預(yù)分解窯入窯生料控制的探討

　　1、入窯生料的穩(wěn)定性對窯系統(tǒng)穩(wěn)定的影響

　　如果將窯的煅燒過程看作一個控制系統(tǒng)時，我們驚訝的發(fā)現(xiàn)整個系統(tǒng)的CPU竟是我們的窯操人員，喂料系統(tǒng)、喂煤系統(tǒng)和風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)僅僅是整個窯系統(tǒng)的子系統(tǒng)。對于整個窯煅燒過程這樣一個復(fù)雜系統(tǒng)來說，即使一個非常熟練的窯操人員，要穩(wěn)定這樣一個非線性、多變量、強耦合、時變和滯后的復(fù)雜系統(tǒng)――尤其是子系統(tǒng)的自身的穩(wěn)定性較差時，也是非常吃力的。

　　我們再來看一看影響窯煅燒系統(tǒng)穩(wěn)定性的三個主要參量：

　　入窯生料量、窯（含爐）系統(tǒng)的喂煤量以及窯系統(tǒng)的用風(fēng)量。

　　入窯生料量的大小決定了這個窯的產(chǎn)量，它受制于窯的設(shè)計和窯內(nèi)實際煅燒情況，其參考輸入是由窯操人員根據(jù)操作過程的實際情況來決定的。窯（爐）的喂煤量是由入窯生料量的多少決定的，它提供了窯煅燒的能源。窯系統(tǒng)的風(fēng)量取決于窯（爐）的

　　喂煤量，它提供煤粉燃燒所必須的氧氣。從控制的角度大致可以這樣認(rèn)為，窯（爐）喂煤系統(tǒng)是入窯生料系統(tǒng)的隨動系統(tǒng)，其參考輸入（喂煤的設(shè)定量）是入窯生料量的時間函數(shù)；而用風(fēng)系統(tǒng)是喂煤系統(tǒng)的隨動系統(tǒng)，其參考輸入是喂煤量的時間函數(shù)。

　　由此我們可以看出，即使不考慮窯系統(tǒng)各參量的非線性、耦合、時變等復(fù)雜因素，入窯生料系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是窯系統(tǒng)（熱工制度）穩(wěn)定的極為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)和至關(guān)重要的節(jié)點。

　　2、入窯生料的特性和工藝流程與控制特點

　　預(yù)分解窯的入窯生料主要是由石灰石、頁巖和鐵通過研磨后的細(xì)粉狀物料。自然狀態(tài)下，它具有一定的流態(tài)性和較小的休止角，比重大約在1.0t/m3左右。它流態(tài)性受到水分和氣流的影響極為強烈。水分的增加會使其流態(tài)性變差，表現(xiàn)在物料趨于粘聚并有較大的附著性，水分越大其附著性越強，流態(tài)性越差；而當(dāng)干燥或伴有氣流時其流態(tài)性變得極強，表現(xiàn)為物料趨于自溢（自流性），含氣量越大，其流態(tài)性越強。

　　考慮到窯尾生料的特性，目前大多數(shù)水泥廠的窯尾喂料的工藝流程中，都設(shè)計有一個過程穩(wěn)流儲料倉，并且該穩(wěn)流儲料倉通常帶有重量監(jiān)測傳感器或料位監(jiān)測裝置。

　　水泥工業(yè)中窯尾生料的過程穩(wěn)流儲料倉是窯尾生料控制的一個比較重要的環(huán)節(jié)。窯尾生料的定量計量和控制往往直接串接在這個工藝環(huán)節(jié)之后。因此不論是從生料的控制計量方面還是從工藝流程方面，都希望過程穩(wěn)流儲料倉內(nèi)的生料能夠穩(wěn)定地受控卸料。

　　但是經(jīng)過研磨均化后的生料粉體，在常態(tài)下雖具有一定的流態(tài)性，但其流態(tài)性指標(biāo)并不足以保證其能夠以自身重力方式通過穩(wěn)流儲料倉自然卸料。因此除了在傳統(tǒng)工藝中采用螺旋喂料機方式的強制性卸料方式外――極易產(chǎn)生過程穩(wěn)流儲料倉的起拱現(xiàn)象，目前在實際中應(yīng)用中大多數(shù)采用倉（庫）底充氣助卸間或結(jié)合倉（庫）側(cè)充氣破拱的自 然卸料的方式來保證生料倉內(nèi)物料的卸料。

