操作】水泥窑烧成系统如何应用自动操作

1 现状

  我国目前水泥厂企业对回转窑的监测控制采用以下几种技术：

  1）窑内看火系统

  2）高速光学窑胴体扫描系统

  3）红外测温仪

  4）人工利用经验调节各种运行参数。

  大都以人工给定操作参数为主，辅以单参数调节回路自动控制，即使是采用目前现有的DCS计算机集散型控制的5000t/d以上规模的厂,由于尚未有比较切合实际的数学模型,计算机很难实现全过程的自动控制。虽然电机的开停(即开关量)控制可采用PLC程序控制,但是过程控制参数(即调节量)仍是人工键入校定值。待系统稳定运转后可投入数条单参数调节回路进行自动控制。

  有小部分工艺参数属于通过人工或现有DCS计算机系统，可直接操作控制的参数,通常称之为操作变量（自变量）；

  而大部分工艺参数则属于由于人工调节后随之改变的过程变量（因变量）；

  水泥烧成的操作变量（自变量）可由人工或计算机主动直接改变；而过程变量（因变量），由于适时地显出调节后的结果，因此二者之间也具有互为因果的关系。烧成系统主要的操作变量及其作用见表1。

表1 5000t/d烧成系统中控室主要操作变量表

 另外，入窑生料及煤粉的化学成分，属于自变量，它们的变化会引起操作变量和过程变量参数一系列的变化，当出现原材燃料成分不符合要求波动时，应及时向主管厂长提出。

  中控室中的显示参数大都是过程变量，其测点设置各水泥厂也不尽相同，一般的主要过程变量参数及其作用见表2。

表2 5000t/d烧成系统中控室主要过程变量表

 
2 水泥熟料烧成生产工艺流程

  水泥烧成系统的主要关键设备有：生料计量秤、高效斗提机、高温风机、预热器、分解炉、窑主传电机、篦冷机、篦冷机冷却风机、煤粉喂料计量秤等。如图1所示。

  图 1 水泥熟料生产设备示意图

  水泥主要原料是石灰石、粘土质粉和铁粉，按一定比例配合粉磨制成生料.然后，以煤为燃料，经过窑尾预热器、分解炉、水泥回转窑的煅烧对生料连续加热，逐步生成熟料。分为四个阶段：①干燥、预热：生料经输送、计量，再经气体输送和高效斗提机喂入五级旋风筒预热器，由热风进行干燥、加热到一定温度。②分解：经干燥预热后的物料进入分解炉，从窑头来的二次风送入分解炉旋涡室，使物料进一步升温，完成分解，分解率可达85~95%。③煅烧：经预热器、分解炉后大体完成了碳酸盐分解的物料进入水泥回转窑进行煅烧，窑内只进行放热反应和烧结反应，烧成是煅烧过程的关键部分，其间物料直接受火焰加热，物料温度达1300℃～1450℃，出现液相，生成硅酸三钙、硅酸二钙等（C3S、C2S、C4AF）形成熟料。④冷却：煅烧后的熟料进入窑头篦冷机系统进行熟料冷却，再经链式输送机输送到熟料储库。

3 水泥烧成自动操作关键技术

  1）重要的工艺参数：回转窑烧成带物料温度和窑尾烟室烟气温度，窑体转速，生料量输送量（冲板流量计或转子秤），煤粉输送量（转子秤），一次风量(窑头一次风机是用来引进煤粉磨的热风,以向窑内喷送煤粉。实际用风量应控制在与煤粉中挥发份含量相配比)，二次风量(窑尾二次风机是用来引进冷却机的热风,以减少煤量消耗,并排除窑内的废热烟气,使冷烟室形成一定的负压操作)。

  2）回转窑的参数包括窑的规格、转速、斜度、设计负荷等。在回转窑的末端，熟料通过冷却机以1200℃-1400℃的温度。

  回转窑较快的转速可以降低窑物料的填充率，还可以使生料更好更充分的进行煅烧，同时，使物料的流动更加的稳定，从而降低了产生跑生料的可能（如果窑在很高的填充率下运行，更容易出现跑生料的现象）。

  3）建立控制模型的指导思想

  两个重要的过程变量（因变量）其目标设定值为:

