基于紅外技術的工業(yè)窯爐池壁冷卻風控制

沈潔

（中國洛陽浮法玻璃集團有限責任公司 浮法玻璃新技術國家重點實驗室 洛陽 471000）

0 引言

在玻璃生產(chǎn)中，由于沒有池壁外表面的溫度、池壁冷卻風的風量、風速、風壓、風溫以及熔窯池壁散熱量等數(shù)據(jù)作為依據(jù)，所以在池壁冷卻風的控制方面，操作人員大多根據(jù)經(jīng)驗調(diào)節(jié)冷卻風風量，在窯爐運行的不同階段，往往是把冷卻風量調(diào)到經(jīng)驗允許的最大開度，在生產(chǎn)穩(wěn)定的情況下不再對冷卻風量進行調(diào)節(jié)或者只進行微調(diào)。［1］這樣雖然能減緩池壁的侵蝕，但過多的冷卻風導致其他季節(jié)（尤其是冬季）冷卻強度高于夏季，增加了池壁的散熱量，從而增加了天然氣燃料的消耗以及電量的消耗，以至于不能達到節(jié)能的最佳效果。

針對以上情況，本文提出了一套池壁風機智能控制技術體系，基于紅外測溫技術及熱流密度檢測技術，使池壁冷卻風機真正實現(xiàn)變頻控制。通過監(jiān)控玻璃熔窯池壁溫度來合理地調(diào)節(jié)池壁風機的風量，在保證池壁冷卻風量滿足池壁耐材安全使用的狀況下，有效控制冷卻風帶走的熱損失，控制窯內(nèi)的熱平衡，維持熔窯工藝穩(wěn)定、熱工穩(wěn)定，進而達到節(jié)約用電和降低燃料消耗的目的。目前玻璃行業(yè)嚴格能效約束管理，從各個環(huán)節(jié)深入挖潛顯得尤為重要。

1 技術原理

以環(huán)境溫度較高（夏季）時的數(shù)據(jù)作為基礎數(shù)據(jù)，此時的吹風量作為池壁磚的最大吹風量。環(huán)境溫度升高時將引起外壁溫度升高，由于熔化工藝要求熔化溫度（內(nèi)壁溫度）的穩(wěn)定，所以使內(nèi)外壁的溫差變小，通過池壁散失的熱流量降低，熔窯內(nèi)部熱量增多，這時就可以減少窯爐燃料的供給量，使熔窯內(nèi)部的熱量穩(wěn)定，進而達到降低窯爐能耗的目的。隨著季節(jié)的變化，當環(huán)境溫度降低時，外壁溫度降低，內(nèi)外壁溫差變大，通過池壁散失的熱量較其它季節(jié)（尤其是夏季）增加，燃料消耗趨于增大的趨勢。此時，在保證池壁磚理想的侵蝕速度下，考慮降低池壁冷卻風機變頻器的頻率，減少池壁冷卻風機的風量，從而實現(xiàn)節(jié)約電能的目的。技術原理見圖1。

圖1 技術原理

2 建立池壁風機變頻控制技術體系

池壁風機變頻控制技術體系是以熔窯池壁（外池壁）為研究對象，根據(jù)熔窯池壁傳導熱和散熱的能量平衡原理，通過大量熱工計算和數(shù)據(jù)檢測，建立涵蓋了池壁內(nèi)外側(cè)溫度、冷卻風量、熱流密度等參數(shù)的池壁風機變頻耦合理論控制模型。具體實施過程中，需要通過紅外測溫技術采集熔窯池壁內(nèi)外壁液面線處溫度、風速儀和冷卻風機變頻器檢測和控制池壁冷卻風量、K型熱電偶測量環(huán)境溫度和冷卻風溫、檢測池壁磚的熱流密度，最終把各個數(shù)據(jù)匯總記錄建立數(shù)據(jù)庫。通過對環(huán)境溫度、池壁外溫度、池壁熱流密度等數(shù)據(jù)的跟蹤檢測，觀察各參數(shù)變化趨勢，及時調(diào)控池壁冷卻風機的頻率和支風管風閥開度，減緩池壁侵蝕的同時，有效控制池壁的散熱量，減少熱損失，達到節(jié)能增效的目的。

