師留剛，楊中強(qiáng)，夏中清

水泥分解爐環(huán)節(jié)優(yōu)化節(jié)能控制系統(tǒng)

師留剛1，楊中強(qiáng)2，夏中清3

針對(duì)水泥分解爐非線性、大滯后、強(qiáng)耦合的特性，設(shè)計(jì)了以變積分PID控制器為中心，輔之以趨勢(shì)校正控制器、Bang-Bang控制器、前饋控制器和噴煤異?？刂破鞯膬?yōu)化節(jié)能控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)已在某水泥廠應(yīng)用，結(jié)果表明，此控制系統(tǒng)能滿足優(yōu)化節(jié)能的目的。

分解爐；優(yōu)化節(jié)能；變積分PID

水泥是我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要材料之一，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著舉足輕重的作用。目前，我國(guó)水泥行業(yè)的發(fā)展雖然取得了很大成就，但是依然面臨著很多挑戰(zhàn)。其中，能耗過(guò)高是目前水泥行業(yè)面臨的一個(gè)重要問(wèn)題，水泥行業(yè)依然是我國(guó)節(jié)能減排的重點(diǎn)。

分解爐作為預(yù)分解窯的核心設(shè)備，承擔(dān)著熟料煅燒過(guò)程中耗熱最多的碳酸鹽分解任務(wù)，其耗煤量巨大，約占水泥燒成過(guò)程的60%。目前國(guó)內(nèi)大部分水泥生產(chǎn)線，對(duì)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(dòng)較大，嚴(yán)重影響了水泥系統(tǒng)的熱工穩(wěn)定及水泥的產(chǎn)質(zhì)量，浪費(fèi)了大量能源。

筆者基于山水水泥平陰分公司DCS系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了智能控制系統(tǒng)，對(duì)分解爐溫度進(jìn)行優(yōu)化節(jié)能控制。

1　新型干法水泥預(yù)分解系統(tǒng)工藝分析

該生產(chǎn)線的生產(chǎn)過(guò)程如圖1所示。

物料首先被送入1～2級(jí)旋風(fēng)筒的連接處，并由熱風(fēng)吹入1級(jí)旋風(fēng)筒，實(shí)現(xiàn)氣固熱交換；再由1級(jí)旋風(fēng)筒的底部進(jìn)入2～3級(jí)旋風(fēng)筒的連接處，又被熱風(fēng)氣流帶入2級(jí)旋風(fēng)筒內(nèi)進(jìn)行氣固熱交換，重復(fù)以上步驟，以達(dá)到生料逐級(jí)預(yù)熱分解的目的；物料預(yù)熱后經(jīng)4級(jí)旋風(fēng)筒底端進(jìn)入分解爐，煤粉由分解爐中部添加并以無(wú)火焰狀態(tài)燃燒，產(chǎn)生大量熱能供給物料分解，分解率在85%～95%之間。從預(yù)分解系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)和機(jī)理分析可以看出，分解爐溫度的穩(wěn)定性直接決定了入窯分解率的高低，對(duì)整個(gè)窯系統(tǒng)的熱工穩(wěn)定具有重要意義。因此，生產(chǎn)中一般通過(guò)調(diào)節(jié)窯尾噴煤量達(dá)到穩(wěn)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(yù)分解系統(tǒng)工藝

2　分解爐優(yōu)化節(jié)能控制系統(tǒng)

優(yōu)化的主要工作是將控制變量穩(wěn)定在最優(yōu)目標(biāo)值附近，熟料質(zhì)量更好，而節(jié)能的主要工作是用更少的煤產(chǎn)出更多的熟料。

2.1控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)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(shí)際生產(chǎn)中還有生料下料量、三次風(fēng)溫度、尾煤壓力等干擾因素。因此，我們從該廠實(shí)際生產(chǎn)出發(fā)，提出以變積分控制為基礎(chǔ)，輔之以前饋控制、Bang-Bang控制、趨勢(shì)校正控制、喂煤波動(dòng)異常控制的設(shè)計(jì)方案（圖2）。

圖2　分解爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)

2.2智能控制規(guī)則設(shè)計(jì)