　　通過以上對入窯生料的特性和工藝流程的探討，我們可以發(fā)現(xiàn)，由于入窯生料的流態(tài)性，受助卸氣流的氣壓和穩(wěn)流倉的倉壓影響很大，因此對入窯生料的控制的其中一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是如何避免穩(wěn)流儲料倉卸料時（即入窯生料的計量控制設(shè)備在受料時），入窯生料的流態(tài)性差異對控制計量系統(tǒng)的巨大影響；而另一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是如何避免給料控制裝置的非線性對控制計量系統(tǒng)的影響。

　　從系統(tǒng)的角度去分析入窯生料的特性、工藝流程、卸料特點對入窯生料控制的影響是實現(xiàn)入窯生料穩(wěn)定控制的基礎(chǔ)。

　　流量調(diào)節(jié)閥＋固體流量計系統(tǒng)的探討

　　采用流量調(diào)節(jié)閥和固體流量計組成的入窯生料計（量）控（制）調(diào)節(jié)系統(tǒng)在我國的水泥工業(yè)中占有很大比例。其計量控制原理是通過固體流量計，檢測出入窯生料的瞬時（或平均）流量，并將測量出的流量值與設(shè)定值比較，其偏差通過PID或其變種算法來調(diào)節(jié)流量閥門的開度，力求使入窯生料的實際流量與設(shè)定值保持一致。

　　我們可以從控制學(xué)的角度對該系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能簡要探討一下。

　　該控制系統(tǒng)的流程原理，如上圖所示，被控入窯生料通過流量閥門、布風(fēng)斜槽和流量計導(dǎo)向斜槽作用于流量計檢測板，由流量計檢測板測量出實際流量的大小，反饋給系統(tǒng)，再由系統(tǒng)比較設(shè)定流量與實際反饋流量的偏差來調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥門的開度。

　　入窯生料系統(tǒng)的設(shè)定輸入是入窯生料的流量（注意設(shè)定輸入不是閥門開度），其調(diào)節(jié)手段是利用流量閥門的開度來實現(xiàn)的。因此流量閥門的開度與通過閥門生料流量的大小的線性關(guān)系直接影響該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能間接影響系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)。

　　另外還應(yīng)該注意到流量測量環(huán)節(jié)（固體流量計）和流量調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)（流量調(diào)節(jié)閥）在物理空間的分離（通過布風(fēng)斜槽和導(dǎo)向斜槽來聯(lián)結(jié)）使的該系統(tǒng)在偏差調(diào)節(jié)上會出現(xiàn)一定的滯后現(xiàn)象。因此該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)模式，不應(yīng)采用簡單的慣性環(huán)節(jié)來處理，而應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況充分考慮其滯后性能對系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)的影響。

　　由上的分析可以得出流量調(diào)節(jié)閥開度與流量大小的線性關(guān)系以及調(diào)節(jié)系統(tǒng)對系統(tǒng)滯后性的處理，對采用流量調(diào)節(jié)閥和固體流量計組成的計控系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能起著至關(guān)重要的影響。

　　流量調(diào)節(jié)閥門開度與流量大小的對應(yīng)關(guān)系，除了流量調(diào)節(jié)閥自身設(shè)計合理性和自身質(zhì)量關(guān)系外，物料流態(tài)性能對其影響巨大，如前文所述入窯生料的流態(tài)性能取決于過程儲料倉倉壓和倉底助卸氣壓，特別是倉底助卸氣壓的大小對入窯生料的流態(tài)性能影響。目前由于很難對物料的流態(tài)性能進行量化測定，加上影響該性能的因素很多，因此一個物料絕對穩(wěn)定的流態(tài)性是一種奢求。所以一般在實際應(yīng)用時，閥門自身定位精度的偏差、環(huán)境狀態(tài)的改變或不穩(wěn)定都往往導(dǎo)致流量調(diào)節(jié)閥的非線性。嚴(yán)重時會造成系統(tǒng)的震蕩，表現(xiàn)為物料的沖料或間歇性斷料發(fā)生。

