预分解窑入窑生料控制的探讨

预分解窑入窑生料控制的探讨雷仕庆、夏如铁、杨成喆合肥水泥研究设计院关键词：热工制度、入窑生料、解耦控制0引言新型干法预分解窑是当前水泥工业中最主要的窑型。水泥熟料煅烧的关键是稳定水泥窑煅烧过程中料、煤、风这三个主要参量匹配的热工制度。窑系统的用煤量取决于窑系统生料的喂料量，窑系统的用风量取决于系统的用煤量。而窑系统的生料喂料量又取决于窑内实际的煅烧状况。因此稳定烧成系统的热工制度，是增加窑的产量、提高熟料质量、降低系统能耗关键环节。从控制系统的角度来看，由料、煤、风这三个相互关联、相互影响的主要参量而构成的热工制度，可以看作成一个非线性、多变量、强耦合的一个复杂系统。本文作者拟从控制系统的角度对预分解窑入窑生料的稳定性对热工制度的影响以及如何控制入窑生料喂料的稳定进行探讨，并从作者的视角分析目前几种常用的预分解窑窑尾生料计量控制系统的优劣。1、入窑生料的稳定性对窑系统稳定的影响如果将窑的煅烧过程看作一个控制系统时，系统的核心CPU就是我们的窑操人员，而喂料系统、喂煤系统和风量调节系统仅仅是整个窑系统的子系统。对于整个窑煅烧过程这样一个复杂系统来说，即使一个非常熟练的窑操人员，要稳定这样一个非线性、多变量、强耦合、时变和滞后的复杂系统――尤其是子系统的自身的稳定性较差时，也是非常吃力的。我们再来看一看影响窑煅烧系统稳定性的三个主要参量：入窑生料量、窑（含炉）系统的喂煤量以及窑（炉）系统的用风量。入窑生料量的大小决定了这个窑的产量，它受制于窑的设计和窑内实际煅烧情况，其参考输入是由窑操人员根据操作过程的实际情况来决定的。窑（炉）的喂煤量是由入窑生料量的多少决定的，它提供了窑煅烧的能源。窑系统的风量取决于窑（炉）的喂煤量，它提供煤粉燃烧所必须的氧气。从控制的角度大致可以这样认为，窑（炉）喂煤系统是入窑生料系统的随动系统，其参考输入（喂煤的设定量）是入窑生料量的时间函数；而用风系统是喂煤系统的随动系统，其参考输入是喂煤量的时间函数。由此我们可以看出，即使不考虑窑系统各参量的非线性、耦合、时变等复杂因素，入窑生料系统的稳定性也是窑系统（热工制度）稳定的极为关键的环节和至关重要的节点。2、入窑生料的特性和工艺流程与控制特点预分解窑的入窑生料主要是由石灰石、页岩和铁通过研磨后的细粉状物料。自然状态下，它具有一定的流态性和较小的休止角，比重大约在1.0t/m3左右。它流态性受到水分和气流的影响极为强烈。水分的增加会使其流态性变差，表现在物料趋于粘聚并有较大的附着性，水分越大其附着性越强，流态性越差；而当干燥或伴有气流时其流态性变得极强，表现为物料趋于自溢（自流性），含气量越大，其流态性越强。考虑到入窑生料的特性，目前大多数水泥厂的窑尾喂料的工艺流程中，都设计有一个过程稳流储料仓，并且该稳流储料仓通常带有重量监测传感器或料位监测装置。水泥工业中入窑生料的过程稳流储料仓是入窑生料控制的一个比较重要的环节。入窑生料的定量计量和控制往往直接串接在这个工艺环节之后。因此不论是从生料的控制计量方面还是从工艺流程方面，都希望过程稳流储料仓内的生料能够稳定地受控卸料。但是经过研磨均化后的生料粉体，在常态下虽具有一定的流态性，但其流态性指标并不足以保证其能够以自身重力方式通过稳流储料仓连续自然卸料。因此除了在传统工艺中采用螺旋喂料机或叶轮给料机方式的强制性卸料方式外，目前在实际应用中大多数采用仓（库）底充气助卸间或结合仓（库）侧充气破拱的自然卸料的方式来保证稳流储料仓内生料的连续自然卸料。通过以上对入窑生料的特性和工艺流程的探讨，我们可以发现，由于入窑生料的流态性，受助卸气流的气压和稳流仓的仓压影响很大，因此对入窑生料的控制的其中一个关键环节是如何避免稳流储料仓卸料时（即入窑生料的计量控制设备在受料时），入窑生料的流态性差异对控制计量系统的巨大影响；而另一个关键环节就是如何避免给料控制装置的非线性对控制计量系统的影响。