陶瓷窑炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法与流程

本发明属于陶瓷窑炉控制技术，具体是陶瓷窑炉的外部空气进入量控制技术和空气过剩系数控制技术；本发明不涉及控制系统、控制设备及仪器仪表的选型。

背景技术：

陶瓷工艺决定其产品烧成过程采取的是弱氧化气氛，所以燃烧系统中的氧化剂，即空气中的氧气要相对过剩，但该部分过剩的空气又会在燃烧后带走燃烧产生的显热，这势必造成热能的浪费，通过将燃烧过程中的空气过剩系数控制在合理的范围内，可在满足产品烧成工艺要求的同时又能最大限度的实现节能。但遗憾的是迄今为止陶瓷窑炉领域还没有出现空气过剩系数控制技术，现有技术依赖的一直是经验数据或经验获取的温度和压力曲线来进行窑炉气氛的手动调节，即使是采取了基于神经元网络的智能控制技术，但由于还没有找到动态自动调节空气过剩系数的方法，所以先进技术也没有得到发挥的机会。

此外陶瓷工业是我国大气污染控制重点行业，陶瓷窑炉在过氧化气氛中产生的氮氧化物nox和挥发性有机化合物voc等污染严重影响大气环境，因此，重点解决陶瓷窑炉的节能减排问题对大气污染防治具有重要意义。

由于缺失对陶瓷窑炉空气过剩系数以及陶瓷窑炉外部空气进入量进行调节的控制技术，现有技术从根本上适应不了陶瓷窑炉深度节能减排的需求，理论研究和应用技术亟待有所突破。

涉及陶瓷窑炉空气过剩系数以及陶瓷窑炉外部空气进入量控制技术的陶瓷窑炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法还未见到公开发表的出版物、文献或资料。

技术实现要素：

本发明的目的是根据陶瓷窑炉运行工况的特点，寻求突破制约现有技术的技术瓶颈，研究开发与陶瓷窑炉运行工况相适应的陶瓷窑炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法，以实现陶瓷窑炉深度节能减排的效果。

本发明的要点是研究现有技术存在的问题，突破现有技术的基础和框架，根据陶瓷窑炉运行工况特点及陶瓷窑炉烟气管网的物理特性，创新性地确立了陶瓷窑炉非对称系统理论，研发了陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型和陶瓷窑炉空气过剩系数计算数学模型，研发了基于陶瓷窑炉非对称系统理论的陶瓷窑炉外部空气进入量及陶瓷窑炉空气过剩系数的动态自动控制方法，通过烟气分析检测的氩含量来计算陶瓷窑炉外部空气的进入量，然后根据陶瓷窑炉外部空气进入量设定值与陶瓷窑炉外部空气进入量计算值之差，对窑头排风机入口阀开度进行调节，构成了陶瓷窑炉外部空气进入量闭环动态调节系统，使陶瓷窑炉外部空气进入量始终控制在设定值范围内；根据烟气分析检测的氧含量和一氧化碳含量对空气流量和燃气流量进行调节，来控制陶瓷窑炉空气过剩系数，构成了陶瓷窑炉空气过剩系数闭环动态调节系统，使陶瓷窑炉空气过剩系数始终控制在设定值范围内；外部空气进入量和空气过剩系数的有效控制使系统获得了提高陶瓷窑炉燃烧效率、减少生成烟气总量、提高引风机节能量、减少nox和voc污染排放量、实现陶瓷窑炉全自动控制、减轻操作者劳动强度，提高生产作业率的多重节能减排效果，获得了节能减排、增产保质的多重效益。

附图说明

图1是陶瓷窑炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法的技术方案框图，图1中1是陶瓷窑炉控制系统hmi操作站，2是外部空气进入量设定值，3是窑头排风机入口阀开度调节，4是陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型，5是窑头主烟道ar含量，6是抽热风烟道ar含量，7是窑头主烟道烟气流量，8是抽热风烟道烟气流量，9是助燃空气风量实际值，10是急冷风机风量实际值，11是直冷风机风量实际值，12是占比系数k输入，13是陶瓷窑炉空气过剩系数计算数学模型，14是空气过剩系数设定值，15是窑头主烟道o2量，16是抽热风烟道o2量，17是空气调节阀i调节，18是空气调节阀n调节，19是空燃比，20是烧成温度设定值，21是烧成温度实际值，22是燃气调节阀i调节，23是燃气调节阀n调节，24是陶瓷窑炉co设定值，25是窑头主烟道co实际值，26是抽热风烟道co实际值，27是抽热风风机入口阀开度调节，28是冷却带压力设定值，29是抽热风风机风量调节，30是冷却带压力实际值，31是烧成带压力设定值，32是窑头排风机风量调节，33是烧成带压力实际值，34是温度i～n检测，35是压力i～n检测，36是陶瓷窑炉现场工艺设备。

