水泥预分解窑智能控制系统的研究设计正文.docx
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水泥预分解窑智能控制系统的研究设计正文
水泥预分解窑智能控制系统的研究
摘要
预分解窑是现代化水泥厂烧成工艺的关键设备,其特点是:
在缩短回转窑筒体的条件下用多级悬浮预热器代替部分回转筒体,使窑内以堆积态进行的气固换热过程一部分转移到多级旋风预热器内在悬浮状态下进行;同时在悬浮预热器和回转窑之间增设分解炉作为窑系统的第二热源,使燃料燃烧的放热过程与生料的碳酸盐分解的吸热过程在悬浮态或流化态条件下极其迅速地进行,提高了窑系统生产效率,降低熟料热耗,使窑生产能力成倍增长。
水泥烧成过程是一个典型的非线性、强耦合的复杂控制对象,其精确的数学模型难以建立,常规控制很难获得满意的效果。
然而,有经验的操作人员却能够较好地操作,使其稳定运行。
所以研究并实现水泥烧成过程智能控制系统,对进一步提高水泥烧成过程自动化水平具有重要意义。
本文以一条2500吨/日新型干法水泥生产线的CIMS应用工程的开发为背景,实现了集散控制系统(DCS)的现场运行,根据水泥流程工业的信息集成现状及水泥生产状况确定了系统结构,在硬件配置方面选用ABB公司AC80OF控制器,并下挂S800系列卡件;软件选用ABB公司专用CBF组态软件实现基础自动化控制。
实际运行表明,该系统不仅提高了企业的自动化水平,而且可以节约能源、改善劳动条件,实现了信息共享。
该项目的成功实施,将会促进水泥行业智能控制的深入研究,带来明显的社会效益和经济效益,有着巨大的现实意义。
关键词:
计算机集成制造系统(CIMS),模糊控制,水泥回转窑,分解炉
Cementpre-decompositionkilnintelligencecontrolsystemresearch
ABSTRACT
ThecraftofRotaryKilnisakeystepofcementproduction,itmakesdirectlyinfluenceonthequalityofcementclinker.Buttheprocessissocomplexthatthereisnotraditionalmethodcandescribeitprecisely.Withthecombinationofexperienceandthemethods,someimportantprinciplesarefound,whichareusedtodescribetheprocessofthecalcinationsprecisely.ButawholeRotaryKilnisaverycomplexsystemandthefactorswhichinfluencetheprocessofcalcinationsisnonlinear.Asaresult,itisalmostimpossibletousetraditionalmethodstocontroltheprocess.ButtheapplicationsoftheFuzzycontrolcansolvetheproblemverywell.
ThispapergivesthepresentsituationandthefuturedevelopmentoftheCIMSandputforwardtheconfigurationofthesystembasedontheapplicationoftheDistributedControlSystemona2500t/dcementproduction.Accordingtotheactualcharactersofthecementautomationproductionline,thesystemtakestheABB's800FseriesindustrialcontrollerandthecorrespondingmodulesincludingthecorrespondingsoftwaresuchasOPCandCBFtorealizethecontroloftheproductionline.Thisstructurecannotonlysolvetheproblemsofcontrol,butalsomakethefactoryeasiertoimprovethemanagement.
