確定爐子升壓電源的尺寸-從電網(wǎng)到玻璃

對(duì)于玻璃制造商來說，混合爐設(shè)計(jì)似乎是一個(gè)明智的選擇，可以通過遠(yuǎn)離化石燃料來開始減少二氧化碳排放量，RenéMeuleman討論了在擴(kuò)大電力供應(yīng)時(shí)應(yīng)考慮的因素以及為什么合作是必要的。

無論熔爐設(shè)計(jì)在不久的將來會(huì)以何種方式發(fā)生變化，顯然相關(guān)的工藝和電源控制系統(tǒng)也需要適應(yīng)以最大效率運(yùn)行更復(fù)雜的玻璃熔化和調(diào)節(jié)系統(tǒng)。自從1933年引進(jìn)PID控制器，1956年引進(jìn)早期的SCR（可控硅整流器）控制電源，1959年引進(jìn)第一套DCS系統(tǒng)以來，沒有任何改變游戲規(guī)則的發(fā)展演變成爐子、精煉廠和前爐的控制方式。

當(dāng)然，過程控制系統(tǒng)已經(jīng)變得更加強(qiáng)大、穩(wěn)定和可靠，能夠存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)和運(yùn)行復(fù)雜的模型預(yù)測(cè)控制策略，但它們與操作員的交互方式并沒有太大改變。對(duì)于可控硅控制的電力系統(tǒng)也可以說是類似的，盡管它們已經(jīng)變得數(shù)字控制，更加精確，并且配備了諸如自動(dòng)變壓器負(fù)載抽頭切換（LTC）和預(yù)測(cè)負(fù)載管理（PLM）電源管理策略等復(fù)雜功能，但基本的控制方法仍然是相同的。

自從再生器和氧燃料被引入以來，熔爐的設(shè)計(jì)，特別是那些用于商品玻璃熔化的設(shè)計(jì)，也沒有太大的進(jìn)步。但現(xiàn)在，該行業(yè)需要進(jìn)入一個(gè)新的玻璃熔化時(shí)代，首先是玻璃容器制造商，他們需要跟上客戶和政府的要求，大幅降低二氧化碳排放量，通常是在給定的時(shí)間范圍內(nèi)。

許多減少玻璃制造業(yè)碳足跡的方案正在研究和開發(fā)中，但其中一些已經(jīng)存在多年。例如，電熔被認(rèn)為是一種新的方法，但它是一種經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)，已經(jīng)存在了很長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)樵偕鸂t和電能的可用性。然而，氫燃燒仍然需要更多的研究來成為一種可行的綠色技術(shù)，人們對(duì)其未來的可用性和價(jià)格表示擔(dān)憂。

今天，減少二氧化碳排放的最明智的方法似乎是增加電熔化能源的使用，同時(shí)在氧氣燃料配置中使用一些額外的天然氣（NG）；一種所謂的“混合爐”設(shè)計(jì)。本文將重點(diǎn)介紹圍繞這類設(shè)計(jì)的實(shí)用程序，因?yàn)樘烊粴庠诤笃诳赡軙?huì)被氫氧燃燒所取代。

從網(wǎng)格

假設(shè)混合爐80%的熔化能量必須來自電力，也許最重要的一點(diǎn)是，電力含量需要從傳統(tǒng)的2MW增加到如今典型的電力增壓系統(tǒng)，達(dá)到12MW及以上。前爐加熱系統(tǒng)很可能也會(huì)變?yōu)殡娏ο到y(tǒng)，因此，一個(gè)普通的玻璃容器加熱爐裝置需要具有15MW或更大的裝機(jī)電力容量。

大多數(shù)現(xiàn)有廠址至少有兩個(gè)爐子在運(yùn)行，而單爐綠地廠址由于間接費(fèi)用似乎在商業(yè)上沒有吸引力。由此產(chǎn)生的額外30至50兆瓦的電力將需要安裝或提供在現(xiàn)有的網(wǎng)站，使移動(dòng)遠(yuǎn)離化石燃料。

并不是所有的站點(diǎn)都有那么多的可用電力，可能會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的容量產(chǎn)生擔(dān)憂。其他考慮因素包括是否有足夠的綠色證書來覆蓋電力消耗，以及未來如何制定千瓦時(shí)價(jià)格和排放罰款。施耐德電氣的Eurotherm提供能源和可持續(xù)發(fā)展服務(wù)（ESS），幫助回答這些問題，幫助玻璃制造商做出正確的決策。

