DCS系統在水泥行業中的應用

摘要：近20年來，水泥工業從技術、產品總量、裝備方面都得到巨大發展，特別是由于近年來計算機控制技術、通信技術和圖形顯示技術的飛速發展，水泥工業中的電氣控制方面也有了質的飛躍。由原來的繼電器控制發展到DCs（集散計算機控制系統）。在水泥制造過程的三大部分（原料制備、熟料燒成和水泥制成）中，熟料燒成系統是個互相干擾因素多、控制復雜、在質量和節能方面占有重要地位的關鍵過程?？梢哉f，熟料燒成DCS系統控制是對穩定產品的質量、提高設備生產率以及能源的節約．都起著至關重要的作用。文章詳細分析燒成系統主要監控參數及水泥生產線DCS自動回路優化控制。
關鍵詞：熟料燒成系統；DCS系統；溫度；壓力；調節控制
1前言
　　水泥作為發展國民經濟的主要的原材料，我國在近2O年的改革開放的形勢下，水泥工業不論從技術、產品總量、裝備方面都得到巨大發展但是我國水泥工業在工業結構、產品品種、技術裝備水平方面與世界先進水平尚有較大差距。為了使我國水泥工業更好的適應我國國民經濟的發展和改革開放參與國際市場競爭的需要，國家建材局提出了建材工業“由大變強，靠新出強”跨世紀戰略。同時新型干法技術提供了提高水泥設備的單機能力和功能的可能性，而追求高效率、高性能、低成本，促進了水泥裝備大型化的進程。設備大型化是實現工藝技術的手段和途徑。為達到此目的必須提高設備制造技術和與之相配套的原材料（耐熱、耐磨、耐火材料）的質量，提高必要的檢測、保護裝置的靈敏可靠性。
　　由于近年來計算機控制技術、通信技術和圖形顯示技術的飛速發展，DCS這種分散控制，集中管理的集散型控制系統已經在世界水泥工業中得到廣泛的應用。采用這種系統可以實現電動機成組程序控制，過程量的采集、處理、顯示和調節。大大提高了勞動生產率，提高了工廠的管理和經營水平。水泥工藝過程是處理固體和粉狀物料的生產過程，風、煤、料產生的熱工過程變化復雜，不可控因素較多。從過程控制的角度來看，是一個滯留時間長、時間常數大、外來干擾多、相互干擾關系復雜的過程。在水泥制造過程的三大部分（原料制備、熟料燒成和水泥制成）中，熟料燒成系統是個互相干擾因素多、控制復雜、在質量和節能方面占有重要地位的關鍵過程。以下就水泥生產線中的熟料生產部分介紹DCS系統在水泥行業中的應用。
2 熟料生產DCS控制
　　熟料燒成系統主要流程：來自原料制備系統的生料由第二級預熱器出口管路上加入，在5級旋風預熱器和回轉窯內與燃燒的高溫氣體進行熱交換，經過窯內燒成的熟料進入篦式冷卻機進行驟冷。因此燒成過程的三個部分（預熱器、回轉窯、冷卻機）相互干擾，形成反饋的動態情況。有時為了穩定某個參數而采取相應的操作，其結果不僅不能達目的，反而對其它參數產生不良的影響，造成整個窯系統的波動，因果關系復雜。由于水泥廠控制調節回路較多，系統參數要即時反映出窯內熱工狀況，發揮DCS系統調節過程變量的優點，并提供了強大的診斷報警功能，操作工人能即時準確的處理窯系統報警。DCS系統對保持窯內熱工狀況穩定和提高系統運轉率起到至關重要的作用。
2．1 燒成系統DCS主要監控參數
2．1．1 燒成帶溫度
