毕业设计（论文）-基于模糊控制技术的分解炉的温度控制设计.doc

中国民航大学本科毕业设计论文-1-引言水泥生产过程是一个理化反应过程，系统工况复杂多变，难以得到精确的数学模型。而且随着水泥装备向大型化方向发展的需要，采用传统的控制策略难以获得满意的结果，因此需要现代控制技术运用到水泥生产过程中。我国大力发展的新型干法窑外分解水泥生产技术就是在预热器和回转窑之间增设分解炉。分解炉是预分解系统的核心部分，它承担了预分解窑中煤粉燃烧、气固换热和碳酸盐分解任务，使入窑生料的分解率达到90%以上，从而大大提高了回转窑单位有效容积的产量。碳酸盐的有效分解是制约水泥质量的重要因素，而它的有效分解需要一个相对稳定的温度。如果温度过高，会造成预热器堵塞；如果温度太低，则导致碳酸盐分解不充分，增加了回转窑的负荷，同时，使生产出来的水泥在应用中水解缓慢，严重影响建筑质量。由此可见，分解炉的温度控制对整个预分解系统的热工分布和热工温度的稳定至关重要。分解炉的温度是一大滞后、大慢性、非线形的复杂控制对象，影响的它的因素有很多，并且各个因素之间存在耦合。目前，许多水泥生产厂还是借鉴现场操作人员的经验，通过人工调节来获得满意的分解炉温度。生产效率低、能耗高、质量不稳定是水泥工业普遍存在的问题。而模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，使得控制机理和策略易于接受和理解，设计简单，便于应用。因此，利用模糊控制技术对分解炉的温度进行控制具有重要的科学意义和广阔的应用前景。中国民航大学本科毕业设计论文-2-第1章绪论1.1课题研究的背景和意义随着大型建筑的不断增多，以及建筑速度的快速化发展，人们对水泥的需求量越来越多，对水泥生产提出的要求也越来越高。传统的水泥生产技术已不能满足现代化建设的需要，因此有必要对水泥的生产设备进行改进。我国正大力发展的新型干法窑外分解水泥生产技术就是在预热器和回转窑之间增设分解炉1。分解炉是预分解系统的核心部分，它承担了预分解系统中煤粉燃烧、气固转换和碳酸盐分解任务。而分解炉的温度是一大滞后、大慢性、非线性的复杂控制对象，影响它的因素有很多，并且各个因素之间存在耦合。同时，分解炉是一个耗能设备，大量消耗煤炭资源。因此，如何有效且快速地进行分解炉温度控制不可避免地成了当前水泥生产者必须面对的问题。然而，当被控对象或过程的非线性、时变性、多参数间的强烈耦合、较大的随机干扰、过程机理的错综复杂以及现场测量条件不定时，则很难建立被控对象或过程的精确数学模型。因此，往往采用传统的控制方法，包括基于现代控制理论的控制方法，不如一个有实践经验的操作人员用手动进行控制的效果好。而模糊控制理论的兴起和发展提供了一个契机。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。它直接应用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，其核心是对复杂的系统或过程建立一种语言分析的数学模式，使人的语言直接转化为计算机能够接受的算法语言。所以，模糊控制在设计中不需要建立被控对象或过程的精确数学模型，使得控制机理和策略易于接受和理解，设计简单，便于使用。因此，利用模糊控制技术对分解炉的温度进行控制具有重要的科学意义和广阔的应用前景。1.2水泥分解炉的结构特点新型干法水泥生产技术是20世纪50年代发展起来的新技术，分解炉是其中的核心设备。在20世纪70年代初，日本石川岛重工业公司从水泥熟料煅烧理论出发，认为回转窑烧成带主要靠辐射进行热交换，其热交换效率比较高。而在温度较低的分解带，使生料悬浮在窑废气中，它们之间进行热交换更剧烈，热交换效率更高。石川岛通过开发分解炉来解决这一问题。生料在分解炉内分解率达到80%90%，然后喂入回转窑内。这样做的结果，使全部燃料的60%供给分解炉，40%的燃料由窑头喷入，降低了窑内热负荷，还可以大大提高回转窑单位有效容器的产量2。中国民航大学本科毕业设计论文-3-进入20世纪70年代以后，随着经济的快速发展，建筑行业也在高速发展，水泥的需求量日益增多。这就对水泥生产行业提出了更高的要求，要求窑的产量不断增多，要求出现新的水泥生产技术能够跟得上水泥的日益消耗。因此，预分解窑在此时段内得到了蓬勃发展。1972年日本小野田公司先建1.8m25mRSP实验窑，1974年在大船渡水泥厂建成3000t/d的RSP窑。1976年7月日本神户制钢和日本水泥公司先建500t/d的分解实验室，在1978年在上矶建成3600t/d的DD预分解窑。1974年丹麦史密斯公司在丹麦丹尼亚水泥厂建成2.4m20m预分解实验，1977年，史密斯在日本麻生水泥厂建成4000t/d预分解窑。德国伯力鸠斯和洪堡公司也开发了自己的上升烟道分解炉技术。美国福勒公司和法国FCB公司购买了石川岛SF分解炉专利，我国天津水泥院购买了DD分解炉，美国AC公司和前苏联以及我国建材研究院购买了RSP分解炉专利。19701980年代预分解窑的发展状况曲线如图1-1所示。图1-119701980年预分解窑发展趋势由图1-1可以看出，世界各国19711972年仅是预分解窑试验阶段，而在19731977年是发展阶段，每年建设预分解窑仅1040台，在1978年以后，预分解窑技术日趋成熟，每年增加预分解窑达到3040台之多。