  ---烧成带物料温度控制在1450±30℃,并实施上下超限报警；

  ---窑尾烟室烟气温度控制在860±30℃,并实施上下超限报警；

  操作变量（自变量）:回转窑窑体转速、生料输送设备转速、煤粉输送设备转速、一次风用量、以及对窑内通风和温度场影响颇大的二次风用量；

  ---回转窑窑筒体转速和生料输送设备转速构成一个随动系统,即生料喂料量随回转窑窑筒体转速的提高或降低而增减；

  ---煤粉输送设备转速和一次风用量构成一个随动系统,即一次风用量将随着煤粉的喂入量的增减而提高或降低,以实现合理的定量比配；

  用以上操作变量的最佳组合来保证过程变量的不变,以图建立水泥烧成稳定的热工制度,为水泥熟料煅烧的优质高产低能耗提供保证。

  以上两个随动系统及两个随动系统中的各两个参数,同时影响着烧成带物料温度和窑尾废热烟气温度的高低。

  4）进行物料平衡和热平衡的计算

  选取回转窑为热平衡范围。计算的原始数据主要是通过热工测定取得的。

  物料平衡和热平衡计算的目的在于从理论上用数学表达式来描述操作变量和过程变量之间的关系。

  5）采集系统操作变量和过程变量的数据组

  通过理论计算的操作变量和过程变量之间的数学表达式，与实际有很大差距，必须对数学表达式进行归纳、整理、修改。通过实验,采集模块测得许多过程变量随操作变量变化而改变的数据组。这些数据组有的是改变一个操作变量后造成过程变量变化的数据,有的是改变两个或多个操作变量造成过程变量变化的数据。将数据组代入表达式后,能定量的符合实际操作变量和过程变量之间的关系。

  自动操作系统将生产线分成许多采集处理模块，例如窑系统的输入处理模块：从采集到的工艺参数（NOx信号，高温计信号）选择相应的燃烧区控制参数，根据模糊数学逻辑，以多个输入工艺参数信号计算每个燃烧区参数。

  模块特点：有模糊EXCEL表（工艺）参数，具有模糊逻辑，模糊学习识别功能，自适应处理过程。

  6）测量数据组的滤波处理

  所测得的大量数据组,其中某些数据肯定会受到噪声(包括过程噪声及测量噪声)污染。为此,必须进行滤波处理。

  7）由计算法实时算出某些难于测量的参数

  在熟料煅烧过程中,某些参数目前还难于在线直接测量。如煤的发热量和生料的化学成分等。而这些参数在熟料煅烧过程中又甚为重要。为此,根据化验室化验的结果设置有关参数,并置于控制模型中,随着这些参数的变化计算出有关参数的修改系数,并及时对这些参数进行修改。

  8）通过实验对控制模型进行修改

  采用控制模型控制回转窑,需要在开机后键入初始数据,以实现手控转为自控时的无扰动切换。同时,做为初始条件,置入控制模型中,经过分析、运算,逐渐把窑的主要参数调整到能满足工艺要求的范围中来。

  4 系统的总体框架

  系统采用DCS系统控制方式，下位机负责完成数据的采集、处理和向上位机进行信息传送，并接受上位机指令去完成各种过程控制等任务，上位机负责完成工艺过程的监视、操作、控制及PID参数的调整，并完成数据处理及各种打印功能。结构如图1.3所示

图1.3 系统硬件结构图

  该系统投入运行的条件是--回转窑处于正常稳定的运行状态。不适用于开窑、停窑、欠烧、大量窑皮跨落、补挂窑皮等非正常工况。若一旦有大幅度地干扰或波动,它应能自动报警提示,特殊情况由窑操作员干预,等待人工把问题处理完毕后,工艺过程又处于稳定,再切换到计算机控制。

  计算机控制系统通过两个切换开关,来实现三种工作状态:

  一是自动控制状态。即计算机对水泥熟料烧成过程完全自动控制。此时,计算机发出五个操作变量参数,通过五个操作回路--一次用风量、二次用风量、生料输送设备喂入量、煤粉输送设备喂入量、回转窑窑体转速,对生产过程进行操作,以控制主要目标--烧成带的物料温度和窑尾废热烟气的温度均保持在设定范围。两个随动系统的比例系数设定由计算机软件来实现。

  二是人工调节状态。即计算机已脱离自动控制,转入仪表联动的人工调控。此时,除二次用风量单独控制外,而两个随动系统比例控制回路进行自动调节状态。其比例系数由人工整定比例器,来实现两个随动系统和二次风用量的三个回路操作。

  三是单独手动状态。既两个随动系统也完全解体,五个操作变量--一次风用量、二次风用量、生料输送设备喂入量,煤粉输送设备喂入量,回转窑窑体转速,形成了五个回路单独操作状态,定值比例器不起作用,完全进入人工直接操作的控制方式。

  5 目前工作

  当前，我院在技术进步创新背景下，立项实施此攻关项目，工作在进行中：

  1）优化系统

  烧成带物料温度和窑尾废热烟气温度两个过程参数的控制；

  回转窑窑筒体转速和生料输送设备转速构成一个随动系统；

  煤粉输送设备转速和一次风用量构成一个随动系统；

  2）建立采集模块

  窑主模块：生料，煤，一次风，篦冷机优化调节篦床等模块。