　　燒成帶的溫度控制，實際上是一個溫度場的問題，包括物料溫度、氣流溫度、火焰溫度等等。采用比色高溫計，可以直接測出火焰溫度。此外，檢測窯尾廢氣中的NOx濃度，也可以反映火焰溫度。因為NOx的形成同N2和O2的濃度及火焰溫度有關，在窯中Nz的濃度可視為常數，這樣NOx的濃度僅與O2的濃度和火焰溫度有關。過?？諝庀禂荡螅∣2的濃度高），火焰溫度高，NOx的濃度則高；反之，火焰溫度低，在還原氣氛中O2的濃度低，這時NOx的濃度則下降。在窯系統正常運轉的情況下，其過剩的空氣系統相對穩定，O2的濃度相對穩定，這時窯尾廢氣中的NOx只與燒成帶火焰溫度有關。火焰溫度高。NOx濃度大；反之，NOx濃度小，且反映靈敏，時間滯后小。由于火焰溫度是燒成帶溫度的主導因素，因此，一般均以NOx濃度作為燒成帶溫度變化的控制標志。
2．1.2 窯轉矩
　　根據熟料溫度的不同，被窯壁帶起的熟料量和被帶起的高度也不同。熟料溫度高，被帶起的量多；反之，則少。因此，熟料溫度高，窯轉矩大，但是在窯內掉磚以及窯喂料量變化情況下，同樣也會影響窯轉矩的值。因此，當窯轉矩與NOx濃度值、比色高溫計測量的值發生逆向變化時，應考慮到窯內熱平衡被某種因素所干擾，要么是窯喂料發生變化（人為的或窯喂料控制系統故障），要么是掉窯皮（或磚）。掉窯皮可通過窯胴體掃描裝置檢測到。
2．1．3 窯尾氣體溫度
　　合適的窯尾溫度對于物料均勻預熱，防止窯尾煙室、上升煙道以及旋風筒因溫度過高而發生的物料粘結和堵塞非常重要，一般控制在900～ 1100℃之間。
2．1．4 分解爐出口或最下一級旋風預熱器出口溫度
　　這兩個位置的溫度，均能反映物料在分解爐內的分解情況，一般控制在850～900℃之間。但是在無分解爐的狀態下，出最下一級旋風預熱器的氣體溫度通?？刂圃?00～850 C范圍，因為在這個溫度范圍內，可保證物料在分解爐內的分解狀況穩定，從而使窯系統的整個熱工制度穩定。否則不但會影響窯系統的熱工平衡，還會造成分解爐及預熱器系統物料結皮和堵料。
2．1．5 一級筒出口溫度
　　溫度太高，說明喂料量與燃料量或用風量不匹配，會造成其它旋風預熱器發生粘結和堵塞，或是已造成某一旋風筒發生堵塞。同樣，溫度過低，也說明喂料量與燃料不匹配，且使分解爐分解率偏低。因此，通?？刂圃?20～350℃范圍。
2．1．6 窯尾、一級預熱器出口氣體成分分析
　　一般均分析O2、CO濃度，從而可了解窯內、分解爐內燃料的燃燒及通風狀況 一般窯尾O2控制在1．0 ～1．5％，一級桶O2控制在3 一5％左右，為的是既不能使燃料在過剩空氣系數很少的情況下燃燒，產生大量的CO，危及窯尾電收塵器的安全；又不能在過?？諝饬窟^大的狀況下燃燒，增加熱耗。而在正常生產過程中，風量、喂料量以及燃料量都是相對穩定在某一值，相互匹配，整個窯系統是平衡的。因此，當O2、CO濃度發生變化時，在綜合分析原因后，適當調整喂煤量（窯頭或分解爐）就可控制O2、CO值在設計范圍內。
2．1．7 各級旋風預熱器出口壓力
　　各級旋風預熱器的壓力測量，可幫助操作人員了解各級預熱器工作是否正常，判斷生料流動是否正常，有無漏風或堵塞現象。某級筒負壓值低于設定值，說明該級或該級以下發生料粘結或堵塞，需盡快處理，嚴重的要立即停料。
2．1．8 三、四、五級旋風筒錐部壓力
　　測量三、四、五級筒錐部壓力，可掌握它們的下料狀況的好壞。當旋風筒溫度過高發生料粘堵塞時，其錐部負壓值就會下降。此時需立即采取措施，如用空氣炮吹堵或人工捅料，但一定要做好防護安全措施，保證人身安全。
