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(gè)控制系統(tǒng)時(shí)，我們驚訝的發(fā)現(xiàn)整個(gè)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(gè)窯系統(tǒng)的子系統(tǒng)。對于整個(gè)窯煅燒過程這樣一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)來說，即使一個(gè)非常熟練的窯操人員，要穩(wěn)定這樣一個(gè)非線性、多變量、強(qiáng)耦合、時(shí)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(shí)，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(gè)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(gè)窯的產(chǎn)量，它受制于窯的設(shè)計(jì)和窯內(nèi)實(shí)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(shí)際情況來決定的。窯（爐）的喂煤量是由入窯生料量的多少?zèng)Q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(dòng)系統(tǒng)，其參考輸入（喂煤的設(shè)定量）是入窯生料量的時(shí)間函數(shù)；而用風(fēng)系統(tǒng)是喂煤系統(tǒng)的隨動(dòng)系統(tǒng)，其參考輸入是喂煤量的時(shí)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(shí)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(diǎn)。

　　2、入窯生料的特性和工藝流程與控制特點(diǎn)

　　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(qiáng)烈。水分的增加會(huì)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(qiáng)，流態(tài)性越差；而當(dāng)干燥或伴有氣流時(shí)其流態(tài)性變得極強(qiáng)，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(qiáng)。

　　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(jì)有一個(gè)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(gè)比較重要的環(huán)節(jié)。窯尾生料的定量計(jì)量和控制往往直接串接在這個(gè)工藝環(huán)節(jié)之后。因此不論是從生料的控制計(jì)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(jī)方式的強(qiáng)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(shí)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(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是如何避免穩(wěn)流儲料倉卸料時(shí)（即入窯生料的計(jì)量控制設(shè)備在受料時(shí)），入窯生料的流態(tài)性差異對控制計(jì)量系統(tǒng)的巨大影響；而另一個(gè)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(jì)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(diǎn)對入窯生料控制的影響是實(shí)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(jì)系統(tǒng)的探討

　　采用流量調(diào)節(jié)閥和固體流量計(jì)組成的入窯生料計(jì)（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(jì)量控制原理是通過固體流量計(jì)，檢測出入窯生料的瞬時(shí)（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(shí)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(dòng)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(jì)導(dǎo)向斜槽作用于流量計(jì)檢測板，由流量計(jì)檢測板測量出實(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)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(jì)）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(huì)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(shí)際情況充分考慮其滯后性能對系統(tǒng)動(dòng)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(jì)組成的計(jì)控系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)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(jì)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(jìn)行量化測定，加上影響該性能的因素很多，因此一個(gè)物料絕對穩(wěn)定的流態(tài)性是一種奢求。所以一般在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，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(shí)會(huì)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(shí)，調(diào)節(jié)的系統(tǒng)的滯后性會(huì)降低系統(tǒng)的跟隨性和抗擾性（注：控制系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)，系統(tǒng)還會(huì)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(jì)組成的入窯生料控制系統(tǒng)時(shí)，除了選配性能優(yōu)良的流量調(diào)節(jié)閥和固體流量計(jì)外，設(shè)計(jì)一個(gè)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(gè)穩(wěn)定卸料的料流是非常重要的因素。同時(shí)為了能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際滯后時(shí)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(jī)系統(tǒng)的探討

　　怎樣才能進(jìn)一步提高入窯生料系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)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(jì)、控分離產(chǎn)生的時(shí)滯性是提高整個(gè)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(jī)這樣一個(gè)小慣性線性流量測控環(huán)節(jié)，取代固體流量計(jì)這樣一個(gè)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(gè)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(jī)――流量精調(diào)環(huán)，組成的一個(gè)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(jī)組成的入窯生料計(jì)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(jī)的負(fù)荷組成一個(gè)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(jī)負(fù)荷組成一個(gè)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(jī)負(fù)荷的相對穩(wěn)定，避開了由于其非線性因素對整個(gè)計(jì)量控制系統(tǒng)的影響。充分利用定量給料機(jī)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(gè)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(jī)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(jī)的線速度。通過運(yùn)算和標(biāo)度變化得到實(shí)際通過定量給料機(jī)的瞬時(shí)生料流量，與入窯生料系統(tǒng)的設(shè)定輸入流量進(jìn)行比較，利用偏差調(diào)節(jié)定量給料機(jī)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(jī)的負(fù)荷范圍，再由定量給料機(jī)的荷重傳感器測量定量給料機(jī)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(qiáng)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(gè)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(gè)回路之間存在著強(qiáng)耦合，對強(qiáng)耦合的多回路系統(tǒng)來說，未經(jīng)解耦的控制一定會(huì)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(jì)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(jī)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(jī)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(xiàng)性能指標(biāo)大大超過采用流量調(diào)節(jié)閥＋固體流量計(jì)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(jì)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(gè)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(huì)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(qiáng)制卸料時(shí)，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(jī)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(jī)（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(jì)這樣一個(gè)測量裝置替換成恒速皮帶秤這樣一個(gè)測量裝置之外，還將整個(gè)系統(tǒng)的滯后時(shí)間常數(shù)加大，給系統(tǒng)的動(dòng)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(jì)的質(zhì)量一定要過關(guān)。其二雖然也是采用定量給料機(jī)替代固體流量計(jì)，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(jī)之間的強(qiáng)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(gè)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(gè)微弱的擾動(dòng)也會(huì)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(shí)，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(diǎn)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。