王 磊

(新疆天業(yè)集團(tuán)天偉水泥有限公司，新疆 石河子 832000)

關(guān)于水泥回轉(zhuǎn)窯優(yōu)化控制策略探討

王 磊

(新疆天業(yè)集團(tuán)天偉水泥有限公司，新疆 石河子 832000)

文章首先分析了水泥回轉(zhuǎn)窯的調(diào)節(jié)方式，在此基礎(chǔ)上提出水泥回轉(zhuǎn)窯優(yōu)化控制策略。期望通過本文的研究能夠?qū)μ岣咚嗷剞D(zhuǎn)窯的運(yùn)行穩(wěn)定性有所幫助。

水泥 回轉(zhuǎn)窯 優(yōu)化控制

1水泥回轉(zhuǎn)窯的調(diào)節(jié)方式分析

水泥回轉(zhuǎn)窯的調(diào)節(jié)方式主要包括以下四種：

1.1 窯頭噴煤量調(diào)節(jié)

窯頭噴煤量是水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)中調(diào)節(jié)燒成帶溫度的主要方式。一般情況下，要在燒成帶溫度過高時(shí)，采取減少窯頭噴煤量的調(diào)節(jié)方式；在燒成帶溫度過低時(shí)，采取增加窯頭噴煤量的調(diào)節(jié)方式。

1.2 生料流量調(diào)節(jié)

調(diào)節(jié)生料流量可改變回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燒成帶溫度。在正常工況條件下，生料流量增加，則會(huì)降低窯內(nèi)溫度；生料流量減少，則會(huì)升高窯內(nèi)溫度。然而，在實(shí)際操作中，一般會(huì)保持穩(wěn)定的生料流量，所以可將其作為擾動(dòng)變量進(jìn)行前饋控制。

1.3 窯速調(diào)節(jié)

窯速調(diào)節(jié)要與生料流量調(diào)節(jié)保持一致性，即在增加生料流量的情況下，應(yīng)提高窯速；在減少生料流量的情況下，應(yīng)降低窯速。根據(jù)下料量的范圍不同，窯轉(zhuǎn)速也應(yīng)當(dāng)有所不同，一旦出現(xiàn)異常運(yùn)行情況，則需要及時(shí)調(diào)節(jié)窯轉(zhuǎn)速。

1.4 窯頭排風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)

窯頭負(fù)壓可以調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)用風(fēng)和篦冷機(jī)入窯二次風(fēng)之間的平衡，將窯頭排風(fēng)機(jī)作為控制窯頭負(fù)壓的控制變量，在升高窯頭負(fù)壓的情況下，增大窯頭排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；在降低窯頭負(fù)壓的情況下，減小其轉(zhuǎn)速。

由上述調(diào)節(jié)方式可知，水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)控制主要涉及煙室溫度、窯頭負(fù)壓、回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速三個(gè)方面的控制。

2水泥回轉(zhuǎn)窯優(yōu)化控制策略

2.1 水泥回轉(zhuǎn)窯的優(yōu)化控制目標(biāo)及控制難點(diǎn)

2.1.1 優(yōu)化控制目標(biāo)。通過上文對水泥回轉(zhuǎn)窯的調(diào)節(jié)方式進(jìn)行分析可得出系統(tǒng)的控制目標(biāo)如下：一是煙室溫度的控制。被控目標(biāo)為窯尾煙室的溫度，控制變量選擇窯頭噴煤，并通過對噴煤的調(diào)節(jié)來確保煙室溫度始終被控制在合理的范圍以內(nèi)，進(jìn)而保證窯內(nèi)系統(tǒng)的熱工穩(wěn)定性，這樣便可以使回轉(zhuǎn)窯一直處于高效、低能耗的運(yùn)行狀態(tài)；二是負(fù)壓調(diào)節(jié)。被控目標(biāo)為窯頭負(fù)壓，控制變量選擇窯頭排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并通過對轉(zhuǎn)速的有效調(diào)節(jié)來確保窯頭負(fù)壓始終在受控范圍之內(nèi)，由此保證窯內(nèi)系統(tǒng)用風(fēng)穩(wěn)定；三是窯轉(zhuǎn)速的控制。以回轉(zhuǎn)窯本身的轉(zhuǎn)速作為控制量，在運(yùn)行正常的工況下，按照生料流量對窯的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，在運(yùn)行異常的情況下，結(jié)合系統(tǒng)出現(xiàn)的特殊工況對轉(zhuǎn)速進(jìn)行修正。

2.1.2 控制難點(diǎn)。對水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制的過程中，存在以下難點(diǎn)問題：一是很難建立起回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)精確的機(jī)理模型，所有的優(yōu)化控制目標(biāo)都是人為設(shè)定，由此導(dǎo)致了設(shè)定值的差別較大；二是回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)內(nèi)的變化過程較為復(fù)雜，且窯內(nèi)溫度與煤粉燃燒之間存在著非線性、大滯后的特點(diǎn)，從而增大了控制難度；三是不同變量間存在較強(qiáng)的耦合性，采用單一的控制方式難以確?；剞D(zhuǎn)窯系統(tǒng)的高效、連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 優(yōu)化控制方案設(shè)計(jì)

