立窯生產線工藝自動化與計量

1　序言
　　近十多年來，水泥回轉窯生產規(guī)模越來越大型化，回轉窯生產線的檢測與自動控制技術、計量技術也得到了迅速發(fā)展并趨于成熟，成功的例子很多。相比而言，由于水泥立窯受其生產工藝、投資規(guī)模、臺時產量的影響，立窯的計量與自動控制技術發(fā)展相對緩慢，也走了很多彎路。在計量方面，物料計量從斗式秤、圓盤秤到失重秤，從恒速秤、間歇式皮帶秤到直流、變頻調速式皮帶秤，從螺旋秤、沖擊流量計到轉子秤；水流量計量從轉子流量計、渦街流量計到克里奧流量計。在自動化方面，也經歷了從無到有、從極個別的二型儀表到局部的三型儀表使用，從局部的單臺計算機控制到只有參數檢測、很少參與控制的局域網系統(tǒng)，且使用的成效與運行的可靠性都很不理想，立窯自動化實際上在較長的時間內處于一種困境。
　　隨著DCS系統(tǒng)的廣泛應用與現場總線技術的飛速發(fā)展，用戶對計算機控制技術的要求也不斷提高。在系統(tǒng)的開放性方面，希望各個廠家的產品具有互操作性、互換性、可替代性、可擴充性（可增值性）和多臺支持（可移植性）。在系統(tǒng)的功能方面，要求實現的算法更多，實現的控制目標更高，系統(tǒng)功能更趨綜合化。在系統(tǒng)的自診斷功能方面，要求自診斷功能盡善盡美、準確無誤。其他方面，如系統(tǒng)的易操作性、可靠性、低成本等要求更加苛刻。在這種情況下，水泥生產過程與生產管理呈現了這樣的趨勢:
　?。?）控制的自動化水平越來越高，從經典的PID調節(jié)、反饋、前饋回路控制逐步發(fā)展到批次控制、集散控制、面向對象的優(yōu)化控制、人工智能的專家控制、模糊控制、自學習功能等，對單一參數、單一目標的控制逐步發(fā)展到多參數多目標控制，考慮到多種擾動的影響對其進行校正、補償，算法和知識庫的建立等越來越復雜，越來越要做大量細致地工作，并顯得尤為重要。
　?。?）生料配料、水泥配料和窯、磨、破碎等對象優(yōu)化控制、自適應控制或人工智能專家系統(tǒng)，要求通過計算機集散控制系統(tǒng)自身實現，即不再附加其它計算機硬件。目前采用IPC與網絡通訊組成的控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)的支撐軟件的要求已不僅僅是其功能多么強大、內容多么豐富，而是對其具有不同對象的用戶再開發(fā)能力的需求日漸重要。系統(tǒng)軟件如能支持多種流行的高級語言，用戶根據各個特殊控制對象的不同要求能實現自己的控制策略，那將對行業(yè)的針對性的軟件開發(fā)、對系統(tǒng)內容豐富與軟件的完善都提供了重要的手段。
　　（3）現場智能化儀表普遍使用。
　　（4）數字化的直流調速、變頻控制器、軟啟動裝置、開關元器件等將迅速得到廣泛應用。
　?。?）人工的干預越來越少，操作的點越來越集中，操作方式越來越軟件化。
　?。?）控制系統(tǒng)的功能越來越向綜合性發(fā)展，CRT的作用越來越強。
　　（7）數字信號越來越深入現場，控制將進一步分散，故障點的影響面將越來越小，控制系統(tǒng)的投資將大幅度下降。
　　（8）企業(yè)管理信息系統(tǒng)（MIS）、企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）等信息化管理技術已在一些先進的水泥企業(yè)成功應用，企業(yè)經營管理信息化與生產過程控制一體化也正在得到迅速發(fā)展，電子商務也正在為改變企業(yè)的經營、管理模式發(fā)揮其越來越大的作用。
　　近幾年來，水泥立窯工藝也發(fā)生了較大的變化，比如大磨群窯工藝，大徑窯的臺時產量也有了較大幅度的提高，輥壓磨、立磨、高產高細磨、高效選粉機和小型預均化堆場等性能優(yōu)良的設備及工藝技術，已在立窯水泥企業(yè)得到廣泛地應用；收塵設備的高效與耐用都給立窯開辟了廣闊的前景，特別是生產的連續(xù)性將大大提高，這給自動化的應用奠定了新的基礎，同時也可以借鑒回轉窯廠的一些成功經驗。正是要與立窯技術發(fā)展相適應，立窯生產線不能沒有自動化；不能沒有計算機控制系統(tǒng)；不能沒有高效的現代的數字信息管理系統(tǒng)；更不能沒有高可靠性的檢測與計量系統(tǒng)。但是我們必須強調：要想使得自動化系統(tǒng)真正為立窯生產過程發(fā)揮應有的效用，就一定要實現對水泥生產線的全過程的控制。

