水泥分解炉环节优化节能控制系统

师留刚，杨中强，夏中清

水泥分解炉环节优化节能控制系统

师留刚1，杨中强2，夏中清3

针对水泥分解炉非线性、大滞后、强耦合的特性，设计了以变积分PID控制器为中心，辅之以趋势校正控制器、Bang-Bang控制器、前馈控制器和喷煤异常控制器的优化节能控制系统。此系统已在某水泥厂应用，结果表明，此控制系统能满足优化节能的目的。

分解炉；优化节能；变积分PID

水泥是我国基础设施建设的重要材料之一，对我国经济的发展有着举足轻重的作用。目前，我国水泥行业的发展虽然取得了很大成就，但是依然面临着很多挑战。其中，能耗过高是目前水泥行业面临的一个重要问题，水泥行业依然是我国节能减排的重点。

分解炉作为预分解窑的核心设备，承担着熟料煅烧过程中耗热最多的碳酸盐分解任务，其耗煤量巨大，约占水泥烧成过程的60%。目前国内大部分水泥生产线，对分解炉的控制仍采用人工控制方式，由于操作员水平的差异，使分解炉温度波动较大，严重影响了水泥系统的热工稳定及水泥的产质量，浪费了大量能源。

笔者基于山水水泥平阴分公司DCS系统，设计了智能控制系统，对分解炉温度进行优化节能控制。

1　新型干法水泥预分解系统工艺分析

该生产线的生产过程如图1所示。

物料首先被送入1～2级旋风筒的连接处，并由热风吹入1级旋风筒，实现气固热交换；再由1级旋风筒的底部进入2～3级旋风筒的连接处，又被热风气流带入2级旋风筒内进行气固热交换，重复以上步骤，以达到生料逐级预热分解的目的；物料预热后经4级旋风筒底端进入分解炉，煤粉由分解炉中部添加并以无火焰状态燃烧，产生大量热能供给物料分解，分解率在85%～95%之间。从预分解系统的工艺特点和机理分析可以看出，分解炉温度的稳定性直接决定了入窑分解率的高低，对整个窑系统的热工稳定具有重要意义。因此，生产中一般通过调节窑尾喷煤量达到稳定控制分解炉温度的目的。其中，分解炉出口温度一般控制在860～920℃。

图1　新型干法水泥预分解系统工艺

2　分解炉优化节能控制系统

优化的主要工作是将控制变量稳定在最优目标值附近，熟料质量更好，而节能的主要工作是用更少的煤产出更多的熟料。

2.1控制系统整体方案设计

根据前述工艺介绍，我们选取窑尾喷煤为控制量，分解炉温度为被控量。但在实际生产中还有生料下料量、三次风温度、尾煤压力等干扰因素。因此，我们从该厂实际生产出发，提出以变积分控制为基础，辅之以前馈控制、Bang-Bang控制、趋势校正控制、喂煤波动异常控制的设计方案（图2）。

图2　分解炉温度自动控制系统

2.2智能控制规则设计

当分解炉温度在正常范围内变化，变化趋势平缓时，采用单纯的变积分PID控制器（S）；当外界扰动导致被控量出现剧烈变化，变化趋势过大并维持一段时间时，采用趋势校正控制对变积分PID控制器进行输出校正（S1）；当外界扰动导致被控量大幅度偏离设定值并维持一段时间时，采用Bang-Bang控制对变积分PID控制器进行输出校正（S2）；当生料下料给定、三次风温和分解炉温度设定值改变时，采用前馈控制器对变积分PID控制器进行输出校正（S3）；当喷煤压力波动很大时，采用喷煤异常控制对变积分PID控制器进行输出校正（S4）。

综上所述，智能控制规则如下：

其中：

e（k）——分解炉温度偏差值

ee（k）——分解炉趋势变化值

α——分解炉温度偏差变化阈值

β——分解炉温度趋势变化阈值

bc（k）——下料给定改变、三次风温改变或是温度设定改变值

φ——下料给定改变、三次风温改变或是温度设定改变阈值

im（k）——喂煤压力改变值

ϕ——喂煤压力变化阈值

U（k）——智能控制器输出值

UPID——变积分PID控制器输出值

UBB——偏差校正控制器的输出

USL——趋势校正控制器的输出

UBC——前馈控制器的输出

UIM——喂煤异常控制器的输出

2.3各控制器模块设计

2.3.1变积分PID控制器

传统的PID控制器算法简单、可靠性高、鲁棒性强，在流程行业得到了广泛应用。增量式PID的输出是控制增量，当系统出现故障时，对系统的影响较小，采用增量式PID算法，算法如下：

式中:

Kp——比例系数

Ki——积分系数

Kd——微分系数

PID控制器中的积分环节可以减小被控量的稳态误差，但当被控量出现偏差过大的情况时，积分环节会降低系统的稳定性，甚至容易引起振荡。本方案中引入了变速积分来解决这一问题。PID控制器中将积分项乘以一个系数以使积分作用与偏差大小成比例，系数的计算如式（2）所示。

式中：

a、b——偏差阈值

偏差较小时，采用PID控制增强积分作用；偏差太大时，采用PD控制消除积分作用。将式（2）代入式（1）中可得到增量式变速积分，PID控制算法如式（3）所示。

2.3.2前馈控制

下料给定、三次风温和分解炉出口温度设定值采用前馈控制。控制方式如式（4）所示，当其中任一参数发生改变，窑头喷煤也随之改变。

式中：

s1（k）——前馈变量改变量

φ——前馈变量改变阈值

M1——前馈变量原始值

M2——前馈当前值

Ys1——喷煤调整幅度参数

Xs1——前馈变量幅度参数

2.3.3Bang-Bang控制

当外界扰动使被控量大幅偏离设定值时，启用Bang-Bang控制对变积分PID控制输出进行校正，及时调整喂煤量，使温度在最短时间内快速回到正常范围。偏差校正控制器的输出如式（5）所示。

式中：

UBB——偏差校正控制器的输出

α——被控量的偏差阈值

△uBB——偏差校正控制器的校正步长

2.3.4趋势校正控制

当外界扰动使分解炉温度出现大幅上升或下降趋势时，根据现场工作人员的经验，设计了趋势校正控制器对PID输出进行校正，从而加快系统的响应速度，减小系统的超调。趋势校正控制器的输出如式（6）所示。

式中：

USL——趋势校正控制器的输出

β——被控量趋势变化阈值

△uSL——趋势校正控制器的校正步长

由于被控对象的时滞性，为避免连续使用此环节，将“调、等、看、判断”思想融入控制器中，应在启用一次趋势校正后，等一段时间再观察控制效果，此期间不能再用趋势控制。若未达到控制效果，则再次启用；若在等待时间内达到控制效果，则不再启用。

2.3.5喂煤异常控制

当窑尾喂煤给定值与反馈值没有波动而窑尾喂煤压力却在突然上升后又突然下降，则会直接导致分解炉温度急剧上升。当此现象出现时，操作专家会采取大幅降低窑尾喂煤量，待窑尾喂煤压力恢复正常后，再将窑尾喂煤量恢复到波动前的操作措施。在此引入喂煤异常控制规则，规则如下：

Rule1：if尾煤压力波动极大then大幅降低窑尾喂煤and if尾煤压力恢复正常then恢复窑尾喂煤到波动前的喂煤值；

Rule2：if尾煤压力波动很大then中幅降低窑尾喂煤and if尾煤压力恢复正常then恢复窑尾喂煤到波动前的喂煤值；

Rule3：if尾煤压力波动大then小幅降低窑尾喂煤and if尾煤压力恢复正常then恢复窑尾喂煤到波动前的喂煤值。

2.4软件整体设计

根据系统设计方案，利用VC++6.0编写程序，将控制软件安装在操作员站；通过用VB开发的OPC Client读取DCS系统工程师站OPC Server的数据，在DCS系统中添加自动控制的接口程序；点击已安装的节能优化软件，打开自动控制系统的登录界面，进入优化的程序界面（图3）。

图3　优化控制程序界面

2.5工程应用

将该自动控制系统应用到山水集团平阴分公司5 000t/d生产线上，图4为分解炉温度手动、自动对比。

对煤耗进行了两次对比，每次均为两天手动状态、两天自动状态，图5为手动和自动状态时的煤耗对比。表1和表2为两次对比的数据统计。

由第一次对比统计可知：

煤耗偏差值=手动煤耗-自动煤耗

图4　分解炉温度波动手动自动对比

图5　手动和自动状态时的煤耗效果

表1　第一次对比数据统计

表2　第二次对比数据统计

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

由第二次对比统计方式可知：

煤耗偏差值=手动煤耗-自动煤耗

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

由以上分析可知，自动状态下煤耗相对较低，总体煤耗情况较好，达到了优化节煤的效果。

3　结语

本文将多种控制思想运用到水泥分解炉环节的控制上，并根据山水集团平阴分公司的生产线运行情况设定了一系列控制规则，设计了自动控制系统，实现了对分解炉温度的自动控制，与原来人工控制相比，既稳定又节煤，实现了优化节能的目的。

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Optimized Energy Saving Control System for Calciner in Cement Line

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2016-07-21；编辑：孙娟