1.202m隧道窑节能控制方案

202m隧道窑有72个车位，其中1～26#车位为预热带，27～47#车位为烧成带，40～72#车位为冷却带。

在预热带窑顶配有排烟口，通过排烟机将烧成带的高温烟气吸入到预热带，给台车加热，并通过调整排烟负压和窑顶出风口的开度，使预热区实现工艺温度梯度曲线，在预热带的2～72#车位隧道窑的两侧设置有测温点，在2、4、6、8、10#车位隧道窑的顶部设有测温点。4、14、23窑下设有测温点。测量排烟负压，预热带微负压控制。

在烧成带27～47#车位隧道窑的顶部设置测温点，两侧配有助燃风燃烧器， 41#车位测量窑下温度，检测助燃风的温度，燃气压力，助燃风压力，烧成带在微负压气氛下工作。

冷却带的62（63）、69（70）#车位隧道窑测窑顶温度，52、54、56、58车位测量隧道窑两侧温度。在紧邻烧成带的冷却区，配有抽热风机，一部分热量回送至烧成带两侧，为燃烧器配风所用，一部热风送至压型工段用于干燥砖坯用。在冷却带的中下段配有冷风机，用于产品的冷却。

在预热带、烧成带、冷却带均配有窑内压力检测；

在窑下配有鼓风机和抽风机，用于冷却台车轮子和建立隧道窑的压力平衡。

基于隧道窑的工艺特性和产品的预热、烧制、冷却曲线，隧道窑的节能控制应该从以下几个方面入手：

1) 加强隧道窑的密封，减少冷风的渗入量和向窑外热辐射量；

2) 提高燃料的燃烧效率，提高温度的控制精度；

3) 在保证隧道窑内温度、压力平衡的基础上，最大降低排烟温度；

4) 提高产品质量。

窑炉温度系统现有的控制方法主要是传统的PID控制。虽然这种方法在工作点附近的小范围内能够取得较好的控制效果，但在系统运行工况有较大波动时，由于纯滞后及参数变化的影响，控制效果明显变差，有较大的局限性。因此，人们一直在设法改进对这类系统的控制。对于大纯滞后系统的控制问题，自1957年史密斯提出预估补偿控制以来，出现了多种控制方法，但到目前尚未完全解决。本文在回顾了大滞后过程的各种控制方法及近年来的进展后，基于智能控制理论设计了玻璃窑炉的智能控制方案。

     隧道窑炉是一个时变的、非线性的、多变量耦合的复杂控制对象，其结构及其控制技术将极大的影响着产品的质量、生产的成本。故隧道窑炉温度系统是一个大惯性、大滞后并具有非线性特征的变参数系统,难以建立精确的数型,而且窑炉在运行过程中要受到多种扰动因素影响。炉内温度靠调节烧成带两侧烧嘴的喷油量来控制。每对烧嘴对应的窑顶装有热电偶，以检测该点的温度。某测点的温度同时还受其它烧嘴、窑内压力、坯件形状、湿度、燃油的温度以及外界气候环境等的影响，因此它具有大惯性、不确定性、强非线性、多变量耦合等特点。

对窑炉温度系统所进行的动态特性分析表明，一般情况下窑炉温度系统是一个大惯性、大滞后并具有非线性特征的变参数系统。而且窑炉在运行过程中还可能受到多种扰动因素如燃气压力、热值波动、助燃风的压力、温度波动、进料质量波动、窑炉的压力、燃烧气氛、保温性能变化、工作环境温度变化等的影响。

鉴于隧道窑炉的上述特性，现行的控制方法难以满足对窑炉温度控制的高性能要求。如单纯的PID控制对滞后较大的窑炉控制效果不好，难以适应对象参数的变化，且存在快速性与超调量之间的矛盾。

目前，国内外隧道窑的控制大都采用人工调节方式，或是采用分散控制器(PID)来调节，用工程方法整定控制器参数，但在实用中变量之间的耦合使得参数整定过于复杂运行环境发生变化时参数需要重新调整，效果不是很理想。

因为真正实现自动控制，并使之达到节能和提高产品质量的效果，一定要建立炉窑的数学模型，用多变量控制技术进行预估控制，建立实时数学模型并能够在线自我修正。隧道窑是耐火材料工业生产中比较先进的窑炉，为便于研究，将隧道窑分为窑体结构(主要包括窑墙、窑顶和刚架结构)、预热带结构(主要包括排烟系统)、烧成结构(主要包括燃烧系统)、冷却带结构(主要包括冷却系统)及其它结构(包括窑结构及车下冷却结构等)。窑体是由窑墙、窑顶和窑车衬砖等耐火材料砌成的一条长的隧道。隧道窑内铺设窑车行驶的钢轨，窑车上码放好待烧的砖坯。整个隧道窑沿窑车的行进方向分为预热、烧成、冷却三个带。

