JP4777534B2 - 製品加熱システム及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炉における酸素ブースト制御に係り、特に炉の温度の制御に特徴を有する製品加熱システム及び方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
世界中におけるフラットガラス（フロート炉において生成される）の需要の増加は、オキシダント−燃料（「酸素」）をブーストする技術にとって主要な原動力になるものとして期待されている。Ｊｏｓｈｉ，Ｍ．Ｌ．等は、“Ｏｘｙｇｅｎ−ｆｕｅｌ ｂｏｏｓｔｉｎｇ ａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｆｌｏａｔ ｇｌａｓｓ ｆｕｒｎａｃｅｓ（フロートガラス炉での利用時に酸素−燃料をブーストする）”として、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｆｌａｍｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ，１９９６年とＡＦＲＣ Ｓｐｒｉｎｇ Ｍｅｍｂｅｒｓ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ，Ｏｒｌａｎｄ，ＦＬ，１９９６年５月６−７日とにて発表している。未開発分野のフロートプラントに対する比較的長期のエンジニアリング及び建設段階では、即時市場要求を満たす効果的な、進行中の酸素をブーストする解決法が、産業界の人々にとって費用面でも最も効率がよく、危険率の低い選択となるようにと考慮されている。
【０００３】
代表的なフロート炉は、１つの側面に５つ乃至８つのポートを有するサイド点火回生(regenerative)タイプである。図３は、６つのポート２２を有する代表的なフロートガラスタンク１０を示している。炉１０は、側壁１２と、内部チャンバ或いはスペース１４と、入口或いはドッグハウス１６とを備えている。腰部１８は、内部チャンバ１４のガラス流動下流側を受け入れ、そこからガラスが炉の調節端部２０に移動する。タンクの大きな寸法により、十字点火だけが可能である。図３は、各ポートに割り当てられる１つの回生チャンバ２４を有する６つのポートの炉を示している。回生チャンバは、燃焼空気を約２２００゜Ｆ（１２０４゜Ｃ）と約２４００゜Ｆ（１３１６゜Ｃ）との間に予熱するのに使用される。熱回復のための２０分から３０分の周期的プロセスは、一般に排ガスを使用してなされる。空気−燃料バーナ（図示せず）は、１つのポートに２つから３つのバーナを有して各ポートに設置されている。バーナは、「ポートの下で」点火されるか、「ポートを介して」点火されるか、或いは「ポートのサイド」点火構成を使用して点火されることになる。
【０００４】
炉には、更に酸素ブーストバーナ２６が設けられている。一般の酸素ブーストシステムは、「ポート０」をブーストし、酸素ブーストバーナ２６が、ドッグハウス１６の注入壁と第１のポート２２との間に配置される結果になっている。一般的に、標準の酸素バーナ或いは高性能段階付け酸素バーナは、ポート０の位置に設置されている。その酸素ブースト点火能力は、総溶融室の点火能力の５％から２０％程である。その酸素ブーストプロセスは、炉のプルレートを増加し、同一プルレート或いはより高いプルレートで、ガラスの質（例えばガラス１トン当たりの種子、石等の数の減少）を増大し、同一或いはより高いプルレートで炉のピーク回生温度を低下或いは維持し、同一或いはより高いプルレートで回生チャンバ温度を低下或いは維持し、回生器におけるプラグの問題を回避し、ポートバーナだけの空気−燃料点火によって達成されることができない、その他の困難な問題を解消することを試みるのに使用されている。
【０００５】
酸素ブースト技術の使用を成功するための難題は、ポートバーナの空気−燃料点火レートにおける特定の（測定された）変化と連結されるポート０（或いは他の有利な位置）での酸素バーナの最適な点火にある。従って、従来のシステムにおいては、上記利益をもたらす為に、全体の熱−入力プロフィルを最も効果的にすることを試みてきた。
【０００６】
フラットガラスプラントにおける炉のオペレータは、試行錯誤方法によってこの最適化プロセスを試みてきた。例えば人間であるオペレータは、所望の炉耐熱性温度及びプロフィル、所望のガラス底部温度及びプロフィル、必要とされるプルレート、ターゲットガラス質数等が得られるまで、各ポートに対する空気−燃料点火レートの増分を減少し、続いて酸素ブースト点火レートを増大する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の炉の操作上の問題点は、酸素ブースト制御システムが、空気−燃料燃焼制御と同一でなく、空気−燃料燃焼制御と一体化されないか、或いは連絡してないという事実により複雑になっていることにある。その上、旧型装置改装の酸素ブーストシステムは、一般に、スタンドアローンのタイプであり、そして全体的な炉操作を管理するために独立して作動される必要がある。多くの場合、酸素ブースト点火及び空気−燃料点火における変化は相補的でなく、そして、炉操作を乱すことになる。これは、この期間、臨界炉耐火物の不十分な製品の質、或いは起こり得る過熱を結果として生ずることになる。
【０００８】
酸素をブーストする間に所望の炉頂部温度及びガラス底部温度を達成する為のセットポイント調節は、炉とオペレータによる熟練の技のレベルとにより、数週間から数ヶ月かかることがある。炉設定時間が長ければ長い程、炉の生産力と不十分な製品の質と高い運転経費とにおける損失が大きくなる結果を生ずる。更に炉プルレートが、種々の理由（例えば、市場の需要における変化により）により変更を余儀なくされる場合には、全体の調節手順が繰り返される必要があり、そして新しいセットポイントが、酸素をブーストする点火及び空気−燃料点火の両方の為に改めて決定される必要がある。
