3 控制理論

       電熔爐是一個三種不同物理場形成的綜合體（這里沒有計入窯爐的耐火材料結構），不同的三個物理場間的耦合作用和干擾作用形成復雜變化的玻璃流場、能量分布和能量流的能量場。

       正確分析這種變動的物理耦合場的特性和把它的優(yōu)化用于玻璃熔化控制技術是現(xiàn)代玻璃熔窯優(yōu)化設計和生產(chǎn)的理論實踐基礎。

3.1 物理場

三種主要物理場：

（1）由電極導入熔窯場的電場。

（2）熔化玻璃的熱力場。

（3）由加料口進入熔窯的配合料的正在熔化物料和熔化玻璃混合物場。

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。

（2）窯爐周邊爐渣和底部結構的溫度場。

窯爐熱熔化玻璃的流動：

（1）由于出料口流量產(chǎn)生的玻璃流動。

（2）熔窯內(nèi)由于電/熱耦合造成的玻璃流動。

3.2 三種物理場的耦合關系

（1）玻璃和電極的耦合電場

      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對整個電場產(chǎn)生影響。首先是電場內(nèi)電極間的相互感應作用，二是對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

       熔爐內(nèi)玻璃的溫度不同，化學成分不同，玻璃密度不同，運動速度和方向也各不相同。顯然導電率也不相同，所有這個物理場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

       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液/固混合體，其物理特性也是隨時間和地點發(fā)生變化的復雜的非線性物理場。

      目前，尚未見到對這樣高溫、帶電的玻璃流物理場詳細的描述和控制技術的論述，但是已經(jīng)有比較廣泛的應用有限元素法來初步描述多物理場之間的耦合理論，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分析技術。

3.3 三種玻璃控制模式

（1）優(yōu)化設計電熔爐設置和升溫程序

     全電窯爐的正常優(yōu)化的功率分布取決于3個條件：

    1）配合料可以在足夠高的溫度下完成充分化學反應形成合格玻璃。

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

    3）要求配合料在熔窯中滯留在盡量短的時間內(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。這是一個優(yōu)化過程，不是一個簡單的電加熱過程，要求對所有電極的功率提升有合理的時間/功率（T/P曲線）程序，縮短熔爐點火時間和運行調節(jié)時間。

       因此，在熔爐設計時要以優(yōu)化的點火升溫程序進行設計分析。例如：確定各不同點位處的電極插入玻璃深度，插入過程直至最終深度，此時窯爐會生產(chǎn)出大流量的合格玻璃。這是一個優(yōu)化設計。優(yōu)化設計過程的基礎就是對熔窯的三大物理場的反復迭代設計的過程。

（2）優(yōu)化處理生產(chǎn)過程中的變動，達到優(yōu)化恢復生產(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，甚至導致整個供電分區(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)技術恢復到正常過程，包括控制軟件，只是簡單地把電極換成新電極或補充電極，然后把復原的電極或整個加載區(qū)電極的功率重新加到設計指標，然后緩慢地等待熔窯恢復到合理狀態(tài)，這個過程少則1~2天，多則3天以上。

        由于故障發(fā)生后，整個熔爐的電場和熱力場、玻璃流場會因此發(fā)生相應改變，形成新的玻璃物理場。僅僅采取重新恢復修復電極并重新加載的方法是不合理的。因為重新簡單加載是使已經(jīng)因故障而改變形成的玻璃場又一次由于重新恢復加載而發(fā)生變化，這種變化不會立即恢復形成原來運行合理的玻璃物理場。整個需要新加載的電極功率而改變后的玻璃物理場需要多次相互干擾耦合的迭代，直到回到原來的合理設計的玻璃場。而這個過程耗費額外的電功、原材料、時間，則降低了成品率和增加了能耗。

       加速這個恢復過程，縮短恢復調整時間，有效的辦法是根據(jù)玻璃場的三個物理場的分析，采取合理的重新加載的程序，同步對所有涉及的電極調整電載荷的直接合理的操作程序。這個過程首先對故障電極周邊的物理場進行分析，了解重新恢復加載電功率過程中的整個玻璃電場和熱力場的變化過程，確定相關電極間的耦合關系，設計和確定所有相關電極電功率的調整量，同步按符合電極的耦合載荷情況，恢復到原設計的物理場。這種恢復程序不僅對排除故障有效，而且在整個窯爐生產(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)玻璃工程設計院和窯爐設計單位的簡單的控制理論需要改進的方面，并設計新的有效的控制程序。采用多物理場耦合控制技術不僅加速了調節(jié)過程，并且提高了玻璃合格率，降低了能耗。這已經(jīng)被實踐證明。