2　自動化
　　(1)DCS方案
　　80年代中期以來，我國立窯水泥廠的自動化水平有了較大提高,一些自動化新技術、新產品得到廣泛應用。S型數字儀表、智能儀表替代了故障率高、可靠性差的DDZ－Ⅱ型儀表，并采用了交流變頻器、軟起動器等新型電氣傳動裝置。機立窯生產線自控系統(tǒng)模式從儀表過程控制加常規(guī)繼電器起停控制過渡到局部的計算機加PLC控制，到今天的DCS控制。DCS即集散型控制系統(tǒng)，其特點為集中操作、分散控制。但經過多年的研究試驗，目前機立窯尚不能實現完全的閉門煅燒，窯面布料與卸料的平衡操作、呲火處理、異常窯況處理等，還必須由窯面看火工手工操作。針對立窯的這一特殊性，宜采用以下三種方案：一是分散控制、分散操作的方案，即在立窯生產線各主要工段分別設置DCS控制站和操作站，各控制站和操作站只對本工段的設備起停和工藝參數進行顯示、控制和操作。二是設置中央控制室，操作站集中置于中控室，另在窯面控制室設一小型操作站（如OP操作屏）,中控室內的燒成操作站與現場操作站作協(xié)調控制與監(jiān)測。三是不設窯面現場操作站，全線在中央控制室操作控制，研究開發(fā)窯面智能操作機械手、智能布料機，并配套安裝新型的針孔看火裝置，從而實現對窯面的遠程操作處理與控制。對DCS中的電源模塊、系統(tǒng)網絡采用冗余配置，變送儀表采用精度高、調整方便、通訊能力強、高可靠性的智能型儀表，全面提高檢測控制系統(tǒng)的可靠性。
　　立窯水泥廠規(guī)模較小，投資少，因此,我們在DCS的選型上，面向價格較低的國產DCS系統(tǒng)和利用PLC集成的PCS系統(tǒng)。國產DCS系統(tǒng)經過多年的努力,技術上已十分成熟，且擁有完全的中文界面，便于技術人員和操作人員的掌握。而PCS系統(tǒng)則具有價格低廉、可靠性高的優(yōu)勢，如西門子公司S7系列產品。
　　DCS是生產與管理自動化綜合系統(tǒng)，它包括了調度管理、配料控制、生產線熱工參數檢測控制、喂料喂煤的計量控制和設備起停聯(lián)鎖控制等功能。有條件的企業(yè)，可以預留通訊接口以便掛接企業(yè)管理網。對于異地建廠的集團企業(yè)或有技術單位支持的企業(yè)，可通過電話線實現遠程診斷、遠程管理。

　　(2)原燃料質量控制
　　對于大磨群窯工藝或生產規(guī)模較大的企業(yè)可以建立長條形小型石灰石預均化庫或圓形石灰石預均化堆場，設立一個DCS現場控制站或PC站。對于長條形小型石灰石預均化庫，自動控制進料皮帶小車，實現往復均勻布料或定點下料，控制預均化庫底卸料電振機的開停，實現搭配出料。對于圓形石灰石預均化堆場，自動控制皮帶布料機和取料機以及出料拉鏈機的運行，實現石灰石原料的均勻布料和均勻出料，提高系統(tǒng)的可靠性與預均化效果。
　　采用全自動煤質分析儀或氧彈式發(fā)熱量快速測定儀，自動分析進廠原煤的質量，實現準確配煤與合理搭配使用。

