基于微元法預(yù)測水泥回轉(zhuǎn)窯出料量的研究*

歐丹林 陳 強(qiáng) 蔣益女

浙江邦業(yè)科技股份有限公司，浙江 杭州 310052

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基于微元法預(yù)測水泥回轉(zhuǎn)窯出料量的研究*

歐丹林 陳 強(qiáng) 蔣益女

浙江邦業(yè)科技股份有限公司，浙江 杭州 310052

摘 要回轉(zhuǎn)窯出料量是水泥生產(chǎn)過程關(guān)鍵變量之一，但無法直接測量。以微元法分析物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)運(yùn)動機(jī)理，建立水泥回轉(zhuǎn)窯出料量的軟儀表。通過MATLAB仿真和現(xiàn)場實際應(yīng)用證明，軟儀表能良好匹配工業(yè)現(xiàn)場的動態(tài)變化過程，預(yù)測精度高，能滿足水泥廠實際需求，對保證水泥熟料質(zhì)量和實現(xiàn)水泥燒成系統(tǒng)的優(yōu)化控制具有重要意義。

關(guān)鍵詞微元 回轉(zhuǎn)窯 出料量 軟儀表

0　引言

回轉(zhuǎn)窯是水泥生產(chǎn)過程中生料煅燒的關(guān)鍵設(shè)備?；剞D(zhuǎn)窯的技術(shù)性能和運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，在很大程度上決定煅燒產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量、成本與企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。目前，國內(nèi)水泥生產(chǎn)企業(yè)燒成系統(tǒng)的控制大部分都是操作員手工操作，當(dāng)回轉(zhuǎn)窯出料量突然變化時，勢必導(dǎo)致篦冷機(jī)的控制具有嚴(yán)重的滯后性，造成二三次風(fēng)溫波動較大，進(jìn)而影響分解爐和回轉(zhuǎn)窯的穩(wěn)定運(yùn)行，導(dǎo)致水泥熟料質(zhì)量波動較大、能耗較高等一系列問題[1]。因此，建立水泥回轉(zhuǎn)窯出料量軟儀表，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯出料量的在線測量尤為重要[2]。

在預(yù)分解窯水泥工藝中，根據(jù)物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的不同變化，可將窯劃分為過渡帶、燒成帶和冷卻帶。在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，物料發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，且在各帶的運(yùn)動形式不一致，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)窯的出料量很難通過機(jī)理準(zhǔn)確計算出來[3]。但由于工藝機(jī)理建模和數(shù)據(jù)建?？梢曰檠a(bǔ)充，因此，本文通過微元法分析物料在窯內(nèi)的運(yùn)動機(jī)理，與基于歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)建模方法相結(jié)合，建立回轉(zhuǎn)窯出料量軟儀表，結(jié)果表明所述軟儀表反應(yīng)迅速、預(yù)測精準(zhǔn)，具有良好的效果[4]。

1　原理與方法

物料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的運(yùn)動狀態(tài)受多種因素影響，主要有筒體斜度、轉(zhuǎn)速、直徑、物料休止角等。在早期的研究中，Sullivan等人推導(dǎo)出了物料在窯內(nèi)的停留時間的計算公式[5]：

式中：L—筒體長度，m；

D—窯內(nèi)徑，m；

θ—物料休止角，°；

n—窯轉(zhuǎn)速，r/min；

α—筒體斜度，°。

經(jīng)驗證，公式計算值與實際測量值之間存在一定的偏差，采用引入修正系數(shù)的方法對其進(jìn)行修正。將各種工況時的實驗測試值與理論計算值簡單地線性回歸，將公式前的系數(shù)并入修正系數(shù)中，修正后公式為：

式中：ε—修正系數(shù)，由數(shù)據(jù)擬合求出。

由于停留時間公式只考慮了物料進(jìn)出始態(tài)和終態(tài)，沒有考慮中間狀態(tài)，即物料是如何由始態(tài)變化到終態(tài)的，因此本文通過微元法分析，計算物料

*國家科技支撐計劃項目：高強(qiáng)低鈣硅酸鹽水泥及生產(chǎn)控制關(guān)鍵技術(shù)的研究與示范,

項目編號：2013BAE09B00號:2013BAE09B00。運(yùn)動的中間狀態(tài)。

微元法是對事件進(jìn)行整體的觀察后，取出該事件的某一微小單元進(jìn)行分析，通過對微元的細(xì)節(jié)的物理分析和描述，最終解決整體的方法。通過將回轉(zhuǎn)窯劃分成多個微元，單獨分析其中物料的運(yùn)動狀態(tài)，最終達(dá)到了解整個回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料的運(yùn)動狀態(tài)的目的。取回轉(zhuǎn)窯窯尾進(jìn)料處一小段Δl作微元進(jìn)行分析，如圖1所示。水泥回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)速較低，物料處于滾落運(yùn)動狀態(tài)，物料在窯內(nèi)的運(yùn)動可分為軸向運(yùn)動和橫向運(yùn)動，活動層的物料在隨著窯轉(zhuǎn)動的過程中向窯頭移動。

