（控制理论与控制工程专业论文）水泥生产过程分解炉计算机控制系统的设计与开发.pdf

0 i ：s 蔓 ， rl 9 j at h e s i si nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g d e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m o fc a l c i n e ri nc e m e n tp r o d u c t i o np r o c e s t a l c m e re m e n tr o d u c t i o nr o c e s s b yj i nc h e n g s h a n s u p e r v i s o r ：r e s e a r c h e rl ix i a o p i n g p r o f e s s o rc h a it i a n y o u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 m 0删5 舢5m 6 眦wi ii肌 m 7m 1脚y r t _ 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 也 思0 学位论文作者签名：全文山 日期：乒秒驴，矿砂g 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北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、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：全蔽山 导师签名： 签- - 7 - e t 期：玉加宫彭2 , 5签字日期： i 一i i ti 、 办i m 东北大学硕士学位论文 摘要 水泥生产过程分解炉计算机控制系统的设计与开发 摘要 分解炉是新型干法水泥生产工艺的标志性设备，其作用是对生料物料中的碳酸盐进 行预分解，使入窑的物料中碳酸盐的分解率达到工艺要求。分解炉的生料分解率是分解 炉的主要工艺指标，分解率控制精度的高低对于回转窑烧结过程稳定、稳定熟料质量具 有重要影响，而且关系着设备的安全运行。由于分解炉与回转窑和预热器直接相连，设 备关联严重，不确定干扰因素众多，炉内燃烧、传热、分解等过程机理复杂，温度过程 存在着不确定性、纯滞后、非线性、难以建立精确模型等特点，传统的控制方法难以达 到较好的控制效果。目前，我国大多数水泥生产分解炉均是采取人工控制的方式，存在 熟料质量不稳定、设备运转率低、产量低、能耗大、操作人员劳动强度大等一系列问题。 因此，研究分解炉自动控制技术对于稳定熟料质量、提高产量和设备运转率具有重要意 义。本文依托国家“8 6 3 高技术研究课题，以酒钢集团宏达建材公司2 0 0 0 t d 水泥熟料 生产线自动化工程为背景，完成计算机控制系统的设计和开发。本文的主要工作如下： ( 1 ) 在对分解炉过程控制控制目标和控制难点分析的基础上，提出了基于仿人智能控 制加规则推理前馈控制的分解炉温度控制策略。控制器由仿人智能控制器和前馈控制器 组成，在仿人控制器中引入温度过程s m i t h 预估补偿模型，以克服被控过程的纯滞后特 性，实现基于特征的多模态控制。提出了生料下料阀、生料秤、塔架提升机的逻辑联锁 控制策略；提出了基于规则推理方法的分解炉和预热器故障预测策略，通过对各处温度、 压力的分析，按照专家的经验预测可能出现故障的设备。对分解炉温度智能控制策略进 行了仿真研究。仿真结果表明，仿人智能控制方法控制性能优于传统的控制方法，能够 适用于具有不确定性干扰、大滞后、难以建立精确模型等特点的分解炉温度过程，具有 实际应用价值。 ( 2 ) 基于上述控制策略的基础上，对控制系统进行体系结构设计和功能设计。控制系 统的体系结构分成运行监控层和过程控制层。过程控制层完成生产过程的控制功能，包 括逻辑控制和回路控制。具有逻辑联锁功能、分解炉温度自动控制功能、增湿塔出口温 度自动控制功能等。运行监控层主要包括操作画面、故障预测、数据归档和系统管理等 功能。系统的平台选择德国西门子公司的p c s 7 集散控制系统。 ( 3 ) 在p c s 7 系统平台上对输入输出数据处理程序、设备逻辑联锁控制程序、分解炉 温度仿人智能控制程序、增湿塔出口温度p i 控制程序进行开发，完成分解炉生产过程 i i i 东北大学硕士学位论文摘要 监控画面的绘制、报警信息显示和故障预测功能。 关键词：分解炉仿人智能控制故障预测 hiij，e。 