（控制理论与控制工程专业论文）新型干法水泥生产线烧成与冷却过程控制研究.pdf

r e s e a r c ho nt h ec o n t r o lo fc a l c i n i n ga n dc o o l i n g p r o c e s s e si nt h en s pc e m e n tp r o d u c t i o n b y z h a n g j i a l i a n g u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f w a n gx i a o h o n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to fr e q u i r e m e n t f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y 2 9 ，2 0 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：地主人日期：丝! f ：笸二2 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 酪开 口保密( - 年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：杰金逊二二怨师签 济南大学硕l j 学位论文 目录 摘要1 i i a b s t r a c t v 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 水泥熟料烧成与冷却过程控制研究现状1 1 2 1 国内研究现状2 1 2 2 国外研究现状3 1 3 研究目的及论文的主要内容4 1 3 1 课题的研究目的及意义4 1 3 2 论文的主要内容4 第二章水泥生产线烧成与冷却过程工艺流程7 2 1 水泥生产技术的发展7 2 1 1 烧成过程发展历程7 2 1 2 冷却过程发展历程7 2 2 水泥生产工艺简介8 2 2 1 烧成环节机理研究9 2 2 2 冷却环节机理研究1 0 2 3 控制参数的选取1 1 2 3 1 控制输入变量的选取1 3 2 3 2 控制输出变量的选取1 4 2 4 本章小结1 4 第三章水泥熟料烧成过程控制设计1 5 3 1 现场数据采集1 5 3 2 异常工况识别1 6 3 2 1 “掉窑皮 工况识别1 6 3 2 2 “跑生料工况识别1 8 3 3 基于专家规则的烧成过程控制1 9 3 3 1 异常工况一“掉窑皮控制1 9 3 3 2 异常工况一“跑生料控制2 0 l 新犁干恢水泥乍产线烧成j 冷却过程控制研究 3 4 本章小结2 1 第四章水泥熟料冷却过程控制设计2 3 4 1 控制方案总体设计2 3 4 2 数据预处理2 3 4 2 1 极大值法数据处理2 4 4 2 2 平均值法数据预处理2 4 4 3 基于模糊一p i d 复合控制算法的冷却过程控制2 5 4 3 1 模糊- p i d 复合控制器的设计2 6 4 3 2 模糊- p i d 复合控制仿真3 5 4 3 3 特殊工况控制修正3 7 4 3 4 基于现场应用的控制算法修正4 0 4 4 本章小结4 1 第五章水泥熟料烧成与冷却过程控制系统的工程实现4 3 5 1 软件架构4 3 5 2 水泥熟料烧成与冷却过程控制系统的工程实现4 4 5 2 1d c s 系统通讯接口程序设计4 4 5 2 2o p c 设计与实现4 6 5 2 3v c + + 相关程序实现5 l 5 3 现场应用5 5 5 4 本章小结5 7 第六章总结与展望5 9 参考文献6 1 致 射二6 5 发表的学术论文6 7 参与研究的项目6 7 i l 济南人学硕j j 学位论文 摘要 新型干法水泥生产线烧成与冷却过程均是水泥生产的重要环节，其工作状态直接 影响着水泥熟料的质量与产量，但由于其具有多变量、强耦合、大滞后等特点，一直 以来都是水泥生产过程控制的重点和难点。目前，国内针对水泥熟料烧成与冷却系统 的控制软件仍停留在探索和仿真阶段，现场应用并不理想，仅有的少数成功应用到水 泥生产线现场的控制方法只是简单的p 1 d 控制，而国外的控制软件由于国内水泥工业 测点少、工况复杂等特点，往往造成“水土不服”。因此如何针对国内水泥特点采用 有效的方式实现水泥熟料烧成与冷却过程自动控制、提高水泥生产的自动控制水平、 减小人工劳动强度成为了一个亟待解决的问题。 本文通过分析水泥熟料烧成与冷却过程的工艺特点，并根据现场实际情况，深入 分析了水泥熟料烧成与冷却过程的影响因素，并总结现场工艺工程师的专家经验，合 理选取工艺参数和控制点，提出了针对水泥熟料烧成与冷却过程的正常工况和异常工 况进行分别控制的控制方案，并成功应用于山水集团某公司生产现场。 