對(duì)著玻璃

在傳統(tǒng)的蓄熱式加熱爐中，需要一些額外的電增壓，增壓系統(tǒng)已經(jīng)需要高效。但在設(shè)想的混合爐設(shè)計(jì)中，它將成為主要能源，這將對(duì)運(yùn)營(yíng)成本產(chǎn)生重大影響。從物理尺寸的角度來看，傳統(tǒng)的2MW爐增壓系統(tǒng)相對(duì)容易管理。當(dāng)然，12MW版本的規(guī)模要大得多。但是，尺寸不應(yīng)妨礙電氣元件的定位靈活性。在這方面，施耐德電氣的Eurotherm歷史設(shè)計(jì)策略構(gòu)建一個(gè)完全無油的電氣系統(tǒng)是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，特別是如果額定功率增加，立法和保險(xiǎn)問題變得更加嚴(yán)格。

與傳統(tǒng)的變壓器不同，想象一下，為了保持電力母線或電纜的低損耗，九個(gè)充油的可變變壓器靠近熔爐。Eurotherm設(shè)計(jì)采用水冷式SCR/變壓器供電，能夠在當(dāng)?shù)貤l件允許的情況下盡可能靠近相應(yīng)的電極。該設(shè)計(jì)還將進(jìn)線的三相電網(wǎng)分為單相供電單元，每個(gè)單相系統(tǒng)采用自動(dòng)負(fù)荷分接技術(shù)。

目前，Eurotherm正與領(lǐng)先的熔爐供應(yīng)商合作，研究最佳的電極燃燒布局，因?yàn)榭紤]所有相關(guān)熔爐設(shè)備設(shè)計(jì)師的挑戰(zhàn)和目標(biāo)非常重要，包括電力效率和資本支出考慮。從電力供應(yīng)的角度來看，Eurotherm可以為三相系統(tǒng)（開放三角洲）提供控制，也可以為兩相系統(tǒng)（使用Scott-T變壓器）甚至單相系統(tǒng)（使用三相到單相轉(zhuǎn)換變壓器）提供控制。

在這方面，Eurotherm可與熔爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師一起仔細(xì)查看電纜或母線布局。在12兆瓦的功率下，電阻和電感損耗會(huì)引起重大問題，只有將供電系統(tǒng)整合到爐子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中才能解決這些問題。側(cè)壁冷卻已集成到爐的鋼結(jié)構(gòu)中多年?，F(xiàn)在，電力線和變壓器也需要類似的方法。這不是一項(xiàng)容易的工作，但幸運(yùn)的是，熔爐和電源設(shè)計(jì)人員都認(rèn)識(shí)到，為了實(shí)現(xiàn)最有效的熔化器設(shè)計(jì)，需要對(duì)技術(shù)上的重疊進(jìn)行評(píng)估。

能夠?yàn)槿蹱t提供12兆瓦或更大的電力，也將大大增加所需的電極數(shù)量。管理溫度分布和對(duì)流將需要一種特定的方式來管理供應(yīng)給熔爐特定部件的電力量。

雖然設(shè)計(jì)不同電極的布局以及它們相互之間的點(diǎn)火方式是熔爐設(shè)計(jì)師提供的一項(xiàng)特殊技能，但設(shè)計(jì)也會(huì)對(duì)電極的電阻率、電流和電壓產(chǎn)生影響。點(diǎn)火電極彼此靠近對(duì)電阻和電感損耗以及布線布局有積極影響。但它降低了電極之間的電阻率，因此，與電極彼此距離較遠(yuǎn)的情況相比，增加了它們需要承受的電流量，以適應(yīng)相同的功率。

當(dāng)電流較大時(shí)，需要增加電極表面。否則，會(huì)導(dǎo)致電極磨損加劇。它還影響電纜直徑和變壓器設(shè)計(jì)。這個(gè)簡(jiǎn)單的例子解釋了一個(gè)熔爐設(shè)計(jì)參數(shù)如何影響熔爐外的許多其他設(shè)計(jì)考慮因素，展示了所有能力如何協(xié)同工作，從而實(shí)現(xiàn)最佳的熔爐總體設(shè)計(jì)?；蛘?，過于簡(jiǎn)化電源可能會(huì)削弱熔爐設(shè)計(jì)師可能提供的優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)的想法，只在三相系統(tǒng)方面，認(rèn)為能量是釋放在電極之間的某個(gè)地方，過去是錯(cuò)誤的，現(xiàn)在是錯(cuò)誤的！像許多事情一樣，最好的解決方案往往是一種折衷方案，需要通過在熔爐和電源設(shè)計(jì)方面的合作來確定改進(jìn)機(jī)會(huì)。

一旦設(shè)計(jì)確定，它將需要一個(gè)過程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠協(xié)助操作員管理多個(gè)能源，向熔化罐供電。在設(shè)計(jì)階段使用的過程模型應(yīng)用于建立多個(gè)模型預(yù)測(cè)控制器，以管理燃燒能量和所有電增壓區(qū)，實(shí)現(xiàn)最佳、穩(wěn)定的玻璃質(zhì)量和能耗比。CelSian Glass BV和Eurotherm之間的合作伙伴關(guān)系正在幫助客戶獲得世界領(lǐng)先的過程控制和先進(jìn)的控制集成，而綜合分析和機(jī)器學(xué)習(xí)技能集對(duì)于正在進(jìn)行的開發(fā)具有很大的價(jià)值。

