现代过程控制基础_6_水泥生产过程控制系统

6水泥生产过程控制系统信息学院·杨为民二○一一年九月现代过程控制基础6.1水泥生产过程概述6.1.1工艺流程水泥生产过程主要分为回转窑生产过程和机械立窑（机立窑）生产过程。这两种生产过程所使用的工艺设备不完全相同，但其生产工序基本相同，都是以石灰石、粘土、铁粉等为原料，通过生料配料、生料粉磨、煅烧、熟料配料、水泥粉磨、包装等工序生产出水泥的过程。原料进厂后经过预处理，由化验室对原料进行化验分析，通过计算给出生料配方，生料配料工序根据化验室给出的配方比例对生料进行配料得到混合料，混合料通过生料磨磨成粉状入生料库，生料经煅烧成为熟料，熟料与矿渣、矿化剂按一定比例混合后，通过水泥磨磨成粉状入水泥库，最后经过包装出厂。原料预处理生料配料原料粉磨原料预均化煅烧熟料配料水泥粉磨包装6.1.1.1原料预处理水泥生产的主要原料是石灰石、粘土、铁粉。原料入厂后，首先要对它们进行处理，以使它们符合生产的需要。原料预处理主要完成以下工作：１原料石破碎将入厂的大块状石灰石等原料破碎成符合入生料磨要求的碎块，为配料和粉磨做好准备。２原料烘干入厂的粘土、铁粉、煤粉等原料中水份的变化直接影响生料混和料的成分，另外粉状物料在水份较多时容易结块，影响配料及粉磨的顺利进行，所以要把它烘干。一般要求烘干后的粘土水份不超过２％。6.1.1.2生料配料化验室对入厂的各种原料进行化验，并计算生料配方。生料配方的计算是根据熟料的质量要求推算生料混合料的化学成分，再根据原材料的化学成分计算出符合混合料化学成分的生料配方。原料工序根据配方对生料进行配料。配好的混合料通过生料磨进行粉磨。化验室定时对出磨生料取样化验，化验结果反馈到原料工序，并根据它对原料配方进行调整。出磨的混合料被送入原料库储存．并经过预均化后，就可以进行煅烧。6.1.1.3煅烧(1)水泥煅烧过程是对水泥生料连续加热，经过一系列的物理化学反应，使其变成熟料，再进行冷却的过程。水泥煅烧过程是一个复杂的热工过程，有关的主要工艺设备有分解炉、回转窑、冷却机等。生料混合料的一部分或全部进入分解炉，完成碳酸盐的分解过程，然后进入回转窑，与直接入回转窑的原料一起完成固相反应和烧结反应过程后，进入冷却机骤冷，成为熟料。6.1.1.3煅烧(2)⑴分解炉工艺过程分解炉是利用窑尾烟气和燃料对生料加热，使其碳酸盐分解的工艺设备，它由上旋流室、下旋流室和分解室构成，分解室的下部设有燃料喷嘴和料粉喂入口，入窑空气由下旋流室进入反应室，将燃料及生料粉悬浮，供燃料燃烧、放热，同时供生料粉分解、吸热，然后气流携带料粉由上旋流室被引出，进入下级旋风筒后再入回转窑。分解炉生产过程的质量标准是分解率，一般要求分解率尽量高，影响分解率的主要参数是分解温度，分解温度越高，分解率越高，但一般分解温度不许超过９５０℃，否则将使设备容易损坏。6.1.1.3煅烧(3)⑵回转窑工艺过程回转窑是一个倾斜放置的卧式回转圆筒，生料由圆筒的高端（一般称为窑尾）加入，由于窑体有一定斜度且不断旋转，物料由高端向低端（一般称为窑头）逐渐运动，燃料和空气由窑头喷入燃烧，热空气向窑尾流动，对物料加热，物料与高温气体相向运动，接受高温气体和火焰传给的热量，经过一系列的物理化学变化，被煅烧成熟料，再经冷却设备输送到窑外。燃烧用的空气由两部分组成，一部分和燃料一起喷入窑内，叫做“一次空气”，另一部分通过冷却机将熟料冷却，同时本身被加热到一定温度，进入窑内，叫做“二次空气”。燃料与空气燃烧过程中，会产生ＳＯ2、ＮＯx等气体，废气中ＮＯx的含量与燃烧温度有关，在氧供给充足时，燃烧温度越高，ＮＯx的含量越大。6.1.1.3煅烧(4)物料进入回转窑后，在高温作用下，进行一系列的物理化学反应，按照不同的反应在窑内所占的空间，划分为若干个“带”。•干燥带：物料温度逐渐升高到１５０℃，水份全部蒸发的过程称为干燥过程，在回转窑中所占的空间叫做干燥带。•预热带：物料温度很快升高到４５０～４６０℃，完成粘土质原料脱水过程在回转窑中所占的空间叫做预热带。