图2是陶瓷窑炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法的控制系统构成图，图2中1是陶瓷窑炉主工艺控制系统，2是陶瓷窑炉控制系统hmi操作站，3是外部空气进入量设定值，4是空气过剩系数设定值，5是陶瓷窑炉co设定值，6是烧成带压力设定值，7是冷却带压力设定值，8是烧成温度设定值，9是空燃比设定输入，10是占比系数k输入，11是陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器，12是窑头主烟道ar含量检测，13是抽热风烟道ar含量检测，14是窑头主烟道o2含量检测，15是抽热风烟道o2含量检测，16是窑头主烟道co含量检测，17是抽热风烟道co含量检测，18是助燃空气风量实际值，19是急冷风机风量检测，20是直冷风机风量检测，21是烧成带压力检测，22是冷却带压力检测，23是烧成温度检测，24是窑头主烟道烟气流量检测，25是抽热风烟道烟气流量检测，26是窑头排风机风量调节，27是抽热风风机风量调节，28是窑头排风机入口阀开度调节，29是抽热风风机入口阀开度调节，30是空气调节阀i调节，31是空气调节阀n调节，32是燃气调节阀i调节，33是燃气调节阀n调节，34是温度i检测，35是温度n检测，36是压力i检测，37是压力n检测，38是现场工艺设备过程信息，39是陶瓷窑炉现场工艺设备。

图1的技术方案框图是按陶瓷窑炉的一般特点构建的，实际上，陶瓷窑炉工艺及设备种类繁多，具有多种型式的陶瓷窑炉，工艺参数和设备布置也不尽相同，为避免叙述缛琐造成混乱，本技术方案考虑的是具有一般特点的通用情况，而不区分具体陶瓷窑炉工艺设备组成的细节；然而本文阐述的控制原理、得出的结论、获得的有益效果通用于陶瓷窑炉。

具体实施方式

基本术语及定义：陶瓷窑炉系统中空气过剩系数亦称过剩空气系数或过量空气系数，定义为“燃料燃烧时实际空气需要量与理论空气需要量之比值”，用字母α表示。

根据定义，空气过剩系数是指陶瓷窑炉燃烧系统在所设置的空燃比时所得到的结果，即在该空燃比条件下，助燃空气与燃料的燃烧效果。该燃烧效果不包括陶瓷窑炉外部空气进入量所发生的燃烧产生的效果，虽然陶瓷窑炉外部空气进入量可能会产生部分或全部燃烧，但与基于空燃比的燃烧系统相比，由于陶瓷窑炉外部空气进入量是冷空气，会产生热损失，所以还是具有负面影响，不利于提高陶瓷窑炉的热效率，空气过剩造成的氧化气氛还会增加nox和voc的排放；陶瓷窑炉空气过剩系数和陶瓷窑炉外部空气进入量具有不同的含义，因此窑头主烟道管网中检测的氧含量既不代表空气过剩系数，也不代表外部空气进入量，该氧含量是两者混合的结果。

现有技术控制陶瓷窑炉空气过剩系数的方法是根据检测烟气中氧含量和一氧化碳含量来计算、推测空气过剩系数值，不同类型的陶瓷窑炉都有推荐的空气过剩系数范围或空气过剩系数限值，用于指导操作人员手动调节空气过剩系数，实际上这种方法是不可取的。

原因在于：

第一，现有技术对陶瓷窑炉空气过剩系数的认识存在问题，根据空气过剩系数的定义，现有技术检测烟气中氧含量所得到的所谓空气过剩系数，不是真正意义上的空气过剩系数，因为它包含了陶瓷窑炉外部空气进入量中的氧含量，而真正的空气过剩系数是指经过设定空燃比控制后燃烧所产生的结果，并不包括外部空气进入量中的氧含量。这个概念从新版锅炉大气污染物排放标准gb13271-2014可得到佐证，新国标对污染物排放浓度采用了“基准含氧量”的说法，而不是原国标gb13271-2001的“过量空气系数”，即烟气中检测的氧含量不等于“空气过剩系数”，纠正了过去模糊的概念；以前根据烟气中检测的氧含量计算“空气过剩系数”也缺乏理论依据，而现有技术又没有准确计算“空气过剩系数”的方法，所以目前新国标对污染物排放浓度采用“基准含氧量”的说法是明智之举，避免引起误导。

第二，认识的偏差使现有技术实施困难，因为没有理论依据作为具体指导，操作人员也只能根据经验，试验性地根据推荐的空气过剩系数范围或空气过剩系数限值进行调节，很难得到预想的结果，事实上目前在陶瓷窑炉控制中缺失对空气过剩系数的动态自动控制功能。

陶瓷窑炉空气过剩系数动态控制技术是典型的、长期困扰人们的工业控制疑难问题，是具有类似工况陶瓷窑炉的共性问题，是业内称之为复杂工业系统控制问题，极具代表性。迄今为止现有技术还没有找到陶瓷窑炉空气过剩系数动态控制的方法，还停留在控制策略并非正确的手动调节或自动+手动干预的控制方式中。