从系统的角度去分析入窑生料的特性、工艺流程、卸料特点对入窑生料控制的影响是实现入窑生料稳定控制的基础。3、流量调节阀＋固体流量计系统的探讨采用流量调节阀和固体流量计组成的入窑生料计（量）控（制）调节系统在我国的水泥工业中占有很大比例。其计量控制原理是通过固体流量计，检测出入窑生料的瞬时（或平均）流量，并将测量出的流量值与设定值比较，其偏差通过PID或其变种算法来调节流量阀门的开度，力求使入窑生料的实际流量与设定值保持一致。我们可以从控制学的角度对该系统的动态性能和稳态性能简要探讨一下。该控制系统的流程原理如上图所示，被控入窑生料通过流量阀门、布风斜槽和流量计导向斜槽作用于流量计检测板，由流量计检测板测量出实际流量的大小，反馈给系统，再由系统比较设定流量与实际反馈流量的偏差来调节流量调节阀门的开度。入窑生料系统的设定输入是入窑生料的流量（注意设定输入不是阀门开度），其调节手段是利用流量阀门的开度来实现的。因此流量阀门的开度与通过阀门生料流量的大小的线性关系直接影响该系统的稳态性能间接影响系统的动态性能指标。另外还应该注意到流量测量环节（固体流量计）和流量调节环节（流量调节阀）在物理空间的分离（通过布风斜槽和导向斜槽来联结）使的该系统在偏差调节上会出现一定的滞后现象。因此该系统的调节模式，不应采用简单的惯性环节来处理，而应根据现场实际情况充分考虑其滞后性能对系统动态性能指标的影响。由上的分析可以得出流量调节阀开度与流量大小的线性关系以及调节系统对系统滞后性的处理，对采用流量调节阀和固体流量计组成的计控系统的稳态性能和动态性能起着至关重要的影响。流量调节阀门开度与流量大小的对应关系，除了流量调节阀自身设计合理性和自身质量关系外，物料流态性能对其影响巨大，如前文所述入窑生料的流态性能取决于过程储料仓仓压和仓底助卸气压，特别是仓底助卸气压的大小对入窑生料的流态性能影响。目前由于很难对物料的流态性能进行量化测定，加上影响该性能的因素很多，因此一个流态性能绝对稳定的入窑生料卸料仓系统是一种奢求。所以一般在实际应用时，阀门自身定位精度的偏差、环境状态的改变或不稳定都往往导致流量调节阀的非线性。严重时会造成系统的震荡，表现为物料的冲料或间歇性断料发生。采用常规PID调节的单回路系统时，调节的系统的滞后性会降低系统的跟随性和抗扰性（注：控制系统的动态性能的定义）。特别是当调节装置带有非线性死区时，系统还会出现稳态静差，影响系统精度。由此可以得出在采用流量调节阀＋固体流量计组成的入窑生料控制系统时，除了选配性能优良的流量调节阀和固体流量计外，设计一个合理的过程储料仓、稳定过程储料仓的仓压、稳定仓底助卸气压下，得到一个稳定卸料的料流是非常重要的因素。同时为了能够提高整个系统的动态性能，应根据系统实际滞后时间常数，选择合理调节方式和参数也是非常重要的。4、流量调节阀＋定量给料机系统的探讨怎样才能进一步提高入窑生料系统的稳定性和动态指标性能。从上节讨论中可以看出，解决调节装置（流量调节阀）的非线性和计、控分离产生的时滞性是提高整个系统稳定性和控制性能的关键。为此我们引入了密封皮带式定量给料机这样一个小惯性线性流量测控环节，取代固体流量计这样一个单纯的测量环节。将流量调节阀的流量调节功能变为定量给料机负荷调节功能的稳流预给料的粗调环节，形成一个由流量调节阀――稳流粗调环；密封皮带式定量给料机――流量精调环，组成的一个粗、精双回路调节系统来解决入窑生料的前述问题。如下图所示。流量调节阀＋定量给料机组成的入窑生料计量控制系统的系统构成：由流量调节阀门与定量给料机的负荷组成一个闭合的稳流环节，考虑到流量调节阀的非线性，将其与定量给料机负荷组成一个定性调节的负荷粗调环节，它的调节作用是在一定范围内保证定量给料机负荷的相对稳定，避开了由于流量调节阀的非线性因素对整个计量控制系统的影响。