關于水泥廠機電設備集散控制系統(DCS)研究

李 錚

（河南省豫鶴同力水泥有限公司， 河南 鶴壁 458000）

0 前言

隨著水泥廠發展壓力的不斷增加，自動化生產模式以其降低成本及能耗控制優勢，在水泥生產行業中得到了良好普及。機電設備是水泥廠實現自動化生產的關鍵。由于水泥廠生產工藝相對復雜，且各機電設備間的關聯性水平較高，為機電設備的管理帶來一定困難，而引入集散控制系統則可有效改善上述狀況。因此，分析水泥廠機電設備集散控制系統的設計具有一定的必要性。

1 水泥廠主要機電設備

水泥廠的常見機電設備種類主要包含：

（一）篦冷機設備

篦冷機設備主要由空氣炮、供風系統、篦床等要素構成。在水泥廠生產中，篦冷機設備的作用主要為：利用其構成要素——冷卻風機分別向各室進行鼓風，借助對流熱交換原理促使各室熟料溫度快速下降，進而滿足后續生產要求。作為水泥煅燒生產系統的重要環節，篦冷機的運行狀況直接影響熟料冷卻處理質量。

（二）懸浮預熱器分解爐設備

懸浮預熱器分解爐是由旋風預熱器、分解爐構成的一種整體性機電設備。其中，預熱器的功能主要包含促進熱交換、窯尾收塵等。不同水泥廠預熱器的旋風筒數量各不相同。以目前水泥廠常見的旋風窯外預熱分解工藝為例，該預熱器是由 5個不同級別的旋風筒組成的。而分解爐設備的功能則為：傳輸煤粉，促使其與生料混合，發生分解反應。這一機電設備是水泥廠生產工藝的核心所在。

2 水泥廠機電設備集散控制系統分析

這里主要從以下幾方面入手，對水泥廠機電設備集散控制系統進行分析和研究：

（一）系統結構方面

水泥廠機電設備集散控制系統結構是影響集散控制系統性能的關鍵所在。因此，在設計系統結構時，應充分考慮水泥廠機電設備集散性管理的基本需求。本研究將水泥廠機電設備的整體系統結構設置為由現場控制站、主控室等構成。系統結構的安裝方式采用集中安裝方式[1]。具體而言，每個現場控制站均由現場信號電纜、輸入模塊、輸出模塊及主控模塊等構成，上述要素均被排列于相同的電氣機柜內。而機柜數量的設置則需要結合水電廠整體規模及機電設備數量等信息完成。

（二）控制范圍及分站處理方面

在引入集散控制系統之前，應對DCS系統的控制范圍進行預先劃定[2]。參照水泥廠機電設備的管控要求，可將其控制范圍設定為：負責窯尾預熱器、煤磨等生產工藝的監測；水泥廠原料堆場及水泥成品等車間各類用電設備的參數監測（包含順序控制參數、順序邏輯控制參數等）。

集散控制系統的分站是保障DCS系統管控功能發揮的基本因素[3]。參照水電廠機電設備的復雜性監管要求，本研究將其分站處理模式設置為：第一，原料控制分站。該分站的作用包含監控水泥廠相關水泥生產原料的傳輸、破碎化處理及分配等工序，并負責監控上述工序中涉及的相關工藝參數是否合理。第二，粉磨控制分站。DCS系統中，這一分站的功能主要包含水泥生產原料配比、生產廢棄物處理等工序中所涉及各類參數、機電設備的全程監控。第三，窯頭窯尾控制分站。在水泥廠生產過程中，原料燒成環節涉及的機電設備較多，主要包含預熱器、篦冷機、分解設備等。該分站則負責完成上述相關設備及參數的監控、報警及糾正。第四，水泥粉磨控制分站。該分站的性能直接影響水泥廠所生產水泥產品的質量，其功能為：監控水泥配料、成品輸送等生產工序所涉及的設備及各類參數。與傳統管理方法相比，這種集散式分站處理方法的應用可有效滿足水泥廠的高效、安全生產要求。