(1)隧道窑预热带的结构

隧道窑的前端预热区域，窑车上的砖坯首先在这里进行预热。预热带内窑墙上设有废气孔，窑墙内中空，置有排烟管道。废气孔的数量根据排出的烟气量来设定，保证预热带烟气温度不能超出规定的温度。

  隧道窑烧成部结构

隧道窑的中间烧成区域，窑墙上安装多个高温烧嘴，窑车上的制品在这里进行充分的焙烧，烧嘴的数量多少主要根据烧成制品的种类以及制品所需的焙烧时间的多少来决定。

(2)隧道冷却部结构

隧道窑的末端冷却区域，烧好的制品在这里进行冷却。从冷却带鼓入大量的冷空气，这些冷空气在将制品冷却的同时本身被预热。被预热的空气一部分作为助燃的二次空气使用，另一部分作为一次空气，送到每一个烧嘴，供燃料燃烧使用，或送至其他的地方作干燥制品的热源。

  为避免热量损失，隧道窑前端设置两个窑门即外窑门和内窑门。两窑门利用卷扬传动机构，借助于终点开关和相应的电气设备进行控制，外窑门每次开启时进料，内窑门每次开启时出料。燃烧设备包括燃烧室和烧嘴，燃料(重油或天然气)在这些燃烧设备中燃烧，燃烧产物进入隧道，将热能传递给制品。通风设备包括排烟系统，气幕和气体的循环装置以及冷却系统。它们是由排烟机，烟囱，鼓风机及各种烟道、管道组成的。其作用是使窑内气体按一定的方向流动，排出烟气，供给空气，抽出热空气等，并维持窑内一定的温度、气氛和压力。

2. 隧道窑的工作原理 

隧道窑与轮窑的工作原理基本相同。它是借助原料和燃料的热量，对制品及半成品进行干燥、预热、烧成、保温、冷却。总体可以分为预热带、烧成带、冷却三部分。这里的预热带主要对坯体预热、干燥、脱水，使它安全地进入高温烧成带；烧成带是对高温坯体继续加热，使它在高温区熔融、结晶、固化，完成它的物理化学反应过程；冷却带保证制品的冷却而不炸裂。通过以上各带的有机配合，要抽取一定的高温烟热和冷却热，供给干燥窑干燥砖坯，从而组成高效而有机联系的燃烧系统。这样 我们就可以根据不同的原料、制品制定出不同的烧成曲线，以达到优质、高产、低消耗的目的。隧道窑工作系统时，应根据不同原料、不同制品，制定出不同的干燥烧成制度（包括温控制度、气氛制度和压力制度）。如果以图表方式来表达，我们称作为烧成曲线随着窑操作控制包括温度、气氛和压力控制三部分。其中压力制度是温度控制和气氛制度的保证。

2.1各带温度的控制

根据制品的原料性质、制品的形状和大小以及入窑水分等工艺要求，制定一条合理的烧成温度曲线，焙烧时就按照这条曲线来保证一定的升温、保温和冷却制度。隧道窑大致分为预热带、烧成带和冷却带三个部分。下面分别简述各带的温度控制。

2.1.1预热带的温度控制

预热带是指制品入窑到第一燃烧室止，一般为十几个车位。温度控制是指按升温曲线均匀加热，一般在窑顶板上都安装有热电偶来监控温度。如果窑头温度过高，易使入窑水分高的制品炸裂，入窑水分低于0.5%，则窑头温度可高一些。如果是石英昌型转变温度，有体积变化，应保持温度稳定。所以，不但要控制窑顶温度，还要控制窑车台面温度，使上下温差减少。预热带的温度控制手段主要是通过调节风闸和排烟风机的变频器来控制气体流量。风闸开启大，则预热带负压大，易漏入冷空气，加剧气体分层，增大了上下温差，风闸开启小，则抽力不足，烟气量小，升温慢。高档焙烧窑采用变频柜来控制制品的升温。风闸调好后锁定，如果预热带未端风闸开启大，则大量烟气过早排出，热利用率低，窑头温度低，制品升温慢。如预热带风闸不开，则大量烟气涌向窑头，致使窑头温度过高，不利于制品预热。窑头的风闸也不能开启过大，以免该处负压大，从窑门涌入大量冷空气。

总之，要保证制品在一定的温度下预热，并保证上下温差小，窑车接头处必须严密不漏气，砂封板接头要靠紧，砂封板要埋入砂中4。另外，合理的码歪也能减少制品上下温差，根据内燃和外燃的不同情况，坯体要合理码放，坯垛与窑墙间距不能太大，内部要有足够和畅通的气体通道，增加气流阻力，减少上部和周边气流，使气流在坯垛中分布均匀，达到上下内外温度均匀。