【０００９】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、炉の生産性を増大させ、製品の質の改善を図り、ガラス製造のための低作動経費化を実現する炉の酸素ブースト制御システム及び方法を提供することにある。詳細には、適応コントローラにより、５０％以上（セットポイントに達するために）炉設定時間を短縮し、炉燃料或いは酸素供給中断の間の設定時間を短縮し、製品産出高と製品の質とを改善することを可能ならしめることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の製品加熱システムは、製品を加熱するのに有用なシステムであって、側壁及び内部スペースを有する炉と、炎を前記炉の前記内部スペースに向けるように配置された少なくとも１つの酸素燃料バーナと、前記少なくとも１つの酸素燃料バーナと流体連絡しているオキシダント源と、前記少なくとも１つの酸素燃料バーナと流体連絡している燃料源と、前記酸素燃料バーナと前記燃料源及びオキシダント源との間に配置され、前記少なくとも１つの酸素燃料バーナへのオキシダント及び燃料の流量を制御するように作動可能な第１のバルブセットと、炎を前記炉の前記内部スペースに向けるように配置された少なくとも１つのポートバーナと、前記少なくとも１つのポートバーナと流体連絡しているオキシダント源と、前記少なくとも１つのポートバーナと流体連絡している燃料源と、前記ポートバーナと前記燃料源及びオキシダント源との間に配置され、前記少なくとも１つのポートバーナへのオキシダント及び燃料の流量を制御するように作動可能な第２のバルブセットと、少なくとも１つの出力信号を発生する少なくとも１つの炉状態入力装置と、前記少なくとも１つの炉状態入力装置からの出力信号を受信するために前記少なくとも１つの炉状態入力装置と連絡するものであって、前記少なくとも１つの炉値のためのセットポイント値を有しており、前記出力値とセットポイント値との比較に基づいて少なくとも１つの制御信号を発生し、また、少なくとも１つの制御信号を、前記第１のバルブセットを通るオキシダント及び燃料の流動レートを設定する第１のバルブと酸素燃料バーナとに伝達するために前記第１のバルブセットと連絡しているコントローラと、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明の製品加熱システムでは、前記コントローラは、適応コントローラと、予測コントローラと、モデルフリーコントローラとからなる群から選択されることを特徴とする。
【００１２】
そして、本発明の製品加熱システムでは、前記少なくとも１つの炉状態入力装置が、前記炉の少なくとも１つの状態を検知するために配置された少なくとも１つのセンサを備えたことを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明の製品加熱システムでは、前記炉が頂部と底部とを有し、前記少なくとも１つのセンサが、前記炉の頂部における温度センサと、前記炉の底部における温度センサと、前記炉内部と流体連絡している圧力センサと、前記炉内部と流体連絡している排ガスセンサと、前記炉排出ガスの温度を検知するための温度センサとからなる群から選択されることを特徴とする。
【００１４】
そして、本発明の製品加熱システムでは、前記少なくとも１つの炉状態入力装置が、ガラスの質を表示するコントローラにデータを伝達するための入力装置を備えたことを特徴とする。
【００１５】
さらに、本発明の製品加熱システムでは、前記少なくとも１つの炉状態入力装置が、前記炉におけるバッチライン位置を表示するコントローラにデータを伝達するための入力装置を備えたことを特徴とする。
【００１６】
そして、本発明の製品加熱システムでは、前記少なくとも１つの状態入力装置が、炉プルレートを表示する前記コントローラにデータを伝達するための入力装置を備えたことを特徴とする。
【００１７】
さらに、本発明の製品加熱システムでは、前記少なくとも１つの制御信号が、第１の制御信号セットと第２の制御セットとを有しており、前記コントローラが、前記第１の制御信号セットを、前記第１のバルブセットを通るオキシダントと燃料との流動レートを設定する前記第１のバルブセットと前記酸素燃料バーナとに伝達するために前記第１のバルブセットと連絡し、前記第２の制御信号セットを、前記第２のバルブセットを通るオキシダントと燃料との流動レートを設定する前記第２のバブルセットと前記ポートバーナとに伝達するために前記第２のバルブセットと連絡していることを特徴とする。
【００１８】
そして、本発明の製品加熱システムでは、さらに、炎を前記炉内部スペースに向けるために配置される複数の酸素燃料バーナを備え、前記オキシダント源及び燃料源が前記複数の酸素燃料バーナと流体連絡し、前記第１のバルブセットが、前記複数の酸素燃料バーナと前記燃料源及びオキシダント源との間に配置され、前記複数の酸素燃料バーナへの前記オキシダントと燃料との流量を制御可能であることを特徴とする。
【００１９】
さらに、本発明の製品加熱システムでは、さらに、炎を前記炉内部スペースに向けるために配置される複数のポートバーナを備え、前記オキシダント源及び燃料源が前記複数のポートバーナと流体連絡し、前記第２のバルブセットが、前記複数のポートバーナと前記燃料源及びオキシダント源との間に配置され、前記複数のポートバーナへの前記オキシダントと燃料との流量を制御可能であることを特徴とする。
【００２０】
そして、本発明の製品加熱方法では、炉の酸素ブースト制御方法であって、負荷を加熱するために前記炉に向けて酸素燃料バーナを点火する工程と、負荷を加熱するために前記炉に向けて空気−燃料バーナを点火する工程と、炉プロセスパラメータを測定する工程と、前記測定されたプロセスパラメータをコントローラに入力する工程と、前記測定されたプロセスパラメータに基づき前記コントローラで、前記酸素バーナの点火と前記ポートバーナの点火との両方を制御する工程とを有することを特徴とする。
【００２１】
さらに、本発明の製品加熱方法では、前記制御する工程が、適応コントローラと、予測コントローラと、モデルフリーコントローラとからなる群から選択されるコントローラで制御されることを特徴とする。
【００２２】