本文结合水泥熟料烧成与冷却过程的工艺机理，选取了窑主电机电流、分解炉出 口温度、篦冷机一室篦压、篦冷机二、三段篦压等五个工艺参数作为输入量，并对以 上参数进行数据预处理，并对预处理后的关键参数进行了“掉窑皮”、“跑生料 的工 况识别。 本文根据水泥熟料烧成与冷却的现场操作人员的控制思想，提出了水泥熟料烧成 与冷却过程的控制方案，在正常工况下，只根据冷却过程中篦冷机各段压力对篦冷机 转速进行实时控制，采用模糊控制p i d 复合控制算法，即在偏差较大时采用模糊控制， 在偏差较小时采用传统p i d 控制，用来提高系统的响应速度，改善调节过程中的动态 特性；在异常工况“掉窑皮”、“跑生料的情况下，根据专家经验对烧成系统的窑转 速、窑头喷煤进行调整，以改善窑内工况。同时，需要根据专家经验对采用模糊p i d 控制的冷却系统的控制输出进行修正，以将烧成系统异常工况对冷却系统的影响达到 最小。 水泥熟料烧成与冷却过程的控制系统的软件采用v c + + 语言实现，为提高系统的 通用性，软件采用o p c 通讯接口实时读取工程师站的现场数据，并可根据现场实际 情况，可随时调整控制目标设定值及控制输出的范围。在山水某公司应用表明，本文 i 新璎干池水泥生产线烧成j 冷却过程撺制石j f 冗 提出的烧成与冷却过程系统能够较好的完成水泥熟料烧成与冷却过程的自动控制，相 比人工操作而言，工作在自动状态的烧成与冷却系统物料受热分解更加充分、冷却更 加迅速，有利于水泥生产的稳定，避免了水泥质量的波动。 关键词：水泥熟料烧成与冷却过程；工况识别；专家规则；模糊p i d 复合控制 i v 济南大学硕i j 学f 市论文 a b s t r a c t c a l c i n i n ga n dc o o l i n gp r o c e s s e so fc l i n k e ro ft h ec e m e n tp r o d u c t i o nl i n e ，w h o s e w o r k i n g - s t a t u sd e t e r m i n e st h eq u a l i t ya n do u t p u to fc e m e n tc l i n k e rd i r e c t l y , p l a ya n e x t r e m e l yi m p o r t a n tr o l e i nn s pc e m e n tp r o d u c t i o n h o w e v e r , t h e s ep r o c e s s e sh a v et h e m u l t i v a r i a b l e ，t h es t r o n gc o u p l i n g ，t h eb i gt i m el a ga n ds oo nt h ec h a r a c t e r i s t i c s ，s ot h a t t h e s ep r o c e s s e sh a v el o n gb e e nt h ef o c u sa n dd i f f i c u l to ft h ec e m e n tp r o d u c t i o np r o c e s s c o n t r 0 1 a tp r e s e n t ，t h ec o n t r o ls o f t w a r ef o rt h ec e m e n tc l i n k e rc a l c i n i n ga n dc o o l i n g s y s t e mi ss t i l l a te x p l o r a t i o na n ds i m u l a t i o ns t a g e ，w h o s ef i e l da p p l i c a t i o ni sn o ti d e a l ，o n l y as m a l ln u m b e ro fs i m p l ec o n t r o lm e t h o d ss u c ha sp i dc o n t r o l ，a r es u c c e s s f u l l ya p p l i e dt o t h ef i e l do fc e m e n tp r o d u c t i o nl i n e a b r o a dc o n t r o ls o f t w a r eo f t e nr e s u l t si n ”a c c l i m a t i z e d ”， b e c a u s et h em e a s u r e m e n tp o i n t sa r el e s s ，t h ec o n d i t i o ni sc o m p l e xa n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c i nt h ed