3 控制理論

電熔爐是一個(gè)三種不同物理場(chǎng)形成的綜合體（這里沒有計(jì)入窯爐的耐火材料結(jié)構(gòu)），不同的三個(gè)物理場(chǎng)間的耦合作用和干擾作用形成復(fù)雜變化的玻璃流場(chǎng)、能量分布和能量流的能量場(chǎng)。

正確分析這種變動(dòng)的物理耦合場(chǎng)的特性和把它的優(yōu)化用于玻璃熔化控制技術(shù)是現(xiàn)代玻璃熔窯優(yōu)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的理論實(shí)踐基礎(chǔ)。

3.1 物理場(chǎng)

三種主要物理場(chǎng)：

（1）由電極導(dǎo)入熔窯場(chǎng)的電場(chǎng)。

（2）熔化玻璃的熱力場(chǎng)。

（3）由加料口進(jìn)入熔窯的配合料的正在熔化物料和熔化玻璃混合物場(chǎng)。

影響熔爐的邊界條件：

（1）上部空間燃燒氣體形成的熱氣流場(chǎng)。

（2）窯爐周邊爐渣和底部結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)。

窯爐熱熔化玻璃的流動(dòng)：

（1）由于出料口流量產(chǎn)生的玻璃流動(dòng)。

（2）熔窯內(nèi)由于電/熱耦合造成的玻璃流動(dòng)。

3.2 三種物理場(chǎng)的耦合關(guān)系

（1）玻璃和電極的耦合電場(chǎng)

玻璃窯爐內(nèi)無論是底插電極、橫插電極或頂插電極，任何一支電極的電壓、電流、輸入功率的變化將會(huì)對(duì)整個(gè)電場(chǎng)產(chǎn)生影響。首先是電場(chǎng)內(nèi)電極間的相互感應(yīng)作用，二是對(duì)玻璃液各處的電壓分布的影響。越是靠近變化電極近的部分受影響大，隨距離的加大而減弱。所有這些變化都是非線性的。

（2）熔化玻璃熱力場(chǎng)

熔爐內(nèi)玻璃的溫度不同，化學(xué)成分不同，玻璃密度不同，運(yùn)動(dòng)速度和方向也各不相同。顯然導(dǎo)電率也不相同，所有這個(gè)物理場(chǎng)的分布變化是高度非線性。

（3）熔化的玻璃和未熔化的固體配合料混合物電場(chǎng)

在加料口，由于配合料加入，造成熔化的玻璃和未熔化的固體配合料形成一個(gè)液/固混合體，其物理特性也是隨時(shí)間和地點(diǎn)發(fā)生變化的復(fù)雜的非線性物理場(chǎng)。

目前，尚未見到對(duì)這樣高溫、帶電的玻璃流物理場(chǎng)詳細(xì)的描述和控制技術(shù)的論述，但是已經(jīng)有比較廣泛的應(yīng)用有限元素法來初步描述多物理場(chǎng)之間的耦合理論，利用有限元素法分析理論已經(jīng)給玻璃工業(yè)帶來革命性的作用。原始的玻璃分析的模擬法逐步走向場(chǎng)分析技術(shù)。

3.3 三種玻璃控制模式

（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)電熔爐設(shè)置和升溫程序

全電窯爐的正常優(yōu)化的功率分布取決于3個(gè)條件：

1）配合料可以在足夠高的溫度下完成充分化學(xué)反應(yīng)形成合格玻璃。

2）配合料可以在熔窯內(nèi)有足夠的滯留時(shí)間，吸收足夠多的熱能完成充分的化學(xué)反應(yīng)，形成合格玻璃。

3）要求配合料在熔窯中滯留在盡量短的時(shí)間內(nèi)形成合格玻璃，以提高窯爐的生產(chǎn)量，提高熔制玻璃效率。這是一個(gè)優(yōu)化過程，不是一個(gè)簡(jiǎn)單的電加熱過程，要求對(duì)所有電極的功率提升有合理的時(shí)間/功率（T/P曲線）程序，縮短熔爐點(diǎn)火時(shí)間和運(yùn)行調(diào)節(jié)時(shí)間。