Therunningofthesystemprovesthatsystemcanadvancetheautomationlevelofclayenterprise,saveenergy,improvelaborconditionandadvancetheinformationintegration.Itwillbringaboutobvioussocietyefficiencyandeconomicefficiency
KEYWORDS:
CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)FuzzyControlcementdecomposingbeforehandstovedecomposestove
第一章前言
1.1水泥生产现状
水泥工业作为我国的基础原材料工业,近二十多年来有了长足的进步和发展,水泥产量多年位居世界第一,产品的质量、档次也有了不同程度的提高,基本满足了国民经济和社会发展的需要,然而其产品结构、技术结构和规模结构仍然很不合理。
整体发展水平较低,技术先进的大中型预分解回转窑水泥厂只占10%,525号优质水泥只占水泥总产量的10%左右,形成了“大而不强”的局面,全国水泥厂的平均规模年产不足10万吨,与国际先进水平相比,有很大差距。
各地水泥产量的增长往往是在低水平的重复建设中发展起来的,从整体上看技术含量低、环境污染严重的立窑水泥以及能耗高的湿法旋窑水泥仍占有很大比重,而高质量的新型干法旋窑水泥却长期短缺。
这种不合理的产业结构己明显制约了我国经济建设的发展和水泥工业前进的步伐。
为此,国家建材行业主管部门提出了“控制总量、调整结构、淘汰落后”的建材工业发展方针。
并在实施细则中明确了在2005年前要淘汰大批落后的地方小水泥企业,大幅度提高优质新型干法水泥,淘汰落后的生产工艺和装备,达到调整结构,提高产品质量,实现产业升级的目的。
各省相应制定了水泥生产的结构调整方针和“十五”建材工业结构调整发展目标,支持机立窑、湿法窑企业在淘汰落后工艺的前提下,改造为新型干法回转窑工艺,从注重量的增长转变到质的提高上,以实现增长方式的根本转变。
1.2新型干法窑的发展过程与趋势
近几十年来,新型预热器窑(SP)与预分解窑(NSP)有了很大的发展,除了表现在生产能力的增长上之外,在技术上也日臻成熟、完善。
50年代开发的SP窑,虽然节能效果显著,但由于对原料有害成分的敏感,使结皮堵塞事故频繁,故相当一段时间,在生产上都致力于解决窑的长期稳定、安全运转的问题。
70年代初期开发的预分解技术,使回转窑系统的锻烧过程明显地划分为预热、预分解和烧成三个主要阶段,并分别在高效的设备中完成。
从而促进了窑系统总体性能的提高。
石油危机和能源价格上涨,促使了窑外分解以煤代油技术的研究与开发,成功地改造成许多烧煤生产线,使经济性能得到了改善。
近年来,又在预热器和分解炉单体结构上作了大量工作,许多高效低阻预热器和各具特点的分解炉陆续涌现,为进一步节约能源创造了条件。
但从热工角度来看,到目前为止,对一些先进的生产线来说,进一步降低熟料烧成热耗,其难度己愈来愈大。
这是因为熟料形成热的数值是取决于所用原料。
因此节约热耗只能着眼于所谓三大热损失即:
废气带走热量损失、冷却机废气带走热量的损失和系统散热损失。
而各项热损失已降到接近必需的程度,继续降低往往受条件制约。
因此,一般认为当前在经济上需要进一步解决的问题,主要是用劣质原料生产特种水泥和低品味燃料充分利用。
随着工业发展,对于生产的要求愈来愈高,包括成本降低、环境保护等等。
为了全面满足各方面要求,近期更明显地趋向于全系统的合理匹配,亦即不过分追求系统中某些单体性能最佳,而强调预热器—分解炉—管道—回转窑—冷却机系统总体效益最佳。