过去我国发展水泥工业强调以中小型为主，但水泥生产结构极不合理，水泥质量低劣，经济效益差，能源耗费大，环境污染严重。为此，我国对水泥工业“十五”规划总体精神是“控制总量，优化产业结构，东部沿海地区重点发展4000t/d的预分解窑，而中西部区域以2000t/d规模为主”。由表1-1可以看出，分解炉中国民航大学本科毕业设计论文-4-系统生产规格小于2000t/d的小型分解炉台数仅占总台数29%，而产量仅占总产量14%。这是由于生产规格小于2000t/d的分解炉要建三次风管，系统比较复杂，在生产费用和投资方面并不合算。表1-11980年世界水泥分解炉产量生产规模(t/d)数量(台)比例(%)总产量(t/d)比例(%)0100015711902100120004922811001220013000753419430030300140004119146300234001500028121273102050001368280013总计221100643000100自从1971年石川岛开发分解炉技术以来，分解炉技术迅速发展起来，世界各国水泥工作者都在开发自己的分解炉，到目前为止分解炉专利已有几十种之多。而且各厂家在对自己的分解炉进行改造的同时，也吸收了其他厂家分解炉的特点。按分解炉的结构特点可以分为三类，即圆筒式、流化床式和烟道式。1.2.1圆筒式分解炉圆筒式分解炉是把旋风预热器窑尾烟道扩大成筒形，并加把火形成分解炉。其中的典型代表也是最早的圆筒形分解炉是日本石川岛在1971年开发的SF分解炉。其结构简图如图1-2所示。图1-2SF分解炉结构简图中国民航大学本科毕业设计论文-5-由图1-2可知，SF炉的上部是圆柱体，下部是锥体，三次风从最下部切向吹入，同下部窑尾排除废气混合，以旋流方式进入分解炉内，3个喷油嘴和旋风筒卸出生料，入炉喂料口都设在分解炉顶部，结构简单。但燃料与生料在分解炉内停留时间过短，只有34s时间，不利于燃料充分燃烧和高温气流与生料混合及进行加热。经试验得到分解炉内温度分布曲线如图1-3所示。由图可以看出，SF分解炉内温度在830910之间，保证了生料与气流的热交换，较利于生料分解。图1-3SF分解炉内温度分布曲线图1.2.2流化床式分解炉日本三菱重工和三菱矿业及水泥公司将化学工业流化床用于煅烧水泥，在1971年开发出第一台MFC炉，即三菱流化床分解炉3。此后，MFC分解炉得到不断发展，经过两次重大的改进。其发展变迁如图1-4所示。图1-4MFC炉的发展其相应结构图如图1-5所示。由图可以了解到，原始型MFC分解炉高径比(H/D)较小，近似于1改进型MFC炉主要是把高径比增大到2.8。而新型N-MFC炉再一次把高径比提高中国民航大学本科毕业设计论文-6-到4.5左右。流化床底部面积减小，是为了降低能耗，减少基建投资。观察MFC分解炉结构图可知，它由一个钢板卷成圆筒体，为保护筒体和减少散热损失，在筒体内镶有隔热砖和耐火砖。在筒体下部装有流化床，流化床下部有一个空气室，设有进风口，流态化风机鼓入高风压，通过喷嘴吹向流化层。图1-5MFC分解炉结构图流态化喷嘴如图1-6所示，它用耐热钢制成，安装在炉体底部流化床的底板上，喷嘴间距200220mm。流化床的底板及钢管由普通钢材制成，而耐热钢喷嘴点焊在钢管上，在底板上浇注耐火烧注料，仅把喷嘴露出来。图1-6流态化喷嘴原型MFC炉的明显缺陷是炉底流化床面积过大，通过流化床的最低风速要控制在0.8m/s以上才能使生料形成流化层。因而造成流化空气和三次空气比高于37，故一方面使通过的三次空气回收热量减少，造成整个分解系统热耗增高。另一方面由于流化床中国民航大学本科毕业设计论文-7-面积很大，很难形成稳定流化层厚度，使炉内煅烧条件恶化。改进型MFC炉把原型流化床面积缩小，为了保持分解炉单位热力强度不变，而提高炉腔高度。它采用了流化悬浮迭加原理。延长了物料在炉内滞留时间(大于84s)。另外生料在炉内分解率达到50%60%后，通过斜烟道进入窑尾的上升烟道底部，再利用窑废气过剩氧使燃料继续燃烧，同时使生料分解率提高到90%以上。N-MFC分解炉是三菱重工在20世纪80年代中期开发，在第二代改进型MFC炉的基础上，进一步增大高径比。将流化床面积尽量缩小，使空气流量降至最小。将全部生料喂入炉内，形成稳定流化层。这就提高了分解炉的热交换效率，使燃烧稳定性大大提高；炉内在还原气氛下操作，可减少NOx排放量。1.2.3烟道式分解炉德国洪堡及伯力鸠斯两大水泥设备制造商，在他们预热器专利的基础上，把窑尾与最低一级旋风筒之间的连接烟道增高并弯曲向下，用延长烟道的方法开发出各自的烟道式分解炉4。以下分别对他们进行相关介绍。洪堡公司Pyroclon分解炉系列如图1-7所示。图1-7洪堡公司Pyroclon分解炉系列Pyroclon是Pyro和Cyclon的合成，即供燃料燃烧旋风装置。Pyroclon-S分解炉的特点是上升烟道分解炉用的燃烧空气全部从回转窑内通过，使窑尾的出口风速加大，但不能超过14m/s。如果风速达到15m/s18m/s，这时会使分解炉粉尘带到后面，产生粉尘循环，而粉尘又