DE10031058B4

DE10031058B4 - Verfahren zur Prozessregelung von Hochtemperaturschmelzanlagen, Hochtemperaturschmelzanlage, sowie Verfahren zum Betreiben einer Hochtemperaturschmelzanlage

Info

Publication number: DE10031058B4
Application number: DE10031058A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Werschy Matthias; Dipl.-Geol. Schilling Michael; Dipl.-Ing. Franke Matthias
Original assignee: Matthias Franke
Current assignee: FRANKE, MATTHIAS, DIPL.-ING., 01468 MORITZBURG, DE
Priority date: 2000-06-26
Filing date: 2000-06-26
Publication date: 2012-10-11
Anticipated expiration: 2020-06-27
Also published as: DE10031058A1

Abstract

Verfahren zur Prozessregelung von Hochtemperaturschmelzanlagen durch optische Erfassung der Temperaturfelder im Ofenraum, wobei Temperaturfeldverteilungen im sichtbaren bis nahen Infrarotbereich im Ofenraum mittels einer optischen Ofenraumsonde erfasst werden, und über ein Rastersystem in Form einer Temperaturfeldmatrix ausgewertet werden, wozu ausgewählte Ofenzonen mit vorgegebenen Temperatur-Sollwerten gleichartig definierter Matrizen belegt werden und durch Soll/Ist-Vergleich der Matrixpositionen das Prozessregelsystem der Anlage eine Sofortauswertung mit Trendprognosen über den Zustand der Temperaturverteilung im Ofenraum realisiert, und über ein Erfassungs- sowie Auswertesystem der Prozess geregelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur verbesserten Prozessregelung von Hochtemperaturschmelzanlagen durch optische Erfassung von Temperaturfeldern im Ofenraum. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Hochtemperaturschmelzanlage unter Ausnutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Prozessregelung. Ergänzt wird die Erfindung durch eine Hochtemperaturschmelzanlage, mittels derer die erfindungsgemäßen Verfahren ausführbar sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Prozessregelung von Hochtemperaturschmelzanlagen bedient sich dazu eines Systems aus optischer Hochleistungssonde mit thermografischer Bildauswertung zur Visualisierung von Temperaturfeldverteilungen in Verbrennungsräumen und Umformung der aufgenommenen Bildinformationen in ein Regelsignal. Die Erfindung findet vorzugsweise in Schmelzöfen der Glasindustrie Anwendung. In Verbindung mit einem Prozessregelsystem ist diese Temperaturvergleichsmessung ein sofort nutzbarer Sollwert für eine optimierte Verbrennungsregelung im Ofenraum.
Mit der DE 42 31 777 A1 ist die Lösung eines Verfahrens zur spektralen Analyse von technischen Flammen durch optische Emissionsmessung nebst Anordnung hierzu bekannt. Bei diesem Verfahren wird die spektrale Analyse technischer Flammen und ihrer Abgase realisiert. Dabei werden die Flammen durch die gleichzeitige und voneinander unabhängige optische Emissions-, beziehungsweise Absorptionsmessung zumindest zweier Gaskomponenten einer Flamme vermessen. Mit dieser Methode ist die spektrale Emissionsanalyse zur Feststellung von Schadstoffkonzentrationen zur Verbrennungsoptimierung möglich.
Diesem Verfahren haftet jedoch der Nachteil an, dass eine visuelle Erfassung von Temperaturfeldern im Sinne des beschriebenen Verfahrens und die direkte Einbindung der Messergebnisse in das Prozessregelsystem von Hochtemperaturanlagen nicht möglich ist.
Die EP 1 004 863 A1 offenbart ein Verfahren zur Anwendung in Hochtemperatur-Schmelzanlagen, bei dem durch matrixartig vorgenommene Punktmessungen ermittelte Temperaturwerte in einem Rastersystem bzw. in einer Temperaturfeldmatrix dargestellt werden. Die Erstellung der Temperaturfeldmatrix ist dabei mit einem relativ großen gerätetechnischen Aufwand verbunden.