现有技术根据检测烟气中的氧含量来做空气过剩系数的估计判断，提出所谓最佳空气过剩系数范围或空气过剩系数限值，作为指导操作员的操作的依据，实际上这种做法存在很大问题。烟气中测得的氧含量不代表空气过剩系数α，用氧含量来代表或换算空气过剩系数对燃烧进行控制会产生错误的结果。下面定性分析一下现有技术控制策略将会产生的危害。

设烟气中检测的氧含量为a，因为烟气中的氧由两部分组成，一是空燃比不当造成的剩余的氧，设为b；二是陶瓷窑炉外部空气进入带入的氧，设为c；由于b存在α＞1、α＝1和α＜1三种情况；而c仅存在一种情况，即根据陶瓷窑炉的基本特性，不可能一点外部空气也不进入，所以不存在氧＝零的情况，只存在氧＞0的情况；若考虑c会与烟气中co发生部分燃烧、全部燃烧或者不燃烧以及c会在高温条件下与氮化合反应，生成nox，故设燃烧掉和化合反应掉的部分氧为d；根据这些条件，烟气中测得的氧是b和c两部分氧组合而成，组合成a的情况有三种，第一种情况是当α＞1时，b和c混合,则a＝b+c-d；第二种情况是当α＝1时，即空燃比为1时，此时b为零，则a＝c-d；第三种情况是当α＜1时，即b的剩余氧为零，但存在剩余的co，则a＝c-d。

现有技术根据a进行控制，第一种情况时，操作员调节助燃空气减少或增加燃气比例，使b减小，但实际上是参照a来控制的，由于a＞b，所以控制的结果将使α＜1；第二种情况时，由于空燃比为1，操作员调节助燃空气减少或增加燃气比例，控制的结果必然使α＜1；第三种情况时，控制的结果与第二种情况相同，也将使α＜1，区别在于燃烧情况更加恶化。

根据上述分析，按照现有技术根据a进行控制的策略，不论是哪一种情况控制结果都是α＜1，因此与未控制前的状况相比，造成燃烧恶化是必然结果，结果是造成燃料消耗增加，炉窑热效率下降，nox排放增加，所以现有技术的控制策略是不可取的。

那么，如何进行燃烧优化控制？怎样做才能提高陶瓷窑炉热效率？现有技术的症结究竟是什么？具体如何解决现有技术存在的问题？下面本发明将给出理论分析、结论、控制策略以及技术解决方案。

理论分析：

技术遭遇了瓶颈，必然存在致命的障碍。要突破技术瓶颈就必须具有不同于现有技术的思维，必须突破现有技术框架的束缚才行，重要的是有必要重新审视被控对象的实质，即需要颠覆现有技术对被控对象的不正确认知。

先分析一般炉窑的情况，随着工艺过程参数或生产负荷的变化，炉窑内所产生的炉气量是变化的，随着生产负荷的增加或降低，炉气量也增加或减少；但炉窑有个共同的特点是，在没有外界预先施加控制的情况下，炉气量增加时，炉膛压力将升高；当炉气量减少时，炉膛压力并不会降低，而是保持在原来的状态；炉窑的这个现象是炉窑设备本身特点和烟气管网特性共同形成的，炉窑设备是不很严密的封闭式设备，通常运行在炉膛压力为微负压状态，炉窑内生成的炉气在引风机的作用下由烟气管网排出。当炉窑负荷增加时，炉气量增加，炉膛压力变大，炉膛压力检测及调节系统控制引风机速度或引风机入口阀开度，改变烟气输出流量，使压力得到平衡；当炉窑负荷降低时，炉气量减少，但此时炉膛压力并没有变化，或者并没有显著的变化，原因是当炉气量逐渐减少时，减少的部分被炉窑外部进入的空气及其生成的烟气逐渐充填，所以炉膛压力仍处于平衡状态，此时炉膛压力检测及调节系统未启动炉膛压力调节。炉窑的这个现象，我们称之为“非对称系统”过程。

“非对称系统”具有很大的隐蔽性和欺骗性，因此蒙蔽、欺骗了现有技术。试想，现有技术采用一贯使用的对称性控制策略来控制非对称系统，根据炉膛压力检测形成压力闭环对炉膛压力进行调节，实际上造成了单边调节的现象，即实际上只对炉气量增加时有调节作用，对炉气量减少时并没有调节作用，若是系统重复几次炉气量增加和减少的过程，则炉膛压力调节系统将会崩溃，或者将进入不稳定的运行状态，这就是长期以来炉窑所遭遇的炉膛压力系统难以稳定控制的问题；对于生产负荷比较稳定的炉窑，虽然炉膛压力显示的是压力在较小的范围内波动，使人们感觉炉膛压力处于良好的控制状态，但通过烟气中检测的氧含量指标则可印证出，在炉膛压力稳定的表象下，实际上系统的氧含量指标已逐渐恶化，说明了现有技术对于外部空气进入量实际上处于失控状态；同时，氧含量的升高误导了现有技术去手动调节过量空气系数，使本来处于稳定运行的燃烧系统进入了混乱状态，由此影响了温度控制的紊乱，这就是长期以来炉窑所遭遇的炉膛温度系统难以稳定控制的根源，但现有技术一直没有意识到“非对称系统”的影响，反而将炉膛温度系统难以稳定控制的原因归结为燃烧介质管网压力的不稳定、燃烧介质成分变化等因素的影响，所以采取的温度控制策略与客观实际南辕北辙，才形成了炉膛温度系统难以稳定控制的被动局面。