當(dāng)分解爐溫度在正常范圍內(nèi)變化，變化趨勢(shì)平緩時(shí)，采用單純的變積分PID控制器（S）；當(dāng)外界擾動(dòng)導(dǎo)致被控量出現(xiàn)劇烈變化，變化趨勢(shì)過(guò)大并維持一段時(shí)間時(shí)，采用趨勢(shì)校正控制對(duì)變積分PID控制器進(jìn)行輸出校正（S1）；當(dāng)外界擾動(dòng)導(dǎo)致被控量大幅度偏離設(shè)定值并維持一段時(shí)間時(shí)，采用Bang-Bang控制對(duì)變積分PID控制器進(jìn)行輸出校正（S2）；當(dāng)生料下料給定、三次風(fēng)溫和分解爐溫度設(shè)定值改變時(shí)，采用前饋控制器對(duì)變積分PID控制器進(jìn)行輸出校正（S3）；當(dāng)噴煤壓力波動(dòng)很大時(shí)，采用噴煤異?？刂茖?duì)變積分PID控制器進(jìn)行輸出校正（S4）。

綜上所述，智能控制規(guī)則如下：

其中：

e（k）——分解爐溫度偏差值

ee（k）——分解爐趨勢(shì)變化值

α——分解爐溫度偏差變化閾值

β——分解爐溫度趨勢(shì)變化閾值

bc（k）——下料給定改變、三次風(fēng)溫改變或是溫度設(shè)定改變值

φ——下料給定改變、三次風(fēng)溫改變或是溫度設(shè)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(shì)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(shè)計(jì)

2.3.1變積分PID控制器

傳統(tǒng)的PID控制器算法簡(jiǎn)單、可靠性高、魯棒性強(qiáng)，在流程行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。增量式PID的輸出是控制增量，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的影響較小，采用增量式PID算法，算法如下：

式中:

Kp——比例系數(shù)

Ki——積分系數(shù)

Kd——微分系數(shù)

PID控制器中的積分環(huán)節(jié)可以減小被控量的穩(wěn)態(tài)誤差，但當(dāng)被控量出現(xiàn)偏差過(guò)大的情況時(shí)，積分環(huán)節(jié)會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至容易引起振蕩。本方案中引入了變速積分來(lái)解決這一問(wèn)題。PID控制器中將積分項(xiàng)乘以一個(gè)系數(shù)以使積分作用與偏差大小成比例，系數(shù)的計(jì)算如式（2）所示。

式中：

a、b——偏差閾值

偏差較小時(shí)，采用PID控制增強(qiáng)積分作用；偏差太大時(shí)，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(fēng)溫和分解爐出口溫度設(shè)定值采用前饋控制?？刂品绞饺缡剑?）所示，當(dāng)其中任一參數(shù)發(fā)生改變，窯頭噴煤也隨之改變。

式中：

s1（k）——前饋?zhàn)兞扛淖兞?/p>

φ——前饋?zhàn)兞扛淖冮撝?/p>

M1——前饋?zhàn)兞吭贾?/p>

M2——前饋當(dāng)前值

Ys1——噴煤調(diào)整幅度參數(shù)

Xs1——前饋?zhàn)兞糠葏?shù)

2.3.3Bang-Bang控制

當(dāng)外界擾動(dòng)使被控量大幅偏離設(shè)定值時(shí)，啟用Bang-Bang控制對(duì)變積分PID控制輸出進(jìn)行校正，及時(shí)調(diào)整喂煤量，使溫度在最短時(shí)間內(nèi)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(zhǎng)

2.3.4趨勢(shì)校正控制

當(dāng)外界擾動(dòng)使分解爐溫度出現(xiàn)大幅上升或下降趨勢(shì)時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作人員的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了趨勢(shì)校正控制器對(duì)PID輸出進(jìn)行校正，從而加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小系統(tǒng)的超調(diào)。趨勢(shì)校正控制器的輸出如式（6）所示。

式中：

USL——趨勢(shì)校正控制器的輸出

β——被控量趨勢(shì)變化閾值

△uSL——趨勢(shì)校正控制器的校正步長(zhǎng)

