劉繼承 甘長(zhǎng)能

（貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司）

氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程中， 焙燒是最后一道工序，該工序的目標(biāo)是將帶有附著水和結(jié)晶水的氫氧化鋁焙燒成符合質(zhì)量要求的砂狀氧化鋁。 產(chǎn)品氧化鋁的灼減率是其控制的重要指標(biāo)之一，一般要求灼減率不大于1.0%。

目前，受檢測(cè)技術(shù)的制約，國(guó)內(nèi)外均沒(méi)有可測(cè)量該參數(shù)的儀表儀器， 整個(gè)焙燒系統(tǒng)生產(chǎn)本質(zhì)上依然是開環(huán)控制， 僅憑借工作人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作， 直接影響了焙燒爐的節(jié)能降耗及經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。

1 氧化鋁焙燒爐工藝流程

氧化鋁焙燒爐工藝流程如圖1所示。

圖1 氧化鋁焙燒爐工藝流程

焙燒系統(tǒng)由喂料系統(tǒng)、預(yù)熱旋風(fēng)筒、焙燒主爐、冷卻旋風(fēng)筒、流化冷卻床和輸送系統(tǒng)組成。 原料氫氧化鋁經(jīng)由輸送設(shè)備儲(chǔ)存在小料倉(cāng)FB內(nèi)，生產(chǎn)時(shí)再經(jīng)由可調(diào)轉(zhuǎn)速的喂料秤WB稱重后再由喂料螺旋FS送入文丘里干燥器VD進(jìn)行干燥，干燥后的氫氧化鋁被送到預(yù)熱旋風(fēng)筒PC1和PC2進(jìn)行預(yù)焙燒， 預(yù)焙燒后的物料送至焙燒主爐GSC內(nèi)完成最后的焙燒和產(chǎn)品質(zhì)量的調(diào)整，焙燒后生成的產(chǎn)品依次通過(guò)熱分離旋風(fēng)筒PC3、 冷卻旋風(fēng)筒CC1、CC2、CC3、CC4與冷空氣進(jìn)行熱交換進(jìn)行降溫，從冷卻旋風(fēng)筒出來(lái)的氧化鋁進(jìn)入流化床冷卻器FC1、FC2實(shí)現(xiàn)最后的冷卻，溫度低于80 ℃的氧化鋁經(jīng)由風(fēng)動(dòng)溜槽、氧化鋁輸送皮帶送入氧化鋁倉(cāng)進(jìn)行存儲(chǔ)［1］。

工藝生產(chǎn)所需熱量由煤氣或天然氣在焙燒爐單元內(nèi)燃燒提供，從預(yù)熱旋風(fēng)筒分離出來(lái)的熱空氣用作燃燒風(fēng)。 焙燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣進(jìn)入靜電除塵器內(nèi)除塵后由煙道排出，收集的粉塵被送回焙燒系統(tǒng)。

靜電收塵和返灰系統(tǒng)包括電收塵器EP、料封泵、返灰風(fēng)機(jī)及返灰管道等，作用是凈化煙氣，將煙氣中的粉塵收集送回焙燒系統(tǒng)， 避免污染，同時(shí)減少氧化鋁損失。

喂料系統(tǒng)包括小料倉(cāng)FB、喂料秤WB、喂料螺旋FS， 作用是為焙燒系統(tǒng)提供原料氫氧化鋁，生產(chǎn)過(guò)程中可通過(guò)調(diào)節(jié)氫氧化鋁的下料量來(lái)滿足焙燒爐溫度的控制指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的控制［1］。

2 氧化鋁焙燒爐生產(chǎn)控制現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題

2.1 現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外氧化鋁焙燒爐的生產(chǎn)過(guò)程控制基本全部采用DCS實(shí)現(xiàn)， 焙燒系統(tǒng)相關(guān)工藝參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行基本都在主控室進(jìn)行集中監(jiān)控，重要工藝參數(shù)檢測(cè)儀表的數(shù)據(jù)在主控室計(jì)算機(jī)屏幕上顯示并記錄。

根據(jù)氧化鋁焙燒工藝特點(diǎn)，目前，已有的重要控制及聯(lián)鎖回路現(xiàn)狀［2］如下：

a. 下料量控制回路。 主要通過(guò)調(diào)節(jié)喂料秤WB的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)氫氧化鋁的下料量。

b. 文丘里干燥器VD出口溫度控制回路。 通過(guò)文丘里干燥器VD出口溫度控制干燥燃燒器VHG調(diào)節(jié)閥的開度。

c. 煙道氧含量控制回路。ID引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制煙道內(nèi)的氧含量，在正常生產(chǎn)時(shí)，氧含量需控制在2.5%（vol）左右，如需調(diào)節(jié)排風(fēng)量，可以通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的速度實(shí)現(xiàn)，風(fēng)量的小量調(diào)節(jié)可通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)門開度實(shí)現(xiàn)。