そして、本発明の製品加熱方法では、前記プロセスパラメータが、頂部温度と、底部温度と、炉排ガス組成物と、炉排ガス温度と、処理された負荷の質と、耐熱性状態と、回生圧力と、炉圧力と、プルレートとからなる群から選択されることを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の目的、特徴、及び付随する利点については、添付の図面、及び本発明により構成される実施の形態により、当業者には自明となる。
【００２４】
図面を参照するにあたって、いくつかの図を通じて示される同一或いは対応する要素には、同一の参照符号を付している。
【００２５】
以下の説明において、用語「オキシダント(oxidant)」は、例えば、酸素、酸素濃縮空気、酸素濃縮（空気を含まない）ガス、空気、及びそれらの組合せの意を含んでいる。但し、これに限定されるものではない。
【００２６】
本発明は、酸素ブースト点火を制御する、好ましくは、更にフロート炉のような大型ガラス炉を含む炉において、空気−燃料バーナ点火、及び／又はハイブリッド酸素燃料バーナ点火、及び空気−燃料バーナ点火を制御するプロセス制御に関する。大型サイド点火回生式フロート炉は、生産量増加、ガラス質の改善、上部構造の温度の低下、大気中への排気物質の減少等を含む種々の理由で、酸素ブースト点火を採用している。酸素ブーストは、ドッグハウスと「ポート０」点火として周知である第１のポートとの間で行われることが好ましい。酸素をブーストすることの成功は、過去においては、経験を積んだ人間であるガラス炉オペレータによって起こされる機敏な変更に依存してきた。これらのオペレータの操作変更は、個々の空気−燃料バーナ点火レート及び分布における修正、炉の頂部及びガラス底部の為の温度プロフィルにおける変更、ガラスバッチライン位置における変更、及び所定のプルレートでガラス質を最も効果的にするための試みにおける酸素ブースト点火レベルの念入りな調節を含んでいる。
【００２７】
炉のバッチラインは、人が、溶融されたバッチ或いはガラスに溶融されていないバッチ（原料）の変遷を目視できる溶融室における物理的な位置である。一般的に外観が黒ずんでいるこのラインは、炉溶融室の全長に沿って移動し、溶融プロセスの程度を示している。本発明によるプロセス及び装置は、バッチラインから炉の１つの端部への間隔を短縮し、ガラスの炉における滞留時間を長し、精製を改善し、及び全体のガラスの質を改善することを可能にする。
【００２８】
既存の炉制御システムは、酸素ブーストプロセスを使用する間、様々なプルレートで、酸素点火と空気−燃料点火との両方を最適なレベルに自動的に調節するのには不適であった。本発明は、あらゆるプルレートでの操作を改善するため、酸素ブースト点火と空気−燃料点火との両方に必要な制御調節を予見するように適応コントローラを使用することで、従来システムにおけるこれらの短所の改善に取り組んでいる。適応コントローラは、入力変数として、様々な炉耐熱性温度及びガラス温度と、排ガス温度と、炉或いは回生チャンバ圧力と、ガラスレベルと、ガラスプルレートと、フィードフォワード入力としてガラス質数（１トン当たりの種子／石）とを使用し、そして酸素ブーストバーナに必要であり、且つ個々の空気−燃料ポートバーナの点火分布を最も効果的にするための制御調節を予め用意している。
【００２９】
本発明は、従来システムにおいて適切に取り組まれていなかった大型ガラス炉の酸素ブーストシステムを最も効果的にする操作に関連する上記の問題に取り組んでいる。本発明の適応コントローラは、「フィードフォワードモデル」から学習することが可能であり、そして酸素ブースト点火に委ねられる炉プロセスの新しい状態に対しても引き続き適応させることが可能である。
【００３０】
コントローラは、市販され入手可能な最新の種々のコントローラの中のいずれであってもよい。このコントローラとしては、適応コントローラ、予測コントローラ、「モデルフリー」適応コントローラ等でよい。一般に、適応制御システムは、それ自体の出力やレスポンスを変更プロセスに調節することが可能なフィードバック制御システムである。予測制御は、予測モデルと、時間間隔内の最適化プロセスと、その出力をプロセスに調節する為のフィードバック訂正とを採用している。「モデルフリー」適応コントローラは、プロセスの予め定められたモデルを含まず、その結果、コントローラが制御するべきプロセスの正確な知識を必要としない。このような「モデルフリー」適応コントローラは、早め同調を必要とせず、閉ループ構成で安定である。
【００３１】
前述のコントローラ製品の全ては、Ｒｉｃｈｍｏｎｄ，ＢＣ，Ｃａｎａｄａ（カナダ、ＢＣ、リッチモンド）のＵｎｉｖｅｒｓａｌ Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．，（更に、“Ｔｈｅ Ｃｏｎｃｅｐｔ ｉｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ（プロセス制御における概念）”，Ｂｒａｉｎｗａｖｅ ｂｕｌｌｅｔｉｎ，（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ，１９９９）を参照）から入手可能なＢｒａｉｎｗａｖｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ、Ｒａｎｃｈｏ Ｃｏｒｄｏｖａ，ＣＡ．（カリフォルニア、ランチョコルドバ）のＣｙｂｏｓｏｆｔ，Ｇｅｎｅｒａｌ Ｃｙｂｅｒｎａｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｐ，Ｉｎｃ．，（さらに、“Ｍｏｄｅｌ−ｆｒｅｅ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｐａｐｅｒｓ（モデルフリー適応制御アプリケーションペーパ）”，Ｃｙｂｏｓｏｆｔ，Ｖｏｌ．２，１９９８年４月を参照）から入手可能なＣｙｂｏＣｏｎ、Ｖｓｅｔｉｎ，Ｃｚｅｃｈ Ｒｅｐｕｂｌｉｃ（チェコスロヴァキア）のＧｌａｓｓ Ｓｅｒｖｉｃｅ，Ｉｎｃ．，から入手可能なＥｘｐｅｒｔ ＳｙｓｔｅｍＥＳＩＩ、Ｂｏｘｔｅｌ，Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ（オランダ）のＩＰＣＯＳ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂ．ｖ．，から入手可能なＩＮＣＡ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐａｃｋａｇｅ等の商標名で市販用として入手可能である。適切なコントローラ及び制御方法論のその他の例示は、米国特許第５，３３５，１６４号、米国特許第５，５１３，０９８号、及び米国特許第５，６８７，０７７号に記述されている。
