Vulcan材料公司升級細(xì)磨流程

  兩年前，Vulcan材料公司安裝了Rockwell Automation下屬PavilionTechnologies公司的Advanced Process Control (APC) 解決方案以及馬爾文儀器的實(shí)時(shí)顆粒粒度分析儀，升級了其水泥細(xì)磨流程。 這些解決方案共同改變了設(shè)備的運(yùn)行，帶來了重大經(jīng)濟(jì)收益，尤其是在能源消耗方面，并顯著改善了產(chǎn)品質(zhì)量。

  2006年，Vulcan材料公司作出決定，用自動化過程監(jiān)測和控制替換手工操作，升級細(xì)磨流程。 本文介紹了這一項(xiàng)目，研究了Pavilion Technologies公司的Cement GrindingApplication解決方案以及馬爾文儀器的Insitec細(xì)度分析儀所帶來的益處。

  Vulcan材料公司（Birmingham, Alabama, US）是美國建筑集料的領(lǐng)先生產(chǎn)商。 Vulcan公司于2007年收購了Florida Rock Industries公司，將水泥制造納入其建筑材料業(yè)務(wù)中。公司的Newberry工廠利用現(xiàn)代化技術(shù)生產(chǎn)普通水泥和砌筑水泥。 生產(chǎn)的最后階段需要在球磨機(jī)流程中將熟料、石膏和石灰石研磨到所需的細(xì)度。 成品水泥的細(xì)度是決定1天強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，對于所服務(wù)的市場尤其重要。

  細(xì)磨流程的手動控制

  細(xì)磨流程將上游窯生產(chǎn)的熟料研磨至指定的表面積（布萊恩細(xì)度〉。電梯輸送機(jī)將球磨機(jī)的產(chǎn)物送入一個(gè)高效率分離器，根據(jù)顆粒粒度提取產(chǎn)品組分，粒度過大的材料被回收到球磨機(jī)中(見圖1)。在安裝自動化控制裝置前，通過手動操縱進(jìn)料率、分離速度和分離器吸入量保持細(xì)磨流程的性能，因?yàn)檫@三個(gè)參數(shù)對于工藝特性具有很大影響。常規(guī)測量設(shè)備變量和頻繁地離線布萊恩分析可提供數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上采取糾正措施。

  布萊恩測量被廣泛用于水泥行業(yè)內(nèi)顆粒細(xì)度的量化。在確定整個(gè)填充床壓降的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，并且只能離線執(zhí)行。在Vulcan材料公司，每兩個(gè)小時(shí)進(jìn)行一次采樣和相關(guān)的測量，以檢查產(chǎn)品質(zhì)量。這些數(shù)據(jù)可用于過程控制，但顯然無法提供對于該過程的實(shí)時(shí)了解。

  意識到手動方式的限制，運(yùn)營團(tuán)隊(duì)決定投資于自動化控制解決方案，以優(yōu)化操作，重點(diǎn)在于能耗和產(chǎn)品質(zhì)量的改進(jìn)。 Vulcan材料選擇了Pavilion Technologies專為優(yōu)化水泥細(xì)磨流程設(shè)計(jì)的控制包。

  模型預(yù)測控制（MPC）技術(shù)

  Pavilion Cement Grinding Application解決方案的核心是一個(gè)多元的過程模型，可預(yù)測一個(gè)輸入范圍內(nèi)的性能。 基于這些預(yù)測，可自動控制這些工藝變量使工藝能夠保持在一個(gè)范圍內(nèi)，達(dá)到優(yōu)化的目標(biāo)。 目標(biāo)如下：

  ·將產(chǎn)品質(zhì)量保持在規(guī)定范圍內(nèi)（布萊恩和325目）

  ·減少變異，提高運(yùn)行的穩(wěn)定性

  ·在受設(shè)備限制的情況下最大化新熟料的進(jìn)料率。

  Vulcan Materials細(xì)磨流程的具體控制方案是通過工藝試驗(yàn)進(jìn)行配置的。 配置過程定義為各個(gè)單元的不同參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，產(chǎn)生一個(gè)快速和不斷優(yōu)化的精確模型。 當(dāng)工廠投入使用時(shí)，模型實(shí)時(shí)運(yùn)行，推動系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄拗苾?nèi)的最佳運(yùn)行點(diǎn)。

  反饋系統(tǒng)測量工藝的反應(yīng)，并將實(shí)際數(shù)值與所需值相比較。 一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)優(yōu)化器計(jì)算控制變量的正確變化，以推動控制變量達(dá)到目標(biāo)。 然后，一個(gè)綜合動態(tài)控制器將這些投射到未來，為每個(gè)控制變量開發(fā)了一系列控制操作，并預(yù)測對于控制變量的影響，以同時(shí)滿足多個(gè)目標(biāo)。目的是為了最大限度地減少特定的目標(biāo)函數(shù)，以便預(yù)測過程輸出盡可能接近所需的參考軌跡。