充分利用定量给料机的小惯性和流量线性调节功能，避开了流量调节阀调节的非线性和调节滞后对整个入窑生料系统的影响。该系统的工作原理：1）流量环的调节是由定量给料机的荷重传感器测定其有效称量段上的负荷；由测速传感器测定定量给料机的线速度。通过运算和标度变化得到实际通过定量给料机的瞬时生料流量，与入窑生料系统的设定输入流量进行比较，利用偏差调节定量给料机的速度。2）负荷环的调节是由系统根据设定输入确定定量给料机的负荷范围，再由定量给料机的荷重传感器测量定量给料机的负荷，与标准负荷比较，由偏差调节流量调节阀门的开度。这里特别需要强调的是，采用流量调节阀＋定量给料机方式的入窑生料计量控制系统的关键环节是其控制模式。由于定量给料机的引入主要是为了即解决流量调节阀输出的非线性问题。将流量调节阀的作用由原来对流量的调节转变为对定量给料机负荷的调节，而定量给料机则担负起系统流量调节的任务，同时解决调节和计量环节分离所造成的时（间）滞（后）问题。这样一个由流量调节环节和负荷调节环的双闭环回路组成的调节系统，在调节流量时定量给料机速度的变化会影响到流量调节阀的输出――定量给料机的负荷，反之亦然。负荷环与流量环之间存在很强的耦合，可以抽象的将该系统看作是一个双入、双出的多回路强耦合系统。对于这样一个存在强耦合的多回路系统，采用经过解耦的控制算法就成为该系统调节控制模式必要条件。而贸然采用未经解耦的常规控制模式时，就会使系统发生震荡，甚至导致系统崩溃。如果忽略了引入定量给料机代替流量计的初衷，或没有合适的双回路解耦控制的控制算法模式的话，那么采用“流量调节阀＋定量给料机”方式的入窑生料计量系统带来的将是灾难性的后果。其中最具典型代表的是以下两种情况。1）：引入的不是定量给料机，而是恒速皮带秤。这种系统的缺点是，它仅将固体流量计的计量模式替换成皮带秤（恒速）的模式。首先这种系统没有解决流量调节阀门的非线性问题（流量调节阀还是整个系统的流量调节的主回路），其次在以流量调节阀作为流量调节主回路时，作为计量环节的恒速皮带秤比固体流量计具有更大的滞后性，这样的系统除了将整个系统的滞后时间常数加大，给系统的动态性能带来麻烦外，与流量调节阀＋固体流量计的系统比较而言，有百害而无一益。2）：引入的也是定量给料机，但控制模式采用所谓的同步调节或称比例调节模式，即按一定的比例关系或函数关系同时增加流量阀门开度和定量给料机的转速。这种控制方式的缺点是，首先从本质上说，它与上述流量调节阀＋恒速皮带秤方式一样，还是以流量调节阀作为流量调节主回路，没有解决流量调节阀的非线性问题；其次由于它忽略了流量调节阀门的调节与定量给料机调节的耦合关系，这样组成的系统，如果从系统稳态性判别角度去分析，任意一个阶跃响应或微弱的扰动也会影响系统的稳态平衡。特别是当窑操人员需要改变产量设定时，要么其过渡过程将十分漫长且过渡过程中流量偏差巨大，要么系统振荡。这种模式甚至比上述流量阀＋恒速皮带秤的模式危险性更高。由于以上这两种模式的入窑生料系统的实际使用效果，在大多情况下远不及采用流量调节阀＋固体流量计模式的生料系统，更不用说和采用解耦控制模式的流量调节阀＋定量给料机相比较。虽然在表面上看来计量部分同样采用皮带式定量给料机，但上述这两种模式的生料系统并没有真正理解引入定量给料机的目的，亦或是没有真正理解耦合作用对系统产生的巨大影响。5、结束语随着水泥工业的不断发展，人们对窑内煅烧系统提出了更高的要求。同样对入窑生料的稳定和精确的控制提出了更高的要求。笔者通过对几种入窑生料系统模式的分析和探讨，希望能对困扰于入窑生料系统不稳定的读者有所帮助。