o m e s t i cc e m e n ti n d u s t r y t h e r e f o r e , i ti sa nu r g e n tp r o b l e mt h a th o wt or e a l i z et h e a u t o m a t i cc o n t r o lo ft h ec a l c i n i n ga n dc o o l i n gp r o c e s s e so fc l i n k e r , t oi m p r o v et h el e v e lo f a u t o m a t i cc o n t r o lo fc e m e n tp r o d u c t i o na n dr e d u c el a b o ri n t e n s i t y t h r o u g ha n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c s a b o u tc a l c i n i n ga n dc o o l i n gp r o c e s s e so f c l i n k e r , a n di n d e p t ha n a l y s i so fi n f l u e n c ef a c t o r so fc a l c i n i n ga n dc o o l i n gp r o c e s s e so f c l i n k e rb yt h ea c t u a ls i t u a t i o n ，t h u ss u m m a r i z e de x p e r te x p e r i e n c et o s e l e c tp r o c e s s p a r a m e t e r sa n dc o n t r o lp o i n t sr e a s o n a b l y f i n a l l y , c o n t r o ls c h e m ew a sp r o p o s e dw h i c h c o n t r a p o s et h ea b n o r m a la n da b n o r m a lw o r k i n g - s t a t u so fc e m e n tc a l c i n i n ga n dc o o l i n go f c l i n k e rp r o c e s s e s t h ec o n t r o ls c h e m ew a ss u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h ec o m p a n yp r o d u c t i o n s i t e f i v ep a r a m e t e r s ，w h i c hi n c l u d ek i l nm a i nm o t o rc u r r e n t ，d e c o m p o s i n gf u m a c eo u t l e t t e m p e r a t u r e ，t h ef i r s tr o o mp r e s s u r eo fc o o l e r , t h es e c o n da n dt h et h i r dp r e s s u r eo f c o o l e r g r a t eb e d ，a r ec h o s et ob ei n p u tp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h ec a r la n dw o r k i n g s t a t u so f c e m e n tp r o d u c t i o n a f t e rd a t ap r e p r o c e s s i n g , t h e s ek e yp a r a m e t e r sa r ei d e n t i f i e df o rt h e s p e c i a lc o n d i t i o n s ，i no r d e rt of a c i l i t a t et h ec o n t r o lf o rt h ed i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s c a l c i n i n ga n dc o o l i n go fc l i n k e rp r o c e s s e sc o n t r o ls c h e m ew a sp r o p o s e da c c o r d i n g t o v t h eo p e r a t o