测温位测得的温度。优选地，在所述玻璃熔窑其碹顶居中位置开设通孔，将温度传感器安装在所述通孔处，所述温度传感器测得的温度即为tact。本发明通过在对熔窑空间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，设定温度是指生产人员写入dcs系统中的熔窑温度期望值，实际温度是指通孔插入的热电偶实际测得的熔窑内空间温度，被调量是指燃料用量的增减，体现在系统中是燃料管道调节阀的开关百分比。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。进一步，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。由于换向期间窑内没有烧火，温度会有所下降，待换向结束以后，各管道重新开始共计燃料，温度会上升，而这里温度回升需要时间，在控制系统不暂停的情况下，管道阀位会因为测量温度低于设定温度而开大，且必然大于正常燃烧情况下的阀位，故会出现超调，浪费燃料。而本发明能够对换火期间燃料量恢复的时间进行预估，对温度控制系统实施一定时间的暂停，等到温度基本上恢复之后在开启温度调节；即根据本方案控制燃料供给量，根据温度设定值，带入模型，自动给出需要达到此温度所需要的燃料量，即燃料管道阀位开度。这样一来能够极大的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，本发明具有以下优点：根据陕西神木瑞诚玻璃熔窑的实际生产经验，使得生产线能够节省避免了燃料阀门的超调，起到了节能的作用，每天节约煤气约1900m3。由于对熔窑空间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空间温度，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。传动换向控制程序，恢复窑内工况约3至五分钟左右，而本系统可在一分钟之内恢复窑内稳定工况，如窑压，液面，风系统，燃料系统等。附图说明图1为实施例2中温度变化随燃气变化曲线图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。需要说明的是，在本文中，若存在第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。实施例1本实施例以天然气作燃料的熔窑为例，天然气成分数据如下所示。表1天然气成分数据考虑到天然气主要成分为ch4，为了简化计算，天然气中只是考虑ch4，则可以列出燃烧反应化学方程式如下。ch4+b(o2+3.76n2)＝co2+2h2o+(b-2)o2+3.76bn2(1)其中b表示氧气与燃气的体积比，换算成空气与燃气的体积比为换算成过剩空气系数则为由于熔窑体积固定，我们应当计算其定容绝热燃烧温度，由能量守恒得：hreac-hprod-ru(nreactinit-nprodtad)＝0(2)其中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，nreac和nprod分别为反应物和产物的摩尔数，ru为普适气体常数8.314kj/kmol·k，将上式展开得：ru(nreactinit-nprodtad)＝8.314[(4.76b+1)tinit-(5.76b-1)tad](5)这里为物质i的标准生成焓，不随温度变化，可查表2得到。cp,i(t)为物质i在t温度下的定压比热容，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。设定不考虑预热过程，则取初始温度为室温tinit＝298k，tad为最终温度，我们设定为2100k，则取t＝1200k时的热容来计算。表2相关物质的热力学数据如下：将表中数据带入上面公式(5)计算得到式(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，并且燃烧也经常不完全，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)由表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窑炉名称高温系数连续式玻璃窑0.70～0.75坩埚窑0.60～0.70间隙式作业窑0.65～0.70隧道窑0.77～0.82竖窑0.55～0.65旋窑0.68～0.75目前的大型玻璃熔窑都属于连续式的，本实施例以连续性玻璃窑计算实际燃烧温度时的高温系数按0.7取，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，可以得到燃烧温度如下表。表4不同空气/燃气体积比情况下的燃烧温度表实施例2玻璃生产线中，大多采用四川川仪热电偶对熔窑空间温度进行采集和测量，采用a+k流量计采集流量信号，其窑炉所使用的测量仪器仪表如下：热偶名称型号单位数量熔化部碹顶te-207wrb-0316-pm-1000r850-za1fhz01支1品名型号单位数量fe-110akhfd012p231216mambn,dn300套1倘若在燃烧稳定的情况下增加或者减少燃气量，先由算出新的空气/燃气体积比，再由算出氧气/燃气体积比，最后再代入公式(7)中即可计算出实际燃烧温度的变化。在熔窑稳定燃烧的情况下，增加或者减少燃气量，熔窑空间温度的变化可由如下方法计算。通常玻璃生产线中，风气比为(助燃风/燃气体积比)11:1，本实施例以风气比为(助燃风/燃气体积比)11:1为例，熔窑燃气量fe-110调至580nm3/h，助燃风即为空气(1)由式(7)计算出此时的燃烧温度此时熔窑对应的通孔热偶te-207测量温度为1596℃(2)当手动增加10nm3/h的燃气，则新的风气比为：由式(7)计算出此时的燃烧温度此时熔窑对应的通孔热偶te-207测量温度为1624℃(3)当手动减少10nm3/h的燃气，则新的风气比为：由式(7)计算出此时的燃烧温度此时熔窑对应的通孔热偶te-207测量温度为1566℃。如图1所示，根据以上数据采集统计可知，在熔窑空间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＝ax+b，计算出当前温度设定值所需燃料量，其中y为当前测定温度值，x为所需燃料偏差值(即升高或降低温度值所对应需要升高或降低的燃料值)，a与b可根据不同熔窑生产参数统计获得。此模型的物理意义是根据设定温度直接转化为燃料使用量，故y为设定温度，有了y之后，可求得x，即可带入pid回路控制阀位开度。本实施例中a＝1.75，b＝233。本发明拟合的二元一次函数模型其r值能高达0.75-0.83。需要说明的是，在本文中，若若存在第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。当前第1页12