CN117850485A - 一种适用于多股进料的还原炉的进料流量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多晶硅生产技术领域，尤其涉及一种适用于多股进料的还原炉的进料流量控制方法，包括以下步骤:在各股进料的流量控制器内设置预设曲线，预设曲线给出各股进料的预测设定值；再根据当前的各股进料的流量、物料配比和还原炉内的温度、电流和电压的数据进行修正；选择修正后的预测设定值或手动输入的预测设定值，再与另一股进料流量的测量值经过补偿运算后得到的设定值进行比较，经过选小逻辑运算后，获得该股进料的设定值或手动输入设定值；该股进料流量的设定值再与该股进料流量的测量值进行PID运算后，向流量控制器输出控制信号。采用本发明能够实现还原炉的多股进料流量和进料配比的自动调节，减少对操作人员的依赖。

Description

一种适用于多股进料的还原炉的进料流量控制方法

技术领域

本发明涉及多晶硅生产技术领域，尤其涉及一种适用于多股进料的还原炉的进料流量控制方法。

背景技术

改良西门子法生产多晶硅的技术，是将三氯氢硅加热转化为汽态后，再和氢气按照一定比例混合，再送入到还原炉中，在通电的高温硅芯表面发生气相沉降反应，生成高纯度多晶硅硅棒产品。在硅棒生长过程中，硅原子的沉积速率是决定硅棒质量的最重要的因素；而其沉积速率又与硅棒的表面温度、原料气的进料量、原料气中氢气和三氯氢硅的进料配比有关；硅棒的表面温度又由加热电流决定。在还原炉内进行沉积反应时，电流增大，还原炉内的温度升高；气相沉积速率越高，硅棒的疏松程度越高；反之，电流减小时，还原炉内的温度降低。当温度变化过快时，硅棒容易出现裂纹影响生长，甚至发生倒棒影响运行；当原料气进料量偏小时，硅棒生长缓慢，生长效率低且浪费能源；当原料气进料量偏大时，则会出现硅棒结构疏松的现象，无法满足硅棒的质量要求；当氢气与三氯氢硅的配比较高时，会造成还原炉电耗的增加；当氢气与三氯氢硅的配比较低时，会发生雾化影响运行，或导致硅棒品质疏松。所以，根据还原炉的运行情况，对进料量和进料配比进行调节至关重要，调节不当将直接影响到多晶硅产品的质量。

现有技术中，通常采用以下两种方法来采集还原炉的运行数据，再根据采集到的数据对进料量和进料配比进行调节。一种是通过在还原炉附近安装测温装置和摄像装置，用于自动采集还原炉内的温度和硅棒生长情况的图像，然后上传至工业计算机进行数据记录、图像分析和逻辑运算等，再根据分析结果，对电流、还原炉的进料量和进料配比进行调整，从而实现生产过程中炉温、进料量和进料配比的自动控制。然而，这种方法中，测温装置只能测量到还原炉内气体的温度，不可能准确测量到硅棒表面的温度，因此仍然需要现场操作人员查看还原炉内硅棒的生长情况，进行温度判断后再反馈给中控操作人员来进行调节。摄像装置则需安装在视镜处，在沉降反应进行期间有无定形硅粉生成，在气流作用下在还原炉内飞扬，然后会在视镜上发生沉积、结垢，形成板结的固定硅粉层，影响摄像装置获取的图像的清晰度，因而会和用于图像分析的预设图像可能有很大的偏差，进而导致分析结果发生偏差，会误调整进料量和配比，最终影响生产进程和产品质量。

另一种方法是在还原系统的尾气管线上设置组分分析仪和流量计，根据尾气与原料的流量比，和尾气中的二氯二氢硅的组分，计算当前反应的转化率，然后根据当前尾气中的二氯二氢硅的含量，来调节入炉的原料气的流量和配比。然而，由于进料的纯度、所含杂质的类型和流量受上游装置的限制，在反应进行期间，二氯二氢硅的浓度会有一定的波动。在二氯二氢硅的浓度作为主要调节依据时，会导致需频繁调节进料量和配比，影响运行；而且，分析仪表在应对含固体粉末(无定形硅粉)的气体时，不能保证测量精度，并且需要频繁停表清理，清理期间控制回路处于无效状态，需要操作人员全程关注、调整，反而增加了操作人员的工作量。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种适用于多股进料的还原炉的进料流量控制方法，主要目的在于能够实现还原炉的多股进料流量和进料配比的自动调节，进而实现对还原炉的炉温和还原反应的控制；能够减少现场操作人员的工作量，减少对现场操作人员的经验依赖，有助于减少误判，提高多晶硅产品的质量。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

本发明的实施例提供一种适用于多股进料的还原炉的进料流量控制方法，包括以下步骤:

S1：在各股进料的流量控制器内设置以还原反应进行时间为基础的预设曲线；预设曲线给出各股进料流量的预测设定值；

S2：预测设定值再根据当前的各股进料的流量、物料配比和还原炉内的温度、电流和电压的数据进行修正；

S3：多股进料中的各股，选择修正后的预测设定值或者选择手动输入的预测设定值进行输出；

S4：选择输出的其中一股的预测设定值与另一股进料流量的测量值经过补偿运算后得到的设定值进行比较，经过选小逻辑运算后，获得的较小值作为该股进料流量的设定值；或者选择手动输入的设定值作为该股进料流量的设定值；

