对于玻璃制造商来说,混合炉设计似乎是一个明智的选择,可以通过远离化石燃料来开始减少二氧化碳排放量,RenéMeuleman讨论了在扩大电力供应时应考虑的因素以及为什么合作是必要的。
无论熔炉设计在不久的将来会以何种方式发生变化,显然相关的工艺和电源控制系统也需要适应以最大效率运行更复杂的玻璃熔化和调节系统。自从1933年引进PID控制器,1956年引进早期的SCR(可控硅整流器)控制电源,1959年引进第一套DCS系统以来,没有任何改变游戏规则的发展演变成炉子、精炼厂和前炉的控制方式。
当然,过程控制系统已经变得更加强大、稳定和可靠,能够存储更多的数据和运行复杂的模型预测控制策略,但它们与操作员的交互方式并没有太大改变。对于可控硅控制的电力系统也可以说是类似的,尽管它们已经变得数字控制,更加精确,并且配备了诸如自动变压器负载抽头切换(LTC)和预测负载管理(PLM)电源管理策略等复杂功能,但基本的控制方法仍然是相同的。
自从再生器和氧燃料被引入以来,熔炉的设计,特别是那些用于商品玻璃熔化的设计,也没有太大的进步。但现在,该行业需要进入一个新的玻璃熔化时代,首先是玻璃容器制造商,他们需要跟上客户和政府的要求,大幅降低二氧化碳排放量,通常是在给定的时间范围内。
许多减少玻璃制造业碳足迹的方案正在研究和开发中,但其中一些已经存在多年。例如,电熔被认为是一种新的方法,但它是一种经过验证的技术,已经存在了很长时间,因为再生炉和电能的可用性。然而,氢燃烧仍然需要更多的研究来成为一种可行的绿色技术,人们对其未来的可用性和价格表示担忧。
今天,减少二氧化碳排放的最明智的方法似乎是增加电熔化能源的使用,同时在氧气燃料配置中使用一些额外的天然气(NG);一种所谓的“混合炉”设计。本文将重点介绍围绕这类设计的实用程序,因为天然气在后期可能会被氢氧燃烧所取代。
假设混合炉80%的熔化能量必须来自电力,也许最重要的一点是,电力含量需要从传统的2MW增加到如今典型的电力增压系统,达到12MW及以上。前炉加热系统很可能也会变为电力系统,因此,一个普通的玻璃容器加热炉装置需要具有15MW或更大的装机电力容量。
大多数现有厂址至少有两个炉子在运行,而单炉绿地厂址由于间接费用似乎在商业上没有吸引力。由此产生的额外30至50兆瓦的电力将需要安装或提供在现有的网站,使移动远离化石燃料。
并不是所有的站点都有那么多的可用电力,可能会对当地电网的容量产生担忧。其他考虑因素包括是否有足够的绿色证书来覆盖电力消耗,以及未来如何制定千瓦时价格和排放罚款。施耐德电气的Eurotherm提供能源和可持续发展服务(ESS),帮助回答这些问题,帮助玻璃制造商做出正确的决策。
在传统的蓄热式加热炉中,需要一些额外的电增压,增压系统已经需要高效。但在设想的混合炉设计中,它将成为主要能源,这将对运营成本产生重大影响。从物理尺寸的角度来看,传统的2MW炉增压系统相对容易管理。当然,12MW版本的规模要大得多。但是,尺寸不应妨碍电气元件的定位灵活性。在这方面,施耐德电气的Eurotherm历史设计策略构建一个完全无油的电气系统是一个很大的优势,特别是如果额定功率增加,立法和保险问题变得更加严格。
与传统的变压器不同,想象一下,为了保持电力母线或电缆的低损耗,九个充油的可变变压器靠近熔炉。Eurotherm设计采用水冷式SCR/变压器供电,能够在当地条件允许的情况下尽可能靠近相应的电极。该设计还将进线的三相电网分为单相供电单元,每个单相系统采用自动负荷分接技术。
目前,Eurotherm正与领先的熔炉供应商合作,研究最佳的电极燃烧布局,因为考虑所有相关熔炉设备设计师的挑战和目标非常重要,包括电力效率和资本支出考虑。从电力供应的角度来看,Eurotherm可以为三相系统(开放三角洲)提供控制,也可以为两相系统(使用Scott-T变压器)甚至单相系统(使用三相到单相转换变压器)提供控制。
在这方面,Eurotherm可与熔炉结构设计师一起仔细查看电缆或母线布局。在12兆瓦的功率下,电阻和电感损耗会引起重大问题,只有将供电系统整合到炉子结构设计中才能解决这些问题。侧壁冷却已集成到炉的钢结构中多年。现在,电力线和变压器也需要类似的方法。这不是一项容易的工作,但幸运的是,熔炉和电源设计人员都认识到,为了实现最有效的熔化器设计,需要对技术上的重叠进行评估。