【００３２】
コントローラは、制御されるべきプロセスを「観察する」ことによって、即ち、異なるプロセス信号が互いに関連する方法を表示するデータを受信することによって、それ自体の論理を生成し、そして修正する。これにより、コントローラが、プロセスを最も効果的にするために、プロセス反応を予測し、且つそれ自体を同調することを可能とする。適応コントローラは、自動プロセス制御の新しい世代であり、そして「Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ−Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ（比例積分微分）」（ＰＩＤ）−タイプのコントローラを含む従来の制御技術を越える特定の利点を呈している。ＰＩＤコントローラは、制約された非線形と時間変動とを有して、簡単なプロセスのために適切に作動することが周知であると同時に、ＰＩＤコントローラは、プロセスにおける変化が生ずる度毎に同調される必要がある。適応コントローラは、この欠点を持たず、その結果、炉制御の複雑性に最も適している。
【００３３】
特定の炉操作パラメータを適応コントローラに導入して、積分することによって、最適な酸素ブーストレベルおよび空気−燃料バーナ点火は、あらゆる特別のプルレートに対して従来の制御で達成可能なものよりも速く決定されることが可能である。その上、手動による（オペレータ）調節と関連する当て推量が削除され、そして炉セットポイントは、現在の方法と比べるとき、かなり短い時間の枠で達成される。
【００３４】
本発明によれば、所定の炉操作パラメータは、フィードフォワード入力として適応コントローラに使用される。そして、所定の炉プロセス変数は、制御プロセスにおいて制御入力を予想するのに使用される。適応コントローラは、コントローラのプロセス出力に基づいて、酸素ブーストバーナ、空気−燃料（或いは、ハイブリッド酸素燃料及び空気−燃料）バーナ（個々のポート点火レート及び分布）点火レート、或いは双方を調節する。本発明は、炉設定時間の短縮と、生産性の増大と、製品品質の改善と、操作費用の低価格とを達成することが可能である。
【００３５】
ここで、再度、図面に戻ると、図１は、本発明による炉システムの例示的な実施の形態を概略的に示している。この図１に示される実施の形態は、サイド点火回生式フラットガラスフロート炉１００を参照して記述されると共に、本発明は当業者には既に明らかな異なるタイプの炉にも関する。
【００３６】
炉１００は、全体として図３を参照して前述した炉１０に類似しており、ガラスＧが通過し、加熱される内部チャンバ或いはスペース１０２を備えている。底部表面１０４、上部或いは頂部１０６及び側壁（図１には図示せず）は、内部チャンバ１０２の境界を画定する。炉の１つの側面につき、少なくとも１つのポート、好ましくは複数のポート、より好ましくは５つから８つのポートが設けられ、内部チャンバ１０２に導く。各ポート１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、１１８は、区画及びその含有物を高い温度に加熱するために内部チャンバに向けられる少なくとも１つのバーナ、好ましくは複数のバーナ、より好ましくは２つ或いは３つのバーナ（図示せず）を収容するか、或いは備えている。当業者によって既に明らかにされているように、バーナは、同時に特別の負荷によって必要とされるように、例えば３０００゜Ｆ（１６４９゜Ｃ）か、或いはそれ以上の極めて高い温度に炉１００の内部を加熱することが可能である。ポート１０８−１１８のバーナは、本発明の範囲内で、予め定められた或いは制御された点火レート比、例えば５０：５０で作動する空気−燃料バーナ、ハイブリッド酸素燃料バーナ、及び空気−燃料バーナを含むあらゆるタイプのバーナでよい。
【００３７】
図３を参照して前述されたものと類似する方法において、炉１００は、注入壁と第１のポートとの間の「０」ポート部分における各側壁に少なくとも１つの酸素ブーストバーナ１２０を備えている。酸素ブーストバーナ１２０は、総炉点火能力の約５％と約３０％との間、好ましくは、約５％と約２０％との間を供給する。先に簡単に述べたように、酸素ブーストバーナ１２０を使用すると、正確に使用される場合、特定の利点及び利益を有することが可能である。酸素ブーストバーナから得られる熱の適切な利用性は、ガラスの質を維持しつつ、炉生産量レートを１０％まで増加することが可能である。ガラスの質について多数の異なる度量法があるが、ガラスの質の１つの度量法は、ガラス１トン当たりの種子の数、或いはガラス１トン当たりの石の数によって画定することが可能である。これらの数は、極めて低くあるべきである（略２−３の石／トン、及び略２０−４０の種子／トン）。
【００３８】
炉１２０には、炉の端から端までに配置される少なくとも１つの、好ましくは複数の温度センサ１２２が設けられ、これらの位置で炉の温度を測定する。図１に示されるように、少なくとも１つの、好ましくは複数の温度センサ１２２_Ｂ．ｉは、炉の底部１０４に配置され、内部チャンバ１０２の全長の部分に沿う材料の温度を検知する。少なくとも１つの温度センサ１２２_Ｃ，ｊ、好ましくは複数の温度センサ１２２_Ｃ，ｊは、炉の最も高い位置であると推定される所に配置されている。図１に示される実施形態において、温度センサ１２２_Ｃ，ｊは、炉の頂部に配置され、その全長に沿う頂部の温度を検知する。追加の温度センサが、さらに、設けられ、少なくとも第１のポート（１２２_Ｅ，１）における、さらに、任意に、炉の下流側部分（１２２_Ｂ，Ｃ）における排気温度を検知する。先の記述においては、変数「ｉ」、「ｊ」が使用され、各グループにおいてそれぞれ１からＮの温度センサ１２２、及び１からＭの温度センサ１２２があることを表示するのに使用されている。Ｎ及びＭのための値は、整数であるように選択されることが可能である。当業者によって既に明らかにされているように、そして、下記により詳細に記述されるように、Ｎ及びＭの大きな値は、炉の操作についての更に多数のデータを供給すると同時に、それは、このデータを処理するために一層効果的なコンピュータ処理能力を必要とする。したがって、センサの数は、プロセス制御反応速度とプロセス制御精度との間を比較検討するために選択される。
