水泥廠窯系統(tǒng)的自動優(yōu)化控制

□□ 張維舟，李建軍，朱向紅(.河南建筑材料研究設(shè)計院有限責(zé)任公司，河南鄭州 45000;.河南同力水泥有限公司，河南鶴壁 458000)

引言

目前，水泥生產(chǎn)線大多數(shù)采用的是DCS控制系統(tǒng)，仍需要操作員較多地人為干預(yù)，在發(fā)現(xiàn)問題、分析原因和采取應(yīng)對措施等方面，對操作經(jīng)驗的依賴性往往很大，以致存在效果偏差。本文以DCS自控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，探討了減少生產(chǎn)過程中人為干預(yù)和提高運(yùn)行管理水平的優(yōu)化控制措施。

1 生產(chǎn)線現(xiàn)狀和存在的問題

河南豫中某廠2009年建設(shè)投產(chǎn)的5000 t/d水泥熟料生產(chǎn)線，回轉(zhuǎn)窯規(guī)格為Φ 4.8 m×72 m，關(guān)鍵設(shè)備主要為五級懸浮預(yù)熱器、篦冷機(jī)、電收塵器等，中央控制采用DCS集散型自動控制系統(tǒng)。工藝流程如圖1所示。

圖1 窯系統(tǒng)設(shè)備及工藝流程

圖1中，五級懸浮預(yù)熱器是充分利用窯煅燒及篦冷機(jī)余熱進(jìn)行生料的熱交換，生料吸收熱量后進(jìn)入分解爐逐級降落分解，一級筒的粉塵分離效率一般在95%以上;生料及燃料在分解爐內(nèi)分散于氣流之中迅速換熱，達(dá)到入窯物料碳酸鹽分解的目的;物料在回轉(zhuǎn)窯燒成帶1300～1450℃溫度下完成主要的化學(xué)反應(yīng)。正常情況下，燒成帶的溫度很難直接測得，故按窯尾溫度+300℃(五級懸浮預(yù)熱器出口溫度)進(jìn)行判斷;篦冷機(jī)承擔(dān)對高溫熟料的驟冷以及對入窯二次風(fēng)、入爐三次風(fēng)的加熱升溫，同時還兼具熱回收功能，其回收的熱量約1250～1650 kJ/kg。這些熱量隨二次風(fēng)、三次風(fēng)進(jìn)入窯、爐，可起到降低系統(tǒng)熱耗的作用，也有利于余熱發(fā)電。

DCS控制系統(tǒng)雖然在很大程度上提高了生產(chǎn)線的自控水平，但仍屬粗放型控制，很多對生產(chǎn)有重要影響的工況未納入自控范圍，仍依賴于人為干預(yù)，勞動強(qiáng)度較大，在發(fā)現(xiàn)問題、分析和解決問題方面，對操作經(jīng)驗的要求非常高。如生料率值變動、一些設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)(風(fēng)溫、功率、電流、篦速、壓力)以及廢氣NOx濃度等波動，以及所采取的應(yīng)對措施(煤量、料量、風(fēng)量、閥門開度等)隨操作經(jīng)驗的不同有較大的隨意性，系統(tǒng)經(jīng)常處于不斷干預(yù)狀態(tài)，系統(tǒng)熱平衡也不易保證，以致各班產(chǎn)量和質(zhì)量差異較大。

為此，我們在DCS控制的基礎(chǔ)上，經(jīng)過ERP建立自動優(yōu)化系統(tǒng)，較大程度地完善了系統(tǒng)自控功能，有效減輕了人工勞動強(qiáng)度，取得穩(wěn)定提高窯產(chǎn)量7～12 t/d，月均增產(chǎn)285 t的生產(chǎn)效果。

2 自動優(yōu)化系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)通過提取該廠的海量生產(chǎn)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗，通過對比分析，以從中找出的產(chǎn)量、質(zhì)量最優(yōu)組的若干參數(shù)為依據(jù)，并分別建立相關(guān)的優(yōu)化模塊組成自動優(yōu)化系統(tǒng)(見圖2)。