2.1.2烧成带的温度控制

烧成带的温度控制是指要控制实际燃烧温度和高烧成温度。一般火焰温度应高于制品烧成温度，火焰温度的控制通过调节单位时间内燃料消耗量和空气的配比来实现，单位时间内燃料的燃烧的彻底而空气量又恰当，则火焰温度高。对内燃制品要根据制品的热值来控制燃料和需氧量。最高温度点的控制是很重要的，一般控制在烧成带的后2个车位。最高温度点前移使保温时间太长，易使制品过烧变形；而后移则保温不足，形成欠火砖。

2.1.3冷却带的温度控制

制品在烧成后进入冷却阶段，窑尾直接鼓入冷风，进行冷却，自为缓冷阶段，靠分布在该段的风机将热风抽出，使制品由冷却至左右出窑。制品在以前可以急冷，应根据制品性质、装车情况和推车速度来决定高温急冷风的位置和风量。

2.2烧成带的气氛控制

烧成带的气氛可分为氧化和还原两种气氛。氧化气氛容易控制，控制空气过剩系数大于1，但不要过大，以节约燃料，提高温度。在氧化过程中要有充分的空气烧尽残余CO，还要维持一定的温度（自）。气氛的控制和温度的控制密切相关，例如：在氧化气氛时，由于原来空气过多，如果维持原料不变而减少过多空气，则火焰温度提高；当减少空气至空气过剩系数接近1时，此时温度最高。如果空气不足，则温度又降低而进入不完全燃烧的还原气氛。相反，还原气氛时，由于空气不足，则温度降低而进入不完全燃烧的的状态，如果维持燃料不变而增加空气时，由于燃烧更趋完全，火焰温度升高，继续增加空气至理论需要量时，燃烧温度最高，如再增加空气，则温度降低而变为完全燃烧而又有过多空气的氧化气氛，所以从温度的变化也可以判断气氛的变化。

2.3各带的压力控制

压力制度是为了保证温度制度和气氛制度的实现。窑内最重要的是控制烧成带两端的压力稳定。如果窑内负压过大，漏入的冷空气过多，一方面降低了窑内温度，气体分层严重，上下温差大；另一方面，烧成带难以维持焙烧气氛。如果窑内正压过大，则大量热气向外界冒出，损失热量，恶化劳动条件，热串入窑下还会烧毁窑车，造成事故。理想的操作是维持零压。但全窑维持零压是不可能办到的，只能在烧成带维持零压和微正压。因为预热带要抽走烟气，心然处于负压，而冷却带要鼓入冷空气冷却制品，必然处于正压，由正压到负压要经过零压，由冷却带到预热带要经过烧成带，所以烧成带处于零压附近操作，控制零压面很重要，一般控制在预热带和烧成带的交界面附近，使烧成带处于微正压，因为烧成带会漏入冷空气，尤其是预热带负压大，漏入冷风多，上下温差大。

冷却带鼓入的冷风必须和抽出的热风相平衡，这样才不致有冷风流入烧成带，使烧成带能控制最高烧成温度和焙烧气氛，如果需急冷，制品在之前可急冷，在窑上或窑侧吹入冷风，形成气幕。如果急冷处正压过大，大大超过烧成带末处的正压，说明急冷鼓入的冷风过多而末抽走，大量低温空气进入烧成带，可能引起保温不足，如果急冷处于正压不足而呈现负压，由于热风抽出过多，则烧成带有烟气倒流至保温带、冷却带，使制品熏烟而成废品，所以急冷气幕难于控制。

除了控制窑内的压力制度外，还要控制车下的压力，最好维持与窑内压力接近平衡，冷却带车下维持正压、预热带车下维持负压，烧成带在零压附近，这样预热带没有冷空气漏入窑内，冷却带也无热风冒向坑道，如果控制有困难，则宁愿预热带及烧成带车下压力小于窑内压力，避免漏进大量冷风，增大窑内上下温差。冷却带车下坑道压力应大于窑内的压力，避免烧坏窑车。

本次节能及提高产品合格率的方案：仅对烧成段进行检测控制，建立相应的数学模型，预热段和冷却段及附属系统设备暂不进入系统控制，但系统硬件预留了该部分进入系统的扩展接口，本次改造后取得一定效果后，再进一步该部分纳入控制系统，只需增加扩展机架和I/O模块温度变送器、信号隔离器、继电器、电缆等即可。

3.系统配置：

采用上位机和下位机PLC两级控制

上位机采用研华工控机，主要进行数学模型的建立、控制算法结果的输出、过程工艺参数画面的显示、报警、记录，焙烧曲线的制定、压力值的设定。

下位机采用西门子S7-300系列PLC，主要进行各种过程工艺参数和设备状态的采集、安全连锁及控制输出。