窑炉自动化控制系统

窑炉自动化控制系统（精选六篇）

窑炉自动化控制系统 篇1

热浸镀锌工艺主要用于汽车行业及日常民用的镀锌钢板、钢管及钢丝等连续热浸镀锌产品,以及许多成品工件,如电力和通信铁塔、高速公路护栏、铁路和公路上的钢结构等。该工艺可以将钢材完全覆盖保护,包括工件的凸凹不平处和死角处,并且具有牺牲阳极功能,有效的抑制了腐蚀。我国批量热镀锌技术比较落后[1],目前热浸镀锌技术正在进入低能耗、低污染、高质量和自动化时代。

热浸镀锌一般包括:脱脂、酸洗、溶剂助镀、烘干、热浸镀、水冷和钝化等工艺过程,其中热浸镀工艺环节是最关键的。

1 天然气窑炉的燃烧系统

镀锌炉的加热方式有多种[2]。电加热不产生污染,但是对于大型的窑炉不适用,耗能高,维护维修成本高。油加热及煤气(一般由煤气发生炉产生)加热要产生部分尾气,采用此种加热方法需建很高的排污烟筒。粉尘污染及烟尘污染严重,控制相对较难。天然气是洁净能源,燃烧过程易控制。本系统加热方式采用天然气高速烧嘴对流加热,在窑炉的对角线位置设置高速烧嘴,最高火焰速度可达。整个炉膛内温度会迅速升高,并且由于高速高温烟气形成的对流热风对整个锌锅的加热均匀分布,防止了锌锅局部高温,提高了锌锅的使用寿命。

天然气由管网经过调压站调压后进入该系统管路,如图1所示。总燃气管路上设有手动阀、过滤器和调压阀。紧急切断阀1用于紧急切断总燃气源,阀2用于燃气放空控制。燃气支管路上的紧急切断阀3用于测漏控制和紧急切断燃气支路。每条支路上都设有空然比例控制器,用于控制空燃比,使燃气达到最佳燃烧状态。

2 控制方案及硬件配置

采用多级计算机、网络分布式控制结构,L2级控制采用一台工业控制计算机IPC作过程控制级兼作监控站(人机界面),控制计算机配有Ethernet网络接口,可与工厂级计算机进行通讯,L1级采用PLC通过多条专用PROFIBUS网络连接至L0级以实现机组的远程离散控制功能。由各相关传感器、控制器模块、电气元件、控制总线等构成执行机构和数据采集系统。

人机界面HMI采用西门子WinCC开发,在WinCC6.0中配置通信驱动程序属性,建立变量连接。该程序主要实现参数显示、按钮操作、图线统计、数据报表等功能。IPC负责完成参数修改与设定、控制方式(手动/半自动/全自动)选择,在线监视、安全报警、数据存储与查询等功能。下位机采用西门了S7-300系列PLC,其具有模块点数密度高、结构紧揍、性价比高、性能优越、装拆方便等特点。PLC负责完成硬件开关量I/0的控制和模拟信号的采集与调节,并通过Profibus总线进行全局数据通信。上位机和PLC之问通过CP5611数据网卡进行通信,数据传输速率为[5]。WinCC通过MPI协议与主站PLC通讯,在PLC侧不需组态和编程,在WinCC上要对CPU的站地址、槽号和网卡组态。另外,需添加SIMATIC S7PROTOCOL SUITE。

某车间从站PLC的硬件配置如表1所示。其中燃烧控制系统主要技术工艺路线框图如图2所示。

3 控制程序设计

根据生产工艺控制要求,设计控制程序流程如图3所示,PLC程序采用西门子软件Step7编写。

3.1 安全燃烧控制

为了实现燃烧系统的安全采取了以下措施:

1)互锁功能。当排烟风机未启动时,燃气主管道阀门打不开;助燃风机未启动时,燃气主管道阀门也打不开。

2)当存在下述不安全因素时,声光报警并自动关断燃气主管道阀门,切断燃气源,以确保安全。

(1)燃气的压力过低或过高。

(2)助燃空气的压力过低或过高。

(3)排气压力过高或压力过低。

(4)预热带烧嘴火焰熄灭(关断烧嘴前燃气支管道上的电磁阀)。

(5)燃气器故障。

3)燃气管路测漏

由于燃气管路线路长,分支多,接口多,并且镀锌炉位于地面之下,在相对封闭的空间内燃气一旦泄露就会有爆炸的危险。所以在每次点火之前必须确定燃气管路没有泄露点,并且紧急切断阀密封性能良好。在总管路前端设有切断阀1(如图1所示),每个燃气支路的烧嘴前设有切断阀3,在阀1和阀3之间设有放空管路,并安装有切断阀2.本文设计的测漏程序原理是,首先打开切断阀1,关闭切断阀2和3,几秒钟后关闭切断阀1.此时测量燃气主管路和支管路的压力,若压力为燃气压力则切断阀2和3及管路没有泄露,若低于燃气压力则有泄露点;然后关闭切断阀1,打开放空管路上的切断阀2,几秒钟后关闭,此时测量燃气主管路和支管路的压力,若为大气压力则切断阀1没有泄露,若大于大气压则切断阀1泄露。经过以上两个步骤测漏通过后,程序才允许燃烧器点火。

3.2 温度控制

锌浴的温度对生产影响很大[2,3,4]。热浸镀锌温度和室温下可能含四种铁锌化合物(实际构件的热浸镀锌层中可能只含有其中的儿种。因其晶粒大小相差甚远,其成分不同对于表面质量影响较大。温度在480-500ºC时,铁损急剧增加到4倍以上。在较短时问内,温度对铁损加剧作用不象长时问的影响那样大,所以对锌耗的影响不大。但是镀锌锅的锅壁钢板腐蚀得特别快,镀锌锅的渗漏机会相应地增加了。镀锌温度稍高,如在最高溶解速度范围内时,也有一定的好处,即随着溶解速度的增加,钢材在锌液中生成的铁-锌合金层就快,因此,产量就高,能源及各种消耗指标可大幅度地下降,这是在多年的生产实际中所证明了的。温度还影响锌渣的产出率以及由于锌渣形态、活动性等引起的镀件粘渣和铅污染之类的问题。

温度控制采用闭环控制,将锌浴温度传感器的信号和工艺设定温度比较,其差值输入PID控制器,通过调节燃气管路上的比例阀来调节烧嘴的燃烧功率。PID的初始化可以通过在OB100中调用一次,将参数COM-RST置位,当然也可在别的地方初始化它,关键的是要控制COM-RST.比例阀的PID调节了程序在定时循环中断程序模块OB35中调用,OB35的定时周期即PID的采样周期,通过西门了STEP7的集成模块FB41实现。FB41的框图如图4所示,其中,负反馈误差由浮点格式设定值SP_INT(工艺温度设定值)减去转换为浮点格式的过程变量PV(锌浴温度平均值)得到。为了抑制因PID控制器输出量的量化造成的连续、较小的振荡,PID控制器设计了死区。通过多次试验和参数整定,达到了稳定控制的目的。PID控制器1的主要参数:采样周期Ts=0.05τ取20s,τ为被控对象的纯滞后时间;比例系数K=1.15T1/τ,T1为被控对象阶跃响应曲线的上升时问常数;积分时问常数T1=2τ;微分时间常数TD=0.45τ;死区DEADB_W=10;微分操作延迟TM_LAG=0.09τ。

3.3 其他程序

镀锌窑炉燃烧室内的压力为微正压或微负压。压力过大会损坏耐火砖砌成的窑壁或造成锌锅的变形,压力过小就会损失热量,热风没有充分利用就被引风机吸入烟道,这样会增加燃气成本。本文采用变频调速来控制引风机转速从而控制燃烧室内的压力。另外程序还实现了酸洗槽,钝化槽内液体的成分检测和液位检测控制和余热回收利用的自动控制。

4 结束语

本文设计了新型的天然气镀锌窑炉的网络监控系统,研究了自动控制系统的实现方法,采用西门子S7-300PLC和工控机实现了镀锌生产线的自动控制。系统已安全运行一年,实现了节能减排的环保效益,提高了产品质量和生产效率,温度控制在设定温度的±2ºC,实现了预期的效果。

参考文献

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[5]廖常初.大中型PLC应用教材[M].北京:机械工业出版社,2004.