陶瓷窑炉也是一种炉窑，也具有炉窑的一般特性，因此炉窑的非对称特性也存在于陶瓷窑炉，直接影响了陶瓷窑炉压力及温度的稳定控制，陶瓷窑炉不同于一般炉窑之处在于它是运行工况较为复杂的一种炉窑，具有不同的工艺和设备的特点。

技术解决方案：

理论上说，揭示了炉窑及其烟气管网运行物理特性从而确立的炉窑非对称系统理论为实现陶瓷窑炉压力及温度动态自动控制奠定了理论基础，接下来是具体解决现有技术没有解决或不能解决的问题。

现有技术没有解决陶瓷窑炉空气过剩系数动态控制问题，特别是还没有意识到陶瓷窑炉外部空气进入量对陶瓷窑炉压力和温度控制的影响，更谈不上如何去解决该问题，还局限在通过烟气分析检测氧含量，然后换算成所谓的空气过剩系数，再由操作人员手动调节助燃风量的方式；实际上，由于烟气分析检测的氧含量并不代表真正的空气过剩系数，系统试验或仿真计算所得出的所谓的最佳空气过剩系数亦是在并非正确的条件下进行的，所以现有技术获取的空气过剩系数及采取的控制策略从根本上就存在严重技术瑕疵，也因此造成了现有技术不可能实现空气过剩系数动态自动控制。

解决问题的切入点就在于对空气过剩系数的正确分析和准确计算，窑头主烟道烟气中检测的氧含量一部分是由于燃烧系统空燃比系数不当，致使空气过剩系数过大剩余的氧，另一部分是陶瓷窑炉外部进入空气在陶瓷窑炉中和管网中燃烧或未燃烧后所含有的氧；如何准确地计算出各部分的氧量是本技术方案需要解决的关键问题，要想知道与空气过剩系数相关的氧量，首先要计算出陶瓷窑炉外部空气进入量所含氧量，然后用窑头主烟道烟气中测得的氧量减去陶瓷窑炉外部空气进入量所含氧量，就可得到与空气过剩系数相关的氧量；要计算出陶瓷窑炉外部空气进入量所含氧量，先要知道陶瓷窑炉外部空气进入量，由此产生了陶瓷窑炉外部空气进入量动态自动控制技术，这是又一项相对于现有技术质的飞越的创新技术。

为实施对外部空气进入量的控制，首先需要准确计算出外部空气进入量，对此本发明研发了陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型式(1)：

式中：

qi1：助燃空气的空气流量，m³/s；

qi2：急冷风机的空气流量，m³/s；

qi3：直冷的空气流量，m³/s；

arb：空气中基准氩摩尔分数，mol％；

qw1：窑头主烟道烟气流量，m³/s；

arw1：窑头主烟道烟气中氩摩尔分数，mol％；

qw2：抽热风烟道烟气流量，m³/s；

arw2：抽热风烟道烟气中氩摩尔分数，mol％；

qair：陶瓷窑炉外部进入空气量，m³/s。

根据惰性气体很难参与化学反应的特点，采用检测烟气中惰性气体计算陶瓷窑炉外部空气进入量，可保证计算的准确性，本技术方案采用了氩气作为烟气分析计算的基础，但对于实际应用中不同类型陶瓷窑炉的具体情况，并不限于采用氩气。

由陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型准确计算出外部空气进入量后，则可进行关于氧量的分析和计算，根据式(1)可得出式(2)陶瓷窑炉外部空气进入量中的氧量计算数学模型。

式中：

qi1：助燃空气的空气流量，m³/s；

qi2：急冷风机的空气流量，m³/s；

qi3：直冷的空气流量，m³/s；

arb：空气中基准氩摩尔分数，mol％；

qw1：窑头主烟道烟气流量，m³/s；

arw1：窑头主烟道烟气中氩摩尔分数，mol％；

qw2：抽热风烟道烟气流量，m³/s；

arw2：抽热风烟道烟气中氩摩尔分数，mol％；

o2e：陶瓷窑炉外部空气进入量中的氧量，mol；

由总烟道烟气中检测的氧量减去式(2)数学模型计算出的外部空气进入量中的氧量，则可求得空气过剩系数中的氧含量实际值，该值由式(3)空气过剩系数中的氧含量计算数学模型进行计算；