d. 預(yù)熱旋風(fēng)管出口煙道溫度控制回路。

e. 焙燒主爐GSC溫度控制回路。 焙燒主爐GSC溫度控制主燃燒器CB調(diào)節(jié)閥， 控制煤氣流量。 對(duì)于焙燒過(guò)程，目前國(guó)內(nèi)企業(yè)主要控制的是焙燒主爐GSC溫度。

f. 在DCS實(shí)現(xiàn)各級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器、 旋風(fēng)冷卻器入口/出口溫度和壓力的監(jiān)測(cè)，以及風(fēng)機(jī)、返灰、收塵、進(jìn)料及燃燒站等設(shè)備間的聯(lián)鎖。

g. 焙燒爐通過(guò)燃燒煤氣提供熱量，操作人員根據(jù)煤氣壓力和爐溫反饋，手動(dòng)調(diào)節(jié)煤氣閥門開度。 爐溫控制基本都由PID調(diào)節(jié)回路，輸出調(diào)節(jié)煤氣流量，但爐溫調(diào)節(jié)回路投自動(dòng)的不多，基本靠人工手動(dòng)操作。

2.2 存在的問(wèn)題

目前， 國(guó)內(nèi)氧化鋁生產(chǎn)中焙燒系統(tǒng)的氫氧化鋁下料量在爐況正常的情況下由PID調(diào)節(jié)。主爐溫波動(dòng)則由操作人員手動(dòng)操作。 煤氣量由人工通過(guò)對(duì)培燒主爐GSC溫度的判斷， 手動(dòng)調(diào)節(jié)主燃燒器CB燒嘴的開度，必要時(shí)還需調(diào)節(jié)煤氣主管上閥門開度。 ID引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由操作人員根據(jù)煙氣含氧量、 電收塵出口壓力等參數(shù)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。

以國(guó)內(nèi)某氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)為例，受上述人工操作的限制，一周的主爐溫度和灼減率（班樣化驗(yàn)）曲線如圖2、3所示。 可以看出，主爐溫度在1 017～1 089 ℃波動(dòng)， 溫度上下限值差達(dá)到70 ℃以上，主爐溫度波動(dòng)意味著爐況不好、爐子壽命及煤氣消耗等都存在問(wèn)題。 產(chǎn)品氧化鋁灼減率的范圍在0.80%～0.95%，還有提升空間。灼減率是焙燒產(chǎn)品氧化鋁的重要指標(biāo)，而且是企業(yè)生產(chǎn)向指標(biāo)要產(chǎn)量要效益的重要體現(xiàn)， 灼減率控制得低，只要不斷提高主爐溫度就很容易實(shí)現(xiàn)，但這樣操作的弊端是煤氣浪費(fèi)多、能耗高；灼減率控制得高，操作困難，易產(chǎn)生不合格產(chǎn)品（一般灼減率大于1.0%是不合格產(chǎn)品）。

圖2 GSC焙燒主爐溫度趨勢(shì)

圖3 灼減率（取樣）趨勢(shì)

在氧化鋁生產(chǎn)中， 由于焙燒爐具有非線性，原料氫氧化鋁具有水分變化、工況擾動(dòng)及純滯后等特性，同時(shí)，對(duì)于產(chǎn)品氧化鋁最主要的指標(biāo)灼減率， 目前沒(méi)有成熟可用的傳感器可以檢測(cè)，生產(chǎn)中只能依靠取樣化驗(yàn)值作為人工操作調(diào)節(jié)的參考依據(jù)，無(wú)法將灼減率與焙燒溫度相關(guān)聯(lián)構(gòu)成閉環(huán)控制，整個(gè)焙燒系統(tǒng)的生產(chǎn)控制，本質(zhì)上依然是開環(huán)控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)運(yùn)行［3，4］。

要實(shí)現(xiàn)氫氧化鋁焙燒爐的智能控制，減少人為操作、減少工況擾動(dòng)、克服長(zhǎng)時(shí)間純滯后的特性，在應(yīng)用先進(jìn)智能優(yōu)化控制的同時(shí)，關(guān)鍵在于把產(chǎn)品氧化鋁最主要的指標(biāo)灼減率實(shí)時(shí)納入系統(tǒng)，使得整個(gè)焙燒生產(chǎn)過(guò)程控制成為閉環(huán)系統(tǒng)。