陶瓷窑炉温度的动态矩阵控制研究 篇2

陶瓷窑炉生产过程中, 窑炉温度系统[1,2]的控制起着关键的作用。如果控制不当系统就会出现不稳定, 严重影响产品的质量。又由于生产过程复杂, 并且受到众多因素的影响, 传统的控制算法很难满足实际需求。

动态矩阵控制 (Dynamic Matrix Control, DMC) 是预测控制经典算法之一, 由Cutler等[3]于1980年提出。它是一种基于对象阶跃响应预测模型、滚动优化及反馈校正的优化控制算法[4]。由于该算法具有简单、计算量少、鲁棒性强等优点, 近年来已广泛应用在冶金、石油、化工等工业控制过程。预测控制与传统的最优控制有很大不同, 它采用启发式优化的概念, 允许设计者自由地选择优化性能指标的形式和参数。不同参数的组合会对控制性能造成极大影响, 因此, 参数整定非常重要。

本文将动态矩阵控制引入到陶瓷窑炉温度控制系统中, 讨论参数整定方法及参数对控制系统性能的影响, 并通过仿真验证算法的有效性。

2 动态矩阵控制算法

动态矩阵控制算法是采用对象模型为阶跃响应的非参数模型预测控制算法, 避免了通常的传递函数或状态空间模型的辨识。系统的动态特性中具有的纯滞后和最小相位特性都不影响该算法的直接应用。其采用的多步预估技术, 能有效的解决时延问题, 并且增强鲁棒性[5,6,7]。DMC算法由以下三个部分组成:预测模型、滚动优化和反馈校正, 其工作原理如图1所示。

2.1 预测模型

同样, 若考虑M个时刻控制增量, 则未来P个时刻的输出为:

2.2 滚动优化

DMC采用滚动的优化思想加强优化效力。其性能指标可取为

这就是时刻的开环最优控制增量序列。

2.3 反馈校正

由于实际存在模型失配和环境干扰等未知因素的影响, 预测值有可能偏离实际值。如果不及时利用信息进一步校正, 进一步优化就会建立在虚假的信息之上, 所以系统的输出预测值需要在预测模型的基础上用实际输出误差加权的方式进行及时修正, 即:

3 参数整定

预测控制与传统的最优控制有很大的不同, 它采用了优化的概念, 允许设计者自由的选择优化性能指标的形式。因而, 对于同一个被控对象, 选取不同的参数权矩阵就会导致不同的控制效果。因此, 参数整定对于系统的控制性能有着至关重要的作用。

DMC控制算法中, 在设计过程中真正要确定的原始参数应该是:采样周期T, 优化时域P、控制时域M、误差权矩阵Q及控制权矩阵R、校正参数hi。

由于这些参数与控制各个特性之间没有定性的的解析关系。因此, 设计者很难根据解析的方法来设定参数以满足设计要求。对于一般工业上的预测控制, 设计参数时往往需要知道对象的动态和稳态特性, 同时还需要根据一些经验来设计。DMC控制通常需要不停地试凑来进行参数整定。本文通过对陶瓷窑炉对象的仿真实验进行参数对控制系统影响的研究和分析。

在DMC中, 采样周期T必须满足香农采样定理。误差校正参数H的选择独立于其它设计参数, 仅在对象受到未知干扰或存在模型失配造成预测输出和实际输出不一致时才起作用, 而对控制的动态响应没有明显的影响。因此, 下面将主要围绕优化性能中的相关参数进行仿真研究。

4 陶瓷窑炉的DMC控制

4.1 陶瓷窑炉的动态特性

陶瓷窑炉和许多工业生产过程一样, 具有大滞后、非线性、时变等特点[8,9,10], 其精确的数学模型难以获得。为方便起见, 将陶瓷窑炉温度的动态特性看成是一个非线性系统, 近似用一阶惯性环节加一个纯滞后串联的模型来表征:

4.2 仿真实验及参数分析

陶瓷窑炉是一个大惯性纯滞后环节, 因此控制系统的参数整定与常规对象有所不同, 这些参数的选择将直接影响控制性能。

在DMC中, 采样周期T的选择应满足香农采样定理, 同时要求NT后的阶跃响应已近似接近稳态值。

控制时域M表示所要确定的的控制量改变的数目。由于优化主要是针对未来P个时刻的误差进行的, 他们至多受P个控制增量的影响, 因此。小的M值有利于系统的稳定, 但对复杂系统其动态性能变差;大的M值可改善动态响应但系统的稳定性和鲁棒性会变差。

优化时域P必须满足条件, 此外应包括阶跃响应的主要动态部分。

误差权矩阵Q反映不同时刻, 输出逼近期望值的重视程度。权矩阵的作用是对△u的剧烈变化加以适度的限制。Q、R一般都为对角阵。

校正参数用于修正预测输出与实际输出误差, 对动态响应却没有明显影响。为了追求其鲁棒性, 取。

下面通过改变参数P和M的值进行仿真, 并分析不同的参数选择对系统控制性能的影响。

取P=40, 选择不同M值时的仿真结果如图3所示。可以看出, 随着M的增大, 系统的快速性能立即得到改善。而且当M增大到某一个值时, 系统性能将不再发生明显变化。因此, 一般情况下, M的值不需要太大, 而是根据P的值进行折衷选择, 避免增加运算负担。

当M不变, P选择不同的值时的仿真结果如图4所示。可知当M=1时, 随着P的增大, 系统的快速性能越来越差, 但超调量有明显改善。M=1意味着只用一个控制量就要使系统在P个时刻跟踪期望值, 因而得到的动态响应难以满足。为了改善跟踪性能, 必须增大M值。M=4时, 随着P的增大, 系统的超调量虽然略有改善, 但其它性能并没有发生明显改变。P越大, 包含系统的动态信息越多, 直到系统达到稳定状态, 因此, 随着P的不断增大, 系统性能方面将不再发生明显的变化。一般情况下, 通常可以选取P等于建模时域的长度, 这样即可使得系统的动态信息均被包含在内, 满足参数的设计要求。

5 总结

本文以陶瓷窑炉温度系统为对象, 采用DMC算法进行了仿真, 讨论了参数整定问题, 并且分析了不同参数对控制系统性能的影响。仿真结果表明, DMC算法应用于陶瓷窑炉温度控制系统的切实可行性, 可以很好的解决惯性、滞后等问题。因此, 该算法非常适合于复杂工业系统的控制。

摘要：我国是陶瓷生产大国, 提高产业效率和产品质量是企业的重要目标之一。而窑炉是陶瓷工业的关键设备, 其温度的控制将对产品的质量、工业效益和能耗等产生直接的影响。本文针对陶瓷窑炉的温度控制问题展开研究, 引入动态矩阵控制算法, 并对该算法的参数整定进行分析, 讨论不同参数对控制系统性能的影响。仿真结果表明该算法非常适合于陶瓷窑炉等复杂工业过程的控制。

关键词：陶瓷窑炉,温度控制,参数整定

参考文献

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[4]David M.Prett, Brian L.Ramaker, Charles R.Cutler, Katy.Dynamic matrix control method[P].U.S.4349869, 1982.

