應用智能化系統實現沸騰爐節能的研究

文_石建國 徐州工程學院

礦渣立磨是水泥、建材行業生產過程的核心粉磨設備，而高溫煙氣沸騰爐則是立磨系統的重要物料烘干設備，它能夠將立磨工藝操作所需的熱風溫度持續傳遞到磨內，成為礦渣立磨持續、穩定、高效運轉的重要保障因素。

受原燃料品種、水分、熱值、配比、爐況等工況因素影響，給高溫煙氣沸騰爐穩定運行帶來波動，從而使礦渣粉磨過程出現較大震動，磨況穩定性變差，一旦出現由于人工干預調整不及時，沸騰爐正常沸騰狀況失效，則爐內即呈現結焦或結渣狀態，迫使礦渣粉磨生產中斷甚至停運，導致系統能耗指標異常。

因此，實現預知性智能化操作，使高溫煙氣沸騰爐長效穩定運行，最大限度優化系統能耗指標，成為礦粉生產企業追求的目標。將原現場手動控制模式，改造為智能化自控模式，引入能源管控系統，設計引入模糊PID算法，實現沸騰爐可動態調整參數的無人值守操作，使系統穩定性和精準程度得以迅速提高。

1 礦渣立磨工藝及高溫煙氣沸騰爐簡介

某建材有限公司配置兩條JLSM1-46.4礦渣粉磨生產線，可實現年產礦粉140萬t。礦渣粉磨工藝流程為：高壓電動機（功率：3150kW，電壓：10kV）驅動主減速機帶動磨盤轉動，待粉磨的物料由螺旋鉸刀送入旋轉的立磨磨盤中心，在離心力的作用下，物料向磨盤周邊移動，進入粉磨輥道，同時沸騰爐熱風經兩側管道從風環進風口進入磨內，在磨輥壓力作用下，物料受到擠壓、研磨和剪切作用而被粉碎。

配套的高溫煙氣沸騰爐型號為ZXFR16，每臺立磨各配置一座，每座沸騰爐供熱能力為66.88×106kJ/h，燃燒室控制溫度為700～900℃。

2 高溫煙氣沸騰爐系統組成及工作原理

2.1 高溫煙氣沸騰爐工藝系統組成

高溫煙氣沸騰爐系統包括：布風裝置、沸騰燃燒室、燃燼室、給煤系統（圓盤喂料機）、冷風閥、混風閥、燃料儲存倉（煤倉）、燃料下料倉、燃料提升機、鼓風機、袋式收塵器、電控系統、儀表系統等。工藝流程見圖1所示。

2.2 高溫煙氣沸騰爐工作原理

高溫煙氣沸騰爐是礦渣粉磨系統中礦渣烘干的主要熱源設備，所用原燃料為新型生物質燃料、蘭炭和工業廢棄黑渣的適當比例混合物，經定量給料機稱量后，破碎機輕量破碎，沿燃料輸送皮帶經提升機送入燃料儲存艙內，再通過下料小倉將燃料釋放給圓盤喂料機進入沸騰爐燃燒室，其燃燒方式介于層狀燃燒和懸浮燃燒之間。高壓空氣通過均風箱由一次風的動壓頭變成均勻分布的靜壓頭，從風帽上的微孔以高速高壓吹入爐內，使其沸騰床形成氣墊層，將粒徑0～10mm、料層厚度為300～500mm的燃料顆粒全部吹起并上下翻動。料層由于高壓氣體增加了煤粒間的空隙膨脹而產生激烈運動，并在不停地翻騰、跳動，使沸騰料層的燃料與含碳量為1%～2%的灼熱灰渣充分混合燃燒，產生的熱風經冷風閥和混風閥調節后通過熱風管道輸送至磨內，對磨內的濕礦渣物料進行烘干，滿足立磨生產操作適宜溫度及熱風需求。

3 高溫煙氣沸騰爐智能化控制及能源裝置

3.1 原現場手動裝置存在的問題

沸騰爐現場控制箱分別位于爐體附近的兩個操作室內，現場司爐員根據立磨中控室對熱風及溫度需求，通過儀表盤上的儀表數據顯示，手動調整控制箱的調節電位器，控制燃料下料量和風量，司爐員需連續觀察燃料下料是否順暢，是否存在堵料和下料不暢等異常情況發生，根據火焰顏色狀態預判是否存在爐膛結焦等異常先兆。一旦發生堵料等事件，需要人工啟動振打電機控制箱，完畢后手動停止振打。由于每班司爐人員水平、物料水分、熱值均存在一定差異，加上人為判斷失誤，導致沸騰爐下料穩定性偏差，運行故障率偏高，從而使系統能耗指標偏高。

3.2 智能化系統的改造及方案

保留原手動控制箱，將新型自控系統接入原DCS大系統中，在沸騰爐智能系統嵌入自行設計的模糊PID控制器。同時，整條生產線增加一套能源管控系統，通過對現場用能設備進行分區分類數據采集，即對立磨主系統、沸騰爐系統、空壓機和冷卻水公共系統、照明系統等用能分別統計分析，系統內部通過能源動態用能分析，實時給出能源控制策略，通過輸出模塊控制現場用能設備，使現場設備最大限度得以低能耗運行。其中針對沸騰爐的燃料輸送、燃料喂料、爐內鼓風、火焰狀態識別分別由能源系統統一管理，其流程如圖2所示。