　　(3)生料配料及粉磨工段
　　采用DCS的生料控制站，配備QCS控制軟件，加上取樣器、分析儀、調速皮帶秤、數字磨音測量儀和少量熱工儀表構成生料質量控制系統(tǒng)。系統(tǒng)具有生料配方優(yōu)化計算、配料的實時控制、磨機負荷控制、參數顯示和報表打印等功能。
　　過去立窯水泥廠多使用鈣鐵分析儀，這種分析儀雖然價格便宜，但它只能分析CaO、Fe2O3,不能滿足快速分析出水泥廠其它常用化學成分的需要，也不利于充分發(fā)揮QCS的控制優(yōu)勢，實現三個率值的控制。因此，建議采用小型多元素分析儀，如牛津的Lab－X3000和飛利浦的Minimate，其中飛利浦的小型分析儀價格較牛津的低些，更為適合立窯水泥廠。采用QCS配料控制系統(tǒng),在原燃材料化學成分與水分滿足一定條件下,入窯生料三個率值在原有基礎上可提高15％～20％。
　　對球磨機采用電耳檢測磨音輸入計算機，由計算機自動控制入磨物料的總量，實現磨機負荷控制，保證球磨機穩(wěn)產高產。對立磨系統(tǒng)檢測磨機進出口壓差信號輸入計算機，由計算機自動控制入磨物料的總量，控制立磨負荷；立磨系統(tǒng)出磨風溫穩(wěn)定控制，立磨系統(tǒng)振動檢測及控制。對輥壓磨系統(tǒng)檢測溫度、壓力和輥縫等信號，由PLC自動控制輥壓磨運行；檢測入料倉的料重，穩(wěn)定磨機循環(huán)量，自動控制輥壓磨系統(tǒng)負荷。
　　采用小型PLC控制系統(tǒng)，自動控制生料均化庫的分區(qū)循環(huán)吹風，實現生料的攪拌均化，提高入磨生料的合格率。

　　(4)燒成工段
　　設置DCS燒成站。自動檢測機立窯熱工參數，自動控制預加水成球，自動檢測和糾正立窯偏火。動態(tài)顯示工藝流程圖、趨勢圖、棒圖、偏火畫面和報警圖。
　　主要檢測參數：燒成帶溫度、廢氣溫度、入窯風壓、入窯風量、入窯生料量、成球加水量、轉速、位置、煙氣中CO含量等。
　　主要控制參數：機立窯卸料電機轉速、腰風閥門開度、生料喂料電機轉速、加水調節(jié)閥門開度、羅茨風機放風閥門開度或轉速（采用變頻調速）。
　　DCS自動調節(jié)入窯喂料量，自動調節(jié)水流量，從而實現料水跟蹤控制。
　　值得注意的是：立窯燒成系統(tǒng)的控制要想取得突破性進展，必須做好三件事：一是選擇好入窯生料和水的計量檢測裝置；二是選擇優(yōu)質的新型電動調節(jié)閥；三是盡快開發(fā)出窯面智能操作機械手、智能布料機，并配套安裝新型的針孔看火裝置。

　　(5)水泥磨工段
　　設立DCS控制站，自動檢測磨機運行參數，自動控制入磨物料配比，自動控制磨機負荷。動態(tài)顯示工藝流程圖、趨勢圖、配料控制畫面和報警圖。
　　主要檢測參數：磨音、各調速皮帶秤轉速、瞬時流量、磨機系統(tǒng)工藝參數、入磨物料化學成分。
　　主要控制參數：入磨的喂料量、各物料成分的配比、工藝管道閥門開度、轉速等。

　　(6)變電所監(jiān)測控制系統(tǒng)
　　自動檢測變電所高低壓系統(tǒng)運行參數，對總降或現場的高壓柜采用微機綜合保護裝置，取代傳統(tǒng)的繼電器保護方式，提供完善的保護性能，保證參數設定方便，動作靈敏準確，并可與DCS系統(tǒng)進行通訊，實現中控室遠程監(jiān)控自動控制高低壓供電系統(tǒng)分合閘，具有報警及故障判斷功能。
　　主要監(jiān)測參數：各供電回路的電流、電壓、分合閘狀態(tài)和報警信息。
　　主要顯示控制功能：顯示電流、電壓、有功無功功率、有功無功電度、功率因數等，實現變壓器保護、線路保護、自動選線控制和分合閘操作等。