【００３９】
流体流動ライン１２４の１つの管束は、酸素ブーストバーナ１２０をオキシダント源１３６と燃料源１３８とに連結している。流体流動ライン１２６_ｋの１つの管束は、ポート１０８、１１０、１１２、１１４、１１６、１１８のバーナをオキシダント源１４０と燃料源１４２（「ｋ」は、炉１００のポートの数を表示する）とに連結している。１組のバルブ及びコントローラ１２８は、ラインの管束１２４を通る流体の流量を制御し、１組のバルブ及びコントローラ１３０は、ラインの管束１２６_ｋを通る流体の流量を制御する。当業者によって既に明らかにされているように、バルブセット１２８、１３０を通る流体（オキシダント及び燃料）の流量が、ポートのバーナの点火レートを決定する。従って、炉の所定のプルレート（材料流動レート）に対して、バルブセット１２８，１３０が、炉内及び材料の温度プロフィルを決定する。
【００４０】
入力装置１３２は、ここに記述される温度センサ（１２２_Ｂ，ｉ、１２２_Ｃ，ｊ、１２２_Ｅ，１、１２２_Ｂ，Ｃ、等）のそれぞれ、及び以下で詳述される任意に追加のセンサと連絡し、そしてそのセンセの位置における温度を表示するデータ信号をそれぞれから受ける。その上、入力装置は、キーボード、データポート等をも含み、それらによって、他のプロセス入力及び出力データが、入力装置に入力されることを可能としている。これらプロセスデータは、限定されるものではないが、炉によって産出される材料の質（ガラス溶融炉のための石／トン及び種子／トン）を表わすデータと、プルレート（例えばトン数／１日）と、炉ガス放出（例えば、Ｎｏ_Ｘ、ＣＯ、ＣＯ_２、ＳＯ_Ｘ等）と、排気筒、炉及び／又は回生チャンバ圧力で測定される温度と、ガラスレベルを含むことも可能である。
【００４１】
入力装置１３２は、入力装置に入力されるサブセット或いは全てのデータを組み立てるように、及びこのデータをマルチモデル適応コントローラ１３４に連絡するように構成されるロジックを含んでいる。コントローラ１３４は、バルブ及びコントローラセット１２８、１３０と制御連絡し、そして、酸素ブーストバーナ（Ｆ_０）への、及び炉１００のポート（Ｆ_１−Ｆ_ｋ）バーナのそれぞれへのオキシダントと燃料との流動レートを制御する。従って、コントローラ１３４は、炉及び炉内で処理される材料の温度プロフィルを制御する。コントローラ１３４は、前述の米国特許に記述されるこれらのうち、特に上述のものを含み、市販で入手可能な適応コントローラ、予測コントローラ及び／又は「モデルフリー」コントローラ等でよい。
【００４２】
コントローラ１３４は、モニタに備えられ、そして、酸素ブースト材料加熱プロセス、たとえば、ガラス溶融プロセスを制御する。コントローラのレスポンスは、頂部温度（Ｔ_Ｃ，ｊ）及びガラス底部温度（Ｔ_Ｂ，ｊ）等のプロセス信号（セットポイント）が、酸素ブースト点火レート（Ｆ_０）或いは空気−燃料点火レート（Ｆ_ｋ）に関連する方法を観察することによって作られる。
【００４３】
コントローラ１３４は、酸素ブーストバーナ及び空気−燃料バーナの両方のために流量制御バルブ設定における所望の変化を開始するために、そのプロセス反応信号をバルブ及びコントローラセット１２８，１３０に、或いは任意にＰＩＤコントローラ等の既存の炉制御システム（図示せず）に送る。
【００４４】
ガラス炉は、例えば、一般的に各炉に特有である予め定められた頂部温度プロフィルとガラス底部温度プロフィルとに基づいて作動する。人間であるオペレータは、様々なプルレートで適切なガラス質を得るために、これらの温度プロフィルを維持することを試みる。図２において、炉頂部のための代表的な温度プロフィルがフロート炉のために示され、横座標は、炉の全長に沿う温度の位置を表示している。図２に示される例示において、参照（酸素をブーストしない）温度及び酸素をブーストする温度が、同一のプルレートについて比較される。注入領域において僅かに高い頂部温度は、より良質なバッチつや出し加工と、混合とを可能とし、そして、ガラス組成物の一層均質溶融を結果として生ずる。結果として生ずるガラス質は、ガラス１トン当たりの種子及び石の数の両方において改善された。
【００４５】
コントローラ１３４は、炉によって行われる加熱プロセスを最も効果的なものにする。コントローラは、そのうえ、異なるロジカルブロックの重みを調節するために、プロセスからそれ自体のモデルを組み立て、或いは「モデルフリー」コントローラのため組み立てることが可能である。一次プロセス及びコントローラを「訓練する」のに使用できる他のフィードフォワードモデルは、炉操作のいくつかのモデルのいずれであってもよい。従って、特定の例示について下記に述べられるので、本発明が、炉プロセスを制御するために適応コントローラを訓練するのに使用されることが可能なあらゆる上述のプロセスに関連していることが理解される。
【００４６】
一次プロセスは、炉操作の最終結果に影響を及ぼすプロセスである。一次プロセスは、限定されるものではないが、酸素ブースト点火レート及び／又は空気−燃料点火レートにおける変更からのガラスのプルレートとガラスの質とにおける変化を含んでいる。従って、酸素ブースト点火レート変更および／または個々の空気−燃料点火レート変更の間におけるプロセスの変化（プルレート、ガラスの質）を監視することにより、コントローラが、プロセスの変化を表示するデータがコントローラに逆戻りして入力されるとき、一次プロセスを学習することを可能とする。したがって、プロセスの変化増分は、極めて小さくなり、さらに、システムの雑音より大きく、ガラスの質に関してほぼ±１（種子、石）であり、点火レートに関してほぼ±０．５％であり得る。コントローラは、次に、学習した一次プロセスを使用し、システム入力（バーナ点火レート）における変化へのプロセス反応について正確な予想をする。当業者によって既に明らかにされているように、ガラスのプルレートと質とにおける変化が、常に更新されるとき、コントローラは、それがシステムの変化に反応する方法を常に更新することが可能である。その結果、酸素ブーストプロセスのための代表的なモデル組み立て時間は、ガラス質の最適化のために５日から６日、そしてプルレート増加のために３日から４日ほどに短くなる。