[5]席裕庚.预测控制[M].北京:国防出版社, 1993.

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[7]刘善伍.不确定采样系统鲁棒稳定性分析与鲁棒控制[D].哈尔滨理工大学, 2006:18-20.

[8]张军, 裴润, 刘福才.终端椭圆约束的时滞系统预测控制[J].武汉理工大学学报, 2003.25 (5) :58-61.

[9]赵静.基于时滞状态反馈的D稳定鲁棒容错控制研究[D].兰州:兰州理工大学, 2006:21-23.

窑炉自动化控制系统 篇3

陶瓷窑炉是陶瓷生产过程中的关键设备,陶瓷产品质量的好坏,很大程度上取决于窑炉烧成的质量。而陶瓷窑炉温度控制系统是一个大惯性、纯滞后并具有强非线性特征的变参数系统,再加上温度、气氛等多种变量耦合等问题,难以建立精确的系统模型。目前,陶瓷窑炉的控制方法多采用传统PID控制,已无法满足对陶瓷窑炉温度控制的高性能要求,影响着陶瓷工业产品的质量。

与传统PID控制比较,模糊自适应PID控制器具有更快的响应及更小的超调,对过程参数的变化不很敏感,具有较强的鲁棒性。因此,在陶瓷窑炉中应用模糊自适应PID控制技术,以实现较精确的温度和压力控制,从而提高陶瓷产品质量,不失为一种较好的控制方案。

1 系统工作原理

1.1 陶瓷窑炉温度控制系统

针对陶瓷窑炉纵向某处热电偶的温度,建立实测温度与经验温度之间的数学关系模型,当实测温度偏离经验温度时,采集的温度数据通过模糊自适应PID控制器的修正,输出信号调节燃料量以及空气、燃料之比,从而达到调节温度的目的[1]。陶瓷窑炉温度控制系统如图1所示。

1.2 模糊自适应PID控制

模糊控制是基于模糊集、模糊逻辑,同控制理论相结合,模拟人的思维方式,对难建模的对象实施的一种控制方法。模糊控制不需要精确的数学模型去描述系统的动态模型,而是根据实际系统输入、输出的结果数据,参考现场操作人员的运行经验就可对系统进行控制[3]。

由于操作者的经验不易精确描述,控制过程中的各种信号量及评价指标也不易定量表示,所以人们运用模糊数学的基本理论和方法,把规则的条件、操作用模糊集表示,并把这些模糊控制规则及有关信息(如评价指标、初始PID参数等)作为知识存入计算机知识库中,然后计算机根据控制系统的实际响应情况,运用模糊推理,即可自动实现对PID参数的最佳调整[5],这就是模糊自适应PID控制。

模糊自适应PID控制器以误差e和误差变化率ec作为输入,可以满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对PID参数进行调整,便构成了模糊自适应PID控制器,结构如图2所示[2,7]。

2 模糊自适应PID控制器的设计

模糊自适应PID控制器属于二维输入三维输出的模糊控制系统,实际上为三个二维输入一维输出系统,本文中模糊自适应PID控制器的设计思想是,先找出PID三个参数与误差e以及误差变化率ec之间的模糊关系,在运算中不断检测e,ec,再根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修改。

2.1 各变量隶属度函数的确定

输入语言变量为窑炉温度的误差e和误差变化率ec,其论域均取模糊集上的论域:{-3,-2,-1,0,1,2,3};模糊子集均为:{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},集合中元素分别代表负大,负中,负小,零,正小,正中,正大。其中NB、PB采用高斯分布,其余均采用三角形分布,输入变量的隶属度函数如图3、4所示:

模糊自适应PID控制器的三个参数值kp,ki,kd作为输出变量,规定它们的论域分别为:

模糊子集均为:{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。输出变量的隶属度函数如图5、6、7所示:

2.2 模糊控制规则的建立

模糊控制器是陶瓷窑炉温度控制系统设计的核心,而模糊控制规则是模糊控制器的核心[6]。

从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑,kp,ki,kd的作用如下:比例系数kp的作用是加快系统的响应速度,提高系统的调节精度。当过大时,易产生超调,导致系统不稳定;积分作用系数ki的作用是消除系统的稳态误差。ki越大,系统的静态误差消除越快,但ki过大,在响应过程的初期会产生积分饱和现象,从而引起响应过程的较大超调;微分作用系数kd的作用是改善系统的动态特性,其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化,对偏差变化进行提前预报。但kd过大,会使响应过程提前制动,从而延长调节时间,而且会降低系统的抗干扰性能。PID参数的整定必须考虑到在不同时刻三个参数的作用及相互之间的关系。

根据工程人员的技术知识和实际操作经验,建立针对kp,ki,kd三个参数分别整定的模糊控制规则表,如表1所示:

根据模糊控制规则表构造一个两个输入(e,ec),三个输出(kp,ki,kd)的模糊控制器,并在模糊规则编辑器中依次输入以下49条控制规则:

2.3 模糊推理与解模糊化

在本系统的合成推理中,选用Mamdani推理法,该方法是控制系统中最常用的方法之一,合成方式直接采用极大极小运算。

根据Mamdani推理法推理出来的结果是一个模糊量,不能直接用于被控对象,需要先将其转化为执行机构可执行的精确量,这一过程就叫做解模糊。目前,常用的方法有:最大隶属度法、加权平均值法和重心法3种。由于重心法具有平滑的输出推理规则,因此本系统采用重心法作为解模糊的方法。它是取隶属度函数曲线与横坐标围成面积的重心为模糊推理的最终输出值。根据系统的采样的e和ec,用重心法整定参数得到控制器的参数为:

其中,kp*,ki*,kd*为模糊自适应PID控制器的三个控制参数的初始值。

在线运行过程中,控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算,对kp,ki,kd在线调整。至此,就完成了模糊自适应PID控制器的设计。

3 仿真结果

陶瓷窑炉作为典型的热工过程,通常将其温度的动态特性看成是一个线性系统,用一个惯性环节串联一个纯滞后环节来表示:

式中,τ为纯滞后时间;k为放大系数;T为惯性环节时间常数,根据实际窑炉系统加入阶跃增量后的响应,设定时延τ=10s,放大系数k=1.8,T=20。

本文使用MATLAB软件中的Simulink和Fuzzy模块进行温度控制系统的仿真分析[4]。模糊自适应PID控制器的仿真模型如图8所示。

为了验证模糊自适应PID的控制效果,本文将之与传统PID控制系统进行比较。设定温度值为200℃,仿真时间为300s,仿真结果如图9所示,与传统PID控制相比,模糊自适应PID控制超调很小,在100s左右即达到稳定,调节时间明显减少。

在系统稳定时间200s处,加入10%干扰信号后的响应曲线见图10。从图中可以看出,加入干扰后,传统PID控制在280s后才趋于稳定,而模糊自适应PID控制提前近70s,并且几乎无超调,对干扰的抑制作用较传统PID控制更强。

4 结束语

本文研究了模糊自适应PID控制器在陶瓷窑炉温度控制系统中的应用,这种控制策略结合了传统PID控制易于实现和模糊控制自适应能力及鲁棒性强等优点,实现了PID参数在线自调整,有效地解决了陶瓷窑炉温度控制系统中普遍存在的大时滞、难建模等问题,最后对系统进行了仿真实验,得到了较为理想的控制效果。

参考文献

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[6]苏明等.模糊PID控制及其MATLAB仿真[J].计算机应用,2004,(4):51-55