为此出现了各种流程的新组合。
这可以认为是新型干法锻烧技术的重要发展动向。
第二章水泥预分解窑的介绍
新型干法回转窑水泥生产过程是一个窑磨不可分离的统一运行系统,系统包含煤粉制备与生料磨余热利用、窑尾废气处理与收尘、生料均化、窑尾预热分解、窑内锻烧与全线稳风稳料,使得工艺系统非常庞大,生产运行操作更为复杂。
因而,对生产的自动控制提出了新的要求,以前全凭各车间工人的工作经验操作设备,全厂没有形成一个相互协调的整体,往往造成不是生料过多就是熟料过多或煤粉过多的现象,从而影响了生产。
现在新型干法水泥生产线采用了目前广泛使用的“旋风窑外预热分解”技术。
整个烧成部分包括窑外预热分解、窑内锻烧、熟料冷却、煤粉制备等工序,其中窑外分解温度、烧成带温度和窑尾废气温度是重要的参数,他们的稳定对整条水泥生产线的稳定、高产和节能具有重大影响。
通过操作人员的经验,可以得到下面一些基本的操作规程:
(1)根据窑头罩负压自动调整窑头引风机阀门开度,以稳定窑头负压。
(2)利用篦冷机二室和四室篦下压力调整篦床冲程次数,以保证篦床上熟料厚度均匀稳定。
(3)按给定风量自动调整篦冷机鼓风机入口阀门开度。
(4)根据冷却机排风温度自动控制冷却机排风口附近的喷水量,以保证冷却机电收尘器的收尘效率。
(5)根据分解炉中部的气体温度来自动调节分解炉的喂煤量,以稳定出炉气体温度和物料分解率。
(6)根据系统主排风机进口负压自动调节排风机转速。
(7)根据增湿塔出口气体温度自动调节喷水量。
(8)根据气力提升泵所给定的松动风压自动调节双管喂料机转速,以保证均衡喂料。
(9)由红外线自动扫描测量装置自动记录回转炉燃烧带的温度并进行超温报警,以监测筒体表面温度分布,保护窑衬,实现安全运转。
回转窑的正常生产主要是烧成带温度和窑尾废气温度,一般这两个温度要求稳定,前者保持在1500+/-40℃,后者保持780+/-10℃,为达到这个目的,应当调节喂煤量、排风量、窑速、一次风、下料量等。
实践证明喂煤量与一次风成比例,窑速与下料量成比例,只需研究烧成带温度、窑尾废气温度、喂煤量、排风量、窑速。
要提高回转窑产量,首先要加快煤粉的燃烧速度来提高火焰温度,才能开大排风来提高窑尾废气温度,拉长烧成带长度,加强预烧,加快窑速,增加喂料,这是一套连锁反应。
在水泥熟料锻烧过程中,旋风预热器、分解炉、水泥回转窑、篦冷机等部分是相互联系不可分割的。
要使整个系统稳定,必须确保各子系统稳定。
为此整个烧成控制系统分成3个子系统:
旋风预热器及分解炉控制系统、回转窑控制系统、篦冷机控制系统。
对各子系统分别设计控制方案,确定其模糊控制模型。
2.1预热分解炉子系统
2.1.1预热分解炉子的工艺过程
新型干法水泥生产线采用了目前广泛使用的“五级旋风窑外预热分解”技术,整个生产工艺过程包括窑外预热分解、窑内锻烧、熟料冷却、废气处理和煤粉制备等工序。
其中,水泥生料(主要成分为碳酸钙二氧化硅氧化铝和氧化铁等)经研磨均化处理后由提升泵传输进入预热器,悬浮预热器由从上至下排列的五级旋风筒组成,生料由第一级旋风筒入口进入,在各级旋风筒内在自下而上的由窑尾烟室(约1100℃)送入五级筒底部的高速热气流中作离心运动。
由于生料粉末很细,相对表面积较大,所以在自上而下过程中生料粉末与热气流充分混合,进行热交换,很快被加热到大约700-800℃,同时窑尾来的高温废气的温度也迅速降到300-400℃然后生料进入分解炉,并与从分解炉中上部送入的煤粉混合以沸腾状态燃烧,进行碳酸盐的分解反应,使得当生料进入窑体时,分解率己达80%-90%。
2.1.2预热分解炉子的参数选择
窑尾分解炉温度是一个重要的工艺参数,它的稳定对整条水泥生产线的稳产高产和节能具有重大影响影响。
分解炉温度的影响因素很多,对生产工艺和现场采样数据的分析以及操作人员经验的总结,可以发现:
(1)喂煤量的影响:
增加喂煤量,则加剧分解炉反应,使温度升高。
(2)生料量的影响:
增加生料量,将增加分解炉内反应物料数量,使炉温升高但当生料增大到一定程度后,由于物料未能充分反应,炉温反而下降。
应该让入窑生料流量与入分解炉煤粉流量之间维持一定比例关系,以便进行充分反应:
由操作经验知道,生料喂料量的波动和改变在5分钟左右会到达分解炉,当生料量增大时,分解炉温度很快降低,所以需要在生料量波峰到达之前增加喂煤量;当生料量减小时,分解炉温度很快升高,所以需要在生料量波谷到达之前减小喂煤量。
(3)风温风压的影响:
入分解炉的三次风大部分来源于篦冷机,温度一般在750-900℃左右并随窑头罩的温度的变化而变化,压力一般为800-1200Pa。
三次风风温高或者风量大都会使分解炉中的物料温度升高。
综上分析,喂煤量是一个主要因素,其它因素诸如生料量和回转窑的转速也对分解炉温度有一定影响,且各因素之间存在藕合关系,但它们的作用不是线性的,难以建立一个准确的数学模型来描述该过程,采用传统的控制方法,即通过建立对象模型来实现对分解炉温度的控制则非常困难。
2.2回转窑子系统
2.2.1回转窑子的现状
回转窑是水泥厂的主要生产设备,它工作时是旋转的,要准确测量旋转窑体内的温度,特别是轴向温度分布,存在较大困难。
而回转窑窑内各点温度的准确检测与否,对水泥的生产质量产量消耗成本及设备安全运转起着决定性的作用,也制约了很多先进算法在水泥生产中的应用。
随着科学技术的不断发展,近年来,国内外的科技人员对回转窑窑内温度的检测技术进行了广泛研究,热电偶检测回转窑窑内温度这一技术解决了回转窑由于旋转温度不能被检测的难题,但由于引入了炭刷和铜环,热电偶检测出来的毫伏级电压数据受外界环境影响很大,带来了较大的检测误差,因此应用受到限制;用红外线扫描测温装置来检测回转窑筒体的温度,这一方法具有一定的优越性,国内外应用比较普遍,如瑞典美国日本等国家以及我国的大部分水泥厂在不同程度上都应用了各种红外辐射测温装置,但这种技术也存在着一定不足:
如不能直接检测窑内温度,温度检测滞后很大,准确度不高,以及价格昂贵等,应用受到了一定的限制。
目前定量测量水泥窑烧成带温度的仪器主要有两种:
全辐射高温计和比色高温计。
全辐射高温计的测量结果受辐射途径上各种介质(如窑内粉尘、监视窗玻璃等)的选择性、吸收特性和辐射源黑度的影响,测量误差相当大。
比色高温计在原理上基本上消除了上述影响,可达到较高精度。
但这两种高温计具有一个共同的缺点,就是一次只能探测一点。
根据最新国际联机查询的结果,当前测量水泥窑烧成带温度的技术在近十年内没有较大的突破,较新的技术主要是采用红外热成像仪。
由于红外摄像机成本较高,不适合在窑头恶劣环境中使用,而且红外热成像仪的测温范围主要在中低温,所以这项技术的应用仍处于试验阶段。
还有一种正在发展中的检测方式是基于多媒体技术和光学辐射原理,利用计算机对水泥回转窑窑头工业摄像机摄取的窑内彩色图像进行实时处理,得到窑内烧成带实时温度分布图和其它一些状态参量。
2.2.2回转窑子的工艺过程及操作原则
从分解炉出来的生料(包括己分解部分)由窑尾进入窑体,因窑体有一定倾斜且在不停地低速旋转,物料将从窑尾向窑头缓慢运动,同时煤粉从窑头用喷嘴管喷入燃烧并与顺窑体而下的生料混合,使之进一步分解。
煤粉在窑内燃烧后,形成的高温火焰一般可达1600-1700℃,产生的高温气体在窑尾高温风机的牵引下,沿着窑体向窑尾流动,和物料在相对流动中进行热交换,在回转窑的不同区域发生不同的化学反应,形成“工艺带”。
根据看火工的实际工作经验,影响水泥回转窑过程控制的参数主要是烧成带温度(通过窑头看火孔观察火焰的颜色来判断,或者采用图像测温法得到)和窑尾废气温度(通过仪表获得)一般只要保证这两个参数稳定,就可以达到对回转窑的稳定控制。
