模型預(yù)測控制技術(shù)在水泥回轉(zhuǎn)窯的成功應(yīng)用

陳香歸 臧春華 蘇寶玉 孔慶儒

（1.沈陽化工大學(xué)信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142；2.沈陽華控科技發(fā)展有限公司， 遼寧 沈陽 110142）

0 引言

水泥回轉(zhuǎn)窯是一個(gè)典型的熱工過程，能耗高熱效低，是一個(gè)多變量、多約束、強(qiáng)耦合、大滯后和非線性的復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)[1-2]。窯操作員想通過單一的改變某個(gè)變量對(duì)另一個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，也會(huì)帶動(dòng)其他的非目標(biāo)參數(shù)被影響。比如增加窯頭喂煤量，燒成帶溫度和窯尾廢氣溫度增加，廢氣含氧量降低；而增加生料喂料量時(shí)，燒成帶溫度、窯尾廢氣溫度和廢氣含氧量都降低[3]。目前對(duì)于這種復(fù)雜性質(zhì)的工藝系統(tǒng)，國內(nèi)DCS系統(tǒng)大多采用多串級(jí)或PID回路的方式進(jìn)行控制，但是常規(guī)PID控制僅從被控對(duì)象的單輸入單輸出關(guān)系實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，不能很好的協(xié)調(diào)水泥窯系統(tǒng)中分解爐溫度、窯頭負(fù)壓和篦床壓力等參數(shù)之間的復(fù)雜關(guān)系[4]，需要更好的控制方法。

近60年發(fā)展起來的模型預(yù)測控制[5]技術(shù)已經(jīng)在流程工業(yè)方面大范圍使用并且取得了一定的成果[6]。模型預(yù)測控制技術(shù)在水泥工業(yè)的成功應(yīng)用案例也有不少。由中材邦業(yè)智能技術(shù)有限公司開發(fā)的 ICE智能控制平臺(tái)[7]，以模型預(yù)測控制為核心采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)的優(yōu)化控制，考核后該平臺(tái)可提高水泥生產(chǎn)的平穩(wěn)性，增加企業(yè)效益。張春華[8]提出了一種基于組合模型的智能控制算法，結(jié)合預(yù)測輸出和優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)控制。郭峰[9]提出了一種變?cè)鲆婺：鼳RX模型建模方法，建立了回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的預(yù)測模型，利用在冀東水泥股份有限公司采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和研究，驗(yàn)證了方法的可行性和有效性。壯炳良等[10]介紹了模型預(yù)測控制技術(shù)在某5 000 t/d水泥生產(chǎn)線的應(yīng)用，用基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型作為過程模型，投運(yùn)后單位熟料所耗煤量降低了約4個(gè)百分點(diǎn)。吳玉寧等[11]介紹了同一MPC技術(shù)在水泥生產(chǎn)線的應(yīng)用，結(jié)果是熟料產(chǎn)量提高6個(gè)百分點(diǎn)，煤耗和電耗都有所降低。Konrad S等[12]介紹了基于機(jī)理建模的MPC技術(shù)在水泥窯的應(yīng)用，投運(yùn)后工況參數(shù)的波動(dòng)性大大降低。以上大多數(shù)是針對(duì)水泥窯的過程控制，而未考慮到優(yōu)化控制。因此，難以滿足企業(yè)對(duì)節(jié)能降耗增產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)效益最大化等要求，所以需要一種既能滿足控制要求又能滿足優(yōu)化要求的控制算法。

本文介紹MPC技術(shù)在陜西榆林某水泥公司3 000 t/d水泥生產(chǎn)線上的成功應(yīng)用。

1 水泥窯工藝流程簡介

以回轉(zhuǎn)窯為核心的熟料煅燒系統(tǒng)是水泥生產(chǎn)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。回轉(zhuǎn)窯具有 4%左右的傾斜度，通過不停轉(zhuǎn)動(dòng)讓物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)攪拌混合發(fā)生反應(yīng)。生料經(jīng)過換熱和預(yù)分解后進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯，由窯尾向窯頭運(yùn)動(dòng)，在窯內(nèi)進(jìn)一步分解。窯尾羅茨風(fēng)機(jī)將煤粉送入分解爐內(nèi)，窯頭羅茨風(fēng)機(jī)將煤粉從窯頭噴入，對(duì)生料進(jìn)行煅燒，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的熱量來源主要就是來自于窯頭噴煤燃燒產(chǎn)生的熱量。煤粉在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)劇烈燃燒放出大量熱量，高溫氣體在窯尾高溫風(fēng)機(jī)抽引下，向窯尾流動(dòng)，與物料的運(yùn)動(dòng)方向相反，物料通過接受高溫氣體和火焰交換的熱量，最終被煅燒成熟料。熟料燒成后滑落至篦床上急劇冷卻，在往復(fù)推動(dòng)的篦板推送下，沿著篦床分散形成一定厚度的料層，冷卻風(fēng)從料層下方向上吹入，對(duì)熟料進(jìn)行冷卻，同時(shí)回收高溫熟料的顯熱，提高系統(tǒng)的熱效率和熟料質(zhì)量。