窑炉自动化控制系统 篇4

1 布袋除尘器特点和工作原理

气箱脉冲袋式除尘器在工程实际中应用比较广泛。气箱袋式除尘器的工作原理:气箱脉冲袋式除尘器在滤袋上不设文氏管,也没有喷吹管,既能降低喷吹阻力,又便于逐室进行检测、换袋。本体分隔成若干个箱区,并在每箱侧边出口管道上有一个汽缸带动的提升阀。当除尘器过滤含尘气体一定的时间后(或阻力达到预先设定值),清灰控制系统发出信号,第一箱室的提升阀就开始关闭切断过滤气流然后箱室的脉冲阀开启,以大于0.4MPa的压缩空气冲入净气室,清除滤袋上的粉尘;当这个动作完成后提升阀重新打开,使这个箱室重新进行过滤工作,并逐一按上述程序完成全部清灰动作[2]。清灰与工作状态的变化(见图1)。

2 变工况玻璃炉窑布袋除尘器温度控制方法

2.1 背景

某玻璃有限公司制瓶车间玻璃窑炉产生的高温烟气进入2对小炉横火池窑(30min交替一次),然后经过空气交换器系统,部分烟气经过2台余热锅炉回收热能后,共用一根60m烟囱排放烟气。现场余热锅炉管道布置及锅炉房现场位置效果图和检测现场见图2。

玻璃厂在生产过程中产生的主要污染物为粉尘,且排放量比较大。因此,需要在烟气排放之前添加除尘工艺,以保证周围的工作、生活环境。

经过环境监测站取样检测后得出数据见表1。

根据上表分析:因工况的频繁变化,烟气中含尘量平均值为198.9mg/m3,超出了工业炉窑大气污染物排放标准(GB9078-1996)规定的60mg/m3。

另外,高温烟气从窑炉出来以后经过两台余热锅炉,在冬春季节由于给厂区供暖两台锅炉满载开机能消耗大量热量,经检测除尘器入口温度在190℃左右,满足布袋正常工作120℃～220℃的要求;在夏秋季由于停止供暖,一台余热锅炉停机,另一台锅炉低频开放,导致热量消耗大幅减少,经检测在除尘器入口处温度在260℃左右,不满足布袋的正常工作要求。

综上分析,需要在除尘器入口前增加冷却装置,因为夏秋季温度较高和当时场地的限制决定二级降温,第一级空气冷却器降温;第二级混风阀降温,第一级属于被动降温,混风阀属于主动降温。温度控制流程见图3。

2.2 温度控制的理论分析

混风阀属于直接风冷,将外界的常温空气吸入到管道内与高温烟气混合,使混合后的温度降至设定温度,达到烟气降温的目的。根据热平衡方程,混入冷空气后,混合气体温度为tc1=tg2,可得

式中,Qg-高温烟气量,m3/h;Qh-冷却气体的气体量,m3/h;tg1-烟气冷却前温度,℃;tk-混合后烟气温度,℃;tc1-冷却气体开始温度,℃;Cpm1、Cpm2-烟气为0-tg1和0-tg2时的平均摩尔热容(查表可得),kJ/(kmol·K);Cpc1、Cpc2-冷却气体为0-tc1和0-tc2时的平均摩尔热容,kJ/(kmol·K);

由式(2)可以看出,在tg1和tc1一定的情况下,混合后的烟气温度tk与θ成典型非线性关系。对θ求导得:

因为大于零,故tg1随θ的增大(减小)而增大(减小)。因此,若烟气温度tg1高于设定值,可以通过增大低温烟气量来降低进入除尘器的烟气温度;反之,若烟气温度tg1低于设定值时,可以通过减少低温烟气量来增大进入除尘器的烟气温度。

3 基于模糊算法的玻璃炉窑布袋除尘器温度控制

3.1 布袋除尘器温度模糊控制原理

根据以上分析可知,为了控制进入除尘器烟气的温度,可以通过调节混风阀开度来改变低温烟气流量,但烟气温度与低温烟气量并不成线性关系。另外,阀门开度由于受管道阻力的影响与实际工作流量并不成正比,而是呈现出快开型[3],因此阀门也是典型的非线性环节。烟气温度还受玻璃生产工艺、管道风速和环境温度等等多种因素影响,各因素相互耦合具有时变性。由于除尘器入口的烟气温度只是除尘工艺顺利进行的一个必要条件,对温度控制的稳态精度要求并不高,但却要求控制算法必须响应迅速,超调小,鲁棒性强。模糊控制不依赖系统的数学模型,可以充分利用人工调节的经验构造模糊控制器,其对非线性系统的控制效果要好于其它控制[4],比较适合除尘系统中烟气温度的控制。

3.2 温度模糊控制模型的建立

本系统采用偏差量E、偏差变化率EC作为输入;混风阀阀门开度的增量U作为输出的二维模糊控制器,输入变量E是设定值与实测值之差;EC是单位时间内偏差变化量,EC=d E/dt。一个输出变量U。

3.3 变量隶属函数的赋值

偏差量E和偏差变化率EC,二者可用模糊语言表示为负大(NB),负小(NS),零(O),正小(PS),正大(PB)。输出变量U可用模糊语言表示阀门开度为:关闭(PB),小关(PS),中等(O),大开(NS),最大(NB)。

各变量的隶属度是根据现场运行经验设置的。

3.3.1 温差E的隶属函数

设温差E的基本论域为[-12,12]论域为E={-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4},根据控制精度的要求,采用NB,NS,0,PS,PB五个模糊量来描述,可以得到E变量的赋值表(见表2)。

3.3.2 温差变化率EC的隶属函数

设温差变化率EC的基本论域为[-6,6]论域为EC={-3,-2,-1,0,+1,+2,+3},采用NB、NS、O、PS、PB五个模糊量来描述,可以得到EC变量的赋值表(见表3)。

3.3.3 输出变量U的隶属函数

设输出变量U基本论域为[0,1]论域为U={0,1,2,3,4,5},用NB、NS、O、PS、PB五个模糊量来述,可以得到U变量的赋值表(见表4)。

根据理论知识和现场操作人员经验,并经试验调整确定模糊推理规则(见表5)。

根据模糊规则推理得到U的取值,并经逆模糊化后得到U的精确值。实际运行中在某工艺段当温度接近预设值时,混风阀迅速张大开度,保证除尘器入口烟气温度趋于稳定,当烟气温度在某一时段逐渐降低时,阀门开度也逐渐减小,直到全关。这样,当烟气温度瞬时过高时混风阀可迅速打开,使除尘器入口温度保持在许可范围内,有效保护布袋不受高温损坏。

4 结论

经实际运行观察后效果良好,采用模糊控制方法控制混风阀开启达到了预期效果,这种方法解决了一些传统控制方法无法解决的问题,采用模糊控制策略对布袋除尘器烟气温度进行控制,响应迅速,超调小,稳定性好,可以充分利用人工经验进行调节,克服参数复杂调整困难的缺点。在温度接近设定值时,能迅速作出反应、混入冷空气,延长了布袋使用寿命,从而有效保证了除尘效果,设备正常投入使用后经环保部门检测排入大气中的粉尘量均在在50mg/m3下,符合标准,另外由于有效控制了温度,避免使用价格昂贵的高温布袋,有效降低了成本。项目竣工图见图4。

参考文献

[1]张殿印,王纯.除尘工程设计手册[M].北京:化学工业出版社,2003.

[2]祈君田.现代烟气除尘技术[M].北京:化学工业出版社,2008.

[3]何平,王鸿.模糊控制器的设计应用[M].北京:科学出版社,1997.