式中：

o2a：空气过剩系数中的氧含量实际值，％；

qw1：窑头主烟道烟气流量，m³/s；

qw2：抽热风烟道烟气流量，m³/s；

o21：窑头主烟道烟气中氧摩尔分数，mol％；

o22：抽热风烟道烟气中氧摩尔分数，mol％；

o2e：陶瓷窑炉外部空气进入量中的氧量，mol；

k：占比系数，0～1；

式(3)中的k为外部空气进入量中的氧量到达窑头主烟道检测点时所剩余的百分比，即剩余的氧占外部空气进入量中的氧量的比例，简称占比系数，取值范围为0～1；因为外部进入的氧量o2e有可能未燃烧、部分燃烧或者全部燃烧，是与陶瓷窑炉及其烟气管网的漏风量相关的变量，无法进行准确数学计算，故采取工程系数的方法解决；占比系数k由陶瓷窑炉工艺工程师根据陶瓷窑炉本体外部空气进入量和烟气管网漏风量的检测统计数据确定，在hmi操作站输入。

将式(3)代入简化的空气过剩系数计算数学模型式(4)，则得到了式(5)空气过剩系数计算数学模型；

式中：

o2a：空气过剩系数中的氧含量实际值，％；

α：空气过剩系数，＞0。

式中：

qw1：窑头主烟道烟气流量，m³/s；

qw2：抽热风烟道烟气流量，m³/s；

o21：窑头主烟道烟气中氧摩尔分数，mol％；

o22：抽热风烟道烟气中氧摩尔分数，mol％；

o2e：陶瓷窑炉外部空气进入量中的氧量，mol；

k：占比系数，0～1；

α：空气过剩系数，＞0。

有了式(1)、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)数学模型，然后基于炉窑非对称系统理论及采取相应控制策略来解决陶瓷窑炉的动态自动控制问题。

图1是陶瓷窑炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法的技术方案框图，图1中陶瓷窑炉控制系统hmi操作站(1)是陶瓷窑炉及其烟气管网非对称特性动态控制系统的人机交互界面；外部空气进入量设定值(2)与陶瓷窑炉控制系统hmi操作站(1)和窑头排风机入口阀开度调节(3)相连接，该设定值由人机交互界面输入；窑头排风机入口阀开度调节(3)与外部空气进入量设定值(2)、陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型(4)及陶瓷窑炉现场工艺设备(36)相连接，由外部空气进入量设定值(2)与陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型(4)的差值对窑头排风机入口阀开度进行调节，控制流经该入口阀的烟气流量，抑制外部空气进入，使该陶瓷窑炉外部空气进入量控制在设定值范围内；陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型(4)与窑头主烟道ar含量(5)、抽热风烟道ar含量(6)、窑头主烟道烟气流量(7)、抽热风烟道烟气流量(8)、助燃空气风量实际值(9)、急冷风机风量实际值(10)、直冷风机风量实际值(11)、陶瓷窑炉空气过剩系数计算数学模型(13)和窑头排风机入口阀开度调节(3)相连接，根据窑头主烟道ar含量、抽热风烟道ar含量、窑头主烟道烟气流量、抽热风烟道烟气流量、助燃空气风量实际值、急冷风机风量实际值和直冷风机风量实际值进行陶瓷窑炉外部空气进入量计算，计算结果送至窑头排风机入口阀开度调节(3)和陶瓷窑炉空气过剩系数计算数学模型(13)；窑头主烟道ar含量(5)与陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型(4)和陶瓷窑炉现场工艺设备(36)相连接；抽热风烟道ar含量(6)与陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型(4)和陶瓷窑炉现场工艺设备(36)相连接；窑头主烟道烟气流量(7)与陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型(4)和陶瓷窑炉现场工艺设备(36)相连接；抽热风烟道烟气流量(8)与陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型(4)和陶瓷窑炉现场工艺设备(36)相连接；助燃空气风量实际值(9)与陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型(4)和陶瓷窑炉现场工艺设备(36)相连接；急冷风机风量实际值(10)与陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型(4)和陶瓷窑炉现场工艺设备(36)相连接；直冷风机风量实际值(11)与陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型(4)和陶瓷窑炉现场工艺设备(36)相连接；占比系数k输入(12)为输入参数，由陶瓷窑炉控制系统hmi操作站(1)人机交互接口输入，送至陶瓷窑炉空气过剩系数计算数学模型(13)；陶瓷窑炉空气过剩系数计算数学模型(13)与陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型(4)、空气过剩系数设定值(14)、窑头主烟道o2量(15)、抽热风烟道o2量(16)、空气调节阀i调节(17)和空气调节阀n调节(18)相连接，在陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型基础上，推导出陶瓷窑炉空气过剩系数计算数学模型，空气过剩系数设定值与陶瓷窑炉空气过剩系数计算值的差值对空气调节阀i～n进行调节，对陶瓷窑炉空气过剩系数进行动态控制；空气过剩系数设定值(14)为设定值，由陶瓷窑炉控制系统hmi操作站(1)人机交互接口输入；窑头主烟道o2量(15)和抽热风烟道o2量(16)为o2量实际值，作为反馈值参与空气过剩系数计算；空气调节阀i调节(17)和空气调节阀n调节(18)是被控量，空气过剩系数中o2量计算差值用于调节空气调节阀i～n的空气流量，对空气过剩系数进行调节；空燃比(19)从陶瓷窑炉控制系统hmi操作站(1)人机交互接口输入；烧成温度设定值(20)为设定值，由陶瓷窑炉控制系统hmi操作站(1)人机交互接口输入；烧成温度实际值(21)是烧成温度控制反馈值；燃气调节阀i调节(22)和燃气调节阀n调节(23)是被控量，根据烧成温度设定值与烧成温度实际值的差值，调节燃气调节阀i～n的流量，对烧成温度进行动态控制；陶瓷窑炉co设定值(24)是设定值，由陶瓷窑炉控制系统hmi操作站(1)人机交互接口输入；窑头主烟道co实际值(25)和抽热风烟道co实际值(26)是co检测实际值，作为负反馈与陶瓷窑炉co设定值(24)进行比较，其差值用于调节燃气调节阀i～n的流量，以改善燃烧状况；抽热风风机入口阀开度调节(27)与抽热风烟道烟气流量(8)和陶瓷窑炉现场工艺设备(36)相连接，按照抽热风烟道烟气流量实际值对该入口阀开度进行调节，以使该入口阀开度与抽热风烟道烟气流量相匹配；冷却带压力设定值(28)为设定值，由陶瓷窑炉控制系统hmi操作站(1)人机交互接口输入；抽热风风机风量调节(29)与冷却带压力设定值(28)、冷却带压力实际值(30)和陶瓷窑炉现场工艺设备(36)相连接，按照冷却带压力设定值与冷却带压力实际值反馈之差对抽热风风机风量进行调节，对冷却带压力进行动态控制；烧成带压力设定值(31)为设定值，由陶瓷窑炉控制系统hmi操作站(1)人机交互接口输入；窑头排风机风量调节(32)与烧成带压力设定值(31)、烧成带压力实际值(33)和陶瓷窑炉现场工艺设备(36)相连接，按照烧成带压力设定值与烧成带压力实际值反馈之差对窑头排风机风量进行调节，对烧成带压力进行动态控制；温度i～n检测(34)是陶瓷窑炉炉体和管网上设置的温度检测，根据具体窑炉情况，温度检测点数和检测位置会有所不同，这些温度检测信号送至陶瓷窑炉控制系统hmi操作站(1)，用于温度状态监视、用于趋势曲线记录和用于故障追索；压力i～n检测(35)是陶瓷窑炉炉体和管网上设置的压力检测，根据具体窑炉情况，压力检测点数和检测位置会有所不同，这些压力检测信号送至陶瓷窑炉控制系统hmi操作站(1)，用于压力状态监视、用于趋势曲线记录和用于故障追索；陶瓷窑炉现场工艺设备(36)是陶瓷窑炉现场在线设备。