3 氧化鋁焙燒爐智能優(yōu)化控制策略

3.1 模型預(yù)測(cè)控制

模型預(yù)測(cè)控制是一種多變量智能控制技術(shù)，是基于模型預(yù)測(cè)和優(yōu)化的手段；模型預(yù)測(cè)控制需要在每一個(gè)時(shí)間域通過(guò)反復(fù)迭代的預(yù)測(cè)和優(yōu)化來(lái)求最優(yōu)解， 當(dāng)?shù)玫降淖顑?yōu)解滿足邊界約束后，再將它作為控制器的輸出作用給被控對(duì)象［5，6］。

本項(xiàng)目中，焙燒爐預(yù)測(cè)模型的設(shè)計(jì)過(guò)程描述如下：

其中，J（y，u）表示目標(biāo)函數(shù)，y（·）表示系統(tǒng)輸出，yd（·）表示系統(tǒng)期望輸出，u（·）表示系統(tǒng)輸入，f （·） 表示系統(tǒng)函數(shù)，T表示時(shí)間域，t表示采樣時(shí)刻，k表示采樣時(shí)間步長(zhǎng)，N表示步長(zhǎng)累計(jì)量，n表示輸入量個(gè)數(shù)。

約束（1）表示被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性函數(shù)，約束（2）和（3）分別表示系統(tǒng)輸入控制量u（t）和系統(tǒng)輸出狀態(tài)量y（t）受到上、下限的約束；目標(biāo)函數(shù)J（y，u）表示系統(tǒng)的輸出狀態(tài)y（t+k）和期望輸出狀態(tài)yd（t+k）在未來(lái)N個(gè)時(shí)間步都要盡量接近。

就焙燒產(chǎn)品氧化鋁灼減率而言，可知的工藝參數(shù)包括：氫氧化鋁含水率、氫氧化鋁下料量、VD文丘干燥器溫度、PC1一級(jí)預(yù)熱旋風(fēng)筒溫度、一氧化碳含量、PC2二級(jí)預(yù)熱旋風(fēng)筒溫度、 氧氣含量、二級(jí)預(yù)熱旋風(fēng)筒與文丘干燥器壓差、GSC焙燒主爐溫度、PC3熱分離旋風(fēng)筒溫度、CC1一級(jí)冷卻旋風(fēng)筒溫度、CC2二級(jí)冷卻旋風(fēng)筒溫度、CC3三級(jí)冷卻旋風(fēng)筒溫度、CC4四級(jí)冷卻旋風(fēng)筒溫度、CC4四級(jí)冷卻旋風(fēng)筒出料溫度、EP電收塵器返灰壓力、CB主燃燒器煤氣的流量/壓力/溫度、ID引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電流，多達(dá)24個(gè)量。 目標(biāo)是以工藝參數(shù)作為輸入，產(chǎn)品氧化鋁灼減率作為輸出，步驟如下：

a. 數(shù)據(jù)歸集，在DCS數(shù)據(jù)庫(kù)中采集上述工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；

b. 結(jié)合焙燒工藝進(jìn)行特征選擇、特征評(píng)估及降低數(shù)據(jù)維度等數(shù)據(jù)處理；

c. 模型選擇，如選擇邏輯回歸、梯度提升樹（GBDT）等，進(jìn)行模型訓(xùn)練和深度學(xué)習(xí)；

d. 模型評(píng)估驗(yàn)證和交叉驗(yàn)證，如采用某一年內(nèi)數(shù)據(jù)作為輸入，隨機(jī)選擇約100 000條未參與模型訓(xùn)練的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，重復(fù)上步驟多次，不斷修正相關(guān)因子；

e. 重復(fù)步驟c、d， 當(dāng)模型預(yù)測(cè)輸出值與取樣化驗(yàn)值之差滿足小于0.05%，則到達(dá)要求；

f. 效果評(píng)估。

采用某氧化鋁企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，時(shí)間步長(zhǎng)選擇1 h，預(yù)測(cè)的灼減率數(shù)值與取樣化驗(yàn)值之差小于0.05%， 差值點(diǎn)累計(jì)占比見(jiàn)表1，趨勢(shì)如圖4所示， 滿足生產(chǎn)期望在約束可接受的范圍內(nèi)。

表1 差值點(diǎn)累計(jì)占比 %

圖4 灼減率模型預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

3.2 焙燒爐智能優(yōu)化控制策略

焙燒主爐溫度、系統(tǒng)氧含量、一氧化碳含量、系統(tǒng)負(fù)壓及焙燒出料溫度等，都是產(chǎn)品氧化鋁灼減率合格的因素，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，喂料秤皮帶轉(zhuǎn)速（下料量）、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、燒嘴開度及煤氣主干閥開度等都有可能引起這些因素波動(dòng)。 另外，如電除塵器返灰量可影響系統(tǒng)負(fù)壓，以及進(jìn)廠煤氣熱值影響系統(tǒng)焙燒主爐溫度等，也都可能成為干擾因素。 根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際工況，傳感器可準(zhǔn)確檢測(cè)的工藝參數(shù)，選取主被控變量（表2）、操作變量、干擾變量（表3）建立控制策略矩陣（圖5）。