6.1.1.3煅烧(5)•分解带：物料温度继续升高到６００℃以上，完成碳酸盐分解过程在回转窑中所占的空间叫做分解带。分解带长度占回转窑筒体长度比例较大，消耗热量最多。•放热反应带：完成固相反应过程在回转窑中所占的空间叫做放热反应带。由于放热反应，物料温度上升很快，使该带的物料与分解带物料有较大温差，从窑头看去，与分解带有明暗界限。该带长度较短，但对回转窑的操作控制起着很重要的作用。6.1.1.3煅烧(6)•烧成带：完成硅酸三钙的形成和烧结反应过程在回转窑中所占的空间叫做烧成带。烧成带温度对熟料质量影响最大，是回转窑的自动控制中最重要的参数。•冷却带：熟料烧成后继续沿窑体向前移动，温度开始下降，到窑头的这段空间叫做冷却带。冷却带的冷却介质是来自冷却机的二次空气。6.1.1.3煅烧(7)⑶冷却机工艺过程冷却机是用低温空气使高温物料骤冷的工艺设备。有多种类型的冷却机，本课程主要介绍的是推动蓖式冷却机（推冷机），它由蓖床、高压风管、中压风室、拉链机等主要部分组成。物料铺放在蓖床上，随着蓖床的往复运动向前移动，蓖床下沿物料移动方向排列有若干个风室，鼓风机通过高压风管、将高压空气送至各风室，冷空气由各风室穿过蓖床和料层使物料很快冷却到１００℃以下，同时空气本身温度上升，并进入窑内参与燃烧。6.1.1.4熟料配料煅烧成的熟料经破碎，并加入一定比例的矿渣和石膏，经水泥磨粉磨，就成为水泥，装入水泥库中储存。6.1.1.5包装在水泥库中的散装水泥经包装工序按每袋一定的重量装入水泥袋中，就成为袋装水泥，可以出厂了。6.2配料控制系统(1)在水泥生产中，生料混合料的成分波动会直接给煅烧过程带来困难进而影响水泥的产量和质量，所以说准确地进行生料配料是保证水泥高质高产的基础。因此，在水泥厂进行技术改造时，首先开发成功并应用最广泛的就是生料配料微机控制系统。水泥厂生料配料的主要原料有石灰石、粘土、铁粉、煤粉、石膏、莹石等，分别装在６～８个料仓中，根据配料系统功能的不同，可分为以下两种：•重量配料系统•成分配料系统6.2配料控制系统(2)重量配料系统是按化验室给出的生料配方自动控制各种原料的流量，以保证原料之间成一定的比例，考核该系统的指标是重量配比的精度。但由于原料成分的波动，重量配料有时并不能保证混合料成分满足要求。成分配料系统是在重量配料系统的基础上引入出磨生料成分的自动检测，并根据出磨生料成分与给定值的偏差自动修正原料重量配方，以提高出磨生料的合格率，考核该系统的指标是出磨生料的合格率。6.2.1物料量检测仪表(1)①恒速单悬臂电子皮带秤：这种电子皮带秤结构较简单．成本低，可以连续地检测物料的重量流量。但压力信号与物料压在秤上的位置有关，即同样重量的物料压在秤上的不同位置，压力信号就不同，所以它的测量精度较低。6.2.1物料量检测仪表(2)②恒速双悬臂电子皮带秤这种电子皮带秤结构较单悬臂秤复杂，成本稍高，也可以连续地检测物料的重量流量，压力信号与物料压在秤上的位置无关，即同样重量的物料压在秤上的不同位置，压力信号不变，所以它的测量精度较高。6.2.1物料量检测仪表(3)③核子秤：这种秤测量部分不与被测物料接触，因而不受物料冲击、物料粒度变化等因素的影响，测量精度较高，维护量小，而且可用于高温物料（如水泥熟料）的测量。但其有核辐射源，需要做好安全防护工作，它的成本也较高。6.2.1物料量检测仪表(4)核子秤6.2.1物料量检测仪表(5)④调速电子皮带秤：这种电子皮带秤的速度调节，它在测量物料流量的同时，也可以通过调速来改变物料量。所以在使用调速电子皮带秤的配料控制系统中一般不需要其它的给料装置。调速电子皮带秤配料时是通过皮带的运动把物料从料仓底部拉出来，不存在物料对皮带秤的冲击，所以信号较平稳，但要求物料粒度要均匀、粘度要小。这种秤的自动校零也很困难。