一种玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法

摘要

本发明属于玻璃熔窑相关技术领域，其公开了一种玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法，其包括以下步骤：采用火焰图像探测器拍摄火焰图像，依据火焰图像获得火焰特征量；依据对偶加权法的指标权重分配方法给获得的火焰特征量分配权重系数，并基于权重系数及火焰特征量得到火焰综合特征量的计算模型；依据实验数据建立燃料量与最大火焰综合特征量之间的关系模型；将火焰综合特征量作为性能指标，同时将二次风量及燃料量作为控制量，结合图像信号处理器建立燃烧火焰优化控制模型，采用燃烧火焰优化控制模型对燃烧火焰进行优化控制以使玻璃熔窑工作在对应的最大火焰综合特征量下。

权利要求

1.一种玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法，其包括以下步骤：

(1)采用火焰图像探测器拍摄火焰图像，依据火焰图像获得火焰特征量，所述火焰特征量包括火焰径向宽度、火焰覆盖面积及火焰区域的温度和；

(2)给获得的火焰特征量分配权重系数，并基于权重系数及火焰特征量得到火焰综合特征量的计算模型；

(3)依据实验数据建立燃料量与最大火焰综合特征量之间的关系模型；

(4)将火焰综合特征量作为性能指标，同时将二次风量及燃料量作为控制量，结合图像信号处理器建立燃烧火焰优化控制模型，采用燃烧火焰优化控制模型对燃烧火焰进行优化控制以使玻璃熔窑工作在对应的最大火焰综合特征量下。

2.如权利要求1所述的玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法，其特征在于：所述火焰图像探测器安装于燃烧器的观火孔，使得所述火焰图像探测器正面拍摄火焰图像。

3.如权利要求1所述的玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法，其特征在于：通过两个方向调整二次风量以确定所述最大火焰综合特征量。

4.如权利要求1所述的玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法，其特征在于：所述火焰径向宽度及火焰覆盖面积是基于图像的像素与实际尺寸之间的对应关系获得的。

5.如权利要求1所述的玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法，其特征在于：所述火焰区域的温度和是通过基于维恩辐射定律的双色法测温原理公式获得的。

6.如权利要求1所述的玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法，其特征在于：所述火焰特征量的权重系数分配是依据对偶加权法的指标权重分配方法进行的。

说明书

一种玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于玻璃熔窑相关技术领域，更具体地，涉及一种玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法。

背景技术

[0002] 玻璃生产过程中消耗的主要能源有天然气、重油、煤气、电力等，其中以燃烧天然气和重油的玻璃熔窑居多。玻璃熔窑的能耗占整个产品综合能耗的60％～70％，能源消耗的支出占总成本的40％左右。近年来，随着西气东输工程顺利竣工及国家环境保护政策的日趋严峻，我国许多玻璃企业开始将窑炉燃料由无毒无污染、清洁安全环保的天然气替代延续使用多年的重油。由于天然气主要成分为甲烷，燃烧火焰较长，刚性差，易发飘，易灼烧碹顶，不易调节，因此燃烧较难控制。玻璃熔窑控制系统属于大惯量、纯滞后和多分布参数的非线性系统，而且外界干扰较大，系统不容易建模，实现窑炉精确控制比较困难。目前，玻璃熔窑的参数控制采用单回路PID控制，此外在一些较大型的窑炉上也采用一些其他控制方式，如交叉限幅燃烧控制，DMC-PID串级控制，温度自校正控制，热点温度控制，在线自寻优控制等。控制性能的优劣不仅对产品质量及成品率有影响，还影响窑炉的使用寿命、燃料消耗、污染物排放等综合成本指标。

[0003] 目前，本领域相关技术人员已经做了一些研究，如申请号为201610060504.1的专利公开了一种基于火焰辐射图像的炉排焚烧炉的控制优化方法，该方法实时拍摄炉内燃烧状态，提取图像R、G、B的平均值并带入训练好的BP神经网络，得到燃烧区域的温度场分布及平均温度，并与预设的温度范围对比判断，依据判断结果对燃烧区给料速度及一二次风量做出相应调整。上述方法可以重建火焰温度场，实现对炉排焚烧炉的控制，有效提高废料燃烧的均匀性及燃烧效率，然而，上述方法比较复杂，控制精度较低，不利于推广应用。相应地，本领域存在着发展一种灵活性较高的燃烧火焰优化控制方法的技术需求。