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren sowie eine Anlage zur verbesserten Prozessregelung von Hochtemperaturschmelzanlagen durch optische Erfassung von Temperaturfeldern im Ofenraum unter Verwendung eines Systems aus optischer Hochleistungssonde mit thermografischer Bildauswertung und Umformung der aufgenommenen Bildinformationen in ein Regelsignal zu schaffen, mit dem keine Punktmessung, sondern ein definiertes Temperaturfeld für die Prozessführung möglich ist. Wird eine derartige totzeitlose stabile Temperaturvergleichsmessung dem Temperatur-Sollwert als Führungsgröße übergeordnet, ist es möglich, lange bevor die Wirkung aller Einflussgrößen der Temperaturveränderungen am Führungsthermoelement erfasst wird, Veränderungen in bestimmten Zonen sofort zu erkennen und auszugleichen.
Schmelzleistungsänderungen, Rohstoffeinflüsse, regenerative Feuerwechselphasen und ähnliche instationäre Temperaturzustände im Ofenraum von Hochtemperatur-Schmelzanlagen lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf ein verbessertes Betriebsverhalten optimieren. Energieeinsparungen, Emissionsminderungen, Leistungssteigerungen und Qualitätssicherung des Endproduktes sind weitere Aufgabenstellungen dieser Online-Prozessregelung.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die im Anspruch 1 aufgezeigten technischen Merkmale, sowie durch das Verfahren zum Betreiben einer Hochtemperaturschmelzanlage nach Anspruch 4 und durch eine Hochtemperaturschmelzanlage nach Anspruch 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen angegeben.
Beim Wesen der Erfindung wird lösungsgemäß davon ausgegangen, dass die Prozessregelung von fossilbeheizten Hochtemperaturanlagen insbesondere der Glasindustrie nach der Schmelztemperatur erfolgt, die als Punktmessung mit Thermoelementen vorzugsweise im Bereich des Gewölbescheitels gemessen wird. Die Interpretation der Temperaturverteilung im Ofenraum und damit die Prozessregelung erfolgt ausschließlich über eine dieser Messstellen. Eine Auswertung der Temperaturfelder des Ofenraumes für Gewölbe-, Seiten- und Stirnwände, Schmelzbad beziehungsweise Gemengeoberfläche und Flammen ist nicht möglich. Daraus resultiert, dass auf bereits vollzogene, möglicherweise unerwünschte schmelztechnologische Veränderungen lediglich mit zum Teil erheblicher zeitlicher Verzögerung reagiert werden kann.
Mit der erfindungsgemäßen Online-Regelung werden deshalb Temperaturfeldverteilungen im Ofenraum erfasst, die über ein Rastersystem in Form einer Temperaturfeldmatrix für einzelne Zonen im Ofenraum ausgewertet werden. Die Ofenzonen werden dafür mit Sollwerten in einer gleichartig definierten Matrix belegt. Der Soll/Ist-Vergleich der Matrixpositionen ermöglicht über die Einbindung von eigens dafür eingesetzter Software eine Sofortauswertung mit Trendprognose über den jeweiligen Zustand der Temperaturverteilung im Ofenraum. Die Messung der Temperaturfelder wird mit einem optischen Sondensystem realisiert, welches die Temperaturverteilungen im sichtbaren Wellenlängenbereich erfasst. Dieses System umfasst eine wasser-/luftgekühlte optische Ofenraumsonde zur messtechnischen Visualisierung der Temperaturfelder an den Ofenwänden des Schmelzbades sowie ein rechnergestütztes Erfassungs- und Auswertungssystem, das eingebunden in die Systemsteuerung des Ofenaggregates durch ein Regelsignal die Prozesstemperatur online regelt. Die vorhandenen Regelkreise für die Temperaturerfassung als Punktmessung und Regelgrößen der Verbrennung bleiben stand-by unverändert erhalten und übernehmen als Sicherheitsregelung ihre ursprüngliche Funktion bei Grenzüberschreitungen beziehungsweise Ausfall der Online-Regelung.
Als Nebeneffekt werden mit dem optischen System der bautechnische Zustand und etwaige Veränderungen der gesamten Anlage, aber auch von einzelnen Ofenbauteilen erfasst. Außerdem ist die Möglichkeit gegeben, die Brennereinstellung durch die messtechnische Erfassung von Lage und Ausbildungsform der Flamme im Ofenraum wunschgemäß zu optimieren.