窑炉自动化控制系统 篇5

我国对水泥窑炉低氮燃烧技术的研究, 尚停留在初始阶段, 煤粉分级燃烧、三次风分级燃烧和再燃脱硝技术以及在注入点的位置和分流煤粉及三次风的比例、燃料种类和参数控制均有一定的盲目性。各种形式的低氮燃烧方案, 存在实质性差异甚至机理上的矛盾;部分装备或其部分参数并不符合低氮燃烧的要求, 因此效果千差万别, 不得不采用消耗大量氨水的后置处理模式, 增加了运行费用和氨水储运使用过程中的安全风险。这对于面临产能严重过剩、生产成本居高不下、利润空间几乎被压缩至零的我国水泥企业而言, 可谓压力巨大。因此, 加强低氮燃烧的研究, 从低氮燃烧和再燃脱硝的实质而不是形式出发, 提高低氮燃烧水平, 降低氨水用量甚至取消氨水, 无疑是水泥工业脱硝工程的可持续发展的一条出路。

为此, 在理论上有必要对各种低氮燃烧方法 (包括分级燃烧技术和再燃脱硝技术) 进行归纳与分析从中提炼出相关理论和得到验证的系列技术。从总体上讲, 低氮燃烧的实质就是水泥窑炉还原气氛的控制。也就是说, 整个窑+炉系统在水泥熟料烧成工艺和节能要求允许的前提下, 划出一个呈还原气氛的中高温区域, 通过系列措施造成:①理论上按化学反应方程式计算出来的氧化物质低于相应的还原物质的摩尔比例;②在此区域内, 通过系列措施, 快速提高还原物质的化学活性, 或者说, 尽快将煤粉转化为化学活性较高的气态还原物质, 并使其在这一区域内有足够的停留时间。是否有益于水泥窑炉中还原气氛区域的扩大和还原气氛的增强, 这是评价众多低氮燃烧技术 (包括分级燃烧技术和再燃脱硝技术) 的出发点, 也是低氮燃烧工艺是否成功的判据。

1 使用氨水还原NOx的弊端

目前水泥行业脱硝普遍采用SNCR脱硝技术, 虽然该技术比较成熟, 但使用氨水后置模式处理水泥窑炉烟气中的NOx在水泥行业里至今仍存在很大争议, 争议主要集中在治污的实际效果与运行的能耗及成本。

首先分析水泥行业脱硝较少采用的SCR技术, 即使忽略其较高的脱硝成本, 由于水泥窑系统的低温热回收技术的应用, 除尘后的烟气温度过低, 喷入的氨水与水泥窑炉烟气中残余的SO2生成的硫酸铵结晶堵塞导致催化剂失活的问题, 让SCR技术难以应用。而采用SNCR技术, 使用氨水做还原剂, NOx排放浓度的降低代价也是很高的。喷入20%左右的氨水带入了大量的水, 水的汽化和升温将吸收大量的热能, 并增大废气量, 增加了窑炉的电耗和热耗。对于一些燃烧控制水平不高的窑炉, 煤粉燃烧速度较低。理论上喷氨区域过剩空气系数 (α) 应<1.00, 但由于煤粉燃烧慢, 且还存有大量的煤粉+氧气的条件下, 由于氧气的化学活性远高于煤粉, 实际气氛还是氧化气氛。部分氨水在氧化气氛下被氧化为NOx, 其结果与喷入氨水的期望恰恰相反。

另外, 氨水或尿素的生产过程和运输过程也需要消耗资源、能源和电力, 也有相应的有害气体的排放, 是一种高能耗、高污染的化工产品生产过程。使用氨水来降低烟气中NOx的排放, 相当于增加了水泥生产的能耗, 同时水泥行业烟气净化的代价也是将部分污染转移到了氨水的生产过程中。SNCR技术降低水泥烟气中的NOx, 对于水泥生产成本的影响也是十分明显的。据我国华东地区的一家水泥企业统计, 烟气NOx从500mg/Nm3降低到300mg/Nm3, 实现达标排放, 吨水泥熟料成本提高约5元人民币。另外, 也不可避免地带来残留氨的逃逸问题。

2 水泥窑炉烟气中NOx的增长或削减的理化基础

氨水在炉内汽化后, 在分解炉内人为地创造出一个还原气氛区域, 实现NOx的减排, 不难联想到, 只要在相应的区域内引入必要的气态还原物质, 将这一区域的氧化气氛转化为还原气氛, 也同样可以实现NOx减排的目的。如果将大量喷入窑炉的煤粉部分转化为气态的CO和CxHx等气态还原物质, 在窑炉的相应区域同样也可营造还原气氛, 且这些气态还原物质的化学活性如能媲美氨水, 就可以使用燃煤转化成的气态还原物质取代氨水, 减少氨水或不使用氨水, 并实现NOx达标排放。

2.1 水泥窑炉气氛控制的合理规划和还原区域的划定

从水泥窑炉煅烧水泥熟料到最终烧成, 要求1 450℃以上的高温和氧化气氛 (白水泥除外) , 这是热力型NOx生成的必要条件, 是水泥窑中NOx生成的重要方式。而水泥窑炉系统的烟气要求减少CO和其他还原气体的排放, 以减少燃料的不完全燃烧热损失, 因此α应稍大于1.00, 从窑炉的全系统而言, 从窑头的燃烧器处要保证氧化气氛, 以保证水泥熟料的烧成质量;同时为了保证水泥熟料的煅烧温度, 又要保证喷入足够的煤粉。因此一头一尾的温度和氧化气氛要求, 都没有可能大幅度抑制NOx的生成和实现NOx的削减。但是无论是窑的尾部和分解炉的后部, 当燃煤充分燃烧, 转化为CO2或由于氧气量的不足, 形成一定含量的CO和CxHx、将气氛调整为还原气氛之后, 即使在1 000℃以上的温度区间, 生成NOx的概率也会降至很低, 且更有可能将化学活性较高的NOx重新向还原方向推动, 转化为无害的气体。因此削减NOx的重点只能着眼于窑炉系统的中部, 在950℃以上的温度区间内, 尽可能地扩大还原气氛的区域。烟气在氧化气氛的区域内停留时间短一些, NOx的生成量就会有所减少;而让烟气在还原气氛区域停留时间尽可能长一些, 已经生成的NOx就会大量被还原。此消彼长, 就可以大大降低最终排放烟气中NOx的含量。

2.2 窑头气氛对水泥熟料质量的影响

有人担心, 为了维持窑中的还原气氛和窑头较高的烧成温度, 而不得不使用较多的窑头用煤, 会造成熟料质量的下降。但实际上对应完全燃烧理论计算上稍微偏多的煤粉, 并不会造成窑头熟料的还原。而通常情况下, 窑头的气氛总是偏向氧化的, 且这种氧化气氛将由窑头一直延续到水泥熟料进入到篦冷机前端, 从1 450℃的高温直到冷却至约400℃的过程。部分水泥窑炉的熟料出现了一定的还原, 影响了熟料的质量, 查看熟料颗粒的剖面, 可发现其还原主要表现在熟料颗粒的芯部。其主要原因是:①窑尾烟室缩口的断面风速过低, 导致分解炉内部分生料裹挟着未完全燃烧的煤粉“短路”入窑, 混入未结粒的生料粉中;②部分由窑头喷入的煤粉在窑内未燃尽之前, 就沉降混入到窑预热带未结粒的粉状生料中。只要有效防止这两种现象出现, 就可以防止出现水泥熟料的还原。而沉积在熟料颗粒表面的未燃尽煤粉, 在窑烧成带和前过渡带以及篦式冷却机的高温区都会快速燃烧, 不会产生未燃尽导致水泥熟料出现还原现象。

3 水泥回转窑NOx排放量的控制

3.1 窑炉气氛与过剩空气系数 (α)

