马蹄焰玻璃窑炉系统关键技术研究

发布时间：2016-10-22 06:29

1 绪论

随着全球人口数量的持续增长，截止到 2015 年 7 月 11 日（世界人口日）全世界人口已超过 73 亿。这个阶段充满着喜悦和忧虑，成就感到来的同时也夹杂着危机感。世界创纪录的人口规模是“挑战，是机会，也是行动的召唤”，重视现在采取的行动将决定我们是拥有健康、可持续和繁荣的未来，还是拥有以不平等，环境恶化和经济衰退为特点的未来。地球上每一位公民的生存都与这些现实问题紧密关联，人类整体命运的去向也将受问题的解决方式所牵制。因此，能源的有效利用与环境协调问题将是制约人类社会发展的重要因素。塑料制品以轻巧、便携给人类的生活带来了较大的方便，但因污染严重、回收率低，被成为“白色污染”。从上世纪 50 年代到 2011 年，塑料制品的产量由 150 万吨增加到了 2.8亿吨[1]。经环境分解后的微型塑料[2-9](直径一般小于 5mm)，正在污染着海洋生命。更糟糕的是，食物链中的塑料垃圾会影响海洋生态系统的发展和人类的健康[10,11]。另外，《评估塑料的价值》和《联合国环境规划署 2014 年年鉴》指出，每年因海洋塑料所造成的海洋经济损失多达 130 亿美元[12]。因此，选用经济环保的生活包装用品来替代塑料制品势在必行。玻璃制品（图 1-1、图 1-2）作为生活中的必需品，因其看着明亮，擦洗方便，不易腐蚀，而备受人类喜爱。同时，玻璃制品可 100%回收，回收产品既可用于原种类产品的加工，也可经加工转型被重复利用。这不但降低了原料的开采量，节约了能源，同时也降低了玻璃原料熔化过程中所排放的有害气体。

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2 马蹄焰玻璃窑炉的结构及工作原理

2.1 马蹄焰玻璃窑炉整体结构设计

玻璃窑炉作为玻璃工厂的“心脏”，，对玻璃企业经济效益的影响较大。玻璃池窑的类型较多，根据炉内火焰的流动方向可分为横火焰池窑、纵火焰池窑、马蹄焰池窑和联合火焰池窑。根据炉内产生废气的去向可分为换热式和蓄热式两种池窑。在玻璃窑炉中，马蹄焰玻璃窑炉是较为常用的一种中小型窑炉，马蹄焰池窑具有一对蓄热室，在窑炉一端设有两个燃料喷射口，用于交替喷射火焰，火焰在炉内纵向喷射到一定长度时会折转返回，火焰走向形似马蹄状（∩），这就是马蹄焰池窑的由来。马蹄焰窑炉中一个火焰口的喷枪工作时，另一只喷枪休息，同时燃料燃烧所产生的热废气会加热闲置喷枪端的蓄热室，以备换喷枪工作时加热助燃空气。因此，此炉型在节约燃料的同时也提高了窑炉的工作效率。

2.2 池窑中不同温区的反应形式

由玻璃形成阶段知，玻璃初步形成后含有较多的气泡。为去除玻璃中留下的气泡，需进行澄清阶段。随着温度的继续升高，所形成的玻璃液的粘度会降低，进而会有一部分气泡溢出，当温度处于 1400℃~1500℃时，普通玻璃的粘度可以达到 10 帕.秒，澄清过程结束，玻璃体内的气泡数量达到允许范围。由玻璃形成阶段知，玻璃初步形成后含有较多的条纹。为去除玻璃中留下的条纹，需进行均化阶段。所形成的玻璃液一段时间内处于高温状态下，化学成分在扩散作用下逐步分散均匀，最终成为均一体，条纹也逐步达到所允许的范围.