S5：该股进料流量的设定值的增减幅度和速率被限制在预设范围内；

S6：该股进料流量的设定值再与该股进料流量的测量值进行PID运算后，向流量控制器输出控制信号。

进一步地，在步骤S4中，另一股修正后的预测设定值与经过补偿运算后的一股进料流量的测量值进行比较，经过选小逻辑运算后，获得的较小值作为另一股进料流量的设定值。

进一步地，另一股进料流量的设定值的增减幅度和速率被限制在预设范围内。

进一步地，在步骤S3、S4中，在各股进料的流量控制器上分别设置有切换开关一和切换开关二；

切换开关一能够选择自动模式和手动操作模式；

切换开关二能够选择自动模式和手动操作模式。

进一步地，步骤S4中，补偿运算的系数能够手动修改。

借由上述技术方案，本发明适用于多股进料的还原炉的进料流量控制方法至少具有下列优点：

能够实现还原炉的多股进料流量和进料配比的自动调节，进而实现对还原炉的炉温和还原反应的控制；能够减少现场操作人员的工作量，减少对现场操作人员的经验依赖，有助于减少误判，提高多晶硅产品的质量。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种适用于多股进料的还原炉的进料流量控制方法的示意图；

图2为两股进料的还原炉的进料流量控制系统的示意图。

图中所示：

1为切断阀一，2为流量调节阀一，3为流量测量装置一，4为切断阀二，5为流量调节阀二，6为流量测量装置二，7为切断阀三，8为压力调节阀一，9为切断阀四，10为压力调节阀二，11为压力测量装置。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

如图1所示，本发明的一个实施例提出的一种适用于多股进料的还原炉的进料流量控制方法，包括以下步骤:

S1：在各股进料的流量控制器内设置以还原反应进行时间为基础的预设曲线；预设曲线给出各股进料流量的预测设定值；

S2：预测设定值再根据当前的各股进料的流量、物料配比和还原炉内的温度、电流和电压的数据进行修正；

S3：多股进料中的各股，选择修正后的预测设定值或者选择手动输入的预测设定值进行输出；在多股进料中选用相关联的两股进料进行控制；一股进料的修正后的预测设定值，可以通过切换开关一的动作，来实现在从修正后的预设曲线获得的预测设定值和操作员手动输入的预测设定值之间切换。切换开关一，会在收到还原炉启动信号后，自动选择自动模式；而在收到还原炉停车信号后，自动选择手动操作模式。如果还原炉在自动模式下运行期间，发生如停电、停仪表气、仪表故障等异常，导致自动模式调节失灵时，需要操作人员立即干预，操作员可以及时选择手动操作模式进行应急操作。

S4：选择输出的其中一股的预测设定值与另一股进料流量的测量值经过补偿运算后得到的设定值进行比较，经过选小逻辑运算后，获得的较小值作为该股进料流量的设定值；或者选择手动输入的设定值作为该股进料流量的设定值；正常运行时，修正后的预测设定值可以作为该股的设定值进行流量控制。当一股进料流量发生波动时，可以根据该股的流量的测量值，在经补偿运算后作为设定值，去另一股进料流量对应地进行比较、调节，以使另一股进料流量与该股的进料流量达到预定的匹配比例。进一步优选，另一股(第二股)进料流量的修正后的预测设定值，与一股(第一股)进料流量的测量值经过补偿运算后得到的设定值进行比较，经过选小逻辑运算后，获得的较小值作为另一股(第二股)进料流量的设定值，以实现在遇到流量异常波动时，相关联的两股进料能够相互调节。一股进料的经过选小逻辑运算后得到的预测设定值，可以通过切换开关二的动作，来实现在从选小逻辑运算后获得的设定值和操作员手动输入的设定值之间切换。切换开关二，会在收到还原炉启动信号后，自动选择自动模式；而在收到还原炉停车信号后，自动选择手动操作模式。因为如果还原炉在自动模式下运行期间，发生如停电、停仪表气、仪表故障等异常，导致自动模式调节失灵时，需要操作人员立即干预，操作员可以及时选择手动操作模式进行应急操作。

S5：该股进料流量的设定值的增减幅度和速率被限制在预设范围内；可更加平稳地控制还原炉的炉温和反应，有助于提高产品质量。增减幅度和速率被限制在预设范围内能够防止某股进料管线上流量的测量值发生波动时，导致调节阀频繁动作，进而使还原炉内反应变差的现象。在设定值的下游将增减幅度和速率设置在预设范围内，这样即使管线流量的测量值发生波动，测量值和设定值的偏差较大时，会因增减幅度和速率的限制，进料管线上的调节阀不会大幅度动作，从而能保证进料量和进料配比的稳定。进一步优选，另一股进料流量的设定值的增减幅度和速率被限制在预设范围内，以使另一股的进料流量能够缓慢调节，实现对还原炉的炉温和反应的平稳控制。