窑内整体的气氛是氧化还是还原, 通常用过剩空气系数 (α) 来表述。但决定窑某一区域内的气氛是氧化还是还原, 并不仅仅取决于窑内的α值以及氧化物质和还原物质的摩尔比例, 也取决于氧化物质和还原物质各自的化学活性。其对氧化还原反应的影响和驱使反应向哪一方向进行, 在一定程度上甚至比氧化物质与还原物质的宏观比例更重要。因此对于燃煤的水泥窑炉而言, 以NOx作为标的物, 炉内气氛究竟是氧化还是还原, 也要取决于碳、氢等还原物质在炉内空间的存在形态———是以化学反应活性较低的煤粉存在, 还是以CO、CxHx等化学活性较高的气态物质存在。窑头充斥着煤粉+助燃空气, 即使煤粉的浓度很高, 按煤粉完全燃烧计算出的α也小于1.00, 但由于助燃空气中的氧的反应活性远远大于煤粉, 则对于NOx而言, 气氛还是氧化的, 而水泥熟料也不会因为煤粉偏多而被还原;但这种条件下, 大量的NOx的生成不可避免。但当窑的后部在α小于1.00的条件下, 理论计算出的稍稍过量的煤粉在高温缺氧的环境里已经通过不完全燃烧, 转化为气态的还原物质, 窑炉内大量充斥着CO、CxHx, 在窑头喷煤管气流的影响下, 烟气呈剧烈的湍流状态, 混合均匀, 则对于NOx就是典型的还原气氛, 就会将NOx导向还原方向。

从水泥窑看, 在窑足够长、燃烧空间足够大、煤粉停留时间足够长的条件下, 只要控制α≤1.00, 就有可能在保证窑头高温和氧化气氛的前提下, 在窑的中后部, 营造出一个对于降低NOx极为有利的、温度适宜的还原气氛区域。在窑的前端区域呈现高温氧化状态, 得到高质量的水泥熟料的同时, 在窑的后部区域, 大量的煤粉已经转化为气态还原物质, NOx的生成已经基本停止, 在1 100℃的高温条件下, 窑前端形成的NOx迅速被还原, 使排出窑烟气中NOx总体含量保持在较低的水平。

笔者曾经在一些水泥窑的窑尾烟气的实测中, 发现有些窑的窑尾烟气中NOx浓度与CO浓度呈明显的负相关关系, 而与O2浓度呈正相关关系。这些实测实例充分反映出窑炉内的气氛对于烟气最终NOx含量的重要影响。因此, 只要防止未完全燃烧的煤粉沉降在窑后部的预热带从而导致熟料还原, 防止窑尾烟室缩口因过度的还原气氛而出现黏挂堵塞, 即使由窑头的燃煤与助燃风的比例计算出的α已经低于1.00了, 也不会影响水泥熟料的产量、质量和热耗, 不影响窑的热工制度的稳定, 却能大幅度降低水泥熟料煅烧系统烟气的NOx含量。表1和表2是两个厂窑尾烟气实测记录。

WAN厂生产线实际上处在非正常状态, 窑头用煤过多, 导致窑尾烟室CO浓度严重超标, 但窑内的严重还原气氛使回转窑烟气中的NOx大幅度下降, 维持在一个很低的水平上。当然这种超标准的加煤, 并不是所希望的正常操作水平, 但这一实例却实实在在地说明, 只要有效控制窑炉的气氛, 就可以将烟气中的NOx降下来。另外, 需说明的是, 该厂在这种状态下, 窑尾烟室处结皮偏快, 出窑的熟料稍有变异, 但没有出现明显的还原现象, 质量合格。

3.2 克服水泥回转窑系统削减NOx含量的制约因素

上面所述是窑烧成过程中的理想状态, 现实的水泥窑却往往因为一系列制约因素, 很难或根本无法实现这种踩红线式的精确控制。其中有些制约因素不可避免地对理想工艺过程带来干扰。要进行这样理想化的操作, 在我国水泥窑炉系统现有的装备条件下, 实现起来有一定的难度。有必要对一些工艺装备进行改造, 且必须打破一些传统观念和习惯操作方法, 改善软硬件条件。

与一些工业化国家的水泥烧成系统相比, 我国的水泥预分解窑系统的确相对简单, 三次风管从大窑门罩中取气后, 直通分解炉。而一些国际大型水泥集团, 为了防止熟料粉尘在三次风管的沉降和熟料颗粒对三次风管耐火材料的过度磨损, 均有三次风的除尘系统和三次风管的防堵塞措施。这种三次风管系统, 使风管的通风状态常年保持稳定, 窑和分解炉的通风量可以有效控制, 从而均可一直有效地保持窑风与炉风的合理平衡。而我国的预分解窑炉系统, 外形简约带来投资的大幅度下降, 也带来了一系列潜在的问题。三次风仅仅利用大窑门罩的方式简单收尘, 三次风管又多采用易发生粉尘沉降堵塞的、斜度不大的一字形排列;而窑尾烟室的缩口又都简化为耐火材料砌筑的固定缩口形式。这样就导致窑风和炉风在年初窑炉大修清理完后, 可以通过高温风机的转速和三次风管上的电动调节阀门的联动调节, 很容易实现窑风和炉风的平衡。在严格控制窑头煤粉喷入量的情况下, 就有可能实现窑的前端氧化、后端还原的差异化气氛控制煅烧, 实现窑烟气中NOx的有效控制。但一旦到了年末窑炉大修之前, 随着窑尾烟室缩口的烧损和三次风管日积月累的粉尘沉积、堵塞, 窑风大、炉风小的严重不平衡问题, 就成了调整和恢复合理参数的障碍。唯一可以调整系统窑、炉阻力平衡的三次风管上的电动调节阀, 在三次风管堵塞到一定程度时, 就形同虚设, 根本无法实现窑风、炉风平衡的调节。因此多余的窑风, 就将窑营造成为一个从头至尾的强氧化区域。面对烟气中NOx含量的飙升却束手无策。

4 水泥窑尾系统NOx生成和削减量的控制

4.1 分解炉分级燃烧的理化原理

从窑尾分解炉系统看, 由于全系统为固定设备, 煤粉和助燃空气定点注入布置更为灵活。因此分解炉的气氛控制将更为方便和有效, 业内通常采用燃料分级燃烧和三次风分级燃烧的方法, 来改变燃料和助燃风的分布以及各自在窑炉内的停留时间。这实际上是在较高温度的区域, 营造一种还原气氛, 以降低NOx生成量, 并利用大量生成的还原性气体全部或部分取代氨水, 将已经生成的NOx还原为N2和CO2。分级燃烧技术大致采用如下措施来实现:

1) 注入分解炉的三次风, 部分分流到分解炉中上部, 甚至有的低氮燃烧系统将分流出的三次风通往分解炉至末级旋风预热器的鹅颈管内注入, 从而在分解炉的大部分区域内 (尤其是1 000℃以上高温区域) 保持宏观上α<0.90的状态。这种分风的方式也相应降低了分解炉内的断面风速, 使煤粉在分解炉中下部、α<0.90的区域内有较长的停留时间 (分解炉断面风速的降低, 煤粉被生料粉裹挟向上的速度相应降低, 并加大了返混的比例) , 从而加大煤粉向CO和CxHx的转化趋势, 促成分解炉较大区域内还原气氛的形成, 加大NOx的还原概率。

2) 将部分煤粉分流后注入点下移, 相当于延长这部分煤粉在分解炉内的停留时间, 并提高了主燃烧器影响区域的温度, 提早了主燃烧器的点火, 加快了主燃烧器的燃烧。由于下移的煤粉有可能引起分解炉锥部的结皮, 所以应辅以应对措施, 在宏观α<1.00的区域内, 煤粉分级燃烧提高了煤粉向CO和CxHx等还原气态物质转化概率, 扩大还原气氛的区域。