一 东些大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m o fc a l c i n e ri nc e m e n tp r o d u c t i o np r o c e s s a b s t r a c t t h ec a l c i n e ri st h es y m b o l i ce q u i p m e n to ft h en e w d r yp r o c e s sf o rc e m e n tp r o d u c t i o n ，i n w h i c hc a r b o n a t eo fr a wm a t e r i a li sp r e d e c o m p o u n d e dt oe n s u r et h ed e c o m p o s i t i o nr a t eo v e r t h et e c h n i c a li n d e xb e f o r ee n t e r i n gi n t ot h er o t a r y k i l n d e c o m p o s i t i o nr a t ei st h em a i n t e c h n i c a li n d e xo ft h ec a l c i n e r t h es i n t e r p r o c e s ss t a b i l i z a t i o na n dt h ef i n a lp r o d u c t i o nq u a l i t y a n dt h ee q u i p m e n t ss a f e r u n n i n go fr o t a r yk i l na r er e s t r i c t t e db yt h er a t e c a l c i n e ri s c o n n e c t e dt o r o t a r yk i l na n dp r e h e a t e rd i r e c t l y , s o i th a ss e v e r e e q u i p m e n t sc o u p l i n g ， n o n d e t e r m i n i s t i cd i s t u r b a n c e s ，l a r g el a gt i m ec h a r a c t e r s ，s t r o n gn o n l i n e a r i t i e sw i t hs t r o n g c o u p l i n ga m o n gp a r a m e t e rl o o p s t h u sc o n v e n t i o n a lc o n t r o ls t r a t e g yc a n n o tr e a c ha u t o m a t i c c o n t r 0 1 m o s to ft h ec a l c i n e ro fr o t a r yk i l n si ss t i l lu n d e rm a n u a lc o n t r o lw i t hh u m a no p e r a t o r s a sar e s u l t ，t h eo p e r a t o r sw o r k l o a di sh i g ha n dt h ep r o d u c tq u a l i t yi sh a r dt ob ek e p t c o n s i s t e n t f u r t h e r m o r e ，t h ek i l nr u n n i n gr a t ea n dy i e l dr e m a i n sl o wa n de n e r g yc o n s u m p t i o n r e m a i n sh i g h t h e r e f o r e ，i ti ss i g n i f i c a n tt or e s e a r c ha u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g yf o rt h e c a l c i n e rt os t a b i l i z et h ep r o d u c t i o nq u a l i t ya n di m p r o v et h ey i e l da n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y t h i sd i s s e r t a t i o nh a sm a d er e s e a r c ho nt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fc a l c i n e rc o m p u t e rc o n t r o l s y s t e m ，s u p p o r t e db yt h en a