r sc o n t r o l t h o u g h t f u z z y - p l dc o m p o u n da l g o r i t h mi sc o n t r o lr e a l t i m es p e e do f g r a t ec o o l e ri nt h en o r m a lw o r k i n g s t a t u s ，w h i c ha c c o r d i n gt ot h ep r e s s u r ei nt h eg r a t e c o o l e r f u z z y - p i dc o m p o u n da l g o r i t h mc o n t r o lu s e sf u z z yc o n t r o lw h e nt h ed e v i a t i o ni s l a r g e ra n du s e sp i dc o n t r o lw h e nt h ed e v i a t i o ni ss m a l l ，i no r d e rt oi m p r o v et h er e s p o n s e s p e e da n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ea d j u s t m e n tp r o c e s s ；e x p e r te x p e r i e n c ei su s e d t oc o n t r o ls p e e do f r o t a r yk i l na n dk i l nh e a dp u l v e r i z e dc o a li nt h ea b n o r m a lw o r k i n g s t a t u s t oi m p r o v ek i l n s t a t u s m e a n w h i l e ，t h eo u t p u to ff i t z z y - p l dc o n t r o ln e e dt ob em o d i f i e d t h r o u g he x p e r te x p e r i e n c et or e d u c ei n f l u e n c ef o r c o o l i n gs y s t e mf r o ma b n o r m a l w o r k i n g - s t a t u s t h es o f t w a r eo ft h i ss y s t e mo fc a l c i n i n ga n dc o o l i n go fc l i n k e rp r o c e s s e sc o n t r o l s c h e m ei sr e a l i z e du s i n gc + + b a s e do no p c t e c h n o l o g yt or e a dt h es i t ee n g i n e e r ss t o o d r e a l - t i m ed a t a ，a n dc a ns e tc o n t r o lg o a la n do u t p u tr a n g ea c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o n t h e p r o p o s e dc o n t r o ls c h e m ec a nb e t t e rf i n i s h l et h ea u t o m a t i cc o n t r o lf o rc a l c i n i n ga n d c o o l i n go fc l i n k e rp r o c e s s e s c o m p a r e dt om a n u a lo p e r a t i o n ，t h i s o p e r a t i o nr e s u l t s d e m o n s t r a t et h ee f f e c t i v e n e s sa n d p r a c t i c a l i t yo ft h i ss o l u t i o n k e yw o r d s ： c e m e n tc a l c i n i n ga n dc o o l i n go fc l i n k e r ；w o r k i n g ? s t a t u s r e c o g n i t i o n ； e x p e r tr u l e ；f u z z y - p i dc o m p o u n da l g o r i t h m v l 济南人学硕l ：学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 水泥行业在我国经济中占据重要地位，是国民经济的支柱产业之一。