為了有效解決上文中提到的水泥回轉(zhuǎn)窯控制中的難點(diǎn)問題，實(shí)現(xiàn)對回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行過程的優(yōu)化控制，本文提出如下控制策略：將PID控制器、趨勢控制器、偏差控制器和前饋控制器結(jié)合到一起的智能控制方案，具體如圖1所示。

圖1 水泥回轉(zhuǎn)窯優(yōu)化控制方案示意圖

2.3 優(yōu)化控制方案的實(shí)現(xiàn)

2.3.1水泥回轉(zhuǎn)窯窯尾溫度的優(yōu)化控制。

①PID控制器。當(dāng)被控量出現(xiàn)較大偏差時(shí)，會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起震蕩。為有效解決這一問題，在優(yōu)化控制方案的設(shè)計(jì)中，引入了變速積分，即在偏差相對較小時(shí)，可通過PI進(jìn)行控制，以此來增強(qiáng)積分作用；當(dāng)偏差較大時(shí)，則可采用PD進(jìn)行控制，借此來消除積分作用。在現(xiàn)場應(yīng)用中，若是窯頭噴煤的頻率過于頻繁，則會(huì)對窯系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性造成影響，而且還可能縮短設(shè)備的使用壽命，故此，可引入輸出閥值變量進(jìn)行控制，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試后得出輸出閥值變量為0.1 時(shí)能夠達(dá)到最佳的控制效果。

②滑動(dòng)上下限。為保證窯頭噴煤在合理范圍內(nèi)波動(dòng)，必須對窯頭噴煤的最終輸出設(shè)置上下限。本文采取滑動(dòng)上下限的方法，以確保在窯頭噴煤出現(xiàn)異常工況時(shí)，能夠進(jìn)行及時(shí)調(diào)整?；瑒?dòng)上下限的具體設(shè)置如下：滑動(dòng)上限=窯頭噴煤自動(dòng)給定均值+波動(dòng)幅度；滑動(dòng)下限=窯頭噴煤自動(dòng)給定均值-波動(dòng)幅度。

③偏差控制器。受外界擾動(dòng)影響，在被控變量與設(shè)定值嚴(yán)重偏離時(shí)，應(yīng)啟用偏差校正控制對變積分PID控制輸出進(jìn)行校正，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。

④趨勢控制器。在煙室溫度上升或下降過快時(shí)，應(yīng)啟用趨勢校正控制對PID輸出進(jìn)行校正，避免系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)問題。

⑤前饋控制器。以前饋控制器對下料量給定的變化進(jìn)行控制，當(dāng)下料給定發(fā)生改變時(shí)，窯頭噴煤也隨之改變，由此可以進(jìn)一步減小下料變化引起的窯尾煙室溫度波動(dòng)。具體的控制方式可用下式表示：

在上式當(dāng)中，s1(k)為下料的給定改變量；M1和M2分別為原始下料和當(dāng)前下料的給定；Ys為噴煤調(diào)整的幅度參數(shù)；Xs1為下料的變化幅度參數(shù)；ε為下料

1的給定改變閥值。

⑥補(bǔ)償模塊。為了實(shí)現(xiàn)對水泥回轉(zhuǎn)窯的自動(dòng)控制，應(yīng)在識(shí)別回轉(zhuǎn)窯參數(shù)的前提下，準(zhǔn)確判斷回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)行工況，并以此為依據(jù)，采取相應(yīng)的補(bǔ)償控制措施。在判定運(yùn)行工況時(shí)，選取窯頭噴煤壓力、窯電流、游離氧化鈣含量等參數(shù)，同時(shí)還須參考其他相關(guān)參數(shù)的變化。

2.3.2 窯頭負(fù)壓的優(yōu)化控制。對窯頭負(fù)壓的優(yōu)化控制欲窯尾溫度的控制方法基本類似，在此不進(jìn)行重復(fù)介紹。

2.3.3 回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速的優(yōu)化控制。為確?；剞D(zhuǎn)窯窯內(nèi)熱工穩(wěn)定，應(yīng)確定好窯速與投料量之間的比例關(guān)系。下面根據(jù)水泥廠的實(shí)際數(shù)據(jù)，將兩者的比例關(guān)系確定為：對于5000t/d水泥生產(chǎn)線而言，當(dāng)投料量分別為320-340t/h、340-360t/h、360-380t/h、390t/h以上時(shí)，應(yīng)當(dāng)將窯速分別控制在3.6r/min、3.8r/min、4.0r/min、4.2r/min。當(dāng)前，基本上均采取薄料快燒法對熟料進(jìn)行煅燒，所以應(yīng)在確定窯體斜率的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高回轉(zhuǎn)窯窯速，加快窯內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)速度，以達(dá)到提高回轉(zhuǎn)窯熟料產(chǎn)量的目的。

結(jié)論：

綜上所述，本文在對水泥回轉(zhuǎn)窯調(diào)節(jié)方式進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了回轉(zhuǎn)窯優(yōu)化控制方案，并對該方案的具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)論述。本文設(shè)計(jì)的這套方案已在國內(nèi)某水泥公司日產(chǎn)5000t的水泥生產(chǎn)線上進(jìn)行了試運(yùn)行，在運(yùn)行期間，水泥回轉(zhuǎn)窯的運(yùn)行穩(wěn)定性獲得顯著提升。由此可見，該套控制方案具有一定的推廣使用價(jià)值。

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1007-6344（2015）05-0005-01