能够为熔炉提供12兆瓦或更大的电力,也将大大增加所需的电极数量。管理温度分布和对流将需要一种特定的方式来管理供应给熔炉特定部件的电力量。
虽然设计不同电极的布局以及它们相互之间的点火方式是熔炉设计师提供的一项特殊技能,但设计也会对电极的电阻率、电流和电压产生影响。点火电极彼此靠近对电阻和电感损耗以及布线布局有积极影响。但它降低了电极之间的电阻率,因此,与电极彼此距离较远的情况相比,增加了它们需要承受的电流量,以适应相同的功率。
当电流较大时,需要增加电极表面。否则,会导致电极磨损加剧。它还影响电缆直径和变压器设计。这个简单的例子解释了一个熔炉设计参数如何影响熔炉外的许多其他设计考虑因素,展示了所有能力如何协同工作,从而实现最佳的熔炉总体设计。或者,过于简化电源可能会削弱熔炉设计师可能提供的优势。
传统的想法,只在三相系统方面,认为能量是释放在电极之间的某个地方,过去是错误的,现在是错误的!像许多事情一样,最好的解决方案往往是一种折衷方案,需要通过在熔炉和电源设计方面的合作来确定改进机会。
一旦设计确定,它将需要一个过程控制系统,该系统能够协助操作员管理多个能源,向熔化罐供电。在设计阶段使用的过程模型应用于建立多个模型预测控制器,以管理燃烧能量和所有电增压区,实现最佳、稳定的玻璃质量和能耗比。CelSian Glass BV和Eurotherm之间的合作伙伴关系正在帮助客户获得世界领先的过程控制和先进的控制集成,而综合分析和机器学习技能集对于正在进行的开发具有很大的价值。
从天然气转向电力还有其他挑战。其中之一是峰值电力需求,它不适用于天然气,但适用于电力,因为它对千瓦时电价有影响。应该强调的是,利用电力增压系统的灵活性来稳定电网,并获得较低的电价回报,这是成熟的技术。然而,一旦电力消耗上升,就像混合动力设计一样,调整电力消耗将对能源关税以及玻璃质量产生影响。
因此,在不影响玻璃质量的情况下,找到电能变化的精确范围是有意义的。在新的混合炉的第一个运行阶段,这可能不是最优先考虑的问题,但一旦瓶子生产出来并且质量可以接受,运行成本将是下一个讨论的问题。可使用能源供应管理软件,例如施耐德电气获奖的EcoStruxure电力监控专家,该软件旨在帮助电力关键和能源密集型设施最大限度地延长正常运行时间和提高运行效率。EcoStruxure是施耐德电气支持物联网的开放互操作架构和平台。
另一个不容小觑的问题是,在停电的情况下,维修人员将面临的挑战。虽然一个典型的2MW增压系统在系统发生设备故障的情况下可以承受50%的运行数小时,但一个必须覆盖80%熔化能力的增压系统要处理的问题要大得多,如果掉电的话影响要大得多。为了缓解这种情况,基于模块的控制系统设计与内置冗余,易于更换组件,预测性维护,甚至可能增强现实可以提高维护和维修时间。Eurotherm系统具有这种能力,包括作为快速更换和维修零件服务水平协议的一部分的现场/场外保税备件服务。
电力供应的监控方式将变得更加复杂。因此,应该认识到,系统与操作员的交互方式需要直截了当且易于管理。随着来自流程的数据不断增加,可视化改进(如HMI)旨在增强态势感知,可以帮助操作员快速识别最重要的参数并采取行动。当操作员已经需要了解新型熔炉的工作原理时,他们可能还希望保留传统的HMI设计。重要的是,供应商要找到最佳的方法,利用工具箱中的资源为用户构建最佳的解决方案。
混合式熔炉、全电炉、未来熔炉、氢气熔化炉和浸没式燃烧器熔化炉听起来都像是全新的设计,但事实并非如此。以上文字中所有电气和过程控制的流行语听起来也像是最新的发展,但事实并非如此。真正新鲜的是,玻璃行业正在进入一个新时代,专注于将碳排放降至零,减少浪费,同时确保企业未来,继续能够用玻璃瓶喝冷啤酒。
所有的炉子设计师和相关公司都有自己的专业知识和设计能力。然而,他们的弱点和局限性应该得到承认,他们都应该开始从过去40年炉子的设计方式前进。
只有通过基于信任和尊重的合作,玻璃行业才能确保玻璃保持其作为许多食品和饮料产品的最佳包装材料的地位,同时具有最低的环境影响。一如既往,施耐德电气的Eurotherm已经开始合作并准备提供电源和过程控制部分,旨在帮助改善作为整个玻璃制造设施一部分的整体“从电网到玻璃”系统。
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