水泥是 国民经济建设的重要基础原材料，在相当长的时间内，水泥在建材行业的地位将 没有任何任何材料可以替代。改革开放以来，我国水泥行业取得了突飞猛进的发 展，1 9 8 0 年，我国的水泥总量为7 9 8 6 万吨，而从1 9 8 5 年开始，我国水泥年产 量持续居世界首位。2 0 1 0 年，我国水泥总产量突破1 7 亿，中国水泥工业所取得 的成绩，引起了世界水泥界的瞩目。 目前我国仅仅从数量而言，我国早已是世界第一水泥生产大国。但是，我国 水泥工业却是大而不强，具体表现在：规模较小的小水泥较多，许多小水泥企 业技术落后、大量耗费资源、污染严重、产品质量低劣、劳动生产率低。技术 相对落后，自动化程度较低。我国水泥质量的总体水平较低【i 】。 我国水泥工业在总体上和国外先进水平比仍存在一定差距。工厂设备相对落 后、自动化水平程度低、能源消耗大都是制约我国水泥工业发展的重要因素。 d c s 系统在水泥行业的普遍应用为解决此类问题创造了条件，但是目前我国水 泥企业的自动化水平仍然普遍较低，对d c s 的应用基本停留都在取代常规仪表 和简单的人工控制阶段，由于d c s 厂商提供的常规控制策略未能针对我国水泥 生产过程特点，使得未能充分发挥d c s 的控制作用。现阶段水泥生产自动化控 制仍大多停留在设备的集中操作、设备连锁起停和单回路的p i d 调节，虽然有部 分先进控制的应用，但就整体而言，自动化水平仍需要进一步提高，此现象不仅 在许多中小企业如此，即使在使用d c s 过程控制的大型水泥生产线，大部分也 基本如此。因此提高水泥生产的自动化水平，是推动我国水泥行业不断向前发展 的必由之路【2 1 。 1 2 水泥熟料烧成与冷却过程控制研究现状 在新型干法水泥生产线中，回转窑和篦冷机是水泥熟料烧成与冷却过程的关 键设备。由于该环节在水泥生产过程中起着至关重要的作用，因此，回转窑和篦 新型下法水泥生产线烧成j 冷却过程摔制研究 冷机的控制一直是国内外专家研究的重点。 1 2 1 国内研究现状 ( 1 ) 分布式控制系统( d c s ) 目前，在国内现有的水泥企业工业控制系统方面，d c s 控制系统已经基本 上取代常规的仪表和人工操作，已成为水泥生产线的主流控制方式。 文献【3 】介绍了d c s 在水泥熟料生产线中的应用，并对d c s 的具体实现做 了详细阐述。文献【4 】在现场总线方面进行研究，并把现场总线技术应用于水泥 熟料生产线中，得到了较好的效果。文献【5 】介绍了p r o f i b u s 现场总线技术的 d c s 控制系统在水泥回转窑的应用。 d c s 系统的应用，使得水泥企业的综合自动化水平大大提高，但是d c s 系 统对于回转窑和篦冷机关键参数的控制，尚难以实现自动控制。 ( 2 ) 模糊控制 文献 6 】在深入分析回转窑工艺特点的基础上，建立了水泥回转窑的模糊模 型，并提出了测量数据的模糊滤波方法。文献 7 】介绍了基于m a t l a b 的回转窑 模糊控制系统的设计与仿真实验，以水泥回转窑的控制为对象，采用模糊控制器 来实现控制。文献【8 提出了基于现场总线控制技术把模糊控制算法运用到回转 窑温度控制中的方法。文献【9 提出了一种单入双出的模糊预测协调控制方式， 并通过仿真研究证明了方案的有效性。文献 1 0 1 把窑尾温度、烧成带温度作为被 控量，以窑头喂煤量、排风量、窑主电机转速作为控制量，给出了水泥回转窑的 模糊控制模型。文献 1 l 】、 1 2 对模糊控制系统在水泥生产冷却过程自动控制方 面的应用也进行了介绍。 ( 3 ) 神经网络 文献 1 3 】到 2 4 】中介绍了神经网络理论在水泥生产过程建模及控制方面的应 用研究。文献 1 3 1 用b p 神经网络对水泥回转窑优化控制进行建模问题。文献 1 4 】 提出了把r b f 神经网络应用于水泥回转窑控制方案，实现了对窑系统的优化控 制。文献【1 5 提出了一种在篦冷机篦速控制中应用基于模糊推理和误差反向传播 理论的神经网络算法，仿真效果良好。 ( 4 ) 其它方法 2 济南大学硕l ：学f t 论文 文献 2 7 中提出采用传统p i d 控制对篦冷机篦速进行控制，文献 2 8 】中使用安 装在篦冷机本体上的料层测厚仪，直接测量出篦冷机熟料的料层厚度，通过自动 控制系统对篦冷机的料层厚度进行直接控制，文献 2 9 中提出了一种基于c c d 比色法测量篦冷机熟料厚度和温度场的方法。 以上研究工作虽然均取得了一定成果，但大多数是仿真和探索研究，或是针 对回转窑系统中的某单一环节、某单一过程进行研究，虽然取得了一定的研究成 果，但现场应用效果多不理想，一旦工况出现较大波动时，控制策略通常机会失 效。 1 2 2 国外研究现状 水泥熟料生产线的自动化控制领域国外起步较早。