2．1．9 窯尾壓力
　　窯尾壓力一般控制在一300Pa左右，通過檢測窯尾負壓值能幫助操作人員了解回轉窯內氣流阻力的變化情況。當負壓值高于設計值范圍，窯內可能出現結圈，并借鑒胴體掃描做出綜合判斷。
2．1．1O 窯尾排風機出口壓力
　　在窯系統與生料磨系統聯合操作運行時，窯尾排出的廢氣用于生料磨系統烘干等，該點的測量是非常必要的。因為該點的負壓值直接影響以上兩個系統的操作平衡。當該點的負壓值大于設定值或正壓值較設定值小時，應將電收塵后的排風機閥門關??；反之，則開大閥門，以保證風量平衡。
2．1．11 電收塵入口氣體溫度
　　不同生產廠家的電收塵器，對人口氣體溫度要求是不同的。因此，必須嚴格控制人口溫度在規定的范圍，以保證電收塵設備安全運行及防止氣體冷凝結露，影響電收塵設備正常工作。一般都裝有自動控制裝置，當人L1溫度超過極限，或人L1氣體CO濃度值超過電收塵器安全規定值且溫度也較高時，電收塵器的高壓電源自動跳閘且報警。
2．1.12窯頭負壓
　　一般要求保證窯頭微負壓，防止窯頭噴火。另一方面，窯頭負壓穩定，也表征窯內通風及冷卻機人窯二次風之間的平衡。通常增加篦冷機余風排風機風量，窯頭負壓增大；反之減小。但是，在正常生產情況下，窯尾風機風量盡量保持不變，否則將影響整個窯系統的熱工平衡。因此，均采用調節窯頭電收塵出口閥門的開度來保持窯頭罩為微負壓。正常生產時，窯頭負壓一般保持在一0．1～ 一0．05kPa。如產生正壓，導致噴火，將危及窯頭比色高溫計及看火電視等儀器。
2．1．13 窯頭電收塵器入口溫度
　　這對電收塵器安全正常工作十分重要。在窯系統出現不穩定時，從窯頭掉下的熟料量變化較大，出現冷卻機無法及時將熟料冷卻，這時從冷卻機抽出的熱風溫度就高，則需采取冷卻機內噴水降溫，一般要求廢氣溫度小于200℃。
2．1．14 二次空氣溫度
　　從工藝角度要求二次風溫度必須穩定。因為二次風對于窯內燃燒的好壞、工作的穩定和煅燒過程中燃料的消耗都有較大的影響。
　　以上參數都可以通過DCS直觀的反映出來，為了方便操作人員更好的監控整個窯系統的生產過程
3 水泥生產線DCS自動回路優化控制
　　水泥生產線控制回路的優化控制系統代表了水泥生產自動化的發展方向。回路優化控制取代了原有靠操作工人經驗來維持水泥生產的熱工穩定。國內外通過多年的研究和實踐，認為以多條單回路優化控制來實現水泥生產線的自動化生產是可行的、有效的、必要的，它將大大提高水泥企業的控制水平。近幾年來，回路優化控制已在水泥廠得到了大量的應用，取得了良好的效果。
3．1 窯尾喂料調節控制
　　一般為兩條回路。一條回路檢測生料小倉重量，控制生料均化庫下料流量閥的開度，保持生料小倉的料位穩定，減少調節回路的計量誤差。另一條回路是通過測量沖擊（或滑槽）流量計的物流量，調節生料小倉下料流量閥的開度，確保生料人窯量的穩定。即：
　?。?）生料小倉重量=生料均化庫下料流量閥開度（2）沖擊流量計：生料倉下料流量閥開度。
3．2 分解爐喂煤量控制
　　分解爐內溫度的穩定，有利于保持一定的分解率。一般通過測量最下級旋風預熱器出口溫度來控制喂煤調節閥。不太常在分解爐出口測溫度，主要是該處的廢氣粉塵濃度太大，測溫裝置的使用壽命受到影響。