t i o n a lh i t e c h 8 6 3 c i m sp r o g r a ma n db a s e do nt h e2 0 0 0 t o n s d a yn e wd r yc e m e n tp r o d u c t i o nl i n ea u t o m a t i cp r o j e c to fj i u - s t e e lg r o u ph o n g d a b u i l d i n gm a t e r i a lc o r p o r a t i o n t h ed e t a i lr e s e a r c hw o r k sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eh u m a n - s i m u l a t e di n t e l l i g e n tc o n t r o la n df e e d f o r w a r dc o n t r o lo fr u l e sr e a s o n i n g f o rc a l c i n e r t e m p e r a t u r ec o n t r o la r ep r e s e n t e di nt h i st h e s i sb a s e do nt h ea n a l y s i so f c h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o lt a r g e t so ft h ec a l c i n e r t h eh u m a n s i m u l a t e di n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r r e a l i z i n gm u l t i - m o d a lc o n t r o li sc o m p o s e do ft h es m i t hc o m p e n s a t o rt oo v e r c o m et h et i m e d e l a yo fp r o c e s s t h el o g i c a lc o n t r o ls t r a t e g yo fr a wm a t e r i a lf e e di sp r e s e n t e d t h ef a u l t p r e d i c t i o ns t r a t e g yo fc a l c i n e ra n dp r e h e a t e rb a s e do nr u l e sr e a s o n i n gi sp r e s e n t e da l s o ， w h i c hc a np r e d i c tt h ep o s s i b l ef a u l te q u i p m e n tb yt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ea n a l y s i s t h e c a l c i n e rt e m p e r a t u r ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls t r a t e g yh a sb e e ns i m u l a t e da n dt h er e s u l ti sb e t t e r t h a nt h et r a d i t i o n a lm e t h o d ，s oi tc a nb e a p p l i e dt ot h e c a l c i n e rt e m p e r a t u r ep r o c e s s p r a c t i c a l l y ( 2 ) b a s e do nt h ea b o v ec o n t r o ls t r a t e g y , t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fc o n t r o ls y s t e mh a v e b e e nd e s i g n e d t h es t r u c t u r eo fc o n t r o ls y s t e mi sd i v i d e di n t or u n n i n gm o n i t o rl e v e la n d p r o c e s sc o n t r o ll e v e l t h ep r o c e s sc o n t r o ll e v e li n c l u d i n gl o g i c a