烧成带温度包括物料温度和火焰温度,物料温度要保持在1350-1500℃,火焰温度要保持在1600-1700℃(通过图像测温可以准确获得),窑尾废气温度要保持在780℃左右,温度误差要求不超过10℃根据看火工经验,可以适当调节喂煤量、排风量、窑的转速、一次风、下料量等参数来实现这个目标,因此,在建立系统控制模型时考虑以下五个量之间的关系:
①烧成带温度;②窑尾废气温度;③喂煤量;④排风量;⑥窑的转速。
在回转窑系统的现场运行过程中,看火操作人员的操作原则如下:
(1)前温低,尾温低
①前温很低尾温很低:
先增给煤量,再减排风,同时减窑速。
②前温很低,尾温较低:
先增给煤量,同时减排风,再减窑速同时增大给煤量,排风不动。
④前温较低,尾温较低:
先减窑速,同时增大给煤量,排风不动。
(2)前温高,尾温高
①前温很高,尾温很高:
先减给煤量,其余不动。
②前温很高,尾温较高:
先减给煤量,其余不动。
③前温较高,尾温很高:
先增下料量,其余不动。
④前温较高,尾温较高:
不动。
(3)前温高,尾温低
①前温很高,尾温较低:
减排风,其余不动。
②前温很高,尾温很低:
先减给煤量,同时加大排风,窑速不变。
③前温较高,尾温较低:
先减下料量,其余不动。
④前温较高,尾温很低:
先减给煤量,同时加大排风,窑速不变。
(4)前温低,尾温高
①前温很低,尾温较高:
加给煤量,同时慢窑,并减排风。
②前温很低,尾温很高:
先减排风,再加给煤量,同时减窑速。
③前温较低,尾温较高:
先加给煤量,同时加大下料量。
④前温较低,尾温很高:
先加给煤量,同时加大下料量。
(5)前温高,尾温正常或相反
①前温很高,尾温正常:
减给煤量,其余不动。
②前温较高,尾温正常:
一般不动。
③前温正常,尾温很高:
增大下料量,其余不动。
④前温正常,尾温较高:
一般不动。
2.3篦冷机子系统
2.3.1篦冷机子的工艺过程
生料经回转窑缎烧变成熟料后,由窑头落到篦床上进行冷却,篦冷机分为两段,六个室,每室都配有大功率的冷却风机,这些风机向各个室鼓风,以对流方式强制进行热交换,使熟料迅速降温。
被熟料加热的空气一部分被吸入窑内参与反应,另一部分被三次风管送至窑尾分解炉作为姗烧的高温空气,还有一部分被送至煤粉制备,对煤粉进行预热处理。
熟料冷却是水泥锻烧系统的最后一个环节。
篦冷机是用一定压力的空气对篦板上运动着的熟料以互相垂直的方向进行骤冷,它主要由供风系统、篦床、废气处理及空气炮四部分组成,供风风机通过风管向篦床下的风室和蓖板中吹风,冷空气通过篦板上的空隙与高温熟料完成热交换过程,冷却风机的风量和风压可根据各风室的密封情况、篦床上料层厚度以及窑的来料量进行调节。
篦冷机篦床由一段倾角为3度的炉篦和两段水平炉篦组成,篦床上的活动篦板通过往复运动把熟料推向下一级篦板,先后经过二段篦床冷却,最后至窑头出口的熟料温度为85℃。
一段篦床上入窑的二次风约为990℃,提供窑内锻烧所需的氧气和热量,三次风(约7500℃)与预热器内的生料逆向流动完成生料预热过程,其余废气经窑头电收尘净化后经烟简排入大气。
空气炮属于辅助设备,冷却机安装在窑头下料侧,通过将空气炮储气罐的压缩空气向相关区域瞬间释放,形成冲击波作用在堆料上,实现清堵助流的目的。
篦冷机的供风系统由风量各异的风机组成,风机控制比较简单,由控制系统中常用电机模块控制。
应当注意的是必须把挡板关限位加入相应风机的启动连锁中以免挡板打开时启动风机,风机负载过重引起跳闸,风机挡板由风量设定值调节。
2.3.2篦冷机子系统的功能
(1)选择最适当的熟料冷却速度,以提高水泥的质量和提高熟料的易磨性。