　　分解爐最下級旋風筒出口溫度：喂煤流量調節閥開度（或分格輪速度）。
3．3 增濕塔出口廢氣溫度控制
　　根據濕塔出口氣體溫度自動控制增濕塔噴水量。
　　增濕塔出口溫度=噴水流量閥（噴水噴頭數量）
3．4 窯頭罩負壓自動控制
　　穩定窯頭罩負壓，保持二次風入窯相對平衡，有利于窯熱工制度穩定。窯頭罩正壓會弓I起窯口噴火，損壞設備。但窯頭罩負壓過大，窯內通風過大，粉塵大，降低窯內溫度，增加熱耗。一般要求控制在微負壓（一50Pa左右）。
　　窯頭罩負壓：篦冷機余風排風機閥門開度。
3．5 冷卻機篦速自動調節
　　冷卻機篦速檢測的目的是為了保證篦床料層厚度，使熟料冷卻均勻，入窯二次風溫穩定，且保持冷卻機安全運行。然而直接測量料層厚度相對來說比較困難，核放射測量儀（ 一輻射器）大多數工廠不愿使用，主要擔心放射性輻射。根據流體力學理論，氣體通過料層的阻力，與料層厚度成正比關系，因此可用一室篦下壓力來間接反映料層的厚度。篦床速度的檢測主要根據篦冷機的篦下壓力變化調節，以實現穩定料層的要求。低但是，當出現大塊料或掉窯皮時，料層厚度與篦下壓力不再成正比關系，這時篦下壓力非旦沒有增加，反而下降。如根據上述方法調節，篦板速度也隨之放慢，以致使篦板料層越積越厚，將會造成篦板燒壞，冷卻機電機被燒壞。為此，必須增設監控參數，即電機電流。當篦下壓力下降，而電機電流上升時，則此電機電流為主控參數，迫使篦板速度提高，不致造成以上事故。

3．6 冷卻機冷風風量自動調節
　　為了使冷卻機工作狀況少受外界的干擾，同時也為了使冷卻機篦下壓力能夠較真實地反映料層厚度，保持一～五室的風量穩定是非常必要的，故采用一～ 五室冷風風量自動調節各自的閥門開度。冷卻機入口風量=相應的冷卻風機入口閻門開度
3．7 窯頭喂煤自動控制
　　它是窯熱工制度穩定的不可缺少的關鍵環節，可根據窯尾冷煙室溫度來調節回轉下料器的轉速，從而保證定量給煤。
　　窯尾冷煙室溫度：回轉下料器轉速
3．8 旋風預熱器錐部自動吹堵控制
　　當預熱器錐部下料口負壓值由于熱工不穩定造成錐部堵料而下降時，自動啟動壓縮空氣電磁閥，以防止或消除下料堵料現象。
　　錐部負壓：相應電磁閥開關
　　另一方法，是采用PLC程序控制，實施連續循環吹掃，同樣也可防止和消除堵料現象。
3．9 冷卻機噴水控制。
　　根據工藝設計，有時不需要冷卻機噴水，另外，冷卻機噴水系統設置形式也較多，因此，操作人員可根據具體的實際噴水控制系統了解和掌握。
　　根據上述熱工參數的檢測和水泥生產線DCS自動回路優化控制的闡述，在燒成系統中設置兩個現場控制站對燒成系統得設備進行監控和調節?？珊脼樗嗥髽I帶來以下幾方面的效益：
　　穩定了產品質量
　　提高了設備生產率
　　減小了人為誤差
　　增強了調節的實時性
　　保證了整個熱工制度的穩定
　　節約了大量能源
　　結束語：綜上所述，隨著水泥行業不斷向大型化、智能化的發展，DCS系統在水泥行業中起著越來越重要的作用。必將成為水泥生產企業不可取代的主要生產控制方式。
參考文獻：
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[2] 羅安．王常力．分布式控制系統（DCS）設計與應用實例．電子工業出版社
[3] 孫晉濤．硅酸鹽熱工基礎．武漢理工大學出版社