圖5 控制策略矩陣

表2 主被控變量

表3 操作變量和干擾變量

焙燒主爐GSC的溫度控制是以穩(wěn)定產(chǎn)品為目標(biāo)，當(dāng)焙燒主爐GSC的溫度高于設(shè)定值時(shí)，增加下料量WB喂料秤轉(zhuǎn)速；當(dāng)焙燒主爐GSC的溫度低于設(shè)定值且系統(tǒng)氧含量允許的情況下，保住下料量WB喂料秤轉(zhuǎn)速不調(diào)整，增加煤氣量；如果系統(tǒng)氧含量已經(jīng)接近下限，則根據(jù)ID引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)確定是否增加煤氣量。 如果能夠增加ID引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，則同時(shí)增加煤氣量；如果不能增加ID引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，則表示煤氣量不能增加；如果煤氣調(diào)不過(guò)來(lái)或氧含量太低且ID引風(fēng)機(jī)已經(jīng)滿負(fù)荷運(yùn)行則調(diào)整下料量（即減少WB喂料秤轉(zhuǎn)速）來(lái)穩(wěn)定焙燒主爐GSC的溫度。

CB閥門開度設(shè)定控制范圍，當(dāng)焙燒主爐GSC的溫度超過(guò)設(shè)定的偏差范圍時(shí)，調(diào)節(jié)主煤氣閥門開度； 當(dāng)焙燒主爐GSC的溫度在設(shè)定的偏差范圍內(nèi)時(shí)， 不調(diào)節(jié)主煤氣閥門開度；CB燒嘴開度目標(biāo)設(shè)定， 當(dāng)焙燒主爐GSC的溫度在設(shè)定的偏差范圍內(nèi)時(shí)，控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)CB燒嘴開度，自動(dòng)保持焙燒主爐GSC的溫度在設(shè)定的目標(biāo)。

通過(guò)氫氧化鋁下料量、 氫氧化鋁含水率、煤氣流量及主爐溫度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)當(dāng)前的灼減率， 把該時(shí)刻的灼減率作為反饋送入DCS形成閉環(huán)，進(jìn)而控制下料量、煤氣及ID引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等達(dá)到保持產(chǎn)品氧化鋁灼減率穩(wěn)定在約定范圍的目標(biāo)，控制框圖如圖6所示。

圖6 焙燒爐智能優(yōu)化控制框圖

4 試驗(yàn)成果

4.1 實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)

智能優(yōu)化控制策略對(duì)主爐溫度的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，由圖可以看出，主爐溫度波動(dòng)減少約20 ℃，折合節(jié)約煤氣2%～4%。

圖7 主爐溫度對(duì)比（10天）

智能優(yōu)化控制策略對(duì)產(chǎn)品氧化鋁灼減率的試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，主爐溫度減少對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品氧化鋁灼減率提高約0.05%，在0.85%～1.00%的范圍內(nèi)。

圖8 灼減率趨勢(shì)對(duì)比（10天）

另外，對(duì)原料氫氧化鋁下料量、煤氣量及引風(fēng)量等的控制操作都可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

試驗(yàn)表明， 在投入智能優(yōu)化控制系統(tǒng)后，焙燒主爐溫度波動(dòng)明顯降低，燃燒質(zhì)量改善，從而可以穩(wěn)定產(chǎn)品氧化鋁的質(zhì)量， 預(yù)計(jì)節(jié)約煤氣2%～4%， 氧化鋁灼減率提高0.05%。 按目前國(guó)內(nèi)平均噸氧化鋁煤氣單耗550 m3， 以年產(chǎn)200萬(wàn)噸氧化鋁、氧化鋁價(jià)格每噸2 500元計(jì)、煤氣價(jià)格每立方米0.20元計(jì)、節(jié)約煤氣暫取中間值3%、灼減率提高0.05%，經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算如下：

實(shí)施焙燒爐智能優(yōu)化控制策略后，企業(yè)一年內(nèi)可獲得經(jīng)濟(jì)效益約910萬(wàn)元。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者結(jié)合氧化鋁焙燒生產(chǎn)過(guò)程的特性和控制要求，基于模型預(yù)測(cè)與優(yōu)化技術(shù)，提出焙燒爐智能優(yōu)化控制策略。 試驗(yàn)表明，智能優(yōu)化系統(tǒng)可穩(wěn)定氧化鋁產(chǎn)品質(zhì)量，在提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平的同時(shí)降低煤氣消耗量，經(jīng)濟(jì)效益顯著，符合國(guó)家節(jié)能政策導(dǎo)向，可在氧化鋁行業(yè)推廣應(yīng)用。