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

師留剛，楊中強，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2，夏中清3

針對水泥分解爐非線性、大滯后、強耦合的特性，設(shè)計了以變積分PID控制器為中心，輔之以趨勢校正控制器、Bang-Bang控制器、前饋控制器和噴煤異常控制器的優(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

水泥是我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要材料之一，對我國經(jīng)濟的發(fā)展有著舉足輕重的作用。目前，我國水泥行業(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，能耗過高是目前水泥行業(yè)面臨的一個重要問題，水泥行業(yè)依然是我國節(jié)能減排的重點。

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，約占水泥燒成過程的60%。目前國內(nèi)大部分水泥生產(chǎn)線，對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)計了智能控制系統(tǒng)，對分解爐溫度進行優(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)過程如圖1所示。

物料首先被送入1～2級旋風(fēng)筒的連接處，并由熱風(fēng)吹入1級旋風(fēng)筒，實現(xiàn)氣固熱交換；再由1級旋風(fēng)筒的底部進入2～3級旋風(fēng)筒的連接處，又被熱風(fēng)氣流帶入2級旋風(fēng)筒內(nèi)進行氣固熱交換，重復(fù)以上步驟，以達到生料逐級預(yù)熱分解的目的；物料預(yù)熱后經(jīng)4級旋風(fēng)筒底端進入分解爐，煤粉由分解爐中部添加并以無火焰狀態(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)的工藝特點和機理分析可以看出，分解爐溫度的穩(wěn)定性直接決定了入窯分解率的高低，對整個窯系統(tǒng)的熱工穩(wěn)定具有重要意義。因此，生產(chǎn)中一般通過調(diào)節(jié)窯尾噴煤量達到穩(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

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、趨勢校正控制、喂煤波動異常控制的設(shè)計方案（圖2）。

圖2　分解爐溫度自動控制系統(tǒng)

2.2智能控制規(guī)則設(shè)計

當(dāng)分解爐溫度在正常范圍內(nèi)變化，變化趨勢平緩時，采用單純的變積分PID控制器（S）；當(dāng)外界擾動導(dǎo)致被控量出現(xiàn)劇烈變化，變化趨勢過大并維持一段時間時，采用趨勢校正控制對變積分PID控制器進行輸出校正（S1）；當(dāng)外界擾動導(dǎo)致被控量大幅度偏離設(shè)定值并維持一段時間時，采用Bang-Bang控制對變積分PID控制器進行輸出校正（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，采用前饋控制器對變積分PID控制器進行輸出校正（S3）；當(dāng)噴煤壓力波動很大時，采用噴煤異常控制對變積分PID控制器進行輸出校正（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）——分解爐趨勢變化值

α——分解爐溫度偏差變化閾值

β——分解爐溫度趨勢變化閾值

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——趨勢校正控制器的輸出

UBC——前饋控制器的輸出

UIM——喂煤異常控制器的輸出

2.3各控制器模塊設(shè)計

2.3.1變積分PID控制器

傳統(tǒng)的PID控制器算法簡單、可靠性高、魯棒性強，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，對系統(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)偏差過大的情況時，積分環(huán)節(jié)會降低系統(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解決這一問題。PID控制器中將積分項乘以一個系數(shù)以使積分作用與偏差大小成比例，系數(shù)的計算如式（2）所示。

式中：

a、b——偏差閾值

偏差較小時，采用PID控制增強積分作用；偏差太大時，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。控制方式如式（4）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）——前饋變量改變量

φ——前饋變量改變閾值

M1——前饋變量原始值

M2——前饋當(dāng)前值

Ys1——噴煤調(diào)整幅度參數(shù)

Xs1——前饋變量幅度參數(shù)

2.3.3Bang-Bang控制

當(dāng)外界擾動使被控量大幅偏離設(shè)定值時，啟用Bang-Bang控制對變積分PID控制輸出進行校正，及時調(diào)整喂煤量，使溫度在最短時間內(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

2.3.4趨勢校正控制

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

式中：

USL——趨勢校正控制器的輸出

β——被控量趨勢變化閾值

△uSL——趨勢校正控制器的校正步長

由于被控對象的時滯性，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)在啟用一次趨勢校正后，等一段時間再觀察控制效果，此期間不能再用趨勢控制。若未達到控制效果，則再次啟用；若在等待時間內(nèi)達到控制效果，則不再啟用。

2.3.5喂煤異常控制

當(dāng)窯尾喂煤給定值與反饋值沒有波動而窯尾喂煤壓力卻在突然上升后又突然下降，則會直接導(dǎo)致分解爐溫度急劇上升。當(dāng)此現(xiàn)象出現(xiàn)時，操作專家會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)到波動前的操作措施。在此引入喂煤異常控制規(guī)則，規(guī)則如下：

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

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

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

2.4軟件整體設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，利用VC++6.0編寫程序，將控制軟件安裝在操作員站；通過用VB開發(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)中添加自動控制的接口程序；點擊已安裝的節(jié)能優(yōu)化軟件，打開自動控制系統(tǒng)的登錄界面，進入優(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

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

對煤耗進行了兩次對比，每次均為兩天手動狀態(tài)、兩天自動狀態(tài)，圖5為手動和自動狀態(tài)時的煤耗對比。表1和表2為兩次對比的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

由第一次對比統(tǒng)計可知：

煤耗偏差值=手動煤耗-自動煤耗

圖4　分解爐溫度波動手動自動對比

圖5　手動和自動狀態(tài)時的煤耗效果

表1　第一次對比數(shù)據(jù)統(tǒng)計

表2　第二次對比數(shù)據(jù)統(tǒng)計

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

由第二次對比統(tǒng)計方式可知：

煤耗偏差值=手動煤耗-自動煤耗

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

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

3　結(jié)語

本文將多種控制思想運用到水泥分解爐環(huán)節(jié)的控制上，并根據(jù)山水集團平陰分公司的生產(chǎn)線運行情況設(shè)定了一系列控制規(guī)則，設(shè)計了自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對分解爐溫度的自動控制，與原來人工控制相比，既穩(wěn)定又節(jié)煤，實現(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

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2016-07-21；編輯：孫娟