關于水泥回轉窯優化控制策略探討

王 磊

(新疆天業集團天偉水泥有限公司，新疆 石河子 832000)

關于水泥回轉窯優化控制策略探討

王 磊

(新疆天業集團天偉水泥有限公司，新疆 石河子 832000)

文章首先分析了水泥回轉窯的調節方式，在此基礎上提出水泥回轉窯優化控制策略。期望通過本文的研究能夠對提高水泥回轉窯的運行穩定性有所幫助。

水泥 回轉窯 優化控制

1水泥回轉窯的調節方式分析

水泥回轉窯的調節方式主要包括以下四種：

1.1 窯頭噴煤量調節

窯頭噴煤量是水泥回轉窯系統中調節燒成帶溫度的主要方式。一般情況下，要在燒成帶溫度過高時，采取減少窯頭噴煤量的調節方式；在燒成帶溫度過低時，采取增加窯頭噴煤量的調節方式。

1.2 生料流量調節

調節生料流量可改變回轉窯內燒成帶溫度。在正常工況條件下，生料流量增加，則會降低窯內溫度；生料流量減少，則會升高窯內溫度。然而，在實際操作中，一般會保持穩定的生料流量，所以可將其作為擾動變量進行前饋控制。

1.3 窯速調節

窯速調節要與生料流量調節保持一致性，即在增加生料流量的情況下，應提高窯速；在減少生料流量的情況下，應降低窯速。根據下料量的范圍不同，窯轉速也應當有所不同，一旦出現異常運行情況，則需要及時調節窯轉速。

1.4 窯頭排風機調節

窯頭負壓可以調節回轉窯內用風和篦冷機入窯二次風之間的平衡，將窯頭排風機作為控制窯頭負壓的控制變量，在升高窯頭負壓的情況下，增大窯頭排風機轉速；在降低窯頭負壓的情況下，減小其轉速。

由上述調節方式可知，水泥回轉窯系統控制主要涉及煙室溫度、窯頭負壓、回轉窯轉速三個方面的控制。

2水泥回轉窯優化控制策略

2.1 水泥回轉窯的優化控制目標及控制難點

2.1.1 優化控制目標。通過上文對水泥回轉窯的調節方式進行分析可得出系統的控制目標如下：一是煙室溫度的控制。被控目標為窯尾煙室的溫度，控制變量選擇窯頭噴煤，并通過對噴煤的調節來確保煙室溫度始終被控制在合理的范圍以內，進而保證窯內系統的熱工穩定性，這樣便可以使回轉窯一直處于高效、低能耗的運行狀態；二是負壓調節。被控目標為窯頭負壓，控制變量選擇窯頭排風機轉速，并通過對轉速的有效調節來確保窯頭負壓始終在受控范圍之內，由此保證窯內系統用風穩定；三是窯轉速的控制。以回轉窯本身的轉速作為控制量，在運行正常的工況下，按照生料流量對窯的轉速進行調節，在運行異常的情況下，結合系統出現的特殊工況對轉速進行修正。

2.1.2 控制難點。對水泥回轉窯系統進行優化控制的過程中，存在以下難點問題：一是很難建立起回轉窯系統精確的機理模型，所有的優化控制目標都是人為設定，由此導致了設定值的差別較大；二是回轉窯系統內的變化過程較為復雜，且窯內溫度與煤粉燃燒之間存在著非線性、大滯后的特點，從而增大了控制難度；三是不同變量間存在較強的耦合性，采用單一的控制方式難以確保回轉窯系統的高效、連續、穩定運行。

2.2 優化控制方案設計

為了有效解決上文中提到的水泥回轉窯控制中的難點問題，實現對回轉窯運行過程的優化控制，本文提出如下控制策略：將PID控制器、趨勢控制器、偏差控制器和前饋控制器結合到一起的智能控制方案，具體如圖1所示。

圖1 水泥回轉窯優化控制方案示意圖

2.3 優化控制方案的實現

2.3.1水泥回轉窯窯尾溫度的優化控制。

①PID控制器。當被控量出現較大偏差時，會使系統的穩定性降低，嚴重時會引起震蕩。為有效解決這一問題，在優化控制方案的設計中，引入了變速積分，即在偏差相對較小時，可通過PI進行控制，以此來增強積分作用；當偏差較大時，則可采用PD進行控制，借此來消除積分作用。在現場應用中，若是窯頭噴煤的頻率過于頻繁，則會對窯系統的運行穩定性造成影響，而且還可能縮短設備的使用壽命，故此，可引入輸出閥值變量進行控制，經現場調試后得出輸出閥值變量為0.1 時能夠達到最佳的控制效果。

②滑動上下限。為保證窯頭噴煤在合理范圍內波動，必須對窯頭噴煤的最終輸出設置上下限。本文采取滑動上下限的方法，以確保在窯頭噴煤出現異常工況時，能夠進行及時調整。滑動上下限的具體設置如下：滑動上限=窯頭噴煤自動給定均值+波動幅度；滑動下限=窯頭噴煤自動給定均值-波動幅度。

③偏差控制器。受外界擾動影響，在被控變量與設定值嚴重偏離時，應啟用偏差校正控制對變積分PID控制輸出進行校正，提高系統響應速度。

④趨勢控制器。在煙室溫度上升或下降過快時，應啟用趨勢校正控制對PID輸出進行校正，避免系統出現超調問題。

⑤前饋控制器。以前饋控制器對下料量給定的變化進行控制，當下料給定發生改變時，窯頭噴煤也隨之改變，由此可以進一步減小下料變化引起的窯尾煙室溫度波動。具體的控制方式可用下式表示：

在上式當中，s1(k)為下料的給定改變量；M1和M2分別為原始下料和當前下料的給定；Ys為噴煤調整的幅度參數；Xs1為下料的變化幅度參數；ε為下料

1的給定改變閥值。

⑥補償模塊。為了實現對水泥回轉窯的自動控制，應在識別回轉窯參數的前提下，準確判斷回轉窯的運行工況，并以此為依據，采取相應的補償控制措施。在判定運行工況時，選取窯頭噴煤壓力、窯電流、游離氧化鈣含量等參數，同時還須參考其他相關參數的變化。

2.3.2 窯頭負壓的優化控制。對窯頭負壓的優化控制欲窯尾溫度的控制方法基本類似，在此不進行重復介紹。

2.3.3 回轉窯轉速的優化控制。為確保回轉窯窯內熱工穩定，應確定好窯速與投料量之間的比例關系。下面根據水泥廠的實際數據，將兩者的比例關系確定為：對于5000t/d水泥生產線而言，當投料量分別為320-340t/h、340-360t/h、360-380t/h、390t/h以上時，應當將窯速分別控制在3.6r/min、3.8r/min、4.0r/min、4.2r/min。當前，基本上均采取薄料快燒法對熟料進行煅燒，所以應在確定窯體斜率的基礎上，適當提高回轉窯窯速，加快窯內物料運動速度，以達到提高回轉窯熟料產量的目的。

結論：

綜上所述，本文在對水泥回轉窯調節方式進行分析的基礎上，提出了回轉窯優化控制方案，并對該方案的具體實現進行了詳細論述。本文設計的這套方案已在國內某水泥公司日產5000t的水泥生產線上進行了試運行，在運行期間，水泥回轉窯的運行穩定性獲得顯著提升。由此可見，該套控制方案具有一定的推廣使用價值。

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1007-6344（2015）05-0005-01