3 窑炉温度数学模型的辨识与分析........32

3.1 前言..............................32
3.2 窑炉系统耦合分析...............32
3.3 不变性原理解耦算法................34
3.4 窑炉温度系统模型辨识..........................36
4 窑炉温度系统控制方法研究.........68
4.1 引言.............................68
4.2 窑炉温度控制系统的参数整定............68
4.3 改进 PID 控制算法........83
5 窑炉配料控制系统的设计......113
5.1 引言...................113
5.2 配料系统控制方法研究.......................113
5.3 配料工艺流程..................117
5.4 配料控制系统组成.................118
5.5 PLC 控制系统的设计...............119
5.6 给料系统的设计...................121
5.7 称重系统的设计...........122

7 窑炉配料混合均匀度非线性函数极值寻优

7.1 引言

在传统的无机玻璃的生产和研制过程中，为了得到新的玻璃产品，以改进性能降低成本，需对玻璃配方进行试验改良。配方改良过程中需验证不同配方组合下的玻璃的物化性能指标，通过多次试验逐步逼近所需性能。但是当指标接近所需性能时，想进行进一步的优化是很困难的。另外，在传统的配方设计过程中，不良的配方组合也会造成原料的浪费以及设计周期的拖延。神经网络的发展[177,178]为图像处理、模式识别、语言识别、工业预测提供了便利工具。通过神经网络可以搭建多输入多输出系统参数的函数关系，并通过对网络的训练可以达到预测系统未来性能的目的。遗传算法是由 John H. Holland 提出的一种全局搜索算法. 1962 年，Holland 就提出了遗传算法的基本思想，并对该算法的有效性进行了证明。通过神经网络建立各配方原料、外界温度、湿度条件和配料混合均匀度间的模型函数，进而对混合均匀度进行预测，可以减少工作量，缩短试验周期。利用遗传算法优化各原料与外界条件间的比值，然后通过全局搜索方法得出优化配料混合均匀度。以常用的翠绿色啤酒瓶配方为例，通过MATLAB 软件进行仿真分析得出，优化与预测的综合方法对于提高配料混合均匀度具有一定的实用价值。

7.2 非线性函数结构

BP 神经网络的结构层数一般具有三层或三层以上，同一层中各神经元不相互连接并且无反馈。网络中的信号向前传递过程中，输入信号经输入层转移函数计算输出至隐含层，经隐含层转移函数计算输送到输出层。当输出值与期望值间存在差值时，误差则进行反向传递。误差反向传递过程中，首先修正输出层与隐含层间的连接权值及输出层的阈值，然后修正隐含层与输入层间的连接权值和隐含层的阈值。如此反复进行，网络预测值会逐步逼近期望输出值。误差反向传播神经网络的常规形式如图 7-1 所示。
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8 总结与展望

8.1 总结

本课题是基于兰州市黄河啤酒玻璃窑炉厂和安丘市安泰玻璃厂具体实施项目所作的研究。为便于全文工作的开展，首先介绍了马蹄焰玻璃池窑的结构和工作原理，在此基础上研究了蓄热室气流场和温度场的三维数学模型。同时根据窑炉燃料流量与窑内温度间的关系，对窑炉温度模型进行了辨识和研究，窑炉模型辨识出以后，为提高窑炉运行的效率和稳定性，针对窑炉控制器进行了参数调节方法的研究。针对当前窑炉配料车间环境差，车间工人易患职业病问题，本文设计了基于增量法的全自动配料控制系统，并采用进化神经网络对配料混合均匀度进行预测，同时采用遗传算法神经网络非线性函数极值寻优方法来提高配料混合均匀度。

8.2 展望

本文对蓄热式马蹄焰玻璃窑炉进行了理论分析和仿真研究，取得了一定的进展，仍有不足之处有待进一步完善。(1) 在神经网络遗传算法非线性函数极值寻优方法中，优化方案所选择的是在线开环指导方式，并不是闭环方式，这主要是由窑炉厂的燃料、设备等状况所决定的。进一步完善优化方法，提高配料混合均匀度是下一步需要做的工作。(2) 在对窑炉模型进行辨识以前，通过不变性原理解耦算法对温度、压力耦合系统进行解耦，解耦后分别得到了温度、压力两个单变量系统，由于时间限制未能研究耦合控制系统的具体形式，在后期的研究过程中将对耦合控制系统进行深入研究。

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参考文献（略）

本文编号：148683