6.2.1物料量检测仪表(6)⑤斗式秤：这种秤适用于间歇式配料系统中，配料时先由给料装置给料斗装料，停止装料后再进行秤量，然后放料，属于静态秤量，重量信号不受物料冲击、物料粒度的影响，所以秤量精度较高。另外，秤本身不需要动态标定，所以系统调试较简单，维护量较小；控制系统的操作也较简单；同时实际给料量的偏差也很容易地在下一斗下料时进行补偿，在一段时间内的平均配料精度较高。这种配料系统的缺点是对给料装置和物料传送系统的能力要求较高，另外很难进行手动操作。6.2.1物料量检测仪表(7)斗式秤6.2.2物料给料装置(1)当采用恒速皮带秤、斗式秤等没有调节物料量大小功能的检测装置计量物料时，为实现对物料流量的自动控制，需要有合适的给料装置。生料配料微机控制系统中所用的物料给料装置主要有以下两种：①圆盘给料机：以滑差调速电机带动给料圆盘转动，圆盘转速越大，给出的物料流量越大。②电振给料机：通过电磁震动使物料下落，振幅越大，给出的物料流量越大。6.2.2物料给料装置(2)电振给料机圆盘给料机6.2.3配料系统主要问题•现场环境恶劣，粉尘大，检测仪表经常零点漂移，影响配料精度，需要定时自动标定。•给料装置非线性，并由于物料粒度不均匀或含水量大造成堵料现象，影响配料系统的正常运行，需人工及时干预。•水泥厂原料来源复杂，成分变化大，使配料合格率降低，需及时调整生料配方。6.2.4配料控制算法6.2.4.1典型配料控制系统结构(1)配比计算调节器1给料装置1测量装置1流量对象1-Q1R1调节器n给料装置n测量装置n流量对象n-QnRn……R总6.2.4.1典型配料控制系统结构(2)一个回路的等效方块图PIDG0(s)-QR在动态过程中，不能保证配比一定6.2.4.2按累计偏差控制算法(1)如图所示，它对瞬时流量的测量值进行积分，并与流量设定值的积分相比较，然后通过控制器，按两个积分值的偏差调整控制器，以改变下料量的大小，控制器的目的是保持两个积分值的偏差为零，从而保证在一段时间内物料配比的精度。PIDG0(s)-QRs1s1但是由于物料流量的给定值r0，其积分值将随时间的增加趋向无穷大，所以这个控制系统实际上是不能使用的。6.2.4.2按累计偏差控制算法(2)经过等效变换，可得下图，它在PID控制器的前面加了一个积分器，也就是说，该系统是对瞬时流量偏差e的积分值es进行控制。我们把es叫做累计偏差。当该系统达到稳态，由于积分器的作用及PID控制器的积分作用，必有e=0及es=0，也就是说瞬时流量的偏差为零，同时累计偏差也为零，所以它可以保证配料控制精度。因为PID调节器中有积分环节，再加上一个积分器，开环系统是二型的，闭环系统很难稳定，需要改进PID中的积分算法。PIDG0(s)-QRs1ees6.2.4.3线性积分控制算法分析(1)影响上述控制系统稳定性的主要因素是系统前向通道中的两个积分环节。PID控制器前面的积分环节的作用是对瞬时流量偏差e进行积分以得到累计偏差es，它即不能被取消，也不能被改变。PID控制器中的积分环节的作用是调节控制量，使得在稳态时，累计偏差es=0。它也不能被取消，但是可以改变其算法。6.2.4.3线性积分控制算法分析(2)首先分析积分环节影响系统稳定性的原因。PID控制器中积分环节的数学模型为：tsILdeKtu0)()(其中：uL(t)－控制器积分项输出KI－积分增益es(t)－控制器输入假设其输入为：)sin()(ttes且初始条件为零，则它的输出为：)]cos(1[)(tKtuIL6.2.4.3线性积分控制算法分析(3)•当0tT1，es0，并且0，控制作用的增加是对的。但当T1tT2，es0，0，uL(t)已经足以克服es(t)，它的继续增加将造成系统的超调和振荡。•同理，当T2tT3，es0，并且0，控制作用的减小是对的。但当T3tT4，es0，0，uL(t)已经足以克服es(t)，它的继续减小将造成系统的超调和振荡。线性积分器输出曲线dttdes)(dttdes)(dttdes)(dttdes)(6.2.4.4非线性积分控制算法根据以上分析，可以