2.1 紅外測溫技術

分別對某座窯爐的投料池池壁、小爐池壁和澄清部池壁進行紅外圖像采集，圖2為小爐池壁；圖3為熔窯池壁液面線處對應的紅外溫度圖。

圖2 小爐池壁

圖3 熔窯池壁液面線處紅外溫度圖

2.2 池壁冷卻風檢測方法建立

池壁冷卻風風嘴通常距離池壁20～40 mm，該部位環(huán)境處于高溫惡劣狀態(tài)，同時，由于人所能夠站立的位置距離風嘴口長達2 m。在這樣特殊的環(huán)境狀況下，一方面檢測人員操作極不方便，另一方面是對儀器材料耐高溫的要求較高，造成了在生產(chǎn)中工藝操作人員對冷卻風相關數(shù)據(jù)狀態(tài)的獲取相當困難且誤差偏大。傳統(tǒng)的方法往往是憑借經(jīng)驗，在窯爐運行的不同時期，把冷卻風量直接調(diào)到經(jīng)驗允許的最大，導致在某些季節(jié)（尤其是冬季），由于過多的冷卻風增加了池壁的散熱量，從而增加了燃料的消耗以及電量的消耗。［2］本技術研究過程中，通過尋找、對比不同的檢測儀器后，對風速風量儀進行相應改造，最終實現(xiàn)了對池壁冷卻風風量、風壓、風速相關數(shù)據(jù)的準確檢測，建立了池壁冷卻風相關數(shù)據(jù)常態(tài)化的檢測方法。檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 池壁冷卻風檢測數(shù)據(jù)

該檢測方法建立后，通過定期檢測和數(shù)據(jù)對比，工藝操作人員充分了解了各支風管冷卻風狀態(tài)，在不同的環(huán)境溫度下，根據(jù)池壁外表面溫度的變化趨勢，及時調(diào)節(jié)池壁冷卻風頻率和支風閥開度，實現(xiàn)對池壁內(nèi)外壁溫度的把控，從而有效控制冷卻風帶走的熱損失，實現(xiàn)節(jié)能。

2.3 窯爐池壁熱流密度檢測

熱流密度是單位面積上物體傳熱多少的物理量，凡是有溫度差的地方，就會有傳熱現(xiàn)象的存在。熱流密度是衡量設備保溫性能好壞的重要數(shù)值。

熱流量計也可稱為熱流密度計，是用于測量熱流密度最可靠的測量儀器。熱流量計的工作原理：通過熱流量計的熱流密度與熱電勢成正比例的關系，在對熱流量計系數(shù)進行標定后，便可以用溫度熱流自動測試儀來檢測熱流量計的輸出熱電勢，從而測得熱流密度值。熱流量計測量法是利用溫差和熱流之間的相對應關系對被測對象進行測試，用熱流量計和熱電偶檢測被測對象的熱流密度和內(nèi)、外表面溫度，然后計算出被測對象的傳熱系數(shù)。［3］詳細的熱流量計工作原理框圖見圖4。

在工業(yè)節(jié)能中，熱流量計用來測量熱工設備的表面熱流，為減少能量損失改善保溫結(jié)構(gòu)和方法提供依據(jù)。在工業(yè)窯爐安全監(jiān)控方面，可以通過熱流量計測量熱流大小來進行示警和設備的調(diào)節(jié)。［4］

2.4 生產(chǎn)線池壁液面線區(qū)域數(shù)據(jù)庫的建立

通過對剛投產(chǎn)的某座窯爐小爐池壁區(qū)域的環(huán)境溫度、液面線處內(nèi)外壁溫度、風量、熱流密度等相關數(shù)據(jù)進行定時、定點采集，建立數(shù)據(jù)庫（表2）。對池壁冷卻風機頻率和風閥開度調(diào)整建立檔案（表3）。