早在1 9 8 0 年o s t e r g a r d 就 将模糊控制技术成功地应用于石灰窑的生产过程控制。1 9 8 2 年模糊控制技术又 成功的应用于日本大阪水泥熟料生产线上。文献 3 0 】介绍了专家系统在的水泥回 转窑故障诊断过程中的应用。 目前，国外水泥工业自动化的研究重心正在由专家系统向基于模型的控制方 向发展，在实现操作自动化的基础上，实现操作的优化。英国b l u ec i e c l e 公司 同样开发了基于模糊控制技术的l i n k m a n 系统。a b b 、s i e m e n s 等自动化公 司均开发了优化控制商用软件。丹麦的f l s m i t h 公司利用模糊逻辑方法开发出 针对水泥熟料生产过程控制的f u z z y 1 、f u z z y 一2 系统，并成功应用于工业现 场【3 。 近年来，我国的一些水泥企业试图通过购买高额的国外优化软件来提高自身 的自动化水平，但是由于我国水泥生产线的设备、工艺比较落后，窑况复杂多变， 测点数量也远远不及发达国家同等规模的生产线。因此，国外优良的控制软件不 能直接适用于国内的生产线。在此同时，由于国外软件价格高昂、维护困难，也 很难被国内厂家接受。因此直接将国外软件应用于我国水泥生产控制中，并不可 行。 从目前国内的水泥生产过程控制的研究现状来看，按照我国目前的水泥生产 设备和工艺的水平，在水泥生产的复杂多变的工况下，直接对生产过程进行控制， 并取得良好的控制效果比较困难。另外，由于水泥生产是一个复杂、连续的过程， 各个过程、各个变量之间都相互联系、相互影响，如果单纯的实现某一过程、某 3 新型干法水泥生产线烧成与冷却过程控制研究 一变量的控制，意义并不大，因此必须从整体上去研究窑系统，而如何在综合自 动化背景下实现对整个窑系统的特殊工况识别和控制目前并无被广泛接受的成 果。因此本文对水泥烧成与冷却过程的控制研究有一定的现实意义。 1 3 研究目的及论文的主要内容 1 3 1 课题的研究目的及意义 目前我国水泥熟料烧成与冷却过程总体上仍处于人工或半自动控制状态，中 控操作员主要依据工艺参数的变化，通过自己总结的经验进行各个控制点的调 整，以保证正常生产，但这种控制方式，受人为主观因素影响较大，很多时候不 能及时进行控制，从而不能保证水泥熟料烧成与冷却过程始终处于最佳工作状 态。因此改进落后的生产控制方式，通过先进控制手段提高生产效率，具有十分 重要的意义。 水泥熟料烧成与冷却过程具有多变量、强耦合、非线性、大时滞的特点，这 些特点导致该环节的工况复杂多变，难以稳定控制。目前的一些智能控制只是针 对单一环节的单一参数，没有综合考虑烧成过程对冷却过程的影响。本课题的研 究目的在于针对复杂多变的水泥生产热工过程，在深入分析工艺机理的基础上， 对水泥熟料烧成过程的特殊工况进行了识别，根据识别出的工况，实现了对烧成 与冷却过程的自动控制。 1 3 2 论文的主要内容 本课题依托国家高技术发展计戈1 j ( 8 6 3 卜新型干法水泥生产过程集成控制 应用的子课题：软测量、单元级优化控制系统的设计开发及工程应用。以山水集 团某分公司的熟料烧成与冷却系统为研究对象。通过分析水泥熟料烧成与冷却过 程的工艺特点，并根据现场实际情况，深入分析了水泥熟料烧成与冷却过程的影 响因素，并总结现场工艺工程师的专家经验，合理选取工艺参数和控制点，提出 了针对水泥熟料烧成与冷却过程的正常工况和异常工况进行分别控制的控制方 案，并应用于现场实际控制中。 本文一共分为六章，第一张为绪论，主要介绍了我国水泥工业的发展现状、 通过对国内外水泥熟料烧成与冷却过程控制研究现状的深入分析，引出了本课题 4 济南大学硕 学位论文 曼鼍曼曼鼍im 蔓l m m m 曼曼曼曼皇曼曼鼍鼍曼曼皇曼曼曼曼! ! 曼 的研究目的和意义；第二章主要介绍了新型干法水泥生产线烧成与冷却过程的发 展及工艺，并根据现场实际情况合理的选择了控制的输入和输出变量，为第三章、 第四章控制的实现奠定了基础。第三章介绍了水泥熟料烧成过程现场关键参数数 据采集的方法，利用相关性分析对水泥烧成过程中的“掉窑皮”现象进行了识别， 同时利用专家规则法对“跑生料 现象进行了识别，并详细介绍了根据所识别出 的工况利用专家规则对在特殊工况下的水泥熟料烧成过程分别进行控制。第四章 结合水泥生产工艺，设计了水泥冷却过程的控制方案，根据现场实际将采集的数 据进行了数据预处理，详细介绍了模糊p i d 复合控制在水泥冷却过程的应用， 包括模糊p i d 复合控制器的设计及m a t l a b 仿真，以及当烧成过程出现特殊工 况时利用专家规则对冷却过程控制进行修正，并介绍了水泥烧成与冷却过程的现 场应用时控制算法的修正，为下一章介绍的具体工程实现提供了相应的理论基础 和实际问题分析。第五章主要介绍了水泥熟料烧成冷却过程控制软件的现场实 现，主要包括软件的架构，以及d c s 通讯接口的编程，以及o p c 的设计与实现， 以及在现场实际应用中v c + + 相关程序的实现，通过现场的使用，验证了该算法 的正确性，该软件的实用性。