水泥分解爐環節優化節能控制系統

師留剛，楊中強，夏中清

水泥分解爐環節優化節能控制系統

師留剛1，楊中強2，夏中清3

針對水泥分解爐非線性、大滯后、強耦合的特性，設計了以變積分PID控制器為中心，輔之以趨勢校正控制器、Bang-Bang控制器、前饋控制器和噴煤異?？刂破鞯膬灮澞芸刂葡到y。此系統已在某水泥廠應用，結果表明，此控制系統能滿足優化節能的目的。

分解爐；優化節能；變積分PID

水泥是我國基礎設施建設的重要材料之一，對我國經濟的發展有著舉足輕重的作用。目前，我國水泥行業的發展雖然取得了很大成就，但是依然面臨著很多挑戰。其中，能耗過高是目前水泥行業面臨的一個重要問題，水泥行業依然是我國節能減排的重點。

分解爐作為預分解窯的核心設備，承擔著熟料煅燒過程中耗熱最多的碳酸鹽分解任務，其耗煤量巨大，約占水泥燒成過程的60%。目前國內大部分水泥生產線，對分解爐的控制仍采用人工控制方式，由于操作員水平的差異，使分解爐溫度波動較大，嚴重影響了水泥系統的熱工穩定及水泥的產質量，浪費了大量能源。

筆者基于山水水泥平陰分公司DCS系統，設計了智能控制系統，對分解爐溫度進行優化節能控制。

1　新型干法水泥預分解系統工藝分析

該生產線的生產過程如圖1所示。

物料首先被送入1～2級旋風筒的連接處，并由熱風吹入1級旋風筒，實現氣固熱交換；再由1級旋風筒的底部進入2～3級旋風筒的連接處，又被熱風氣流帶入2級旋風筒內進行氣固熱交換，重復以上步驟，以達到生料逐級預熱分解的目的；物料預熱后經4級旋風筒底端進入分解爐，煤粉由分解爐中部添加并以無火焰狀態燃燒，產生大量熱能供給物料分解，分解率在85%～95%之間。從預分解系統的工藝特點和機理分析可以看出，分解爐溫度的穩定性直接決定了入窯分解率的高低，對整個窯系統的熱工穩定具有重要意義。因此，生產中一般通過調節窯尾噴煤量達到穩定控制分解爐溫度的目的。其中，分解爐出口溫度一般控制在860～920℃。

圖1　新型干法水泥預分解系統工藝

2　分解爐優化節能控制系統

優化的主要工作是將控制變量穩定在最優目標值附近，熟料質量更好，而節能的主要工作是用更少的煤產出更多的熟料。

2.1控制系統整體方案設計

根據前述工藝介紹，我們選取窯尾噴煤為控制量，分解爐溫度為被控量。但在實際生產中還有生料下料量、三次風溫度、尾煤壓力等干擾因素。因此，我們從該廠實際生產出發，提出以變積分控制為基礎，輔之以前饋控制、Bang-Bang控制、趨勢校正控制、喂煤波動異?？刂频脑O計方案（圖2）。

圖2　分解爐溫度自動控制系統

2.2智能控制規則設計

當分解爐溫度在正常范圍內變化，變化趨勢平緩時，采用單純的變積分PID控制器（S）；當外界擾動導致被控量出現劇烈變化，變化趨勢過大并維持一段時間時，采用趨勢校正控制對變積分PID控制器進行輸出校正（S1）；當外界擾動導致被控量大幅度偏離設定值并維持一段時間時，采用Bang-Bang控制對變積分PID控制器進行輸出校正（S2）；當生料下料給定、三次風溫和分解爐溫度設定值改變時，采用前饋控制器對變積分PID控制器進行輸出校正（S3）；當噴煤壓力波動很大時，采用噴煤異?？刂茖ψ兎e分PID控制器進行輸出校正（S4）。

綜上所述，智能控制規則如下：

其中：

e（k）——分解爐溫度偏差值

ee（k）——分解爐趨勢變化值

α——分解爐溫度偏差變化閾值

β——分解爐溫度趨勢變化閾值

bc（k）——下料給定改變、三次風溫改變或是溫度設定改變值

φ——下料給定改變、三次風溫改變或是溫度設定改變閾值

im（k）——喂煤壓力改變值

?——喂煤壓力變化閾值

U（k）——智能控制器輸出值

UPID——變積分PID控制器輸出值

UBB——偏差校正控制器的輸出

USL——趨勢校正控制器的輸出

UBC——前饋控制器的輸出

UIM——喂煤異?？刂破鞯妮敵?/p>

2.3各控制器模塊設計

2.3.1變積分PID控制器

傳統的PID控制器算法簡單、可靠性高、魯棒性強，在流程行業得到了廣泛應用。增量式PID的輸出是控制增量，當系統出現故障時，對系統的影響較小，采用增量式PID算法，算法如下：

式中:

Kp——比例系數

Ki——積分系數

Kd——微分系數

PID控制器中的積分環節可以減小被控量的穩態誤差，但當被控量出現偏差過大的情況時，積分環節會降低系統的穩定性，甚至容易引起振蕩。本方案中引入了變速積分來解決這一問題。PID控制器中將積分項乘以一個系數以使積分作用與偏差大小成比例，系數的計算如式（2）所示。

式中：

a、b——偏差閾值

偏差較小時，采用PID控制增強積分作用；偏差太大時，采用PD控制消除積分作用。將式（2）代入式（1）中可得到增量式變速積分，PID控制算法如式（3）所示。

2.3.2前饋控制

下料給定、三次風溫和分解爐出口溫度設定值采用前饋控制?？刂品绞饺缡剑?）所示，當其中任一參數發生改變，窯頭噴煤也隨之改變。

式中：

s1（k）——前饋變量改變量

φ——前饋變量改變閾值

M1——前饋變量原始值

M2——前饋當前值

Ys1——噴煤調整幅度參數

Xs1——前饋變量幅度參數

2.3.3Bang-Bang控制

當外界擾動使被控量大幅偏離設定值時，啟用Bang-Bang控制對變積分PID控制輸出進行校正，及時調整喂煤量，使溫度在最短時間內快速回到正常范圍。偏差校正控制器的輸出如式（5）所示。

式中：

UBB——偏差校正控制器的輸出

α——被控量的偏差閾值

△uBB——偏差校正控制器的校正步長

2.3.4趨勢校正控制

當外界擾動使分解爐溫度出現大幅上升或下降趨勢時，根據現場工作人員的經驗，設計了趨勢校正控制器對PID輸出進行校正，從而加快系統的響應速度，減小系統的超調。趨勢校正控制器的輸出如式（6）所示。

式中：

USL——趨勢校正控制器的輸出

β——被控量趨勢變化閾值

△uSL——趨勢校正控制器的校正步長

由于被控對象的時滯性，為避免連續使用此環節，將“調、等、看、判斷”思想融入控制器中，應在啟用一次趨勢校正后，等一段時間再觀察控制效果，此期間不能再用趨勢控制。若未達到控制效果，則再次啟用；若在等待時間內達到控制效果，則不再啟用。

2.3.5喂煤異?？刂?/p>

當窯尾喂煤給定值與反饋值沒有波動而窯尾喂煤壓力卻在突然上升后又突然下降，則會直接導致分解爐溫度急劇上升。當此現象出現時，操作專家會采取大幅降低窯尾喂煤量，待窯尾喂煤壓力恢復正常后，再將窯尾喂煤量恢復到波動前的操作措施。在此引入喂煤異?？刂埔巹t，規則如下：

Rule1：if尾煤壓力波動極大then大幅降低窯尾喂煤and if尾煤壓力恢復正常then恢復窯尾喂煤到波動前的喂煤值；

Rule2：if尾煤壓力波動很大then中幅降低窯尾喂煤and if尾煤壓力恢復正常then恢復窯尾喂煤到波動前的喂煤值；

Rule3：if尾煤壓力波動大then小幅降低窯尾喂煤and if尾煤壓力恢復正常then恢復窯尾喂煤到波動前的喂煤值。

2.4軟件整體設計

根據系統設計方案，利用VC++6.0編寫程序，將控制軟件安裝在操作員站；通過用VB開發的OPC Client讀取DCS系統工程師站OPC Server的數據，在DCS系統中添加自動控制的接口程序；點擊已安裝的節能優化軟件，打開自動控制系統的登錄界面，進入優化的程序界面（圖3）。

圖3　優化控制程序界面

2.5工程應用

將該自動控制系統應用到山水集團平陰分公司5 000t/d生產線上，圖4為分解爐溫度手動、自動對比。

對煤耗進行了兩次對比，每次均為兩天手動狀態、兩天自動狀態，圖5為手動和自動狀態時的煤耗對比。表1和表2為兩次對比的數據統計。

由第一次對比統計可知：

煤耗偏差值=手動煤耗-自動煤耗

圖4　分解爐溫度波動手動自動對比

圖5　手動和自動狀態時的煤耗效果

表1　第一次對比數據統計

表2　第二次對比數據統計

=134.93kg/t-131.81kg/t=3.12kg/t

由第二次對比統計方式可知：

煤耗偏差值=手動煤耗-自動煤耗

=136.16kg/t-132.46kg/t=3.7kg/t

由以上分析可知，自動狀態下煤耗相對較低，總體煤耗情況較好，達到了優化節煤的效果。

3　結語

本文將多種控制思想運用到水泥分解爐環節的控制上，并根據山水集團平陰分公司的生產線運行情況設定了一系列控制規則，設計了自動控制系統，實現了對分解爐溫度的自動控制，與原來人工控制相比，既穩定又節煤，實現了優化節能的目的。

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Optimized Energy Saving Control System for Calciner in Cement Line

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2016-07-21；編輯：孫娟