lc o n t r o la n dl o o pc o n t r o li s u s e dt or e a l i z ec o n t r o lf u n c t i o no fp r o d u c t i o np r o c e s s ，w h i c hh a st h ef u n c t i o no fl o g i cc h a i n ， v t e m p e r a t u r ea u t o m a t i cc o n t r o lo fc a l c i n e ra n dh u m i d i f i c a t i o n t o w e re x i t t h ef u n c t l o no t n m n i n gm o n i t o rl e v e lm a i n l yi n c l u d e so p e r a t i o ni n t e r f a c e ，f a u l tp r e d i c t i o n ，d a t aa r c h i v i n g a n d s v s t e mm a n a g e m e m g e r m a ns i e m e n sp c s 7d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m i sa d o p t e da st h e s y s t e mp l a t f o r m s ， ( 3 10 np c s 7s y s t e mp l a t f o r m ，t h es y s t e mp r o g r a m sa r ed e v e l o p e d ，s u c h a sm p u ta n d o u t p u td a t ap r o c e s s i n gp r o g r a m ，l o g i c a lc h a i nc o n t r o lp r o g r a m ，h u m a n 。s i m u l a t e d i n t e l n g e n t c o n t r o l ，p ic o n t r o lp r o g r a mo fh u m i d i f i c a t i o nt o w e re x i tt e m p e r a t u r e ，p r o c e s s m o n i t o r i n g i n t e r f a c ep r o g r a m ，a l a r ma n df a u l tp r e d i c t i o np r o g r a m k e y w o r d s ：c a l c i n e r ；h u m a n s i r e u l a t e di n t e l l i g e n tc o n t r o l ；f a i l u r ep r e d i c t i o n v i 东北大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i i i a b s t r a c t v 第1 章绪论l 1 1 课题背景及意义1 1 2 新型干法水泥生产工艺概述1 1 2 1 预热技术发展概述。2 1 2 2 预分解技术发展概述3 1 3 分解炉控制方法的研究与应用现状5 1 4 论文的主要工作6 第2 章水泥生产预热分解过程描述7 2 1 预热分解工艺流程简介7 2 2 影响水泥熟料产量和质量及能耗的因素分析1 0 2 2 1 影响水泥熟料产量因素分析1 0 2 2 2 影响水泥熟料质量因素分析1 2 2 2 3 影响水泥熟料生产过程能耗因素分析1 2 2 3 控制目标1 4 2 4 预热分解过程主要输入输出变量及控制难点分析1 4 2 4 1 主要被控变量分析l5 2 4 2 主要控制变量分析1 5 2 4 3 主要扰动变量分析1 5 2 4 4 控制难点分析1 6 2 5 本章小结1 7 第3 章分解炉过程控制策略1 9 3 1 逻辑联锁控制1 9 3 2 基于仿人智能与规则推理前馈补偿的分解炉温度控制策略2 0 3 2 1 仿人智能控制算法概述2 0 3 2 2 基于仿人智能与规则推理前馈补偿的分解炉温度控制器设计2 3 3 2 3 基于仿人智能控制的分解炉温度控制设计与仿真研究2 4 3 2 4 基于规则推理的前馈补偿算法设计3 4 v i i 东北大学硕士学位论文 目录 3 3 增湿塔出口温度过程p i 控制策略3 6 3 4 分解炉工况故障预测策略3 7 3 5 本章小结3 9 第4 章分解炉过程计算机控制系统设计4 1 4 1 计算机控制系统体系结构设计4 1 4 2 计算机控制系统功能设计4 2 4 2 1 过程控制部分功能4 2 4 2 2 运行监控与系统管理部分的功能4 