发明内容

[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法，其基于玻璃熔窑燃烧的特点，针对玻璃熔窑燃烧火焰控制方法进行了设计。所述玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法通过燃烧火焰特征参量对玻璃熔窑燃烧火焰进行优化控制，在满足工艺要求的前提下，实现了燃烧的经济性最大。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供了一种玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法，其包括以下步骤：

[0006] (1)采用火焰图像探测器拍摄火焰图像，依据火焰图像获得火焰特征量；

[0007] (2)给获得的火焰特征量分配权重系数，并基于权重系数及火焰特征量得到火焰综合特征量的计算模型；

[0008] (3)依据实验数据建立燃料量与最大火焰综合特征量之间的关系模型；

[0009] (4)将火焰综合特征量作为性能指标，同时将二次风量及燃料量作为控制量，结合图像信号处理器建立燃烧火焰优化控制模型，采用燃烧火焰优化控制模型对燃烧火焰进行优化控制以使玻璃熔窑工作在对应的最大火焰综合特征量下。

[0010] 进一步地，所述火焰图像探测器安装于燃烧器的观火孔，使得所述火焰图像探测器正面拍摄火焰图像。

[0011] 进一步地，通过两个方向调整二次风量以确定所述最大火焰综合特征量。

[0012] 进一步地，所述火焰特征量包括火焰径向宽度、火焰覆盖面积及火焰区域的温度和。

[0013] 进一步地，所述火焰径向宽度及火焰覆盖面积是基于图像的像素与实际尺寸之间的对应关系获得的。

[0014] 进一步地，所述火焰区域的温度和是通过基于维恩辐射定律的双色法测温原理公式获得的。

[0015] 进一步地，所述火焰特征量的权重系数分配是依据对偶加权法的指标权重分配方法进行的。

[0016] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法，其通过燃烧火焰特征参量对玻璃熔窑燃烧火焰进行优化控制，在满足工艺要求的前提下，实现了燃烧的经济性最大。此外，所述玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法简单易于实现，灵活性较高，使用性较强，控制精度较高，稳定性较好。

附图说明

[0017] 图1是本发明较佳实施方式提供的玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法的流程图；

[0018] 图2是图1中的玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法涉及的控制框图；

[0019] 图3是图1中的玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法涉及的火焰边界阈值界定的示意图；

[0020] 图4是采用图1中的玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法获得的火焰特征量的检测结果图；

[0021] 图5是采用图1中的玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法获得的火焰综合特征量随时间的变化曲线图；

[0022] 图6是采用图1中的玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法获得的燃料量与最大火焰综合特征量之间的关系图。

具体实施方式

[0023] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0024] 请参阅图1及图2，本发明较佳实施方式提供的玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法保证了玻璃熔窑燃烧火焰三大特性：(1)亮度大，辐射能力强；(2)方向性及刚性好，不发飘；(3)具有稳定的长度、厚度及较大的覆盖面积。同时将影响燃烧效率的二次风量作为控制变量，将检测到的火焰综合特征量作为性能指标，通过调整燃烧来实现燃料量与二次风量的优化配置，改善窑内燃烧火焰特性及温度分布，使燃烧火焰释放的热量尽可能多的辐射给玻璃溶液，如此以提高燃烧效率及热量的有效利用，达到节能减排的目的。

[0025] 本实施方式中，所述玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法主要包括以下步骤：

[0026] 步骤一，采用火焰图像探测器拍摄火焰图像，依据火焰图像处理获得火焰特征量。具体地，由于火焰图像探测器的安装位置关乎窑内燃烧信息的获取，安装位置要既能清楚的观测燃烧器火焰，还要尽可能大的囊括窑内空间，充分接收来自窑内各处的辐射信息，本实施方式将所述火焰图像探测器安装于燃烧器的观火孔，使得所述火焰图像探测器能够正面拍摄火焰图像。

[0027] 请参阅图3至图6，本实施方式中，通过测量得到玻璃熔窑实际宽度A＝6800mm，拍摄到的图像中对应像素数a＝302个，则像素对应的实际尺寸为A/a＝22.52mm/个。截取所述图像中火焰中心位置的行像素，画出图像的像素值R基色颜色值分布曲线，可知像素R值曲线在R值为180处斜率变化最大且曲线在该R值处呈现出对称变化率最大，因此火焰边界阈值为Ry＝180，图像中R值大于Ry为火焰区域。结合上述像素与实际尺寸间的对应关系即可实时获得火焰径向宽度Fw及火焰覆盖面积Fs。

[0028] 通过基于维恩辐射定律的双色法测温原理公式(1)计算各像素点的火

[0029] 焰温度Ti,j(i＝1…,i；j＝1,…,j)，并计算出火焰区域的温度和Ft。

[0030]