  在工藝值重新讀取，第一個(gè)控制操作的效果已被觀察到后，這種優(yōu)化過程隨之重復(fù)，以維持未來的預(yù)測層位期間。 這被稱為“實(shí)時(shí)滾動層位控制”，是模型預(yù)測控制的一個(gè)特點(diǎn)。 總之，該系統(tǒng)是一個(gè)綜合控制器的優(yōu)化器，能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算和推動過程達(dá)到最佳位置，這個(gè)位置不斷變化，在這案例中的變動周期為30秒。 表1顯示了流程控制變量的最初狀態(tài)（安裝在線粒度分析之前）。

  Pavilion8控制器操縱研磨機(jī)的熟料進(jìn)料率和分離速度，以控制產(chǎn)品的布萊恩值。 電梯功率用于測量分離器的進(jìn)料率，通過使用相同的參數(shù)，并采用不同的研磨機(jī)排氣風(fēng)扇阻尼器（用于控制通過研磨機(jī)的氣流），將其推向一個(gè)用戶定義的最高限值。 后一個(gè)變量和研磨機(jī)出口噴水會影響離開研磨機(jī)的材料的溫度，將其維持在所需的設(shè)置點(diǎn)。 最后一個(gè)循環(huán)通過最大限度地減少“研磨條件”—從電梯和研磨機(jī)功率變化率計(jì)算的變量來穩(wěn)定系統(tǒng)。 如果研磨機(jī)條件偏離零，通過研磨機(jī)的空氣流和出口噴水速度的變化將使其返回到零。

  軟件平臺的一個(gè)重要特征是能夠從輸入變量預(yù)測布萊恩細(xì)度的Soft Sensor（軟傳感器）。 將預(yù)測值與實(shí)測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較，以使解決方案糾正偏差。 這種細(xì)化過程由系統(tǒng)的能力而促進(jìn)，以妥善解決干擾變量：影響非直接可控的過程問題。 例如，可磨性或進(jìn)入球磨機(jī)的熟料溫度的任何變化都會影響設(shè)備，引發(fā)工藝的變化。 對于這種變化將有控制響應(yīng)，保持過程的控制變量正確，并且模型修正對于這種干擾具有基本的堅(jiān)固性，即使這些并非專門包含在控制器中。

  自動控制穩(wěn)定并提高了設(shè)備的性能，使其能夠成功運(yùn)行更長的時(shí)間，同時(shí)減少了手動輸入，控制器的利用率在95％以上。 然而，手動布萊恩值變化性和操作錯(cuò)誤所產(chǎn)生的誤差不能與實(shí)時(shí)PSD測量精度相比。 此外，內(nèi)部實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果表明，1天強(qiáng)度與粒度分布的相關(guān)性比布萊恩值更高。 從布萊恩值轉(zhuǎn)換為線上粒度測量似乎是合乎邏輯的下一步。

  了解水泥性能和粒度之間的相關(guān)性

  圖3顯示了質(zhì)控人員在現(xiàn)場制作的1天強(qiáng)度和3至30微米之間的材料量的相關(guān)性。 使用馬爾文儀器的離線激光衍射分析儀Mastersizer 2000生成粒度數(shù)據(jù)。

  研究顯示粒度參數(shù)與早期強(qiáng)度密切相關(guān)。 布萊恩值的限制之一是它提供了一個(gè)樣本的單數(shù)，而不是提供粒度測量的分布。 具有不同粒度分布的兩個(gè)水泥樣品可能具有相同的布萊恩值，但由于細(xì)顆?；蜻^大材料的相對比例，現(xiàn)場的表現(xiàn)卻大不相同。 這結(jié)果量化了早期強(qiáng)度與關(guān)鍵粒度參數(shù)之間的關(guān)系，為過程控制提供更好的基礎(chǔ)。

  研究粒度和水泥性能之間的相關(guān)性有助于深入了解如何提高產(chǎn)品質(zhì)量。 通過控制水泥水合作用的速度，可以影響比表面積，從而直接通過粒度影響強(qiáng)度，但這項(xiàng)研究表明，顆粒粒度也會反過來影響需水量。 在使用過程中，水泥與水和其它摻入料混合，形成具有一定稠度的水泥漿；“坍落度”(slump) 一詞用于定義流動性。 研究人員發(fā)現(xiàn)，控制一定的粒度參數(shù)可以減少具有“正常坍落度”的混合料所需的水量。 這是一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)榛旌狭现械乃缴?，早期?qiáng)度就越高。

  總之，離線研究表明，基于粒度而非布萊恩值進(jìn)行控制，能夠更嚴(yán)密地控制產(chǎn)品的性能，并穩(wěn)定/降低需水量，增加給客戶帶來的好處。