2 控制難點(diǎn)分析

（1）多變量強(qiáng)耦合。回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)內(nèi)部控制輸入輸出變量眾多，實(shí)際工況復(fù)雜且各控制變量與被控變量之間存在著強(qiáng)耦合性[13]，一個(gè)控制變量的改變會(huì)被動(dòng)的引起多個(gè)被控變量的變化，同時(shí)，一個(gè)被控變量也可能同時(shí)受到多個(gè)控制變量的影響。

（2）窯內(nèi)溫度控制[14]：回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的物料反應(yīng)所需要的熱量主要通過煤粉燃燒放熱來提供，喂煤量的多少直接影響回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的煅燒溫度。但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，會(huì)受到窯內(nèi)通風(fēng)情況和風(fēng)煤配比以及煤粉是否完全燃燒等工況的影響。

（3）窯頭負(fù)壓控制：被控目標(biāo)為窯頭負(fù)壓，控制變量為窯頭排風(fēng)機(jī)和篦冷機(jī)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果窯頭負(fù)壓過高甚至出現(xiàn)正壓，就會(huì)造成窯內(nèi)氧氣含量不足，使煤粉不能進(jìn)行充分的燃燒；反之則有可能損傷窯頭罩，影響熟料的質(zhì)量。

（4）篦冷機(jī)控制[15]：通過調(diào)節(jié)篦冷機(jī)篦速和篦冷機(jī)風(fēng)機(jī)頻率來調(diào)整篦床壓力，但篦冷機(jī)涉及的工況較多，很難進(jìn)行精確的調(diào)控。篦速過快會(huì)導(dǎo)致二次風(fēng)溫度低，不能充分地利用熱量。蓖速過快，蓖下壓力越高。

能否對(duì)以上這些關(guān)鍵工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)精確的控制，直接影響著水泥生產(chǎn)熟料質(zhì)量的好壞。

3 控制算法描述

MPC 控制算法使用多目標(biāo)層優(yōu)化方法，控制每個(gè)CV使其與設(shè)定值相同或在某個(gè)區(qū)域內(nèi)。在穩(wěn)態(tài)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化中，采用了線性規(guī)劃和二次規(guī)劃技術(shù)，每個(gè)MV和CV都分配了相應(yīng)的理想重置值。在每一個(gè)控制采用周期內(nèi)，MPC控制算法都包含以下三個(gè)步驟：預(yù)測、穩(wěn)態(tài)優(yōu)化和動(dòng)態(tài)控制。

預(yù)測步驟是在辨識(shí)得到的模型基礎(chǔ)上，使用MV、DV和CV當(dāng)前的測量值對(duì)被控變量未來可能出現(xiàn)的值進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測值將會(huì)在后續(xù)的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化層和動(dòng)態(tài)控制層中使用。

在穩(wěn)態(tài)優(yōu)化層中，先分析可行性，檢查是否存在足夠大小的自由度來控制全部被控變量，當(dāng)自由度不足以控制所有被控變量時(shí)，可以按照每個(gè)被控變量的優(yōu)先級(jí)別和權(quán)重因子來進(jìn)行選擇；反之，自由度充足的情況，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)優(yōu)化。經(jīng)濟(jì)優(yōu)化結(jié)合使用了線性規(guī)劃和二次規(guī)劃：

式中:u—MV向量，y—CV向量，IRVu—理想狀態(tài)的MV的重置值向量，IRVy—理想狀態(tài)的CV重置值向量，wu—MV的二次規(guī)劃權(quán)重對(duì)角矩陣，wy—CV的二次規(guī)劃權(quán)重對(duì)角矩陣，b1—MV的一次規(guī)劃權(quán)重向量，b2—CV的一次規(guī)劃權(quán)重向量，s.t.—約束條件，G—模型增益矩陣，—在t采樣時(shí)刻的偏差，—MV的上下限，—CV的上下限。

在動(dòng)態(tài)控制層中，基于辨識(shí)得到的模型，根據(jù)被控變量的未來預(yù)測值計(jì)算出相應(yīng)的控制變量動(dòng)作，使得生產(chǎn)過程最終能夠達(dá)到穩(wěn)態(tài)，即穩(wěn)態(tài)優(yōu)化中得到的穩(wěn)態(tài)值。動(dòng)態(tài)控制層的計(jì)算也使用了二次規(guī)劃：