　　采用常規(guī)PID調(diào)節(jié)的單回路系統(tǒng)時，調(diào)節(jié)的系統(tǒng)的滯后性會降低系統(tǒng)的跟隨性和抗擾性（注：控制系統(tǒng)的動態(tài)性能的定義）。特別是當(dāng)調(diào)節(jié)裝置帶有非線性死區(qū)時，系統(tǒng)還會出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)靜差，影響系統(tǒng)精度。

　　由此可以得出在采用流量調(diào)節(jié)閥＋固體流量計組成的入窯生料控制系統(tǒng)時，除了選配性能優(yōu)良的流量調(diào)節(jié)閥和固體流量計外，設(shè)計一個合理的過程儲料倉、穩(wěn)定過程儲料倉的倉壓、穩(wěn)定倉底助卸氣壓下，得到一個穩(wěn)定卸料的料流是非常重要的因素。同時為了能夠提高整個系統(tǒng)的動態(tài)性能，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)實際滯后時間常數(shù)，選擇合理調(diào)節(jié)方式和參數(shù)也是非常重要的。

　　4、流量調(diào)節(jié)閥＋定量給料機系統(tǒng)的探討

　　怎樣才能進一步提高入窯生料系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)指標(biāo)性能。從上節(jié)討論中可以看出，解決調(diào)節(jié)裝置（流量調(diào)節(jié)閥）的非線性和計、控分離產(chǎn)生的時滯性是提高整個系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制性能的關(guān)鍵。為此我們引入了密封皮帶式定量給料機這樣一個小慣性線性流量測控環(huán)節(jié)，取代固體流量計這樣一個單純的測量環(huán)節(jié)，將流量調(diào)節(jié)閥的精確調(diào)節(jié)下降為穩(wěn)流預(yù)給料的粗調(diào)環(huán)節(jié)，形成了一個由流量調(diào)節(jié)閥――穩(wěn)流粗調(diào)環(huán)；密封皮帶式定量給料機――流量精調(diào)環(huán)，組成的一個粗、精雙回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)來解決入窯生料的前述問題。如下圖所示。

　　流量調(diào)節(jié)閥＋定量給料機組成的入窯生料計量控制系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成：由流量調(diào)節(jié)閥門與定量給料機的負(fù)荷組成一個閉合的穩(wěn)流環(huán)節(jié)，考慮到流量調(diào)節(jié)閥的非線性，將其與定量給料機負(fù)荷組成一個定性調(diào)節(jié)的負(fù)荷粗調(diào)環(huán)節(jié)，它的調(diào)節(jié)作用是在一定范圍內(nèi)保證定量給料機負(fù)荷的相對穩(wěn)定，避開了由于其非線性因素對整個計量控制系統(tǒng)的影響。充分利用定量給料機的小慣性和流量線性調(diào)節(jié)功能，避開了調(diào)節(jié)裝置的非線性和調(diào)節(jié)滯后對整個入窯生料系統(tǒng)的影響。該系統(tǒng)的工作原理：1）流量環(huán)的調(diào)節(jié)是由定量給料機的荷重傳感器測定其有效稱量段上的負(fù)荷；由測速傳感器測定定量給料機的線速度。通過運算和標(biāo)度變化得到實際通過定量給料機的瞬時生料流量，與入窯生料系統(tǒng)的設(shè)定輸入流量進行比較，利用偏差調(diào)節(jié)定量給料機的速度。2）負(fù)荷環(huán)的調(diào)節(jié)是由系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定輸入確定定量給料機的負(fù)荷范圍，再由定量給料機的荷重傳感器測量定量給料機的負(fù)荷，與標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷比較，由偏差調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥門的開度。

　　這里需要強調(diào)的是，由于該系統(tǒng)是由流量調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)和負(fù)荷調(diào)節(jié)環(huán)這兩個閉環(huán)回路組成的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。一般來說，可以將該系統(tǒng)看作是雙入、雙出的多回路復(fù)雜系統(tǒng)，兩個回路之間存在著強耦合，對強耦合的多回路系統(tǒng)來說，未經(jīng)解耦的控制一定會使系統(tǒng)發(fā)生震蕩，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。所以如何解耦是控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵。