【００４７】
いくつかのフィードフォワードモデルは、更にコントローラ１３４を微同調するのにも使用可能である。従って、一次炉プロセスを「学習する」、即ち酸素ブーストバーナレート及び空気／燃料バーナレートで、炉プルレートと質との間の相関、マッピング、１つ或いは複数の関数を確立するコントローラのプロセスが、一般システムパラメータに適合するコントローラに焦点を合わせられるのに対して、フィードフォワードモデルは、一次プロセスに加えて、炉プロセスの予測値あるいは変数として使用されることが可能な追加のプロセスパラメータを供給する。一次プロセスを学習することで、コントローラがプロセスの一般アウトラインを決定可能とするのに対して、フィードフォワードモデルは、コントローラがデータを受けて、その結果として、プロセスが処理する方法を表示する炉プロセスにおける非常に多くの複雑な関係について学習可能とする。これにより、コントローラが、次に入力が変更されなかった場合、炉の予測された状態に基づくバーナ流動レートのプロセス入力を調節可能とする。フィードフォワードモデルの下記の例示は、当業者に既に明らかであるように、本発明によって包含される多数のモデルを単に示している。各フィードフォワードモデルは、酸素ブースト及び空気−燃料バーナ点火を０に合わせるか、或いは１つを一定に維持することによって、炉プロセスに摂動を起こさせるようにもう１つを変化することにで、そして、様々な測定されたプロセス変数をコントローラに入力することで、コントローラの論理を開発するのに使用されることが可能である。学習プロセスは、次に、繰り返されることが可能であり、酸素ブースト及び空気−燃料バーナ点火のもう１つが、０に合わせられるか、一定に維持されるかである。
【００４８】
（１）頂部温度：センサ１２２_Ｃ，ｊなどの温度センサによって測定されるような炉頂部温度は、コントローラ１３４による酸素ブースト点火レートおよび／または空気−燃料点火レートと関連するフィードフォワード入力として使用されることが可能である。空気−燃料点火だけを使用する頂部温度プロフィルは、スタートポイントして使用される。酸素ブーストレベルの変化での頂部温度プロフィルにおける変化の１つあるいは複数の効果は、次に、相関され、そして、コントローラによって、それ自体の制御論理に組み込まれる。したがって、酸素ブーストレベルおよび空気−燃料点火は、回生最大温度を越えることなく制御されることが可能である。
【００４９】
（２）ガラス底部温度：センサ１２２_Ｂ，ｊなどの温度センサによって測定されるようなガラス底部温度は、フィードフォワード入力として、また頂部温度の使用に類似する方法で使用されることが可能である。ガラス底部温度の酸素ブースト点火レートおよび空気−燃料点火レートを変化する１つあるいは複数の効果は、次に、相関され、そして、コントローラによって、それ自体の制御論理に組み込まれる。ガラス底部温度プロフィルは、一般に、ガラス均質化プロセスおよび溶融室内の再循環ループを表示するとき、コントローラ論理へのガラス底部温度入力の効果の組み込みは、様々なプルレートで良質なガラスを得ることを促進することが可能である。
【００５０】
（３）放出：炉の放出（ＮＯ_Ｘ、ＣＯ、Ｏ_２、ＣＯ_２、ＳＯ_Ｘ）は、さらに、フィードフォワード入力として使用されることが可能である。酸素ブーストレベルの変化での炉放出における変化の１つあるいは複数の効果は、次に、相関され、そして、コントローラによって、それ自体の制御論理に組み込まれる。ＮＯ_Ｘ放出は、一般に、管理組織体によって規制されるとき、コントローラ論理への放出データの組み込みは、ガラスメーカーを含み炉オペレータのために放出フィードフォワードモデルを極めて重要とし、そして、最適化されたＮＯ_Ｘレベルは、本発明を使用して、所定のプルレートのため酸素ブーストプロセスの間に達成されることが可能である。
【００５１】
（４）排ガス温度：様々なポートを通過する排ガスの温度は、フィードフォワード入力として使用されることが可能である。酸素ブーストレベル（特に、ポート１の排ガス温度Ｔ_Ｅ，ｌ）と排ガス温度の空気−燃料点火レートとを変化する１つあるいは複数の効果は、相関され、そして、コントローラによって、それ自体の制御論理に組み込まれる。ポート１の排ガス温度は、特に、酸素ブーストバーナによって達成される酸素ブースト点火のレベルを表示する。したがって、コントローラ１３４の論理におけるこの温度の効果を含むことによって、回生器の耐熱性温度は、所定のプルレートのために安全に維持されることが可能である。
【００５２】
（５）ガラス特性：いくつかの別のガラス特性（還元、酸化、粘性、色など）は、フィードフォワード入力として使用されることが可能である。光学センサおよび方法を含むこれら特性のため正常所在のセンサからの出力は、コントローラ１３４に入力されて、そしてそれらの効果は、コントローラ１３４の論理に組み込まれる。したがって、コントローラ１３４は、特有のガラス特性を達成するために、酸素ブースト点火レベルと空気−燃料点火レートを制御することが可能である。
【００５３】
（６）バッチライン：ガラスバッチラインのガラス炉内の物理的位置は、市場で入手可能なＣＣＤカメラによって確かめられることが可能であり、そしてフィードフォワード入力として使用されることが可能である。酸素ブースおよび空気−燃料点火は、様々なプルレートで炉内のバッチラインの位置を維持するために制御される。酸素ブーストシステムが使用されるときバッチライン位置は、バッチ材料のための一層速い事前溶融／つや出し加工プロセスにより、注入壁に近接していることは周知であるので、コントローラ１３４へのバッチライン情報の入力は、コントローラが酸素ブーストバーナ点火レートおよび空気−燃料バーナ点火レートで製品特性をもたらすことを可能とする。