　　(7)其他檢測與控制新技術
　　采用超聲波式或雷達式料位計連續(xù)檢測原料庫、生料庫、熟料庫和水泥庫等大型圓庫的料位，將料位信號輸入計算機系統(tǒng)，為生產控制及生產管理提供準確的庫存數據。
　　采用工業(yè)電視系統(tǒng)在中控室遠距離監(jiān)視生產線上設備的運行狀況，便于及時發(fā)現問題及時處理。
　　對單管、雙管螺運機和立窯塔篦子等喂料卸料設備，采用變頻調速技術，提高設備調速精度，穩(wěn)定下料量。立窯羅茨風機等大型風機采用變頻調速技術，可以顯著降低設備運行電耗。
　　對低壓電機采用電子式軟起動器，可以根據設備的起動特性設定起動時間和起動電流倍數，改善電機起動性能，降低沖擊電流，延長設備使用壽命。低壓電機采用電子式電機保護器取代熱繼電器，電子式電機保護器可提供速斷、過流和缺相等多種保護功能，保護動作靈敏準確，并具有較強的通訊功能。
　　對大型繞線電機采用液體變阻器起動和靜止式進相器就地補償，對大型鼠籠電機采用熱變電阻起動和高壓電容器就地補償，可降低電機的起動電流，提高功率因數，降低運行電耗。

3　計量
　　(1)生料配料各組分的計量
　　水泥生產過程中，生料質量對熟料及水泥質量起著極其重要的作用，對于機立窯煅燒熱工制度的穩(wěn)定以及降低熱耗也有很大影響，而配料計量設備的性能對生料質量的好壞至為關鍵。采用計量精度高、工作穩(wěn)定的TDG－Ⅴ型調速皮帶秤作為生料配料秤是實現生料質量控制的基本保證。該秤集計量與喂料為一體，秤體框架采用折變成型的箱形結構，機械結構合理，鋼度大，穩(wěn)定性好；稱重傳感器采用雙連孔型高精度金屬波紋管密封傳感器，具有抗側向力、抗沖擊、抗振、穩(wěn)定性好等特點；采取了多種防揚塵和穩(wěn)定精度的技術措施。電控方面采用變頻調速，速度調節(jié)精度高，工作可靠。微機控制器采用高可靠性的工業(yè)級芯片，按工業(yè)控制機標準設計，具有完善的通訊功能與故障自動檢測報警功能。調速皮帶秤是通過稱量機構將皮帶上的載荷傳遞給稱重傳感器，稱重傳感器輸出荷重信號，皮帶的速度是由測速發(fā)電機檢測后輸出速度信號，兩種信號送至控制器中，經計算后得到實際給料流量。因此，該秤具有標定容易、可控性好、操作簡單、維護方便、精度高等優(yōu)點。其動態(tài)計量誤差小于1％。

　　(2)入窯生料量的計量
　　建議采用新型變頻轉子秤作為立窯入窯生料的計量與控制。該秤由給料機與轉子秤體兩部分組成，給料機采用回轉型、多分格、帶攪拌、多層式結構，可有效地消除倉壓的影響，防止沖料；多分格結構保證喂料均勻、受控性好；攪拌裝置可防止物料架橋、堵塞，使物料處于松散狀態(tài)，保持一定的密度。轉子秤體的支撐與進出料口在同一軸線上，并與外界柔性連結。轉子將物料由進料口旋轉帶至出料口，由于物料從進料口到出料口的輸送過程中偏離支撐軸線，即對軸線產生一力矩，其力矩被稱重傳感器作為支反力測得，其信號與轉子中物料的重量成正比。因此，轉子秤喂料穩(wěn)定、均勻、密封性好，計量裝置靈敏度高，抗干擾能力強，計量控制范圍大，小流量時仍能達到較高的計量精度，系統(tǒng)誤差小于1％。

　　(3)預加水水量的計量
　　預加水水量的計量建議采用電容式渦街流量計或克里奧流量計。渦街流量計是通過發(fā)生體產生的旋渦，使檢測元件產生微小的偏移，從而在檢測元件上產生相應的電容變化，即轉變成電信號。因此，它不受水質的影響，抗干擾能力強，計量液體時精度可達0.5％，無易損件，能在惡劣工況下運行?？死飱W流量計是根據克里奧利力原理制成的質量流量計，它的計量精度高，抗干擾能力強，對介質工況變化的適應能力更強。

　　(4)熟料的計量
　　由于熟料溫度較高，宜采用核子秤計量。

　　(5)水泥配料組分的計量
　　水泥配料組分的計量同生料的計量，采用TDG－V系列變頻調速皮帶秤。

　　(6)其他
　　除上述物料流量的計量外，對變電所主要配電回路和大型用電設備供電線路，采用有功與無功數字電度表計量其用電量。

摘自《中國水泥》