　　目前由合肥水泥研究設(shè)計院金山公司研制開發(fā)的TDGSL入窯生料系統(tǒng)，就是采用流量調(diào)節(jié)閥＋定量給料機組成的雙回路入窯生料調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過十多年來不斷的完善，汲取眾多現(xiàn)代控制理論精華，建立和發(fā)展了一整套基于現(xiàn)代控制理論的入窯生料控制系統(tǒng)的模型和解耦方法，使得采用流量調(diào)節(jié)閥＋定量給料機模式的TDGSL入窯生料控制系統(tǒng)，正不斷的投入水泥工業(yè)的應(yīng)用，目前該系統(tǒng)已成功的應(yīng)用于國內(nèi)外中大型水泥廠40多套，各項性能指標(biāo)大大超過采用流量調(diào)節(jié)閥＋固體流量計模式的入窯生料系統(tǒng)。

　　5、其它幾種入窯生料系統(tǒng)的辨析

　　考慮到調(diào)速螺旋鉸刀的喂料能力，目前除了少數(shù)1000t/d熟料生產(chǎn)線一下的水泥廠外，采用調(diào)速螺旋鉸刀＋固體流量計模式組成的入窯生料系統(tǒng)已經(jīng)極少了。該模式是將前第3節(jié)所述的流量調(diào)節(jié)閥換成了調(diào)速螺旋鉸刀。這樣一個系統(tǒng)一般來說不能采用倉底空氣助卸方式卸料，否則調(diào)速螺旋鉸刀會喪失作用。由于螺旋鉸刀的轉(zhuǎn)速和流量之間也存在一定的非線性，另外生料物料采用倉底強制卸料時，料倉易發(fā)生結(jié)拱塌料現(xiàn)象。所以目前很少有水泥廠采用該方式作為入窯生料控制系統(tǒng)的。

　　目前還有兩種也稱是采用流量調(diào)節(jié)閥＋定量給料機模式的入窯生料控制系統(tǒng)。它們完全不同于上述第4節(jié)的系統(tǒng)。其一是采用一恒速皮帶秤代替定量給料機（調(diào)速），由此組成的系統(tǒng)與第3節(jié)所述的模式比較，除了將固體流量計這樣一個測量裝置替換成恒速皮帶秤這樣一個測量裝置之外，還將整個系統(tǒng)的滯后時間常數(shù)加大，給系統(tǒng)的動態(tài)性能帶來麻煩外，從系統(tǒng)角度分析該系統(tǒng)與第3節(jié)所述系統(tǒng)比較而言，有害而無益。當(dāng)然前提是固體流量計的質(zhì)量一定要過關(guān)。其二雖然也是采用定量給料機替代固體流量計，硬件模式同第4節(jié)所述的硬件模式相同。但其回避了流量調(diào)節(jié)閥與定量給料機之間的強耦合作用，僅是將標(biāo)度變換后，同步調(diào)節(jié)流量閥門開度和皮帶轉(zhuǎn)速（第4節(jié)所述系統(tǒng)的兩個環(huán)節(jié)是解耦后異步調(diào)節(jié)的），這樣組成的系統(tǒng)，如果從系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性判別角度去分析，一個微弱的擾動也會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡，特別是當(dāng)窯操人員需要改變產(chǎn)量設(shè)定時，其過渡過程將十分漫長，且過渡過程中流量偏差巨大，所以作者觀點該系統(tǒng)甚至不如采用恒速皮帶秤的方式。

　　6、結(jié)束語

　　隨著水泥工業(yè)的不斷發(fā)展，人們對窯內(nèi)煅燒系統(tǒng)提出了更高的要求。如何更穩(wěn)定風(fēng)量精確的控制入窯生料、窯爐煤粉和窯內(nèi)風(fēng)量，以提高預(yù)分解窯的產(chǎn)質(zhì)量，減少能耗成為現(xiàn)代水泥生產(chǎn)中顯得尤為迫切的要求。