【００５４】
（７）耐熱性特性：炉の耐火材（たとえば、熱伝導性、厚さなど）の物理的特性は、温度センサなどによって測定されるとき、フィードフォワード入力として使用されることが可能である。酸素ブーストおよび空気−燃料点火は、時間の関数としてほぼ一定であり、あるいは極めて少ない変化を有して炉耐火材の特性を維持するために制御される。そのうえ、酸素燃料点火から腐食結果を減少するために、ほぼ一定に耐熱性特性を維持することは有益である。
【００５５】
（８）回生器あるいは炉圧力：それぞれ個々の回生チャンバにおける圧力および／または総炉圧力は、圧力変換器でこれらの圧力値を測定することによって、かつコントローラ１３４にそれらの出力を前方に供給することによって、フィードフォワード入力として使用されることが可能である。酸素ブースト点火は、一般に、総排気筒ガスにおける（特にポート１の回生チャンバにおける）減少により、特に、注入部における平均炉圧力を減圧する。この減圧は、燃焼ガスにおける窒素の排出に帰することが可能である。一般に、ポート０における酸素ブースト燃焼の導入後、いくつかのポートにおいて、減少された空気流動レートおよび回生チャンバの増加された空気予熱レベルを維持するために、回生器燃焼空気入口ダンパを閉鎖することは利点である。最適な炉および回生チャンバ圧力管理が、炉の熱効率と、さらに、ガラス質とをかなり改善することが可能である。
【００５６】
オキシダント源１３６、１４０は、大量液体貯蔵、低温ＡＳＵ（空気分離ユニット）、ＰＳＡ（圧力スイング吸着）、ＶＳＡ（真空スイング吸着）、ＴＳＡ（熱スイング吸着）などを含むいくつかのタイプの源のいずれかでよい。バーナへのオキシダントの使用可能性が点火レート、その結果、全体的な炉操作をもたらすので、源１３６、１４０のそれぞれには、任意に、オキシダントレベルセンサ１４４、１４６がそれぞれに設けられることが可能である。オキシダントレベルセンサは、源１３６、１４０におけるオキシダントのレベルを表示する信号を発生するか、あるいはオキシダント源におけるオキシダントレベルが、予め定められたレベル以下に低下するとき、任意に、信号を発生する。オキシダントレベルセンサ信号は、他の入力と一緒に入力装置１３２に入力されることが可能であり、図面において破線で示されるように、バーナの操作を制御するために、コントローラ１３４によって使用されることが可能である。
【００５７】
燃料源１３８、１４２には、さらに、燃料、たとえば、ガス炭化水素燃料の発熱量を測定するセンサ１４８、１５０が設けられることが可能である。変異性がバーナ点火レートをもたらす特別燃料源のために、燃料の発熱量のインデックスであるＷｏｂｂｅ数字における変異性があり得るので、センサ１４８、１５０の出力は、さらに、入力装置１３２に入力されて、図面において破線で示されるように、バーナの操作を制御するためにコントローラ１３４によって使用されることが可能である。
【００５８】
要約すると、本発明はいくつかの態様を有している。本発明は、フロートガラス炉などの大型炉における酸素ブーストシステムを最も効果的にするための方法論に関している。本発明は、さらに、所望のガラスのプルレート増加、あるいは同一プルレートの持続、所望のガラス質（たとえば、１トン当たりの種子および石における）を達成するために酸素ブーストおよび空気−燃料点火分布とレートとを実行することと、安全限界以下に耐熱性温度を維持することと、要求されたレベル以下に放出（ＮＯ_Ｘ、ＳＯ_Ｘ、ＣＯ、Ｏ_２、ＣＯおよびＣＯ_２）を維持すること、最適な燃焼空気流動および空気予熱レベルのために最適な回生チャンバおよび炉圧力を維持することとに関している。
【００５９】
本発明は、さらに、大型炉における酸素をブーストするための適応制御システムを実施することに関している。ここでは、コントローラは、酸素をブーストすることで様々なプロセスパラメータ（プルレート、ガラスの質、温度、放出など）の効果を学習し、最も効果的にし、および／または予測することが可能である。酸素ブーストおよび個々の空気−燃料点火のレベルは、様々な一次およびフィードフォワードモデルを使用して最も効果的にされることが可能である。コントローラは、ガラスプルレートあるいはガラスの質が、酸素をブーストすることおよび／または個々の空気燃料点火レートのレベルと相関されることが可能である一次プロセスを学習することが可能である。そのうえ、炉頂部温度、ガラス底部温度、排ガス温度、放出（ＮＯＸ、Ｏ_２、ＣＯ、ＣＯ_２およびＳＯＸ）、回生チャンバ圧力、ガラス特性、耐熱性特性などに基づくいくつかのフィードフォワードモデルは、酸素をブーストすることおよび個々の空気−燃料点火レートのレベルと相関されることが可能である。コントローラによるこの学習プロセスは、さらに、酸素ブーストを有する、および有さない炉を運転することによって、１つ以上の一次およびフィードフォワードモデルの開発を含むことが可能である。
【００６０】
本発明によって達成されることが利点は、炉生産性の増大と、ガラスの質の改善（種子と石の数において）と、ガラス製造のための低作動経費とを含んでいる。適応コントローラは、５０％以上だけ（セットポイントに達するために）炉設定時間を短縮し、炉燃料或いは酸素供給中断の間の設定時間を短縮し、製品産出高と製品の質とを改善可能である。但し、これに限定されるものではない。
【００６１】
本発明は、好ましい実施形態を参照として詳細に記述されてきたとはいえ、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が行われ、同等物が使用されることが可能であることは当業者には明らかである。前述の米国特許及び他の文献のそれぞれは、参照され、組み込まれる。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によれば、炉の生産性を増大させ、製品の質の改善を図り、ガラス製造のための低作動経費化を実現する製品加熱システム及び方法を提供することができる。より詳細には、本発明によれば、適応コントローラにより、炉設定時間を短縮し、炉燃料或いは酸素供給中断の間の設定時間を短縮し、製品産出高と製品の質とを改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による炉の例示的な実施形態の断面立面図である。