3 4 3 计算机控制系统平台4 4 4 3 1 硬件平台4 4 4 3 2 软件平台4 8 4 3 3 系统电气与仪表4 9 4 4 本章小结5 0 第5 章分解炉过程计算机控制系统开发5 1 5 1 工程背景5 1 5 2 计算机控制系统软件开发5 2 5 2 1 控制程序开发5 2 5 2 2 监控功能开发5 9 5 3 本章小结6 7 第6 章结论和展望6 9 参考文献7 l 致谢7 5 攻读硕士期间的主要工作7 7 v i i i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 水泥是建筑业的“三大基本材料 之一，被称为建筑业的“粮食 ，广泛应用于民 用建筑、交通、核工业、林业、军工等多种行业。我国是一个水泥生产大国，也是水泥 消费大国，水泥的产量和质量直接关系着我国的现代化建设。以窑外预分解技术为核心 的新型干法水泥生产工艺是当今国际上最为先进的水泥生产技术。它将煤粉燃烧、气固 交换和大部分碳酸盐分解任务从回转窑转移到分解炉中，对整个水泥生产线的热工系统 进行了优化，在提高产能、稳定产品质量、节约能源方面具有极大的优越性，是目前我 国重点推广的水泥生产技术。新型干法水泥的生产过程是一个复杂的物理化学反应过 程，具有严重的参数不确定性、非线性、纯滞后等特点，故无法用精确的数学模型对其 生产过程进行描述，传统的以数学模型为基础的控制方式无法得到令人满意的控制效 果。因此，很多水泥生产单位采用人工控制，凭借操作员的经验对水泥生产过程进行人 工调节，自动化程度非常低。由于人的经验、精力有限，所以存在劳动人数多、工作强 度高、生产效率低、质量不稳定和无法对生产过程进行优化等一系列问题。如何提高水 泥的产量和质量，并尽量减少水泥生产过程中对原料、燃料、电力等的消耗和对环境造 成的负面影响已成为制约我国水泥生产行业发展的“瓶颈问题。 针对上述水泥生产行业工程控制方面存在的问题，本文依托东北大学流程工业自动 化教育部重点实验室和沈阳东大自动化公司的技术优势，通过“酒钢集团宏达建材公司 2 0 0 0 t d 水泥熟料生产线计算机控制系统工程实践，在对新型干法水泥生产工艺全面 掌握的基础上，利用先进的计算机控制方式对新型干法水泥生产过程进行监视和控制。 并且着重针对分解炉和预热器的过程控制进行了深入的研究与分析，以提高水泥熟料产 品的质量和产量，降低生产过程中的资源消耗为主要目标【5 3 1 ，将控制理论与具体工程实 际相结合，采用先进的仿人智能控制加规则推理前馈控制的策略对分解炉生产过程进行 自动控制，保证分解炉的出料分解率符合工艺指标的要求，为回转窑提供优质的原料。 1 2 新型干法水泥生产工艺概述 新型干法水泥生产工艺是以悬浮预热技术、窑外预分解技术为中心发展起来的。将 生料预热、碳酸盐分解等原来在回转窑内进行的物理、化学反应过程移到回转窑之外， 充分减少了回转窑的负荷，提高了产品的质量，降低了资源消耗【1 , 2 , 7 】。新型干法水泥生 产工艺相对于传统的水泥生产工艺具有熟料产品质量高、燃料消耗量少、环境污染小、 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 可对回转窑生产过程进行优化等优点，是当代多种高新技术在水泥生产工业上的集成， 被认为是当今国际上最先进的水泥生产工艺。 据有关统计资料显示采用新型干法工艺生产1 吨水泥熟料热耗为1 1 5 千克标准煤， 而立窑需要1 6 0 千克，湿法窑需要2 8 0 千克，干法中空窑需求竟达2 4 3 千克【1 3 】。因此， 全面推广新型干法水泥生产技术对节约能源具有重大现实意义。 目前国外发达国家的水泥生产已基本上全部采用新型干法窑外分解的生产工艺，采 用先进的计算机集成制造系统( c i m s - c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) ：运用先 进的控制系统和管理软件；采用各种适合工艺过程的专家系统、模糊控制系统和人工神 经网络系统，实现水泥生产的全集成自动控制；采用智能仪表和新型的检测技术【3 6 1 ，实 现对生产过程的实时监控，生产能力和工作效率大大增强，并在降低能耗和电耗、减少 粉尘、降低有害气体排放和增加余热回收利用方面取得成效【8 , 9 , 3 3 】。 我国水泥生产行业发展迅速，其产量已多年位居世界第一。我国水泥生产行业已普 遍认识到新型干法水泥生产工艺的优点。新建成的水泥厂全部采用这种先进的生产工 艺，旧的落后的水泥厂也纷纷对生产工艺和设备进行改造，使得新型干法水泥产量不断 增加。2 0 0 1 年我国水泥产量达到6 4 亿吨，其中新型干法水泥产量占1 4 左右；2 0 0 3 年达到8 6 3 亿吨，其中新型干法水泥的产量占总量的2 1 4 ，截止2 0 0 7 年底我国新型 干法水泥产量比重已提高到5 5 以上。