[0031] 式(1)中，λ1，λ2分别为火焰同一点发出的电磁波长，m；E(λ1,T)，E(λ2,T)分别为波长λ1，λ2对应的单色辐射能，W/m3；C1，C2分别第一普朗克常数及第二普朗克常数，分别为3.742×10-16W·m2和1.4388×10-2m·K。

[0032] 步骤二，依据对偶加权法的指标权重分配方法给获得的火焰特征量分配权重系数，并基于权重系数及火焰特征量得到火焰综合特征量的计算模型。具体地，以所记录的火焰径向宽度、火焰覆盖面积及火焰区域的温度和的最大值Fw'＝3322mm、Fs'＝12.32％、Ft'＝16877530℃作为基准量，将实时获取的火焰径向宽度Fw、火焰覆盖面积Fs、火焰区域的温度和Ft分别除以基准量Fw'、Fs'、Ft'做归一化处理得Fw”、Fs”、Ft”，根据对偶加权法的指标权重分配方法分配权重系数aw＝0.3、as＝0.3、at＝0.4，则烧嘴燃烧状况优劣的性能指标-火焰综合特征量F可由公式(2)计算获得。本实施方式中，为增加后续处理精度将火焰综合特征量F的数值放大一千倍，结果如图5所示。

[0033] F＝0.3·Fw”+0.3·Fs”+0.4·Ft”  (2)

[0034] 步骤三，依据实验数据建立燃料量与最大火焰综合特征量之间的关系模型。具体地，通过两个方向调整二次风量，以确定最大火焰综合特征量Fmax，这两个方向分别为增大方向及减小方向。本实施方式中，以燃料量为1210m3/h工况进行说明。

[0035] 增大方向：首先设定初始二次风量W为11500m3/h，将二次风增量ΔW设为50m3/h，每次调整增加风量ΔW，逐渐增大二次风量，观察并记录火焰综合特征量F，若火焰综合特征量F数值增大，则继续增加二次风量，如此往复，直到火焰综合特征量F开始减小，则上次调整得到的火焰综合特征量F为最大火焰综合特征量Fmax；若火焰综合特征量F减小，则二次风量向减小方向调整。

[0036] 减小方向：首先设定初始二次风量W为11500m3/h，将二次风减小量ΔW设为50m3/h，每次调整减小风量ΔW，逐渐减小二次风量，观察并记录火焰综合特征量F，若火焰综合特征量F数值增大，则继续减小二次风量，如此往复，直到火焰综合特征量F开始减小，则上次调整得到的火焰综合特征量F为最大火焰综合特征量Fmax；若火焰综合特征量F减小，二次风量向增大方向调整。

[0037] 依据上述调整实验方法可得到多个工况下，燃料量B对应的最大火焰综合特征量Fmax，并建立燃料量B与最大火焰综合特征量Fmax之间的关系模型，函数关系式如公式(3)所示：

[0038] Fmax＝-47.3018+0.72759·B  (3)

[0039] 步骤四，将火焰综合特征量作为性能指标，同时将二次风量及燃料量作为控制量，结合图像信号处理器建立燃烧火焰优化控制模型，采用燃烧火焰优化控制模型对燃烧火焰进行优化控制以使玻璃熔窑工作在对应的最大火焰综合特征量下。具体地，将火焰综合特征量F作为被控量，燃料量和风量作为控制量，基于动态矩阵(DMC)控制算法以建立传递函数矩阵预测控制器，进而建立燃烧火焰优化控制模型。本实施方式中，燃料量B＝1210m3/h时，前馈控制器D1产生指令信号Fmax＝833.08，火焰图像信号处理器D3检测火焰综合特征量F＝795.94，由公式(4)计算出偏差信号E＝37.14，并将偏差信号E＝37.14送到预测控制器D2，以产生对二次风量阀门开度的控制指令G，控制指令G送入烧嘴D4，从而优化二次风量促进燃料充分燃烧，并使玻璃熔液最大化吸收火焰的释放热量，既提高了燃烧效率，又提高了热量利用率，从而对燃烧火焰实现优化控制。

[0040] E＝Fmax-F  (4)

[0041] 本发明提供的玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法，其通过燃烧火焰特征参量对玻璃熔窑燃烧火焰进行优化控制，在满足工艺要求的前提下，实现了燃烧的经济性最大。此外，所述玻璃熔窑燃烧火焰优化控制方法简单易于实现，灵活性较高，使用性较强，控制精度较高。

[0042] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。