3) 实际运用中, 还可以采取不同的途径, 加快煤粉转化为CO和CxHx的速度。如果说, 传统的燃料分级燃烧是通过提早喷入部分煤粉的方式, 从而延长部分煤粉在分解炉内的停留时间来实现的, 那么一系列加快煤粉燃烧的操作 (如有控制地加大燃烧器旋转风的动量, 提高煤风混合气体的湍流度;如在RSP形式的分解炉上, 利用其类似三通道燃烧器的方式, 采用调节燃烧器的插入深度或有效调节SB室进风的风量以调节助燃空气的旋转动量等, 优化煤粉的细度和水分等影响点火时间和燃烧速度的因素) , 也可以加快煤粉向气态还原物质的转化, 从而有效拓展分解炉中还原气氛的区域, 创造有利于烟气NOx含量降低的条件。

4) 在分解炉温度稍低的上部区域, 煤粉向气态还原物质转化的反应基本结束, 而包括热力型、燃料型和快速型NOx生成的化学反应已经停止, 由煤粉转化成的大量的气态还原物质, 已经在高温条件下较快地与NOx完成了氧化还原反应, 此时将三次风管分流出来的20%左右的助燃风注入分解炉, 将之后的隶属分解炉和预热器的区域恢复α约为1.00~1.05的微氧化常态, 从而保证了气态还原物质的充分燃烧。这一措施, 实际上是低氮燃烧的善后措施。

当然气态还原物质在燃烧过程中, 还有可能产生NOx。由于随着燃料的不同, 窑炉形式的差异和操作参数的不同, 同样的燃料所排放的NOx的量也出现很大的差异。表3介绍了几种燃料燃烧过程中NOx排放量的参考数值。从表3中可以看出在同等条件下, 气态燃料的燃烧过程中单位热值排放的NOx最低。而在三次风重新注入的分解炉上部的这样特定条件下, 由于温度在950℃以下, 这些气态还原物质在燃烧过程中, 不可能有热力型NOx的产生, 而以CO和CxHx为主的气态还原物质燃烧时, 燃料型和快速型NOx的产生也较少。因此这种分级燃烧的方式, 可以大幅度降低烟气中的NOx排放量。

4.2 合理规划设计分解炉的燃烧空间

从以上分析可以看出, 在宏观还原气氛的条件下 (α<1.00) , 尽可能快速地将化学反应活性较低的煤粉, 转化为化学反应活性较高的气态还原物质, 扩大分解炉中的还原区域, 是分解炉系统低氮燃烧的基本出发点和关键。因此得出有利于降低烟气中NOx浓度的措施:①宽松富余的分解炉有效容积;②较高的三次风温度, 以促成煤粉的快速起火与燃烧;③旁置式分解炉喷煤管出口区域内助燃风中较高的氧分压, 有利于煤粉早点火和快速燃烧;④加大喷煤管二次风的旋转动量, 加速煤粉与助燃风的混合和燃烧;⑤使用挥发分较高的燃煤;⑥煤粉制备时取较高的细度和较低的水分。国内一些水泥企业发现采用无烟煤时, NO的排放量要高于采用烟煤时的排放量。国外一些相关试验也表明, 适当延长煤粉在分解炉的停留时间, 可以削减NOx的排放。从两个侧面验证了上述结论:就是延长煤粉的停留时间或加快煤粉的燃烧速度, 均有利于降低烟气中NOx含量。但这些措施, 或因我国企业普遍推行的生产管理制度, 或因一些配套工艺的不完整, 在我国水泥行业内很难推行, 并没有在水泥窑炉的低氮燃烧上发挥明显作用, 在与先进工业国横向对比时, 应该注意到如下一些影响因素:

1) 我国在20世纪90年代, 突破了脱离实际、不适当、过分地强调分解炉单位容积产量的陈腐设计思路的束缚, 在滇西水泥厂采用大容积分解炉大幅度降低了分解炉的单位容积的热负荷, 一举跨过分解炉燃烧55%煤粉的红线, 将分解炉煤粉比例提高到了63%。此举大幅度提高了烧成系统的产量和分解炉内煤粉的燃尽率, 降低了分解炉不完全燃烧导致的末级旋风预热器的堵塞问题。观念的更新, 使我国水泥预分解窑炉的设计理念有了根本的改观, 设计单位不再在分解炉的单位容积产量上相互攀比, 而是大幅度提高了单位容积投资较低、保温效果好的分解炉的容积。我国水泥界从此普遍采用较为富余的分解炉容积, 水泥预分解生产线的技术水平登上了一个新的平台。这实际上也为我国水泥窑炉的低氮燃烧, 创造了一个很好的条件。

但是我国水泥企业总是在分解炉容积有“富余”的条件下, 通过加风、加煤、加料, 鞭打快牛, 加重窑炉负荷, 提高窑系统熟料产量, 而将煤粉在分解炉内必要停留的低氮平衡时间, 重新返回到高速通过的状态。虽然提高了水泥窑炉的产量, 但也付出了高NOx排放的代价。当下, 在水泥产能严重过剩的情况下, 这种提高产量的方式, 应该算算为脱硝而付出的成本。

2) 我国水泥预分解窑炉上普遍设置了余热发电, 在实际运行中, 许多企业都采用了前移篦式冷却机取风点的方法提高进入锅炉的烟气温度, 以变相补燃的方式提高发电量。导致供应分解炉助燃的三次风温下降100~200℃, 致使分解炉内煤粉的发火点推迟, 燃烧速度降低, 这实际上是变相的吞噬了分解炉的有效容积, 压缩了分解炉内还原区域的空间。这样做的结果是在我国煤电价格存在较大剪刀差的情况下, 企业通过变相补燃多烧了一点煤, 提高了发电量, 确实加大了利润空间。然而这种做法, 无疑增加了低氮燃烧的难度, 加大了SNCR氨水的消耗。应算算总账, 采用一些变通措施, 做到兼顾经济效益和环境效益。

3) 部分工厂的煤粉或粉磨能力不足, 或烘干能力不足, 导致煤粉的细度或水分不达标, 煤粉燃烧速度缓慢, 压缩了分解炉的实际还原空间。

5 水泥窑炉低氮还原煅烧的改造方案

5.1 控制分解炉过剩空气系数的综合措施

1) 综合考虑调整炉风和窑风平衡的综合措施。窑尾烟室至分解炉的缩口应保持合理的面积, 计算面积时应考虑缩口施工的误差, 运行时缩口的磨损、烧损和三次风管的沉积堵塞。必须在这些不利条件发生时, 保持有效控制炉风和窑风的各自通风流量的手段, 使其各自的α能保持始终可控的状态。

2) 采用分风措施, 将所需炉风的20%~25%通过旁路管道, 将这部分三次风引导到分解炉的上部, 以保证分解炉大部分区域总体α保持为0.85~0.90。

3) 采用防止三次风管堵塞的综合措施, 使三次风管阀门能有效地控制三次风流量, 为窑风和炉风的平衡提供有效的控制手段。

5.2 提高煤粉燃烧速度的综合措施

1) 保证分解炉有足够的燃烧空间, 使燃煤煤粉在其中有足够的停留时间, 在高温缺氧条件下转化为气态的还原物质。因此煤粉分级燃烧工艺, 将主燃烧器中分出部分煤粉去辅助燃烧器。在使用相同煤粉的情况下, 辅助燃烧器置于主燃烧器之前还是之后 (放置在主燃烧器之后, 就转变为所谓的再燃脱硝———ERD技术) , 业内有两种不同的声音并拿出了不同的验证实例。这在我国低氮燃烧处于起步阶段时, 出现这样的意见分歧, 属于很正常的现象。但无论怎样, 总体而言, 应该有利于窑炉内还原区域的扩大, 有利于煤粉转化为气态还原物质。对待不同的观点和意见, 应该在排除其他影响因素的条件下, 通过严谨的试验, 得出合理、符合实际的结论和符合逻辑的理论说明。