本技术方案通过图2所示陶瓷窑炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法的控制系统构成图付诸实施，图2中陶瓷窑炉主工艺控制系统(1)是陶瓷窑炉主控制系统，包括陶瓷窑炉本体及其附属设备的控制，与陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)相连接；陶瓷窑炉控制系统hmi操作站(2)是计算机为基础的操作及画面显示的人机交互界面，与陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)相连接；外部空气进入量设定值(3)是系统控制目标设定值，设定值来自陶瓷窑炉控制系统hmi操作站(2)，送至陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)；空气过剩系数设定值(4)是系统控制目标设定值，设定值来自陶瓷窑炉控制系统hmi操作站(2)，送至陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)；陶瓷窑炉co设定值(5)是系统控制目标设定值，设定值来自陶瓷窑炉控制系统hmi操作站(2)，送至陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)；烧成带压力设定值(6)是系统控制目标设定值，设定值来自陶瓷窑炉控制系统hmi操作站(2)，送至陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)；冷却带压力设定值(7)是系统控制目标设定值，设定值来自陶瓷窑炉控制系统hmi操作站(2)，送至陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)；烧成温度设定值(8)是系统控制目标设定值，设定值来自陶瓷窑炉控制系统hmi操作站(2)，送至陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)；空燃比设定输入(9)是系统控制设定值，设定值来自陶瓷窑炉控制系统hmi操作站(2)，送至陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)；占比系数k输入(10)是数学模型计算输入参数，来自陶瓷窑炉控制系统hmi操作站(2)，送至陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)；陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)是陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制的核心，由dcs或同类数字式控制器组成，本身建有陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型、陶瓷窑炉外部空气进入量中的氧量计算数学模型、陶瓷窑炉空气过剩系数计算数学模型、陶瓷窑炉外部空气进入量闭环动态控制及陶瓷窑炉空气过剩系数闭环动态控制软件；窑头主烟道ar含量检测(12)是窑头主烟道烟气检测实际值，送至陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)，用于数学模型计算外部空气进入量；抽热风烟道ar含量检测(13)是抽热风烟道烟气检测实际值，送至陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)，用于数学模型计算外部空气进入量；窑头主烟道o2含量检测(14)是窑头烟气检测值，送至陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)，用于数学模型计算外部空气进入量中的氧量；抽热风烟道o2含量检测(15)是抽热风烟道烟气检测值，送至陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)，用于数学模型计算外部空气进入量中的氧量；窑头主烟道co含量检测(16)是窑头co含量检测值，送至陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)，用于调节燃气调节阀i～n，对co含量进行控制；抽热风烟道co含量检测(17)是抽热风烟道co含量检测值，送至陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)，用于调节燃气调节阀i～n，对co含量进行控制；助燃空气风量实际值(18)是助燃空气风量检测值，送至陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)，用于数学模型计算外部空气进入量；急冷风机风量检测(19)是急冷风机风量检测值，送至陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)，用于数学模型计算外部空气进入量；直冷风机风量检测(20)是直冷风机风量检测值，送至陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)，用于数学模型计算外部空气进入量；烧成带压力检测(21)是烧成带压力检测实际值，送至陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)，用于调节窑头排风机风量，对烧成带压力进行动态控制；冷却带压力检测(22)是冷却带压力检测实际值，送至陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)，用于调节抽热风风机风量，对冷却带压力进行动态控制；烧成温度检测(23)是烧成温度检测实际值，送至陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)，用于烧成温度动态调节；窑头主烟道烟气流量检测(24)是窑头主烟道烟气流量实际值，与陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)相连接，用于数学模型计算外部空气进入量；抽热风烟道烟气流量检测(25)是抽热风烟道烟气流量实际值，与陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)相连接，用于数学模型计算外部空气进入量及抽热风风机入口阀开度调节；窑头排风机风量调节(26)与陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)相连接，用于烧成带压力动态调节；抽热风风机风量调节(27)与陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)相连接，用于冷却带压力动态调节；窑头排风机入口阀开度调节(28)与陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)相连接，用于抑制外部空气进入，以控制外部空气进入量；抽热风风机入口阀开度调节(29)与陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)相连接，用于抽热风风机入口阀开度的调节，以使该入口阀开度与抽热风烟道管网烟气量相匹配；空气调节阀i调节(30)和空气调节阀n调节(31)与陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)相连接，用于陶瓷窑炉温度调节和空气过剩系数调节；燃气调节阀i调节(32)和燃气调节阀n调节(33)与陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)相连接，用于陶瓷窑炉温度调节和co调节；温度i检测(34)和温度n检测(35)与陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)相连接，用于陶瓷窑炉温度监视、记录和故障分析；压力i检测(36)和压力n检测(37)与陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)相连接，用于陶瓷窑炉压力监视、记录和故障分析；现场工艺设备过程信息(38)收集陶瓷窑炉现场工艺设备(39)的设备、检测器的运行信号和状态信息并送至陶瓷窑炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(11)；陶瓷窑炉现场工艺设备(39)为陶瓷窑炉现场在线设备。