S6：该股进料流量的设定值再与该股进料流量的测量值进行PID运算后，向流量控制器输出控制信号。

本发明的一个实施例提出的一种适用于多股进料的还原炉的进料流量控制方法，能够实现还原炉的多股进料流量和进料配比的自动调节，进而实现对还原炉的炉温和还原反应的控制；能够减少现场操作人员的工作量，减少对现场操作人员的经验依赖，有助于减少误判，提高多晶硅产品的质量。

本发明的一个实施例提出的一种适用于多股进料的还原炉的进料流量控制方法，使用还原炉内气相的温度作为调整进料的依据，能够保障测量的精确度和调节的可靠性，且投入成本低。

如图2所示，例如：在还原炉上设置两股进料管线，分别为进料管线一和进料管线二，进料管线一上设置有切断阀一1、流量调节阀一2、流量测量装置一3；进料管线二上设置有切断阀二4、流量调节阀二5、流量测量装置二6，两股进料汇总后进入到还原炉内进行反应。还原炉的出口设置有产品气管线，产品气管线上设置有压力测量装置11、切断阀三7和压力调节阀一8，通常用压力测量装置11控制压力调节阀的开度，以实现还原炉内压力稳定。产品气管线上设置有旁路压力调节排气线，排气线上设置有切断阀四9和压力调节阀二10；当还原炉内的压力过高，无法通过产品气线调节阀保持压力时，会通过动作排气线上的压力调节阀一8进行排放，以实现压力的控制。开/停炉期间，吹扫用惰性气体和不合格的产品气也都经排气线送去下游处理。

流量调节阀一2的控制方式可表示为即，由预设曲线给出的流量调节阀一2的设定值，再和流量测量装置二6的测量值与k进行补偿运算后得到的计算值进行选小逻辑运算，将选定的值作为流量调节阀一2的设定值，再和实际测得的流量测量装置一3的测量值进行PID运算，控制流量调节阀一2的开关动作。同理可以得到流量调节阀二5的控制动作。

作为上述实施例的优选，在各股进料的流量控制器上均设置有切换开关一和切换开关二；切换开关一可以选择自动模式和手动操作模式。自动模式下，实现预设曲线输出数据的自动传输，对流量调节阀进行自动控制；手动操作模式下，操作人员可以手动输入对应的流量调节阀的流量设定值。切换开关二可以选择自动模式和手动操作模式。切换开关一和切换开关二在收到还原炉启动信号后，自动选择自动模式；而在收到还原炉停车信号后，自动选择手动操作模式；因为如果还原炉在自动模式下运行期间，发生如停电、停仪表气、仪表故障等异常，导致自动模式调节失灵时，需要操作人员立即干预，操作员可以及时选择手动操作模式进行应急操作；切换开关一和切换开关二的设置，能够提高在启炉、停炉时的自动化程度，降低操作人员劳动强度和发生误操作的概率，还可以满足发生紧急情况需要人工干预时的应急需要。

作为上述实施例的优选，步骤S4中，补偿运算的系数能够手动修改，以使操作人员能够根据需要进行适时修改。

本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种适用于多股进料的还原炉的进料流量控制方法，其特征在于，包括以下步骤:

S1：在各股进料的流量控制器内设置以还原反应进行时间为基础的预设曲线；预设曲线给出各股进料流量的预测设定值；

S2：预测设定值再根据当前的各股进料的流量、物料配比和还原炉内的温度、电流和电压的数据进行修正；

S3：多股进料中的各股，选择修正后的预测设定值或者选择手动输入的预测设定值进行输出；

S4：选择输出的其中一股的预测设定值与另一股进料流量的测量值经过补偿运算后得到的设定值进行比较，经过选小逻辑运算后，获得的较小值作为该股进料流量的设定值；或者选择手动输入的设定值作为该股进料流量的设定值；

S5：该股进料流量的设定值的增减幅度和速率被限制在预设范围内；

S6：该股进料流量的设定值再与该股进料流量的测量值进行PID运算后，向流量控制器输出控制信号。

2.根据权利要求1所述的适用于多股进料的还原炉的进料流量控制方法，其特征在于，

在步骤S4中，另一股修正后的预测设定值与经过补偿运算后的一股进料流量的测量值进行比较，经过选小逻辑运算后，获得的较小值作为另一股进料流量的设定值。

3.根据权利要求2所述的适用于多股进料的还原炉的进料流量控制方法，其特征在于，

另一股进料流量的设定值的增减幅度和速率被限制在预设范围内。

4.根据权利要求1所述的适用于多股进料的还原炉的进料流量控制方法，其特征在于，

在步骤S3、S4中，在各股进料的流量控制器上分别设置有切换开关一和切换开关二；

切换开关一能够选择自动模式和手动操作模式；

切换开关二能够选择自动模式和手动操作模式。

5.根据权利要求1所述的适用于多股进料的还原炉的进料流量控制方法，其特征在于，

步骤S4中，补偿运算的系数能够手动修改。