式中:P—預(yù)測步長，M—控制步長，Q—CV的二次規(guī)劃權(quán)重對(duì)角矩陣，R—MV的二次規(guī)劃權(quán)重對(duì)角矩陣，S—MV的增量權(quán)重對(duì)角矩陣，yref(t)—CV閉環(huán)響應(yīng)曲線的理想狀態(tài)，y*和u*—在穩(wěn)定優(yōu)化中已經(jīng)確定的穩(wěn)態(tài)值（MV和CV），Tresp—每個(gè)CV的閉環(huán)穩(wěn)態(tài)時(shí)間。

4 MPC系統(tǒng)的應(yīng)用

模型預(yù)測控制（MPC）技術(shù)在水泥工藝流程中，有兩個(gè)功能是最為突出且尤為重要的：一是大大降低有關(guān)工藝參數(shù)波動(dòng)幅度的大小；二是使有關(guān)工藝參數(shù)盡可能的貼近內(nèi)部約束條件的邊界，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的卡邊優(yōu)化以獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)陜西榆林某水泥生產(chǎn)線引入MPC控制系統(tǒng)后，對(duì)喂煤量、窯頭引風(fēng)機(jī)頻率等關(guān)鍵變量實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié)，以下選取窯頭送煤風(fēng)機(jī)電流、窯尾三級(jí)筒出口溫度、窯頭負(fù)壓為對(duì)象，進(jìn)行投運(yùn)先進(jìn)控制系統(tǒng)前后的對(duì)比分析。

圖1是窯頭送煤風(fēng)機(jī)電流投運(yùn)先進(jìn)控制與手動(dòng)控制的比較，時(shí)間段為24小時(shí)。投運(yùn)先進(jìn)控制后曲線波動(dòng)大幅度降低，標(biāo)準(zhǔn)差降低了 72.3%，穩(wěn)定了對(duì)窯頭煤量的輸入控制。

圖1 窯頭送煤風(fēng)機(jī)電流（先進(jìn)控制投運(yùn)前后對(duì)比圖）

圖2是三級(jí)筒出口溫度在投運(yùn)先進(jìn)控制與手動(dòng)控制的比較，時(shí)間段為24小時(shí)。投運(yùn)先進(jìn)控制后曲線波動(dòng)大幅度降低，標(biāo)準(zhǔn)差降低了 69.8%。三級(jí)筒出口溫度波動(dòng)的降低可以大幅度節(jié)約煤的用量并且提高熟料質(zhì)量。從工藝角度講，尾煤控制存在不敏感區(qū)域。也就是說當(dāng)尾煤量大于某個(gè)閾值后，燃燒不充分，燃燒效率反而會(huì)降低。手動(dòng)操作時(shí)為了保證煅燒溫度，窯操偏向于多給煤；而自動(dòng)控制時(shí)由于控制器的控制品質(zhì)高，煤量一般在完全燃燒的最佳區(qū)間內(nèi)調(diào)整。

圖2 三級(jí)筒出口溫度（先進(jìn)控制投運(yùn)前后對(duì)比圖）

圖3是窯頭負(fù)壓投運(yùn)先進(jìn)控制與手動(dòng)控制的比較，時(shí)間段為24小時(shí)。投運(yùn)先進(jìn)控制后曲線波動(dòng)大幅度降低，標(biāo)準(zhǔn)差降低了 77.3%。窯頭負(fù)壓的控制穩(wěn)定有利于提高窯內(nèi)煅燒溫度的穩(wěn)定性和冷卻風(fēng)機(jī)供給窯系統(tǒng)風(fēng)量的平衡程度。

圖3 窯頭負(fù)壓（先進(jìn)控制投運(yùn)前后對(duì)比圖）

5 總結(jié)

本文針對(duì)水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)存在的控制問題提出了一種模型預(yù)測控制方法，并將該MPC技術(shù)在一條3000 t/d水泥生產(chǎn)線上成功應(yīng)用，數(shù)據(jù)結(jié)果表明：與手動(dòng)控制相比，大大降低了關(guān)鍵工藝參數(shù)的波動(dòng)性，窯頭送煤風(fēng)機(jī)電流標(biāo)準(zhǔn)差降低了 72.3%，三級(jí)筒出口溫度標(biāo)準(zhǔn)差降低了 69.8%，窯頭負(fù)壓標(biāo)準(zhǔn)差降低了77.3%。

該MPC系統(tǒng)自2020年12月投運(yùn)至今已有4月，結(jié)果證明，MPC技術(shù)應(yīng)用在水泥工業(yè)可以減輕操作人員的工作負(fù)荷，提高水泥成品的質(zhì)量，增加企業(yè)效益。