通过采用先进的新型干法水泥生产工艺对原有的 生产工艺进行改造，水泥的产量和质量均有很大程度的提高，基本上满足了我国国内建设 对水泥的需求，在节能减排和工业废物再利用等方面有很大的提高1 1 3 】。 与传统的水泥生产方式不同，新型干法水泥生产工艺采用了多级悬浮预热器和分解 炉等标志性的生产设备。多级悬浮预热器的生料预热效果和分解炉碳酸盐分解效率是新 型干法水泥生产工艺能否发挥其优势的关键1 3 】。预热器和分解炉的不断改进也推动着新 型干法水泥生产工艺的进步。 1 2 1 预热技术发展概述 无论是湿法水泥生产技术还是干法窑内分解水泥生产技术生料的预热过程都是在 回转窑内进行的。回转窑作为一个烧成设备，其自身结构、热力分布等是以熟料烧成为 目标设计的，对于生料的预热效果则不尽如人意。从回转窑内的物料移动方式不难解释 上述问题。由于回转窑是带有一定倾斜角度的空心圆筒，物料从回转窑尾部进入回转窑， 在回转窑自身转动的带动下物料逐渐向窑头滚动【3 1 ，物料在回转窑中的移动方式图1 1 所示： 2 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 图1 1 回转窑内物料运动图 f i g 1 1t h em o v e m e n to fm a t e r i a li nr o t a r yk i l n 从图1 1 中可见，回转窑内物料是以堆积状态存在的，高温气流从物料表面流过， 气流与物料的接触面积较小，传热效率很低，预热效果不好。 悬浮预热技术能很好的解决上述问题。在悬浮预热器中，物料是以悬浮状态存在于 热气流中，与气流接触面积较大，因此传热效率很高，能够完成生料物料的预热任务【2 5 】。 1 9 3 2 年丹麦工程师m 沃格尔约根生在捷克斯洛伐克共和国取得了“用细分散物料 喂入回转窑的方法和装置”的专利，标志着水泥生料预热器的产生，后来发展成为现在 新型干法生产中普遍采用的预热器。 早期的悬浮预热器种类较多，其分类方法主要有以下三种： 按制造厂商分类：洪堡型、史密斯型、多波尔型、维达格型等等； 按热交换工作原理分类：同流热交换为主、逆流热交换为主、混流热交换； 按预热器组成分类：数级旋风筒组合式、以立筒为主的组合式、旋风筒与立筒混合 组合式【1 1 1 。 这些旋风筒大多是2 0 世纪五六十年代研发，并且在以后的各种预分解窑中都有应 用。2 0 世纪8 0 年代中期以来，随着预分解技术的日臻完善，为了进一步增强预分解窑 的功能，各国科研机构开始研发新的悬浮器。在对传统的悬浮预热器进行分析时得知， 传统的悬浮预热器主要存在的问题是进口切向气流与筒内旋转气流碰撞，相互干扰，使 得气流悬浮作用减弱，针对此问题国内外学者采取各种改进措施，研制了许多新型的旋 风筒1 ，4 3 1 。我国天津、南京等设计单位研制成功了新型高效低压损的旋风筒，实际应用 效果优异。 1 2 2 预分解技术发展概述 预分解又称窑外分解，是指将经过悬浮预热后的水泥生料在进入之前，进入到分解 炉内与燃料混合，在悬浮状态下迅速吸收燃料燃烧释放的热量，使生料中的碳酸盐迅速 分解成氧化物的过程。 这种设计解决了传统生产工艺中由于回转窑内物料处于层状堆积态引起的传热效 一气 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 率低、热量要求高、分解速度慢等缺点。采用窑外预分解技术之后，由于碳酸盐的分解 任务移到回转窑之外的分解炉中进行，很大程度的减轻了回转窑的负荷。生料经分解炉 后，其碳酸盐的分解率可高达9 0 以上，这种生料进入回转窑之后即可煅烧，而再无需 进行预热和分解过程，这样既可以减少回转窑的燃料供应量，也能够最大程度的减轻回 转窑的负荷，以达到缩短回转窑长度的目的。预分解技术自2 0 世纪7 0 年代初诞生以来， 至今邑经历了四个发展阶段郾一。 ( 1 ) 第一阶段 2 0 世纪7 0 年代初期至中期，为预分解技术的诞生和发展期。德国多德豪森水泥厂 以含有可燃成份的油页岩为原料生产水泥熟料。为了避免原料中可燃成份过早挥发，他 们在悬浮预热器中间级喂入这种原料，提高了入窑生料的分解率，并开创了预分解技术 的先河。真正意义上的预分解技术的出现应该是日本i h i 公司秩父水泥公司共同开发的 第一台s f 窑，这也标志着窑外预分解技术的诞生。预分解技术在实际应用中展现出良 好的性能，发展十分迅速。 ( 2 ) 第二阶段 2 0 世纪7 0 年代中、后期，为预分解技术的完善、提高阶段。由于此时国际爆发石 油危机，原油价格上涨，许多以油为燃料的预分解窑改为以煤为燃料。原来的分解炉都 是以油为燃料设计的，转变成以煤为燃料则难以适应。故此需要对原分解炉进行改造， 增大了炉容，为了增加物料在分解炉中的停留时间，这一时期的很多分解炉采取了双喷 沸技术。 ( 3 ) 第三阶段 2 0 世纪8 0 年代至9 0 年代中期，为分解炉日臻成熟，全面提高阶段。