由于新型干法窑冷却带很短,熟料出窑时的温度高,对其进行急速冷却,这样可以阻止矿物晶体长大,有利于熟料强度及易磨性的改善;同时,骤冷可使液相凝固成玻璃体,有利于熟料的安定性的改善及抗化学侵蚀性能。
(2)由于二、三次风对燃料起火预热、提高燃料燃尽率和保持全窑系统有一个优化热力分布至关重要,因此,必须尽可能使二、三次风加热到比较高的温度,以满足需要。
(3)作为热回收设备,它承担着对出窑熟料携带出的大量热焓的挥手任务。
这些热量以高温随二、三次风入窑、炉之内,有利于降低系统的煅烧热耗。
(4)熟料要冷却到尽可能低的温度,以满足熟料运输、贮存和水泥粉碎的要求。
第三章模糊控制理论
3.1模糊控制理论的概述
随着科学技术的不断发展,人们处理的问题愈加综合化、复杂化,研究的系统也愈加庞大,依靠传统的经典控制理论,其结果已越来越不尽人意。
根据互克性原理:
当系统的复杂性提高时,使其精确化的能力就会降低。
这就意味着随着系统复杂性的增加,对于它的控制不能单纯依靠加大数学模型和算法的复杂程度来提高。
传统的控制理论中,每一个指令和每一个数据都是和精密准确的程序相配合,当处理的系统复杂时,这样必然需要消耗庞大的计算能力和复杂的硬件系统,却未必使系统的性能得到令人满意的提高,这就需要寻找一种新方法,新理论。
自1965年美国加利福尼亚州立伯克利分校计算机系教授扎德(L.A.Zadeh)发表了著名的论文《FuzzySets》提出了模糊思想,并给出了数学的定量描述方法,标志这模糊数学的诞生。
这一理论为处理复杂系统提供了一种新的思想并在现实中取得了显著的成就。
模糊理论对于人们处理客观世界的问题提供了一种更接近人类思维的思想和方法把经典数学“非此即彼”的性质拓宽到“亦此亦彼”,将二值逻辑推入多值逻辑,从而强化了精确数学的内容。
将模糊理论应用于控制领域,产生了模糊逻辑控制。
模糊控制技术在发展过程中,不断与新的理论相结合,目前模糊技术和人工智能与神经网络结合发展,并取得了很大的成就。
如FAM(模糊联想记忆)、F-ART(模糊自适应谐振理论)、FCM(模糊认知图)、FMLP(模糊多层感知机)等。
1974年,英国QueenMarryCollege的E.H.Mamdani教授首先将模糊逻辑用于蒸汽发电机的压力控制中,实验结果比传统的PID控制具有更多的优越性。
接着荷兰学者W.J.M.Kickert等人利用模糊控制器解决了含有非线性、时滞特性的热交换过程的控制问题。
丹麦学者J.J.Ostergoarcl利用模糊控制器实现了对双输入双输出的热交换过程的控制。
80年代丹麦F.L.Smidth公司推出了实用化的水泥窑模糊逻辑控制系统。
由此可见在模糊控制理论的早期就已经应用于水泥生产中了。
模糊控制技术在日本有了长足的发展,如1978年日本仙台市地铁列车的自动控制,1990年日本松下电器公司推出的采用模糊技术的吸尘器和全自动洗衣机。
从商业角度,1993年仅模糊加点产品的产值就达到近8亿美元。
仅以彩色电视的模糊控制器而言,相对传统的电视控制系统,模糊彩色电视是一种依靠模糊逻辑算法、模糊识别和模糊判决为核心的智能化系统。
它通过采集周围环境参数,经模糊控制器快速处理后,对彩色图象的亮度、对比度和音量进行自动控制,使观众获得最佳视听效果和节能效果。
值得一提的是虽然模糊技术在我过起步较晚但发展很快。
在模糊理论方面,我过处于世界先进水平。
如国际模糊系统协会副主席兼中国分会主席汪培庄教授提出的“因素空间、模糊落影和值流推理”等3项理论,为运用概念进行判断推理这一思维过程提供了一个新的数学框架,从而拓宽加深了模糊数学描述客观世界的广度和深度。
在模糊技术应用领域,我过最早在地震和气象预报中应用模糊理论,而且
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