圖2 優(yōu)化控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

如圖2所示，按生料檢測數(shù)據(jù)、燃料檢測數(shù)據(jù)和當(dāng)前工況數(shù)據(jù)共設(shè)計為9個模塊，包括生料及工況分類模塊①、歷史數(shù)據(jù)存儲模塊②、優(yōu)化數(shù)據(jù)模塊③、DCS數(shù)據(jù)采集模塊④、窯操作經(jīng)驗?zāi)K⑤、優(yōu)化工況參數(shù)模塊⑥、自動控制程序模塊⑦、參數(shù)報警模塊⑧和強(qiáng)度預(yù)測模塊⑨。其中窯操作經(jīng)驗?zāi)K是以綜合提取該廠各班組的經(jīng)驗，針對不同工況進(jìn)行的一種模式化程序管理，形成統(tǒng)一和規(guī)范的參照。其余模塊均按實時數(shù)據(jù)或給定的程序方法來行使各自的功能，從而達(dá)到指標(biāo)體系和模型體系的優(yōu)化。限于篇幅，這里僅簡述以下模塊功能。

2.1 生料與工況類型模塊

該廠生料主要以石灰石、電石渣、磷渣、等配料，其他輔料有時采用黏土、砂子、煤矸石等。正常生產(chǎn)時，隨原料和配料不同，生料率值的變化一般為2～3組。以前生料各率值控制指標(biāo)由化驗室確定，原DCS系統(tǒng)未包含在內(nèi)。優(yōu)化系統(tǒng)建立的生料與工況模塊，設(shè)定率值為3組，燃料煤的變化大致相同，也是根據(jù)化驗室結(jié)果確定為3～4種，以適應(yīng)生產(chǎn)的需要。各控制指標(biāo)按編號分類見表1。表中編號01～04為模塊①，編號05～07為模塊②。

對于工況的分類，由于窯系統(tǒng)比較復(fù)雜，經(jīng)充分討論，按該廠不同工況下的熟料產(chǎn)質(zhì)量數(shù)據(jù)求得的最優(yōu)操作參數(shù)和平均參數(shù)為依據(jù)，從中細(xì)化為20個主要參數(shù)進(jìn)行工況分類(見表2)。

表1 生料及煤的控制參數(shù)

表2 窯系統(tǒng)工況分類

由于DCS工況是一個時點(diǎn)值，而生料、燃料是一個時段值，因此，系統(tǒng)統(tǒng)一按時段值與產(chǎn)量、質(zhì)量數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，采用平均值、最大值、最小值和標(biāo)準(zhǔn)偏差來處理。數(shù)據(jù)鏈產(chǎn)生時間分別按生料、燃料和熟料等檢驗項目確定。例如入窯生料和熟料檢驗以每2 h為數(shù)據(jù)產(chǎn)生時間，燃料檢驗以每24 h為數(shù)據(jù)產(chǎn)生時間，而窯工況則為每1 s。燃料檢驗和強(qiáng)度檢驗的數(shù)據(jù)合并時間均為每2 h取12次相同值(見表3)。