随着预热知识 和预分解经验的积累，特别是为了降低能耗和生产成本，提高水泥生产线的竞争力，对 分解炉的结构进行改进，并将分解炉、预热器、回转窑、换热管道、旋风筒作为一个体 系研究，摆脱了将分解炉作为一个孤立环节研究的局限性。伴随着耐火、耐热、耐磨等 新材料的引入和检测技术、控制技术等的发展，此时的分解炉已经在各个方面达到了相 当高的水平。 ( 4 ) 第四阶段 2 0 世纪9 0 年代中期至今，为水泥向“生态环境材料型 迈进阶段。随着人们对环 境保护的重视，水泥作为高污染行业必须向低污染物排放目标迈进。为了进一步达到节 能减排的目标，人们开始试验1 0 0 0 0 t d 以上的超大容量的分解炉和采用多级燃烧装置的 分解炉。 关于新型干法水泥生产技术的发展前景，我国学者和专家们进行了大量的探索，并 对其中的分解炉和预热器的发展趋势进行了大胆的预测。陈全德在全国第四届悬浮预热 4 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 和预分解窑技术经验交流会上提出了今后窑外分解技术及分解炉的研究方法：“利用现 代流体力学、燃烧动力学、气固两相流稀相输送、热量一质量一动量传递机理、硅酸盐 物理化学、胶体化学等化学工程以及热工学、热力学等现代科学理论，指导新型悬浮预 热、分解炉系统的研制开发和优化工程”。 1 3 分解炉控制方法的研究与应用现状 新型干法水泥生产技术的优越性在于，分解炉能够在入窑之前将大部分碳酸盐分 解，使得回转窑不再承担生料预热和分解任务，而只进行熟料煅烧过程，能够最大程度 的发挥回转窑的优势，提高回转窑的效率，并且增加了废气余热的利用率。可见，新型 干法水泥生产工艺能否充分发挥其优越性，在很大程度上取决于分解炉能否提供达到工 艺要求的生料物料，所以对分解炉的研究就显得尤为重要。分析得知，碳酸盐的分解需 要一定的温度，如果温度过低无法达到其分解要求，此时生料将无法大规模的分解。同 样，碳酸盐的分解过程也需要一个相对稳定的温度环境，频繁的温度波动对碳酸盐分解 过程不利，进而影响到回转窑的熟料煅烧过程和最终的熟料质量。因此，分解炉的温度 控制对整个新型干法窑外分解系统能否发挥其最大的效率至关重要。 由于分解炉内煤粉燃烧、物料悬浮、碳酸钙分解过程相互交织，内部情况相当复杂， 很难对其建立较精确的数学模型。因此对于分解窑炉温度过程控制的研究大多采取模糊 控制、专家系统等这种不依赖于精确数学模型的智能控制方法。文献【3 9 中提出以分解 炉中部温度作为分解炉温度过程控制系统的主要被控量，分解炉的供煤量作为主要的控 制量，并且考虑到生料给料流量、三次风温度、三次风压力对分解炉温度的影响，采用 将分解炉供煤量作为分解炉温度过程控制的主要控制量，生料给料流量和三次风的温 度、压力作修正量的模糊控制结构。但是文中未对分解炉温度变化进行详细的分析，也 没有对分解炉温度过程控制的难度进行归纳，只是按照操作人员的经验通过模糊控制的 方法实现分解炉温度自动控制。文献 4 1 中提出用模糊预测控制方法控制分解炉出1 2 1 温 度。考虑到正常运行条件下，入窑生料流量和通风量都比较稳定，此时的分解炉给煤量 成为主要的影响因素。因此，该文献中设计包含模型预测、模糊控制和模型校正的模糊 预测控制器用以改变给煤电机转速，进而达到控制分解炉温度的目的。但是本文在对分 解炉控制系统参数设计时，将分解炉按照一阶惯性加纯滞后的形式表示。由于分解炉温 度变化相当复杂，只简单地将其看作是一阶加纯滞后这种形式同实际的分解炉被控对象 具有较大的差距，这将导致控制系统参数整定不准确。文献 4 6 中主要是通过研究分解 炉内部物料与气体相互作用的角度对分解炉内气固热交换进行研究并得到物料和煤粉 进口的初始条件。文献 5 0 中通过分析分解炉内部生料和煤粉的燃烧机理，并对分解炉 的建模方法进行了研究，采用b p 神经网络对喂料量和风量进行控制实现对分解炉温度 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的过程控制。该文中所提出的这种分解炉建模方法对研究分解炉具有一定的指导意义， 但是由于影响分解炉温度的不确定因素多、内部反应复杂，这种建模方法得到的模型精 确性得不到保证。 由于分解炉内部反应过程比较复杂，目前还没有一种可用于工程实际的精确的数学 模型，传统的控制方式无法达到令人满意的控制效果。各种智能控制策略的研究均是针 对于特定的工程实际进行的，取得的成果并不一定适用于其它的分解炉温度控制过程， 通用性较差。目前，我国中小型水泥生产单位分解炉温度过程控制主要还是采用人工调 节的方式，自动化程度较低，受操作人员知识、经验和情绪等因素的制约，在不同的操 作人员操作的过程中熟料的质量、产量、能耗等指标可能差距较大，无法实现生产过程 的统一和优化。 1 4 论文的主要工作 本课题以酒钢集团宏达建材公司2 0 0 0 t d 水泥熟料生产线预热及预分解过程为研究 对象，采用西门子p c s 7 集散控制系统和c e m a t 水泥生产行业专用组件对设备进行监 控，实现生产过程的管理和监控。