（三）煤磨設備控制方面

煤磨是水泥廠的主要設備之一。為了確保整個水泥廠的安全運行，在設計水泥廠幾點設備DCS系統時，應充分結合以往生產經驗，合理確定媒磨設備的整體控制需求。本研究將基于DCS系統的媒磨設備控制模式設計如下：

第一，原煤倉料位控制。于DCS系統中增設原煤倉料位控制模塊，利用這一控制機制保證系統運行狀態下，原煤倉料位可為實際生產提供穩定的原煤流量參數支持。第二，煤磨控制。在這項控制工作中，集散控制系統的作用主要體現在入口負壓、給煤及出口壓力 3方面。其中，監控煤磨設備的入口負壓參數的意義在于：其入口負壓能與反應風暴類似，可通過對該參數的測定實現對煤磨設備出口溫度參數的評估。本研究將水泥廠機電設備集散控制系統的煤磨入口負壓控制機制設定為：將煤磨設備的入口負壓作為外環，并將出口溫度作為內環，以被調參數作為煤磨設備入口冷熱風門開度。此時，制粉系統的通風量、煤磨設備的出口溫度（煤粉濕度）等均可得到良好控制。而DCS系統的給煤調控則采用定值調節機制，水泥廠分解爐、窯頭的給煤生產均采用這種調節方法。二者的區別在于：前者的給煤生產任務執行主要通過出口溫度這一要素完成。此外，水泥廠生產中，煤磨袋收塵出口壓力調節的關鍵性體現為：通過對該參數的合理調節，使得煤磨袋收塵的進口、出口均維持相對恒定的壓差參數。此時，煤磨袋的收塵效率、風量可得到良好保障，即保障煤磨袋運行的安全水平，有效避免水泥廠煤磨爆炸事故的發生。

（四）窯尾預熱器設備控制方面

為了充分發揮DCS系統的控制優勢，滿足水泥廠機電設備的安全監管及生產要求，可將其窯尾預熱器設備的控制模式設置如下：

第一，以自動控制回路滿足窯尾的生料定量喂料需求。這一管控機制的原理為：根據水泥廠喂料預熱器中的氧氣含量、生料量配合比要求，建立自動控制回路，以便利用該工具動態控制二者間的關系，使得二者的比例基本維持于動態平衡水平。在實際生產中，當窯尾生料量增加時，DCS系統可通過自動控制回路，自動調節預熱器中的氧氣量，以此確保整個生產工作的順利完成。第二，生料倉位報警機制。為了保障水泥廠機電設備的運行安全，同時提高其生產效率，可將DCS系統的生料倉位報警機制設置為：精確計算來源于水泥廠均化庫的生料在提升輸送過程中及被運送至下料倉時的真實生料體積參數。利用上述 2種參數合理確定生料倉位的相關報警下限及上限，最后將這兩個限值作為生料倉位報警機制的閾值，以實現對生料料位的安全控制。第三，空氣量監控。空氣量對水泥廠回轉窯運行安全的影響主要是通過料風比這一媒介實現的。為了保障水泥廠回轉窯的安全運行，于DCS系統中設置空氣量自動監控機制：結合以往生產要求，預設空氣量閾值，以此作為回轉窯內助燃空氣是否短缺的參照依據。DCS系統在監控生料量參數合理的前提下，精準評估助燃空氣是否短缺。如發現空氣量接近或已達到最低閾值，可及時進行調節，以防電收塵內廢氣（窯尾）爆炸事故的發生。

3 結論

綜上所述，集散控制系統的引入可為水泥廠日常生產及機電設備管控提供良好的保障。為了實現上述目的，水泥廠應結合自身機電設備種類、預期管理要求，合理實現機電設備與集散控制系統的整合，利用完善的集散管理系統提高機電設備運行安全水平，并為水泥生產行業的發展提供可靠的技術支持。