這樣劃分既保證了從生料、煅燒和熟料形成批次的數(shù)據(jù)鏈，在水泥檢驗數(shù)據(jù)滯后的情況下，也能保證數(shù)據(jù)的一致性。

表3 數(shù)據(jù)鏈的數(shù)據(jù)產(chǎn)生及合并時間

2.2 歷史數(shù)據(jù)存儲模塊

由DCS傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以日期為采集主鍵。其中2 h數(shù)據(jù)共計3600組工況數(shù)據(jù)，計算各參數(shù)平均值、最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)偏差。歷史數(shù)據(jù)庫存儲每天的全部生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)。實時記錄系統(tǒng)產(chǎn)量、運(yùn)轉(zhuǎn)率和用電量，精確到窯在何時進(jìn)行了何項操作以及修改前后的相關(guān)數(shù)據(jù)。窯運(yùn)轉(zhuǎn)時間以兩個下料量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，當(dāng)堵料或停止下料時認(rèn)定為停窯。班組數(shù)據(jù)每8 h計算表2所列工況的平均值、最大值、最小值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。全天24 h數(shù)據(jù)與每天檢驗一次的質(zhì)量數(shù)據(jù)相對應(yīng)，統(tǒng)計分析每天的動態(tài)。窯況歷史數(shù)據(jù)可回放，以便調(diào)用作為技術(shù)培訓(xùn)、生產(chǎn)分析總結(jié)等第一手資料。

2.3 優(yōu)化數(shù)據(jù)模塊

其主要功能是可將當(dāng)前工況與歷史最好工況進(jìn)行比較。因為回轉(zhuǎn)窯是一個動態(tài)系統(tǒng)，運(yùn)行參數(shù)每時每刻都在變化，當(dāng)操作員啟動該項功能后，畫面即顯示當(dāng)前工況與歷史最好工況的升降指示箭頭，即可了解當(dāng)前工況的宏觀狀態(tài)(見圖3)。移動鼠標(biāo)至箭頭，即能彈出升降的平均值、最大值與最小值和標(biāo)準(zhǔn)偏差等具體的差距值，分析對比一目了然，對操作極具指導(dǎo)作用。

模塊的工況數(shù)據(jù)采集以2 h為單位，采集后整理為從生料、平均工況到熟料的全過程生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并連接產(chǎn)量、3 d及28 d強(qiáng)度形成數(shù)據(jù)鏈，將生產(chǎn)過程的最佳情況反映出來。

2.4 窯操作經(jīng)驗?zāi)K

窯的操作復(fù)雜，經(jīng)驗性很強(qiáng)，但很多經(jīng)驗不容易傳承和量化。該模塊是記錄這些經(jīng)驗并進(jìn)行量化的一種探討。其思路是將表2所列的20個工況參數(shù)作為窯況標(biāo)志進(jìn)行歸類，當(dāng)工況出現(xiàn)某一組狀態(tài)參數(shù)比較分散時，以大多數(shù)采用的操作經(jīng)驗進(jìn)行上下限值量化并錄入數(shù)據(jù)庫，從而形成一個知識庫供隨時操作查詢(見表4)。

圖3 系統(tǒng)的當(dāng)前與歷史參數(shù)對比界面

表4 窯操作經(jīng)驗及量化參數(shù)

表4以入窯斗提和五級預(yù)熱器錐部溫度為例，將每個工況參數(shù)按經(jīng)驗劃分為6個組，每組量化為上下限值。在當(dāng)前的工況下，只需打開這一功能，系統(tǒng)即出現(xiàn)窯況選擇界面，選擇相應(yīng)的狀態(tài)(不選則為正常狀態(tài))，即可查詢該狀態(tài)相關(guān)的操作經(jīng)驗，顯示當(dāng)前的操作要點(diǎn)和量化值的偏差。

操作經(jīng)驗是平時的總結(jié)積累，經(jīng)驗庫則是這些經(jīng)驗的集成。對于生產(chǎn)中很多卓有成效的經(jīng)驗，經(jīng)審核認(rèn)定即可隨時錄入經(jīng)驗庫，成為企業(yè)的寶貴財富。同時，隨著經(jīng)驗庫的不斷強(qiáng)大，操作規(guī)則也逐步完善，模塊的功能價值也不斷得到了提升。

此外，其他功能模塊對系統(tǒng)也具有不同的優(yōu)化作用，例如自動控制程序模塊、參數(shù)報警模塊和強(qiáng)度預(yù)測模塊，針對閥門、均化庫小倉倉重、分解爐喂煤量以及軸承、窯尾風(fēng)機(jī)溫度等的自控或預(yù)警，大幅度提升了DCS系統(tǒng)的控制能力。長期的生產(chǎn)實踐證明，自動優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較高的開發(fā)應(yīng)用價值。