采用先进的仿人智能和规则推理前馈控制方法对分解 炉温度进行控制，以实现分解炉平稳、高效的完成碳酸盐分解任务。本文的主要工作总 结如下： ( 1 ) 深入研究了分解炉的生产工艺，分析了分解炉过程控制的目标和控制中存在的 难点，提出了基于仿人智能控制和基于规则推理前馈控制的分解炉温度控制策略。在分 解炉温度控制回路中加入s m i t h 预估补偿模型，以克服被控过程的纯滞后特性，改善系 统控制性能。前馈控制器将三次风温度、生料给料变化量和窑尾烟气温度作为可测干扰 输入，通过规则推理修正算法降低各扰动量对分解炉温度的影响。设计了分解炉供料逻 辑联锁控制，以实现供料过程的设备合理启停。提出了采用规则推理实现分解炉、预热 器故障预测策略，通过对现场各测量点的监测信号推断可能出现故障的设备。 ( 2 ) 设计计算机控制系统的体系结构和功能。完成分解炉计算机控制系统的体系结构 设计、功能设计和系统平台选型。将该控制系统设计为运行监控层和过程控制层，并对 各层的功能进行了详细的设计。选择德国西门子公司的p c s 7 集散控制系统作为本课题 的系统平台。 ( 3 ) 在p c s 7 系统平台上进行系统开发。完成系统设备联锁控制、分解炉温度智能控 制、增湿塔出口温度p i 控制等控制程序的开发。完成解炉生产过程监控画面的绘制、 报警信息显示和故障预测功能开发。对分解炉温度过程控制系统进行实验室仿真实验研 究，同传统的p i d 控制方法进行比较得知：仿人智能控制具有更好的鲁棒性，能够适应 于具有不确定性的被控对象的控制，具有很好的应用价值。 6 东北大学硕士学位论文第2 章水泥生产预热分解过程描述 第2 章水泥生产预热分解过程描述 分解炉和预热器是新型千法水泥生产过程的重要环节，也是本文的研究对象。新型 干法水泥生产工艺作为一个完整的工艺体系，无论是回转窑、预热器还是分解炉都是这 个工艺体系中不可分割的一部分，我们不能孤立地对分解炉和预热器过程进行研究，必 须将其放到这个整体过程中考虑。本章着重对分解炉和预热器过程进行描述。 2 1 预热分解工艺流程简介 分解炉和预热器是新型干法水泥生产工艺的标志性设备，也是新型干法水泥生产的 重要环节。分解炉及预热器工艺流程示意图如图2 1 所示： 图2 1 分解炉及预热器工艺流程图 f i g 2 1t h et e c h n i c a lf l o wc h a r to fc a l c i n e ra n dp r e - h e a t e r 7 - 东北大学硕士学位论文第2 章水泥生产预热分解过程描述 其中管道中由下至上的虚线箭头代表高温气流走向，图中由上至下的实线箭头示意 物料走向。 水泥生料经合理配比之后( 主要成分为c a c 0 3 ，s i 0 2 ，a 1 2 0 3 和f e 2 0 3 等) 经研磨、均 化等过程处理后由塔架提升机传送进入悬浮预热器。生料喂入c 1 c 2 级旋风筒的连接管 道的进料口，随后物料被来自c 2 级旋风筒的热风带入c 1 级旋风筒进行分离，并且由c l 级旋风筒底部的锁风阀排出，进入c 2 - - c 3 级旋风筒的连接管道上的进料口，被气流带入 c 2 的旋风筒内继续气固热交换。如此反复，经过逐级加热和分离以实现预热生料的目的。 预热后的物料经由c 4 锥部进入分解炉。煤粉由分解炉中部给煤口进入分解炉，由于煤 粉颗粒很小并且充分同物料混合故在分解炉中煤粉以无焰状态燃烧。煤粉燃烧所释放的 热量被碳酸盐吸收，导致碳酸盐吸收热量而发生分解反应。从分解炉出来的物料分解率 高达8 0 9 0 ，经分解炉上部的鹅颈管进入c 5 ，然后经由c 5 锥部进入回转窑进行熟 料煅烧。 悬浮预热器的主要功能是充分利用回转窑和分解炉排出的废气余热加热生料，将生 料预热。一个好的预热器必须具备气固分散均匀、换热迅速、和高效分离三个功能。 旋风筒预热器是一个典型的气固换热系统。单级旋风预热器的结构和工作原理如图 2 2 所示【3 8 】： 料 图2 2 单级旋风筒的工作原理 f i g 2 2t h ew o r kp r i n c i p l eo fs i n g l ev o r t e xc a n i s t e r 在这一过程中，不同的单元起到不同的作用。喂入预热器管道中的生料，在高速上 升气流的冲击下，物料折转成向上随气流运动，同时被分散。在物料随气体上升的过程 中，通过气固的充分接触达到加热物料的目的。由于8 0 左右的换热过程在上升管道中 进行，其余的2 0 在旋风筒中进行，入料口位置直接关系到预热器的工作效率和生料预 热效果。要在物料不掉到下一级预热器的前提下尽量靠近下一级预热器，但是实际工业 场合入料口位置的位置是固定的，一般为l m 以上。这种情况下只能控制风速，如果风 速过低则物料将掉入下一级预热器，如果过高则会