要获得陶瓷窑炉热效率的提高，不仅要实现空气过剩系数可控，也要实现陶瓷窑炉外部空气进入量可控；实现了空气过剩系数可控，可获得燃烧效果的优化；实现了陶瓷窑炉外部空气进入量可控，可获得减少陶瓷窑炉热损失的优化及陶瓷窑炉压力稳定控制；实现这两个可控，就突破了制约现有技术的技术瓶颈，实现了对陶瓷窑炉非对称系统的动态控制。

①陶瓷窑炉外部空气进入量动态控制系统

在陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型的计算中，采取检测烟气中氩含量计算陶瓷窑炉外部空气进入量是非常简捷、准确、可靠的方法；根据陶瓷窑炉外部空气进入量设定值与计算值的偏差调节窑头排风机入口阀开度，使该入口阀开度与陶瓷窑炉实际炉气量基本匹配，抑制外部空气进入，进而采取烧成带压力检测调节窑头排风机的速度，对烧成带压力进行动态控制，解决了陶瓷窑炉非对称系统不可控的问题，即使陶瓷窑炉负荷降低，由于陶瓷窑炉外部空气进入量动态控制系统的调节作用，调节窑头排风机入口阀减小开度，炉膛压力将会减小，炉膛压力调节系统将调节窑头排风机速度，使炉膛压力得到新的平衡，陶瓷窑炉负荷变化对压力的扰动得到了有效控制，不会出现压力失控现象，窑头排风机入口阀开度与实际炉气量基本匹配时，风机管网特性也得到了良好改善，窑头排风机的变速范围得到了很大提高，不会发生风机喘振问题，能满足窑头排风机全工况范围节能优化的需求。

压力稳定是满足陶瓷窑炉正常运行的必要条件之一，只有在对陶瓷窑炉外部空气进入量进行了有效控制的前提下，烧成带压力才能得到稳定控制，即在物理特性上，陶瓷窑炉非对称特性产生的外部空气进入量严重影响了烧成带压力的稳定；在根据陶瓷窑炉外部空气进入量对窑头排风机入口阀开度进行控制的前提条件下，进而采取烧成带压力检测控制窑头排风机的速度是调节陶瓷窑炉非对称系统的关键技术。