管理網(wǎng)格

從天然氣轉(zhuǎn)向電力還有其他挑戰(zhàn)。其中之一是峰值電力需求，它不適用于天然氣，但適用于電力，因?yàn)樗鼘?duì)千瓦時(shí)電價(jià)有影響。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，利用電力增壓系統(tǒng)的靈活性來穩(wěn)定電網(wǎng)，并獲得較低的電價(jià)回報(bào)，這是成熟的技術(shù)。然而，一旦電力消耗上升，就像混合動(dòng)力設(shè)計(jì)一樣，調(diào)整電力消耗將對(duì)能源關(guān)稅以及玻璃質(zhì)量產(chǎn)生影響。

因此，在不影響玻璃質(zhì)量的情況下，找到電能變化的精確范圍是有意義的。在新的混合爐的第一個(gè)運(yùn)行階段，這可能不是最優(yōu)先考慮的問題，但一旦瓶子生產(chǎn)出來并且質(zhì)量可以接受，運(yùn)行成本將是下一個(gè)討論的問題?？墒褂媚茉垂?yīng)管理軟件，例如施耐德電氣獲獎(jiǎng)的EcoStruxure電力監(jiān)控專家，該軟件旨在幫助電力關(guān)鍵和能源密集型設(shè)施最大限度地延長(zhǎng)正常運(yùn)行時(shí)間和提高運(yùn)行效率。EcoStruxure是施耐德電氣支持物聯(lián)網(wǎng)的開放互操作架構(gòu)和平臺(tái)。

另一個(gè)不容小覷的問題是，在停電的情況下，維修人員將面臨的挑戰(zhàn)。雖然一個(gè)典型的2MW增壓系統(tǒng)在系統(tǒng)發(fā)生設(shè)備故障的情況下可以承受50%的運(yùn)行數(shù)小時(shí)，但一個(gè)必須覆蓋80%熔化能力的增壓系統(tǒng)要處理的問題要大得多，如果掉電的話影響要大得多。為了緩解這種情況，基于模塊的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與內(nèi)置冗余，易于更換組件，預(yù)測(cè)性維護(hù)，甚至可能增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以提高維護(hù)和維修時(shí)間。Eurotherm系統(tǒng)具有這種能力，包括作為快速更換和維修零件服務(wù)水平協(xié)議的一部分的現(xiàn)場(chǎng)/場(chǎng)外保稅備件服務(wù)。

電力供應(yīng)的監(jiān)控方式將變得更加復(fù)雜。因此，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，系統(tǒng)與操作員的交互方式需要直截了當(dāng)且易于管理。隨著來自流程的數(shù)據(jù)不斷增加，可視化改進(jìn)（如HMI）旨在增強(qiáng)態(tài)勢(shì)感知，可以幫助操作員快速識(shí)別最重要的參數(shù)并采取行動(dòng)。當(dāng)操作員已經(jīng)需要了解新型熔爐的工作原理時(shí)，他們可能還希望保留傳統(tǒng)的HMI設(shè)計(jì)。重要的是，供應(yīng)商要找到最佳的方法，利用工具箱中的資源為用戶構(gòu)建最佳的解決方案。

結(jié)論

混合式熔爐、全電爐、未來熔爐、氫氣熔化爐和浸沒式燃燒器熔化爐聽起來都像是全新的設(shè)計(jì)，但事實(shí)并非如此。以上文字中所有電氣和過程控制的流行語聽起來也像是最新的發(fā)展，但事實(shí)并非如此。真正新鮮的是，玻璃行業(yè)正在進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代，專注于將碳排放降至零，減少浪費(fèi)，同時(shí)確保企業(yè)未來，繼續(xù)能夠用玻璃瓶喝冷啤酒。

所有的爐子設(shè)計(jì)師和相關(guān)公司都有自己的專業(yè)知識(shí)和設(shè)計(jì)能力。然而，他們的弱點(diǎn)和局限性應(yīng)該得到承認(rèn)，他們都應(yīng)該開始從過去40年?duì)t子的設(shè)計(jì)方式前進(jìn)。

只有通過基于信任和尊重的合作，玻璃行業(yè)才能確保玻璃保持其作為許多食品和飲料產(chǎn)品的最佳包裝材料的地位，同時(shí)具有最低的環(huán)境影響。一如既往，施耐德電氣的Eurotherm已經(jīng)開始合作并準(zhǔn)備提供電源和過程控制部分，旨在幫助改善作為整個(gè)玻璃制造設(shè)施一部分的整體“從電網(wǎng)到玻璃”系統(tǒng)。