【図２】本発明による炉の頂部温度のプロフィルのグラフである。
【図３】従来技術に係る炉の構造を示す図である。
【符号の説明】
１００ サイド点火回生式フラットガラスフロート炉
１０２ スペース
１０４ 底部表面
１０６ 頂部
１０８ ポート
１１０ ポート
１１２ ポート
１１４ ポート
１１６ ポート
１１８ ポート
１２０ 酸素ブーストバーナ
１２２ 温度センサ
１２４ 流体流動ライン
１２６ 流体流動ライン
１２８ バルブセット
１３０ コントローラ
１３２ 入力装置
１３４ マルチモデル適応コントローラ
１３６ オキシダント源
１３８ 燃料源
１４０ オキシダント源
１４２ 燃料源
１４４ センサ
１４６ センサ
１４８ センサ
１５０ センサ

Claims (9)

1. 炉の作動を制御する方法であって、
   負荷を加熱するために前記炉に向けて酸素燃料バーナを点火する工程と、
   負荷を加熱するために前記炉に向けて空気−燃料バーナを点火する工程と、
   炉プロセスパラメータを測定する工程と、
   前記測定されたプロセスパラメータをモデルフリーコントローラに入力する工程と、
   前記測定されたプロセスパラメータに基づき前記コントローラで、前記酸素バーナの点火と前記空気−燃料バーナの点火との両方を制御する工程と、を有することを特徴とする製品加熱方法。
2. 前記プロセスパラメータが、ガラスが炉内に配置されたときの、頂部温度と、底部温度と、炉排ガス組成物と、炉排ガス温度と、処理された負荷の質と、耐熱性状態と、回生圧力と、炉圧力と、プルレートとからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の製品加熱方法。
3. 製品を加熱するのに有用なシステムであって、
   側壁及び内部スペースを有する炉と、
   炎を前記炉の前記内部スペースに向けるように配置された少なくとも１つの酸素燃料バーナと、
   酸素、酸素濃縮ガス、又はそれらの組み合わせから成り、前記少なくとも１つの酸素燃料バーナと流体連絡しているオキシダント源と、
   前記少なくとも１つの酸素燃料バーナと流体連絡している燃料源と、
   前記酸素燃料バーナと前記燃料源及びオキシダント源との間に配置され、前記少なくとも１つの酸素燃料バーナへのオキシダント及び燃料の流量を制御するように作動可能な第１のバルブセットと、
   炎を前記炉の前記内部スペースに向けるように配置された少なくとも１つの空気−燃料バーナと、
   前記少なくとも１つの空気−燃料バーナと流体連絡している空気源と、
   前記少なくとも１つの空気−燃料バーナと流体連絡している燃料源と、
   前記空気−燃料バーナと前記燃料源及び空気源との間に配置され、前記少なくとも１つの空気−燃料バーナへの空気及び燃料の流量を制御するように作動可能な第２のバルブセットと、
   少なくとも１つの出力信号を発生する少なくとも１つの炉状態入力装置と、
   前記少なくとも１つの炉状態入力装置からの出力信号を受信するために前記少なくとも１つの炉状態入力装置と連絡するものであって、前記少なくとも１つの炉値のためのセットポイント値を有しており、入力値とセットポイント値との比較に基づいて少なくとも１つの制御信号を発生し、また、少なくとも１つの制御信号を、前記第１のバルブセットを通るオキシダント及び燃料の流動レートを設定する第１のバルブと酸素燃料バーナとに伝達するために前記第１のバルブセットと連絡し、さらに、少なくとも１つの制御信号を、前記第２のバルブセットを通る空気及び燃料の流動レートを設定する第２のバルブと空気−燃料バーナとに伝達するために前記第２のバルブセットと連絡しているモデルフリーコントローラと、を備えたことを特徴とする製品加熱システム。
4. 前記少なくとも１つの炉状態入力装置が、前記炉の少なくとも１つの状態を検知するために配置された少なくとも１つのセンサを備えたことを特徴とする請求項３に記載の製品加熱システム。
5. 前記炉が頂部と底部とを有し、前記少なくとも１つのセンサが、前記炉の頂部における温度センサと、前記炉の底部における温度センサと、前記炉内部と流体連絡している圧力センサと、前記炉内部と流体連絡している排ガスセンサと、前記炉排出ガスの温度を検知するための温度センサとからなる群から選択される、ことを特徴とする請求項４に記載の製品加熱システム。
6. 前記少なくとも１つの炉状態入力装置が、ガラスが炉内に配置されたとき、ガラスの質を表示するコントローラにデータを伝達するために用いられる入力装置を備えたことを特徴とする請求項２に記載の製品加熱システム。
7. 前記少なくとも１つの炉状態入力装置が、ガラスが炉内に配置されたとき、前記炉におけるバッチライン位置を表示するコントローラにデータを伝達するために用いられる入力装置を備えたことを特徴とする請求項２に記載の製品加熱システム。
8. 前記少なくとも１つの状態入力装置が、炉プルレートを表示する前記コントローラにデータを伝達するために用いられる入力装置を備えたことを特徴とする請求項２に記載の製品加熱システム。
9. 前記少なくとも１つの制御信号が、第１の制御信号セットと第２の制御セットとを有しており、前記コントローラが、前記第１の制御信号セットを、前記第１のバルブセットを通るオキシダントと燃料との流動レートを設定する前記第１のバルブセットと前記酸素燃料バーナとに伝達するために前記第１のバルブセットと連絡し、前記第２の制御信号セットを、前記第２のバルブセットを通るオキシダントと燃料との流動レートを設定する前記第２のバブルセットと前記ポートバーナとに伝達するために前記第２のバルブセットと連絡している、ことを特徴とする請求項３に記載の製品加熱システム。

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