由于被控對(duì)象的時(shí)滯性，為避免連續(xù)使用此環(huán)節(jié)，將“調(diào)、等、看、判斷”思想融入控制器中，應(yīng)在啟用一次趨勢(shì)校正后，等一段時(shí)間再觀察控制效果，此期間不能再用趨勢(shì)控制。若未達(dá)到控制效果，則再次啟用；若在等待時(shí)間內(nèi)達(dá)到控制效果，則不再啟用。

2.3.5喂煤異?？刂?/p>

當(dāng)窯尾喂煤給定值與反饋值沒(méi)有波動(dòng)而窯尾喂煤壓力卻在突然上升后又突然下降，則會(huì)直接導(dǎo)致分解爐溫度急劇上升。當(dāng)此現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，操作專家會(huì)采取大幅降低窯尾喂煤量，待窯尾喂煤壓力恢復(fù)正常后，再將窯尾喂煤量恢復(fù)到波動(dòng)前的操作措施。在此引入喂煤異?？刂埔?guī)則，規(guī)則如下：

Rule1：if尾煤壓力波動(dòng)極大then大幅降低窯尾喂煤and if尾煤壓力恢復(fù)正常then恢復(fù)窯尾喂煤到波動(dòng)前的喂煤值；

Rule2：if尾煤壓力波動(dòng)很大then中幅降低窯尾喂煤and if尾煤壓力恢復(fù)正常then恢復(fù)窯尾喂煤到波動(dòng)前的喂煤值；

Rule3：if尾煤壓力波動(dòng)大then小幅降低窯尾喂煤and if尾煤壓力恢復(fù)正常then恢復(fù)窯尾喂煤到波動(dòng)前的喂煤值。

2.4軟件整體設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，利用VC++6.0編寫(xiě)程序，將控制軟件安裝在操作員站；通過(guò)用VB開(kāi)發(fā)的OPC Client讀取DCS系統(tǒng)工程師站OPC Server的數(shù)據(jù)，在DCS系統(tǒng)中添加自動(dòng)控制的接口程序；點(diǎn)擊已安裝的節(jié)能優(yōu)化軟件，打開(kāi)自動(dòng)控制系統(tǒng)的登錄界面，進(jìn)入優(yōu)化的程序界面（圖3）。

圖3　優(yōu)化控制程序界面

2.5工程應(yīng)用

將該自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用到山水集團(tuán)平陰分公司5 000t/d生產(chǎn)線上，圖4為分解爐溫度手動(dòng)、自動(dòng)對(duì)比。

對(duì)煤耗進(jìn)行了兩次對(duì)比，每次均為兩天手動(dòng)狀態(tài)、兩天自動(dòng)狀態(tài)，圖5為手動(dòng)和自動(dòng)狀態(tài)時(shí)的煤耗對(duì)比。表1和表2為兩次對(duì)比的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

由第一次對(duì)比統(tǒng)計(jì)可知：

煤耗偏差值=手動(dòng)煤耗-自動(dòng)煤耗

圖4　分解爐溫度波動(dòng)手動(dòng)自動(dòng)對(duì)比

圖5　手動(dòng)和自動(dòng)狀態(tài)時(shí)的煤耗效果

表1　第一次對(duì)比數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表2　第二次對(duì)比數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

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

由第二次對(duì)比統(tǒng)計(jì)方式可知：

煤耗偏差值=手動(dòng)煤耗-自動(dòng)煤耗

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

由以上分析可知，自動(dòng)狀態(tài)下煤耗相對(duì)較低，總體煤耗情況較好，達(dá)到了優(yōu)化節(jié)煤的效果。

3　結(jié)語(yǔ)

本文將多種控制思想運(yùn)用到水泥分解爐環(huán)節(jié)的控制上，并根據(jù)山水集團(tuán)平陰分公司的生產(chǎn)線運(yùn)行情況設(shè)定了一系列控制規(guī)則，設(shè)計(jì)了自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)分解爐溫度的自動(dòng)控制，與原來(lái)人工控制相比，既穩(wěn)定又節(jié)煤，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化節(jié)能的目的。

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Optimized Energy Saving Control System for Calciner in Cement Line

TQ172.622.26

A

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2016-07-21；編輯：孫娟