第六章总结了水泥熟料烧成与冷却过程控制系统的 特点，并提出了未来的研究方向。 5 新型干法水泥乍产线烧成与冷却过程控制研究 6 第二章水泥生产线烧成与冷却过程工艺流程 2 1 水泥生产技术的发展 自1 8 2 4 年英国人j o s e p h 和a s p d i n 获得称之为波特兰水泥的专利权开始算 起，短短1 8 0 余年水泥工业经过数次变革，通过水泥工艺和设备的不断地改进， 规模与种类不断的扩大，质量与产量不断的提高。水泥熟料烧成系统在回转窑上 进行的，之后通过篦冷机进行冷却【3 2 】。 2 1 1 烧成过程发展历程 最初的水泥是在立窑上生产出来，1 8 7 7 年，世界上第一条回转窑水泥生产 线在英国投产，最初建立的回转窑是干法中空窑，但由于其生料均化不均匀、热 耗巨大、产品质量差、环境污染严重，很快就被湿法窑所替代。与干法中空窑相 比，湿法窑具有热耗低、污染小，产品质量高等优点。1 9 1 0 年，实现了立窑机 械化连续生产，1 9 2 8 年立波尔窑投入正式生产，由于在窑的尾部加装炉篦子加 热机，对生料球进行加热，较好的利用了余热，使得热耗大幅下降。1 9 5 0 年带 有旋风预热器的回转窑的发明，使得熟料的热耗大幅降低，而在1 9 7 1 年，带窑 外分解炉的新型干法水泥回转窑生产线开始出现，揭开了现代水泥工业的新篇 章。这种能耗低、产量高、质量好、技术新的水泥生产工艺很快在全世界范围内 普及，形成了新型干法水泥技术。它不但弥补了旧干法生产不能很好利用余热的 缺陷，而且使熟料热耗大大降低，熟料质量明显增高，水泥生产规模不断扩大。 我国水泥工业自1 8 8 9 年创立工厂，如今已有1 0 0 余年的历史。1 9 0 6 年用唐 山启新洋灰公司率先使用回转窑生产水泥，伴随着回转窑的发展，我国水泥工业 也相继经历了湿法窑、立波尔窑、旋风预热器窑、立筒预热器窑、双立筒预热器 窑的发展过程【3 3 】。 2 1 。2 冷却过程发展历程 在回转窑出现之初，熟料的冷却主要是自然堆放冷却，并没有专门的冷却设备。 1 9 世纪9 0 年代研制出单筒冷却机，随后又在2 0 世纪2 0 年代研制出了多筒冷却 7 新犁干泫水泥生产线烧成丐冷刹j 过杵拎制础 e 机，单筒和多筒冷却机主要靠冷却空气的对流和穿梭，通过热量的交换对熟料进 行冷却。1 9 2 9 年，德国伯力鸠公司研制出回转篦冷机，1 9 3 7 年，美国富勒公司 生产出推动篦冷机，自此之后，冷却机技术展现出“百花齐放”，主要可以分为三 个阶段： 第一阶段：从2 0 世纪3 0 年代至6 0 年代。以1 9 3 7 年由富勒公司生产的第一 台篦式冷却机为代表，之后回转篦式、震动篦式、推动篦式冷却机等相继问世。 这一阶段是由单风机统一供风的薄料层( 料层厚2 0 0 3 0 0 m m ) 篦冷机，称之为 第一代篦冷机。 第二阶段：从2 0 世纪6 0 年代至8 0 年代。以往复推动式篦冷机的诞生为代 表。它是由多风室多风机供风，从而改善了风与熟料的热交换。第二代篦冷机被 称之为厚料层( 料层厚5 0 0 - 6 0 0 m m ) 篦冷机。 第三阶段：从2 0 世纪8 0 年代至今。由于水泥生产逐步大型化，更加注重节 能、环保等，在预分解窑对分解炉用三次风的特殊抽取方式的推动下，逐渐出现 了第三、第四代篦冷机。 第三代篦冷机的特点是阻力篦板梁单独供风，料层厚度可以达到 8 0 0 一1 0 0 0 m m 。第四代篦冷机为推动棒式篦冷机，于1 9 9 5 年史密斯和富勒公司共 同研制出，其特点是所有篦床完全固定，不再由篦床承担输送熟料任务，而是由 推动棒输送熟料【3 4 1 。 2 2 水泥生产工艺简介 新型干法水泥生产工艺的生产过程，就是以悬浮预热和窑外分解技术为核 心，把工业生产最新成就和现代科学技术广泛地应用于水泥生产程，采用计算机 控制的控制手段，实现水泥的高效、优质、环保、自动、大型化特征的现代化水 泥生产方法。 新型干法水泥生产线通常分为生料制备、熟料烧成与冷却和水泥制备与出厂 三个阶段，如图2 1 所示。其中，生料制备阶段主要包括原材料的破碎、预均化、 配料、粉磨、均化环节；熟料烧成与冷却阶段主要包括窑外预热与分解、窑内锻 烧、煤粉制备、篦冷机冷却等环节；水泥制备阶段主要包括熟料的储存、配料、 粉磨、储存、包装等环节。其中最为关键的阶段为烧成与冷却阶段，其工况直接 8 济南人学硕l ：学位论文= 影响着生产水泥的质量与产量。 l1 镳巍方穗- 2 烟气方翔- - ；。零落方匆一l 。，弘水琵台耪漩胸 一 s 荔獭朝。- l 图2 1 新型干法水泥生产线流程图 新型干法水泥生产线烧成与冷却系统主要包括旋风预热器、分解炉、回转窑 和篦冷机四部分。