  安裝實(shí)時(shí)粒度測量儀器

  基于離線研究所獲取的信息，Vulcan材料安裝了一套能夠生成實(shí)時(shí)粒度數(shù)據(jù)的激光衍射系統(tǒng) — 線上Insitec粒度分析儀。 分析儀此前在其他水泥廠生產(chǎn)環(huán)境中的成功運(yùn)行確保該應(yīng)用。 Insitec的安裝快速方便，沒有出現(xiàn)任何問題，調(diào)試也非常簡單。 它現(xiàn)在已成為工廠的一個(gè)組成部分，24/7全天候可靠運(yùn)行。 安裝后的系統(tǒng)可用性一直保持在95％以上。

  工藝流的代表性部分在分析后不斷通過樣品循環(huán)返回到生產(chǎn)線（見圖4）。 測量本身具有非破壞性、快速的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)每秒鐘生成四個(gè)完整的粒度分布。 分析軟件有助于與設(shè)備控制平臺的集成，實(shí)現(xiàn)所有測量的完全自動化。 對于常規(guī)監(jiān)測和控制，粒度系統(tǒng)提供：

  · ％小于45微米

  · ％3至30微米

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  改進(jìn)控制模型，以使用這些參數(shù)而非布萊恩值測量，是實(shí)現(xiàn)全自動監(jiān)測和控制的最后一步。 總體而言，分析儀的安裝和調(diào)試以及模型的修改需要大約五個(gè)星期的時(shí)間，對于工廠運(yùn)行幾乎沒有干擾。 當(dāng)完整的解決方案完成后，流程的全面優(yōu)化就會變得非常簡單。

      收獲自動化控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控的益處

  綜合控制解決方案將流程推向了一個(gè)新的運(yùn)行體系，與以前具有很大的不同。 隨著優(yōu)化的進(jìn)行，收集信息，以促進(jìn)分離器運(yùn)行的重要變化。 很明顯，如上所述，高負(fù)荷能夠提高分離效率，所以現(xiàn)在將電梯功率提升到最大。 分離器速度下降能夠以更高的進(jìn)料流量提供所需的產(chǎn)品組分。

  工藝經(jīng)濟(jì)性方面最引人注目的變化是特定的能耗減少20.3％，即每研磨一噸水泥的能源使用量（見表2）。 研磨機(jī)功率顯著降低，即使產(chǎn)量（進(jìn)給率）高出15％以上。 由于磨球裝量減少了15％，在研磨方面也取得了益處。 產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)的分析解釋了研磨過程變得更容易的原因。

  每日強(qiáng)度現(xiàn)在超出基礎(chǔ)水平15％，產(chǎn)品布萊恩值低于實(shí)施控制前10％。 更好地了解控制強(qiáng)度的顆粒粒度參數(shù)，加上嚴(yán)密的工藝控制，能夠使產(chǎn)品剛好被碾磨到滿足規(guī)范的細(xì)度。

  產(chǎn)品質(zhì)量的提高還降低了C3S (alite) 濃度（見圖5）。提高C3S的濃度有助于提高早期強(qiáng)度，但會增加能源成本，因?yàn)樯a(chǎn)所需的窯條件更為苛刻。 由于強(qiáng)度目標(biāo)現(xiàn)在很容易達(dá)到，Vulcan材料降低了C 3的水平，以降低窯的運(yùn)行成本。

  產(chǎn)品的需水量現(xiàn)在已經(jīng)穩(wěn)定，相對較低，并已經(jīng)獲得了最終用戶的良好反饋。 產(chǎn)品質(zhì)量效益在經(jīng)濟(jì)方面很難量化，而節(jié)約能源則更容易估計(jì)。

  該公司計(jì)算，僅節(jié)約能源一項(xiàng)，兩套系統(tǒng)的資本投資就已完全收回，整個(gè)項(xiàng)目的投資回收期僅有一年。

  結(jié)論

  Vulcan材料公司已通過自動化控制和安裝實(shí)時(shí)粒度分析成功實(shí)現(xiàn)了水泥細(xì)磨流程的轉(zhuǎn)型。 該公司目前正在以更低的成本期間生產(chǎn)質(zhì)量更好的水泥。 該項(xiàng)目的成功得益于三個(gè)關(guān)鍵因素：

  ·針對行業(yè)需求選擇并安裝了一個(gè)功能強(qiáng)大的模型預(yù)測控制包

  ·認(rèn)識到了布萊恩值的局限性，并發(fā)現(xiàn)了粒度和水泥性能之間更高的相關(guān)性

  ·采用實(shí)時(shí)粒度分析作為過程控制的基礎(chǔ)

  通過完全自動化，優(yōu)化過程以不同于項(xiàng)目開始之前的方式對設(shè)備進(jìn)行控制。 產(chǎn)量更高，分離器進(jìn)給率增加，研磨機(jī)功耗更低；過度研磨現(xiàn)在可以忽略不計(jì)。 每日強(qiáng)度提高了15％左右，即使該廠所采用的布萊恩細(xì)度比以前大大降低。 需水量已經(jīng)穩(wěn)定在較低水平，用戶反饋良好。