Erfindungsgemäß und ergänzend wird außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer Hochtemperaturschmelzanlage zur Verfügung gestellt, bei dem der Hochtemperaturschmelzprozess geregelt wird, wobei das erfindungsgemäße Verfahren zur Prozessregelung von Hochtemperaturschmelzanlagen durch optische Erfassung der Temperaturfelder im Ofenraum online durchgeführt wird und bei Systemausfall der Online-Regelung oder aber Überschreitung eines definierten Grenzwertes eine herkömmliche Thermoelement-Ofenregelung automatisch für diesen Zeitraum die Regelung übernimmt.
Außerdem wird erfindungsgemäß eine Hochtemperaturschmelzanlage, insbesondere für die Glasindustrie und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Prozessregelungsverfahrens zur Verfügung gestellt, mit einem Ofen zur Erwärmung von Schmelze und einer im Ofen angeordneten optischen Ofenraumsonde zur optischen Erfassung der Temperaturfelder im sichtbaren bis nahen Infrarotbereich im Ofenraum, wobei die Hochtemperaturschmelzanlage weiterhin ein Erfassungs- und Auswertesystem zur Regelung des Prozess umfasst und das Erfassungs- und Auswertesystem dazu eingerichtet ist, definierte Temperaturfeldverteilungen im Ofenraum mittels der optischen Ofenraumsonde zu erfassen und über ein Rastersystem in Form einer Temperaturfeldmatrix darzustellen, und ausgewählte Ofenzonen mit vorgegebenen Temperatur-Sollwerten gleichartig definierter Matrizen zu belegen und durch Soll/Ist-Vergleich der Matrixpositionen mittels eines Prozessregelsystems der Anlage eine Sofortauswertung mit Trendprognosen über den Zustand der Temperaturverteilung im Ofenraum zu realisieren und den Prozess zu regeln.
Vorteilhafterweise ist für die Platzierung der optischen Ofenraumsonde eine Bohrung von vorzugsweise 35 mm im Gewölbescheitel oder einer Seitenwand des Ofens eingebracht.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt:
1 ein Blockschaltbild als Wirkschema.
In einer fossilbeheizten U-Flammenwanne für Behälterglas 1 erfolgt die Prozessführung über die Temperaturmessung eines im Bereich des Gewölbescheitels in der Läuterzone eingebrachten Thermoelementes 4. Über das Prozessregelsystem 7 wird mit diesem Messwert die Oberofentemperatur und damit die Brennstoffzufuhr an die Brenner 2 und letztlich die Schmelzleistung geregelt. In das bestehende System wird die optische Ofenraumsonde 5 mit einem Rohrdurchmesser von 32 mm über eine Bohrung im Bereich des Gewölbescheitels beziehungsweise der Seitenwand in den Oberofen eingeführt, ausgerichtet und fixiert. In das Prozessregelsystem der Schmelzanlage wird die Steckkarte der Online-Regelung 6 eingesetzt. Die wasser- und luftgekühlte optische Ofenraumsonde 5, die mit einem Kühlsystem 8 verbunden ist, wird so ausgerichtet, dass sie die Temperaturfelder von definierten Bereichen im Ofenraum sowie als Kontrollaufnahme das der Flamme 3 erfasst. Die ausgewählten Bereiche sind mit Sollwerten in gleichartig definierten theoretischen Matrizen belegt. Als Soll/Ist-Vergleich der Matrixpositionen erfolgt im Online-Regelsystem eine Sofortauswertung mit Trendprognose des gegenwärtigen Zustandes der Temperaturverteilung im Ofenraum. Durch die Einbindung in das Prozessregelsystem der Schmelzanlage übernimmt das Online-Regelsystem die Aufgabe der Temperaturmessung des Thermoelementes 4. Damit wird die Prozessführung als Temperatur-Online-Regelung realisiert. Veränderungen in bestimmten Zonen werden erkannt und korrigiert, noch bevor das Thermoelement 4 im Ofengewölbe die Temperaturänderung als Wirkung aller Einflussfaktoren wahrnehmen kann. Prinzipiell hat beim Vergleich des Verhaltens der bisherigen Thermoelement-Regelung mit der neuen Online-Regelung letztere eine deutlich geringere Regelamplitude für die Ofenraum-Temperaturen aufzuweisen.
Die vorhandene, herkömmliche Ofenregelung bleibt erhalten und übernimmt ihre ursprüngliche Funktion bei Grenzwertüberschreitungen, beziehungsweise bei Ausfall der Online-Regelung.
Bezugszeichenliste