圖2 高溫煙氣沸騰爐自控系統流程圖

3.2.1 燃料喂料系統

將原圓盤喂料機的變頻控制、燃料倉壁振動電機控制信號接入新增能源系統，多維度配置3個喂料系統的堵料、斷料狀態檢測傳感器，增加現場視頻監控影像。當自控系統通過堵料傳感器檢測到燃料輸送出現堵料狀態時，立即觸發堵料報警（畫面與聲光報警）；當檢測到斷料狀態時，會自動啟動燃料倉壁振打電機并觸發斷料報警（畫面與聲光報警），提醒操作員盡快處理。

3.2.2 爐內鼓風系統

將原爐內鼓風系統熱風爐鼓風機的變頻控制接入該能源系統中，增加風箱壓力、爐膛壓力、爐膛內部溫度、爐膛出口溫度的壓力、溫度測量傳感器。

3.2.3 爐火監控系統

增加燃料圓盤喂料機高清視頻監控攝像機，每臺喂料機對應一臺視頻監控設備，圖像信息傳輸至中控DCS操作室，由立磨中控操作員對喂料機運行狀態進行實時監控。增加爐火觀察視頻監控攝像機，每個爐門附近配置一臺高清視頻監控攝像機，圖像也傳輸至熱風爐DCS操作室，由中控操作員對爐火狀態進行實時監控。

3.2.4 安全監控系統

每座爐增加一臺CO、SO2在線監測聲光報警儀表，沸騰爐高溫燃燒過程中，一旦出現CO、SO2等有毒有害氣體含量超標，聲光報警器立即動作，信號接入能源主系統，實時對巡檢的崗位人員的安全起到保障作用。

3.2.5 模糊PID模塊精準控制

選用西門子SMATIC S7-1500的PLC模塊，配套TIA博途軟件進行程序編輯，同時引入模糊PID控制算法，用于精準控制沸騰爐輸出溫度，為立磨操作提供穩定工況保障。以沸騰爐爐膛溫度（700～950℃）、燃料下料量頻率調整范圍（20～40 Hz）、爐膛運行操作負壓（-200～-80Pa）、沸騰爐熱風管道出口溫度（200～300℃）、沸騰爐出口冷風閥開度（20%～100%）五個控制變量為主體，進行自整定模糊PID優化運算，模糊控制規則是根據原現場司爐員操作數據和專家控制經驗，自整定模糊PID控制原理如圖3所示。

圖3 自整定模糊PID系統框圖

4 高溫煙氣沸騰爐智能化裝置投入運行狀態與數據

該系統根據檢測點配置遠程I/O站，占用DI30點、DO66點、AI30點、AO32點，經工控組態、調試與原DCS主系統對接投入自動運行。其運行實圖與狀態監控如圖4、圖5所示。

圖4 沸騰爐智能化系統運行實圖

圖5 沸騰爐狀態監控運行實圖

高溫煙氣沸騰爐自控智能化系統自運行以來，最明顯的優勢就是直接實現了生產環節的減員增效、節能降耗（原兩座沸騰爐每爐一人現場值守，合計4班，共計8人），火焰監測和控制系統運行穩定，能源管理系統大數據趨勢一目了然，在正常生產工況下，智能系統輸出預判結果準確，自我整定、調整及時，誤報、誤動作現象很少，為立磨穩定運行提供強有力熱風保障，完全實現了無人值守的智能低能耗操控運行生產模式。但該系統也存在一定缺陷，尚需進一步優化。該系統的關鍵點為模糊PID的經驗整定參數的準確程度，因現場經驗數據不足，同時由于原燃料的配比及料況的復雜性（如含水量、熱值、雜質、各種燃料摻加配比變化等存在較大差異時），系統抗干擾能力需要進一步提高，有時存在下料不暢或調整頻繁而導致爐溫略有波動的現象。

5 結語

通過高溫煙氣沸騰爐智能化系統的升級改造，使某建材公司減員增效、節能降耗的理念成為現實。系統穩定運行后，實現了對沸騰爐生產過程狀態的連續監控，沸騰爐運轉可靠性由原來的86%提升至98%。

燃燒效率逐步提升，所用燃料單耗迅速下降，從最初的燃煤單耗（設計使用5500kcal/kg的燃煤）28kg/t，直降至目前的19.22kg/t，且還有進一步下降的趨勢。粉磨系統分步電耗由原來的41kWh/t降至34.2kWh/t，臺時由88t/h提升至94t/h，可見節能降耗效果非常明顯。

因系統處于全天候智能化調控狀態，很大程度上其預判性和動態調整的及時性遠優于人工，穩定運行效果明顯；高溫煙氣沸騰爐智能化系統的良好應用，使公司生產、設備智能化水平得以增強，能源管理水平得以提升，符合公司建設綠色智能化工廠的創新發展理念。