表2 某測點小爐池壁區(qū)域相關數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫

表3 池壁冷卻風機頻率和風閥開度調(diào)整數(shù)據(jù)

續(xù)表2

3 生產(chǎn)線池壁風實際調(diào)整案例

某生產(chǎn)線在夏季某月開始引頭子并進入試生產(chǎn)，期間調(diào)試并優(yōu)化各種工藝參數(shù)，包括池壁冷卻風風機變頻大小以及總風閥和分支風閥的開度至生產(chǎn)穩(wěn)定狀態(tài)，隨后對池壁冷卻風機頻率和風閥開度進行密切跟蹤并進行了詳細記錄（表3）。

八個月之后，隨著天氣轉(zhuǎn)暖，環(huán)境溫度回升，為確保生產(chǎn)工況的穩(wěn)定及窯爐安全運行，窯爐工藝人員開始逐步調(diào)整冷卻風機風量。調(diào)整過程各項參數(shù)的變化見表4。

表4 風量調(diào)整前后的池壁外溫度

通過表4可以看到，當環(huán)境溫度是49.1℃時，熔窯外池壁液面線處溫度（為方便描述，取各小爐的平均溫度）為213 ℃左右。此時的冷卻風機的頻率是23 Hz，風閥開度是3孔。

隨著時間的推移，當環(huán)境溫度為78.5 ℃，此時的熔窯外池壁液面線處溫度升至237 ℃左右，為確保生產(chǎn)安全穩(wěn)定，生產(chǎn)技術人員進行了冷卻風機頻率和風閥開度的第一次調(diào)整，把冷卻風機頻率調(diào)至26 Hz，風閥開度是3孔，待工況狀態(tài)穩(wěn)定之后，隨后及時進行跟蹤檢測，環(huán)境溫度為64.6℃，熔窯外池壁液面線處溫度為218 ℃左右。

隨著環(huán)境溫度的持續(xù)升高（環(huán)境溫度升至76℃），為確保生產(chǎn)安全穩(wěn)定，生產(chǎn)技術人員再次調(diào)整冷卻風量（風機頻率升至28 Hz，風閥開度為4孔）。

從春季到夏季，生產(chǎn)技術人員對池壁冷卻風共調(diào)整四次，熔窯外池壁液面線處溫度從218 ℃下降至160 ℃左右。

通過調(diào)整，可以看到：隨著環(huán)境溫度的升高，熔窯池壁外液面線處的溫度隨之升高，這時為了保持工況的穩(wěn)定及窯爐安全運行，減緩熔窯池壁磚的侵蝕，為穩(wěn)定池壁液面線處的溫度波動而增大了冷卻風量。

4 實現(xiàn)節(jié)能的途徑

計算節(jié)能的原理方法見圖5。圖5中上半部分節(jié)能的原理是當環(huán)境溫度變化后，通過計算熔窯池壁的能量平衡確定冷卻風量的合理值，進而調(diào)節(jié)變頻器的頻率而改變冷卻風量，達到節(jié)能的效果。

5 結(jié)語

通過對熔窯池壁區(qū)域的環(huán)境溫度、液面線處的內(nèi)外壁溫度、冷卻風風量以及熱流密度的檢測，建立了熔窯池壁液面線處溫度、池壁風機變頻頻率、熱流密度和池壁液面線位置散熱量間的關聯(lián)控制方法，初步形成了池壁風機變頻耦合控制模型。根據(jù)保證池壁安全和工藝穩(wěn)定所確定的各種數(shù)據(jù)參數(shù)，對比不同環(huán)境溫度下池壁所需的合理冷卻強度，及時調(diào)控池壁冷卻風機的頻率和支風管風閥開度，有效控制冷卻風帶走的熱損失，進而達到節(jié)約用電和降低燃料消耗的目的。