图1陶瓷窑炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法的技术方案框图中陶瓷窑炉控制系统hmi操作站(1)、外部空气进入量设定值(2)、窑头排风机入口阀开度调节(3)、陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型(4)、窑头主烟道ar含量(5)、抽热风烟道ar含量(6)、窑头主烟道烟气流量(7)、抽热风烟道烟气流量(8)、助燃空气风量实际值(9)、急冷风机风量实际值(10)、直冷风机风量实际值(11)、抽热风风机入口阀开度调节(27)、冷却带压力设定值(28)、抽热风风机风量调节(29)、冷却带压力实际值(30)、烧成带压力设定值(31)、窑头排风机风量调节(32)、烧成带压力实际值(33)、陶瓷窑炉现场工艺设备(36)构成了陶瓷窑炉外部空气进入量闭环动态控制系统。

②陶瓷窑炉空气过剩系数动态控制系统

采取检测烟气中氧含量和一氧化碳含量的方法，根据陶瓷窑炉空气过剩系数计算数学模型计算出空气过剩系数，再根据空气过剩系数设定值与空气过剩系数计算值之差，去调节空气调节阀流量，以及根据检测的co值与co设定值之差，去调节燃气调节阀的流量，使空气过剩系数稳定在设定值范围内。

图1陶瓷窑炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法的技术方案框图中陶瓷窑炉控制系统hmi操作站(1)、占比系数k输入(12)、陶瓷窑炉空气过剩系数计算数学模型(13)、空气过剩系数设定值(14)、窑头主烟道o2量(15)、抽热风烟道o2量(16)、空气调节阀i调节(17)、空气调节阀n调节(18)、空燃比(19)、烧成温度设定值(20)、烧成温度实际值(21)、燃气调节阀i调节(22)、燃气调节阀n调节(23)、陶瓷窑炉co设定值(24)、窑头主烟道co实际值(25)、抽热风烟道co实际值(26)、陶瓷窑炉现场工艺设备(36)构成了陶瓷窑炉空气过剩系数闭环动态控制系统。

实际工程应用中，陶瓷窑炉外部空气进入量不可能为0，空气过剩系数不可能为1，烟气中的co量也不可能为0，所以分别设置了陶瓷窑炉外部空气进入量设定值、空气过剩系数设定值和陶瓷窑炉co设定值，该设定值由陶瓷窑炉工艺工程师根据陶瓷窑炉具体工况确定，在陶瓷窑炉控制系统hmi操作站输入。

由于陶瓷窑炉烟气溢出具有增加陶瓷窑炉热损失、烧损陶瓷窑炉附属设备、造成空气过剩系数计算困难的危害，所以陶瓷窑炉不适于采取微正压控制，应采取微负压控制。

陶瓷窑炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法的特点是科学、合理、充分、有效地发挥了陶瓷窑炉外部空气进入量闭环动态控制系统和陶瓷窑炉空气过剩系数闭环动态控制系统两个闭环动态控制系统的作用，系统简捷，运行可靠、稳定、高效，调试也很方便，适于实现陶瓷窑炉动态全自动控制。

与现有技术相比，陶瓷窑炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法突破了技术瓶颈，为陶瓷窑炉实现深度节能减排、增产保质开创了全新的、广泛的视野和空间，具有突出的实质性特点和显著的进步，其有益的特征是：

(a)首次提出了陶瓷窑炉非对称系统理论，为突破长期困扰陶瓷窑炉控制的技术瓶颈奠定了理论基础；

(b)首次提出了陶瓷窑炉非对称系统动态控制方法，使陶瓷窑炉外部空气进入量可控和空气过剩系数可控；

(c)研发了陶瓷窑炉外部空气进入量计算数学模型和陶瓷窑炉外部空气进入量闭环动态控制技术；

(d)研发了陶瓷窑炉空气过剩系数计算数学模型和陶瓷窑炉空气过剩系数闭环动态控制技术；

(e)实现了陶瓷窑炉非对称系统的烧成带压力有效稳定控制和陶瓷窑炉全自动控制；

(f)由于实现了外部空气进入量和空气过剩系数的动态控制，节约了燃气消耗，减少了陶瓷窑炉热损失，降低了nox和voc排放，提高了陶瓷窑炉热效率；

(g)由于实现了陶瓷窑炉全自动控制，减轻了操作人员劳动强度，提高了生产作业率；

(h)风机管网特性的良好改善使窑头排风机实现了深度节能；

(i)外部空气进入量可控、空气过剩系数可控使作为炉窑一员的陶瓷窑炉烟气污染物排放得到根本性治理，可从根本上解决雾霾问题，对国家大气污染治理具有非常重要的意义。

陶瓷窑炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法可广泛应用于新建、扩建和改造的陶瓷窑炉系统；本技术方案所述仅为本发明的一个应用领域的例子，不用于限制本发明，尽管参照所述例子对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对所述例子所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；凡在本发明的控制原理和控制策略之内所做的修改、等同替换和改进均应包含在本发明的保护范围之内。