因此，在熔爐設(shè)計(jì)時(shí)要以優(yōu)化的點(diǎn)火升溫程序進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。例如：確定各不同點(diǎn)位處的電極插入玻璃深度，插入過程直至最終深度，此時(shí)窯爐會(huì)生產(chǎn)出大流量的合格玻璃。這是一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)過程的基礎(chǔ)就是對(duì)熔窯的三大物理場(chǎng)的反復(fù)迭代設(shè)計(jì)的過程。

（2）優(yōu)化處理生產(chǎn)過程中的變動(dòng)，達(dá)到優(yōu)化恢復(fù)生產(chǎn)過程

在玻璃生產(chǎn)過程中，存在有許多種干擾正常生產(chǎn)的因素。例如，電加熱系統(tǒng)中某支電極由于某種原因斷裂、或供電電網(wǎng)的供電能力變化，甚至導(dǎo)致整個(gè)供電分區(qū)的失效。由于熔窯上部空間火焰燃燒器發(fā)生故障造成電熔局部或總體性的玻璃溫度場(chǎng)的變化，使生產(chǎn)合格率下降等故障情況。

采用現(xiàn)有傳統(tǒng)技術(shù)恢復(fù)到正常過程，包括控制軟件，只是簡(jiǎn)單地把電極換成新電極或補(bǔ)充電極，然后把復(fù)原的電極或整個(gè)加載區(qū)電極的功率重新加到設(shè)計(jì)指標(biāo)，然后緩慢地等待熔窯恢復(fù)到合理狀態(tài)，這個(gè)過程少則1~2天，多則3天以上。

由于故障發(fā)生后，整個(gè)熔爐的電場(chǎng)和熱力場(chǎng)、玻璃流場(chǎng)會(huì)因此發(fā)生相應(yīng)改變，形成新的玻璃物理場(chǎng)。僅僅采取重新恢復(fù)修復(fù)電極并重新加載的方法是不合理的。因?yàn)橹匦潞?jiǎn)單加載是使已經(jīng)因故障而改變形成的玻璃場(chǎng)又一次由于重新恢復(fù)加載而發(fā)生變化，這種變化不會(huì)立即恢復(fù)形成原來運(yùn)行合理的玻璃物理場(chǎng)。整個(gè)需要新加載的電極功率而改變后的玻璃物理場(chǎng)需要多次相互干擾耦合的迭代，直到回到原來的合理設(shè)計(jì)的玻璃場(chǎng)。而這個(gè)過程耗費(fèi)額外的電功、原材料、時(shí)間，則降低了成品率和增加了能耗。

加速這個(gè)恢復(fù)過程，縮短恢復(fù)調(diào)整時(shí)間，有效的辦法是根據(jù)玻璃場(chǎng)的三個(gè)物理場(chǎng)的分析，采取合理的重新加載的程序，同步對(duì)所有涉及的電極調(diào)整電載荷的直接合理的操作程序。這個(gè)過程首先對(duì)故障電極周邊的物理場(chǎng)進(jìn)行分析，了解重新恢復(fù)加載電功率過程中的整個(gè)玻璃電場(chǎng)和熱力場(chǎng)的變化過程，確定相關(guān)電極間的耦合關(guān)系，設(shè)計(jì)和確定所有相關(guān)電極電功率的調(diào)整量，同步按符合電極的耦合載荷情況，恢復(fù)到原設(shè)計(jì)的物理場(chǎng)。這種恢復(fù)程序不僅對(duì)排除故障有效，而且在整個(gè)窯爐生產(chǎn)玻璃的周期內(nèi)起到作用，這是經(jīng)過合理分析后的優(yōu)化控制軟件。這也是目前常規(guī)玻璃工程設(shè)計(jì)院和窯爐設(shè)計(jì)單位的簡(jiǎn)單的控制理論需要改進(jìn)的方面，并設(shè)計(jì)新的有效的控制程序。采用多物理場(chǎng)耦合控制技術(shù)不僅加速了調(diào)節(jié)過程，并且提高了玻璃合格率，降低了能耗。這已經(jīng)被實(shí)踐證明。