1: Feuerraum einer U-Flammenwanne
2: Brenner
3: Flamme
4: Thermoelement
5: Optische Ofenraumsonde
6: Steckkarte der Online-Regelung
7: Prozessregelsystem
8: Kühlsystem für optische Ofenraumsonde

Claims

Verfahren zur Prozessregelung von Hochtemperaturschmelzanlagen durch optische Erfassung der Temperaturfelder im Ofenraum, wobei Temperaturfeldverteilungen im sichtbaren bis nahen Infrarotbereich im Ofenraum mittels einer optischen Ofenraumsonde erfasst werden, und über ein Rastersystem in Form einer Temperaturfeldmatrix ausgewertet werden, wozu ausgewählte Ofenzonen mit vorgegebenen Temperatur-Sollwerten gleichartig definierter Matrizen belegt werden und durch Soll/Ist-Vergleich der Matrixpositionen das Prozessregelsystem der Anlage eine Sofortauswertung mit Trendprognosen über den Zustand der Temperaturverteilung im Ofenraum realisiert, und über ein Erfassungs- sowie Auswertesystem der Prozess geregelt wird.
Verfahren zur Prozessregelung von Hochtemperaturschmelzanlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Temperaturfeldverteilungen im Feuerraum durch eine optische Ofenraumsonde als Temperaturfeldmatrizen optisch erfasst werden.
Verfahren zur Prozessregelung von Hochtemperaturschmelzanlagen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgenommenen Temperaturfeldmatrizen in einem Erfassungs- und Auswertesystem, bestehend aus einer Steckkarte der Online-Regelung mit vorgegebenen Sollwerten verglichen werden.
Verfahren zum Betreiben einer Hochtemperaturschmelzanlage, bei dem der Hochtemperaturschmelzprozess geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Prozessregelung von Hochtemperaturschmelzanlagen durch optische Erfassung der Temperaturfelder im Ofenraum nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3 online durchgeführt wird und bei Systemausfall der Online-Regelung oder aber Überschreitung eines definierten Grenzwertes eine herkömmliche Thermoelement-Ofenregelung automatisch für diesen Zeitraum die Regelung übernimmt.
Hochtemperaturschmelzanlage zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1–4, mit einem Ofen zur Erwärmung von Schmelze und einer im Ofen angeordneten optischen Ofenraumsonde (5) zur optischen Erfassung der Temperaturfelder im sichtbaren bis nahen Infrarotbereich im Ofenraum, wobei die Hochtemperaturschmelzanlage weiterhin ein Erfassungs- und Auswertesystem zur Regelung des Prozess umfasst und das Erfassungs- und Auswertesystem dazu eingerichtet ist, Temperaturfeldverteilungen im Ofenraum mittels der optischen Ofenraumsonde (5) zu erfassen und über ein Rastersystem in Form einer Temperaturfeldmatrix auszuwerten, und ausgewählte Ofenzonen mit vorgegebenen Temperatur-Sollwerten gleichartig definierter Matrizen zu belegen und durch Soll/Ist-Vergleich der Matrixpositionen mittels eines Prozessregelsystems (7) der Anlage eine Sofortauswertung mit Trendprognosen über den Zustand der Temperaturverteilung im Ofenraum zu realisieren und den Prozess zu regeln.
Hochtemperaturschmelzanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Platzierung der optischen Ofenraumsonde (5) eine Bohrung von vorzugsweise 35 mm im Gewölbescheitel oder einer Seitenwand des Ofens eingebracht ist.
Hochtemperaturschmelzanlage nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine in der Glasindustrie einzusetzende Hochtemperaturschmelzanlage ist.