从原料磨出来的生料经过前四级旋风预热筒余热后到分解炉吸 热进行分解，而后随着上升气流进入到第五级预热筒，随后进行气固两相分离， 进入窑内煅烧，由于回转窑体倾斜放置并且不断旋转，从而使生料不断的向窑头 运动，通过窑头烧成带的高温煅烧，形成熟料，最后落入篦冷机，经篦冷机迅速 冷却后，通过拉链机输送至熟料掣”】。 2 2 1 烧成环节机理研究 自从回转窑问世后1 3 0 余年来，水泥工业生产技术历经多次重大革新，回转 窑水泥煅烧的关键装备回转窑，虽然屡遭挑战，但至今仍葆青春，可以知道回 转窑具有其独特的功能和品质。首先，回转窑作为熟料的煅烧装置，它具有广阔 的空间和热力场，能够水泥煅烧提供充足的热量；其次，回转窑作为热交换的装 置，能够满足水泥生产过程中的不同阶段的不同换热要求；然后，回转窑作为化 学反应器，它既可以满足不同矿物质的物化反应对温度和热量的要求，而且能满 足它们对反应时间的要求；第四，回转窑作为熟料的输送设备，因为至今物料在 回转窑断面内的窑斜度、填充率和窑转速都是比较低的，是回转窑的输送具有很 9 新掣干泫水泥牛产线烧成j 冷却过程控制研j z 大的潜力。 回转窑中熟料的煅烧机理，就是将石灰质、硅质、粘土质及铁质四种原料中 的c a o 、s i 0 2 、a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 等四种主要组分，在高温状态的状态下进行煅烧， 使这四种主要组成成分发生化学反应，形成水泥熟料主要矿物的四种硅酸盐 ( c 2 s 、c 3 s 、c 3 a 、c 4 a f ) 的过程。但是在这水泥熟料的形成过程中，各个反应 对热量、温度的需求不同，在物化反应的同时也有许多过渡矿物的产生，这个在 回转窑系统中产生许多物化反应得区域，被称之为反应带，主要包括生料预热和 分解过程中的干燥带、预热带、分解带以及回转窑内的过渡带和烧成带。 靠近回转窑头部是烧成带，它的温度最高可达1 4 0 0 。c 以上，当物料经过窑 的旋转前进至1 3 0 0 。c 以上的高温区域，此时物料中的矿物熔化成液相，在高温 下，c a o 与c 2 s 在液相中发生化学反应，生成了熟料的主要成分c 3 s ( 硅酸三钙) 。 其反应式为： c a s i 0 2 + 3 c a o _ 3 c a o + s i 0 2 ( c 3 s ) ( 2 1 ) 以上反应是微吸热反应，需要吸取大量热量，经过理论分析和实践证明， c 3 8 生成的多少与生料的化学成分、烧成带温度以及反应时问等因素息息相关。 但是当生料化学成分稳定时，最重要的影响因素为烧成带温度。因为c 3 s 的生成 的速度是随烧成带温度的升高而增加的。而过高的烧成带温度，浪费了大量的能 源，因此烧成带温度需要保持在某一恒定值，既能保证熟料质量，也能节约能源， 降低生产成本。 通过对烧成机理的研究可以看出，影响熟料烧成质量的最重要因素是烧成带 的温度，而窑头喷煤直接能够影响烧成带温度，因此当烧成带温度较低时，需要 提高窑头喷煤，以温度烧成带温度。而通过对窑转速的调节，可改变窑内物料分 布，从而影响烧成带温度f 3 6 1 。 2 2 2 冷却环节机理研究 篦冷机是冷却过程中的最关键设备，篦冷机的控制在整个冷却过程控制中至 关重要。整个篦冷机一般划分为三个冷却带，即淬冷代、第一冷却带和第二冷却 带。熟料由窑头落到机内篦板上后，随篦板以一定的移动速度向出料端移动。强 烈冷空气流从高压风机由下往上吹过淬冷带的熟料层，使熟料颗粒处于悬浮状 态，从而使得熟料迅速冷却，通过换热空气被加热。篦板上熟料层应保持一定厚 1 0 济南人学硕十学何论文 度，使篦床各处阻力大致相同。由中压风机来的冷风也由下往上透过第一和第二 冷却带上的熟料层，使熟料进一步得到冷却。在淬冷带和第一冷却带中因换热而 被加热的空气，作为二次空气进入回转窑进行重复利用。吹过第二冷却带的低温 多余的废气可用于烘干或由烟囱排除。进入机内的冷却空气量由机体外侧空气阀 门进行调节。冷却厚的熟料在卸料端落入输送设备。篦床下的漏料由底部拉链机 运出。如图2 2 所示。 三次多铲： 8 翻 翥 ；童 鲤颦 zz 图2 2 篦冷机结构示意图 篦冷机的主要作用如下： ( 1 ) 保证熟料质量：急速冷却熟料可制成优质的水泥，具有较高的硬度和强 度。同时急冷水泥熟料晶体具有很多的微裂纹，更加方便粉磨而且电耗低。 ( 2 ) 便于熟料输送：如果输送高温的熟料，则必须用耐高温材料制造得输送设 备，增大了运输成本，而且设备易磨损。 ( 3 ) 热量回收：熟料冷却过程中，通过热交换产生的大量高温空气，可供窑 内燃烧、分解炉预分解、余热发电或烘干生料用，大大降低了生产成本。 从篦冷机冷却过程的工艺特点和机理分析可以看出，篦冷机篦板上的料层厚 度是否均匀稳定、换热效率是否得到保障，关系到熟料品质和能源节约，也是保 证冷却过程工况稳定的关键。而通过篦冷机的篦压又能客观的反映出料层厚度， 因此，在水泥生产现场，一般通过对篦压的控制达到控制料层厚度的目的【3 7 1 。 2 3 控制参数的选取 从水泥回转窑的生产工艺和要求可以看出，水泥生产是一个工况复