2) 提高煤粉细度, 降低煤粉水分, 使助燃风+煤粉的氧化气氛尽快转化为充斥大量CO、CxHx等气态还原物质的还原气氛。

3) 在熟料质量不受影响、分解炉耐火材料能够接受的前提下, 调整喷煤管的相应参数, 提高旋转动量, 加强煤粉与烟气的混合, 提高烟气湍流度, 加快煤粉燃烧速度。

4) 充分挖掘篦式冷却机的潜力, 努力提高三次风风温。

5.3 保证燃料完全燃烧的综合措施

还原气氛会导致燃料不完全燃烧、热损失加大和热耗的上升。因此, 应在合适的时候, 恢复窑炉的微氧化状态。在窑气和炉气混合、温度降低到1 000℃前, 分解炉内α的理论值应低于1.0, 而在低于热力型NOx生成的底限温度下, 煤粉不完全燃烧产生的气态还原物质与煤粉燃烧过程中产生的NOx实现氧化还原反应之后, 在分解炉的上部可恢复确保燃料充分燃烧的微氧化状态。通过分流三次风得到的部分三次风, 可注入分解炉上部, 使分解炉上部直至初级旋风预热器出口, 宏观上过剩空气系数控制恢复到1.00~1.05, 既保证燃料的充分燃烧, 也可避免末级旋风预热器因残余煤粉的还原煅烧造成局部热点和结皮堵塞事故。

6 结论

窑炉自动化控制系统 篇6

在建材、化工等很多行业的过程控制中,被控对象大都带有滞后特性。热量、物料和信号等的转移或转换需经过一定的时间,这便造成了许多过程存在较大的滞后时间。无论控制作用如何,在滞后时间阶段,控制作用对过程变量的影响是不可测的。更为重要的是,时间滞后导致了过程变量输出不能迅速地响应控制信号,这相当于在这段时间内反馈作用失效,而反馈是自动控制所必须得到的信息。PID控制方法是目前应用最广泛的控制策略之一,但若用PID来控制具有显著时间滞后的过程,则控制器在滞后时间内得不到合适的反馈信号,从而导致系统响应超调甚至使系统失控,严重影响工艺控制精度和产品质量。

1 系统介绍

窑炉通路温度为恒值控制,通路玻璃液依靠空气与天然气混合后的预混气燃烧加热,该位置利用两支B分度热电偶分别测量空间和玻璃液温度。对温度的影响主要来自以下几个方面:

(1)因通路内玻璃液相对流速快,对温度的稳定性要求较高,拉丝作业不正常或因其他原因造成玻璃液流速变化等情况,都将会造成通路温度扰动。扰动得不到控制将加剧漏板的不正常作业。

(2)前期通路温度控制系统受控制器件质量、精度等因素制约,均采用手动方式进行控制,但该方式存在容积滞后的问题,控制精度不高。

(3)喷枪燃烧所需的预混气在热值、预混效果等方面出现波动时,将直接影响到玻璃液的温度,以致影响产品质量。

燃气波动、负载波动、介质流动状态都对温度产生了较大的影响,传统的单回路控制系统无法同时对这些变化进行监测和控制,若要获得较好的控制效果,就必须采用更复杂的控制方法。

窑炉系统控制采用和利时Hollymacs5.0系统。在通路温度控制部分的设计要求中针对被控对象带有滞后特性,使用了串级PID控制。串级控制系统采用2套检测变送器和2个调节器,前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定,后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器,它所检测和控制的变量称为主变量(主被控参数),即工艺控制指标;后一个调节器称为副调节器,它所检测和控制的变量称为副变量(副被控参数),是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括2个控制回路:主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成;主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。在本系统中,第一个PID的输出作为第二个PID的输入设定,能够提高控制的响应速度及控制精度。

在实际使用中以玻璃液温度(B分度热电偶)的反馈构成主回路,以空间温度(A热电偶)为主要影响的变量作为辅助变量构成副回路,其温度串级控制系统见图1。控制过程如下:

(1)当天然气或温度出现变化等外来干扰时,在它还没有来得及影响到玻璃液,空间温度就已经检测到,并立即采取措施,通过调节电动阀将其校正,进行粗调,这样将大大减小外来干扰对玻璃液温度的影响。即使当这种影响传递到玻璃液温度上,又会由主PID再次进行细调。2个回路共同监控,其抗干扰能力远大于单回路系统,控制品质也相应提高。

(2)在上述控制效果的验证过程中,始终不能较好地解决通路空间温度与玻璃液温度的控制滞后问题,严重时出现振荡现象。针对通路温度控制时间常数大、变化滞后的特性,采取Smith预估器进行控制。在主控制回路并接一补偿环节,用以补偿玻璃液温度中的纯滞后部分,控制系统的原理框图如图2所示。其中D(s)表示控制器的传递函数,Gd(s)e-γs表示纯滞后被控对象的传递函数,Gd(s)为不包含纯滞后部分的传递函数,e-γs为被控对象纯滞后部分的传递函数。

史密斯补偿预估控制原理为:与D(s)并接一补偿环节Gp(s),用来补偿被控对象中纯滞后部分。该系统的闭环传递函数为Gbp(s)=D(s)×G(s)/[1+D(s)×G(s)]×e-γs,γ为滞后时间。可见经滞后补偿后,由于e-γs在闭环控制回路之外,不影响系统的稳定性,从而消除了纯滞后部分对控制系统的影响。仅仅将控制作用推移一个时间常数。图3为串级+Smith预估后的控制图。

(3)关于参数的整定。在串级回路和史密斯补偿预估中存在多个参数,包括主、副回路的PID各参数,预估块中LGT、KG、TC等参数,对于这些参数的整定主要是根据实验情况和经验进行调节,一旦获得合适的参数就能得到较为优良的控制效果且抗扰动性和自适应性很强。

2 温度控制实验前后对比及分析

从纯手动控制方式到串级控制最后演变到串级+Smith预估控制,有效地抑制被控对象纯滞后环节容易引起的系统超调和持续的振荡,此控制方案相比常规PID控制具有更强的自适应能力,更完善的控制性能以及更好的控制效果。下面是3个阶段被控对象趋势图对比:

(1)手动控制方式下(3通路1区)的温度趋势如表1、图4所示。

(2)自动串级控制(3通路1区)下的温度趋势如表2、图5所示。

(3)串级+Smith预估(3通路1区)下的温度趋势如表3、图6所示。

3 结论

针对大滞后控制对象,在分析传统PID控制器的原理和优缺点的基础上,介绍并采用了串级PID和史密斯预估算法对窑炉通路温度这一大滞后控制对象进行控制,取得了理想的实验结果并应用于实践。实践结果表明,用此种方法对温度进行控制响应快、超调小、稳态误差小,控制品质明显优于传统PID。但在控制参数调整等方面还有很大探讨空间,今后可在这些方面做进一步研究,使串级PID控制和史密斯预估算方法进一步发展和完善,能够广泛应用于工业控制过程。

摘要：针对大滞后被控对象,介绍了一种串级PID控制器,并将史密斯预估补偿方法用于窑炉通路温度控制。

关键词：串级PID控制,史密斯预估,大滞后,温度控制

参考文献

[1]黄崇福,王家鼎,等.模糊信息优化处理技术及其应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,1993

[2]侯志林.过程控制与自动化仪表[M].北京:机械工业出版社,2000

[3]王建辉,等.一类纯滞后系统模糊Smith控制策略的研究[J].控制与决策,1998,13(2):141-145