圖1　回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料運(yùn)動微元分析

2　基于微元法的軟儀表建模

設(shè)窯長為L，窯內(nèi)徑為D，物料休止角為θ，窯轉(zhuǎn)速為n，窯傾角為α，停留時間為 T，初始進(jìn)料量G0，可得：

式中：T—停留時間， min；

G0—初始進(jìn)料量，t/h；

V—物料顆粒在窯內(nèi)平均運(yùn)動速度，m/min；

M—窯內(nèi)物料的質(zhì)量，kg；

f—回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料的填充率；

ρ—物料的密度，kg/m3；

A—物料流通截面面積，m2；

G—出料量，t/h；

其他同前，下同。

在回轉(zhuǎn)窯穩(wěn)定運(yùn)行時，窯尾進(jìn)料處Δl微元內(nèi)任意時刻進(jìn)料量等于出料量。這一微元內(nèi)的物料質(zhì)量為：

式中：ΔM—微元內(nèi)穩(wěn)定時刻的質(zhì)量，kg。

2.1 進(jìn)料量變化

在某一時刻，進(jìn)料量突然變化了ΔG(t/h)，則這一微元內(nèi)任意時刻的質(zhì)量為：

式中：t′—微元出料量變化的時間（從進(jìn)料量增加的時刻開始計時），0

ΔMt—微元內(nèi)任意時刻的質(zhì)量，kg。

由公式（4）、（5）可以計算出微元內(nèi)任意時刻的填充率。

式中：ft—微元內(nèi)任意時刻的填充率。

結(jié)合公式（3）、（6）、（7）、（9）、（10）可以算出微元任意時刻的出料量。

式中：ΔG—進(jìn)料量的變化值，t/h；

Gt—微元任意時刻的出料量，t/h。

隨著回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)動，此微元從窯尾向窯頭移動，所需時間為物料的停留時間，因此，在窯頭處任意時刻的出料量為：

當(dāng)0

當(dāng)t>T+Δl/V時，Gt=G0+ΔG

式中：t—回轉(zhuǎn)窯出料時間，min。

ΔG—進(jìn)料量的變化值，t/h；

Gt—微元任意時刻的出料量，t/h。

2.2 回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速變化

轉(zhuǎn)速的變化會影響回轉(zhuǎn)窯內(nèi)物料運(yùn)動速度，進(jìn)而改變回轉(zhuǎn)窯出料量。取窯尾進(jìn)料處一微元Δl進(jìn)行分析，當(dāng)回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速變化時，顆粒在窯內(nèi)的運(yùn)動速度變化，導(dǎo)致窯出料量變化。而此時的進(jìn)料量不變，這必然導(dǎo)致微元內(nèi)的填充系數(shù)變化，由物料平衡可知，在穩(wěn)定后微元的出料量與進(jìn)料量相等。

在某時刻，窯轉(zhuǎn)速由n變成n′，此時窯出料量為：

式中：n—回轉(zhuǎn)窯最初轉(zhuǎn)速；

n′—窯轉(zhuǎn)速變化后的轉(zhuǎn)速。

經(jīng)過一段時間后微元內(nèi)物料進(jìn)出平衡，認(rèn)為是出料量是勻速變化的，微元內(nèi)任意時刻的出料量為：

同理，此微元從窯尾向窯頭移動，所需時間為物料的停留時間，因此回轉(zhuǎn)窯出料量隨時間變化為：

當(dāng)0

當(dāng)t > T+Δl/V時，Gt=G0

式中：t—回轉(zhuǎn)窯出料時間，min；

n′—窯轉(zhuǎn)速變化后的轉(zhuǎn)速，r/min。

3　軟儀表MATLAB仿真模擬

以我國某水泥廠實際回轉(zhuǎn)窯設(shè)備為例，對于所建軟測量模型進(jìn)行MATLAB仿真，參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1　回轉(zhuǎn)窯進(jìn)料量變化MATLAB仿真參數(shù)表

通過MATLAB仿真計算，得到在t=0時，回轉(zhuǎn)窯進(jìn)料量由380 t/h變化到400 t/h時，出料量隨時間變化的結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在進(jìn)料量變化后，回轉(zhuǎn)窯出料量在大約20 min時，從380 t/h開始變化，經(jīng)過大約2 min后變化到400 t/h。

根據(jù)水泥廠實際情況，通過MATLAB模擬在t=0時，回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速由4 r/min變化到4.2 r/min，回轉(zhuǎn)窯出料量隨時間的變化見表2，回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速變化仿真結(jié)果見圖3。

圖2　進(jìn)料量變化仿真結(jié)果圖

表2　回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速變化MATLAB仿真參數(shù)表

圖3　回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速變化仿真結(jié)果圖

4　軟儀表在工廠中的實際應(yīng)用

所建軟儀表已經(jīng)在國內(nèi)某水泥廠得到實際應(yīng)用。

在水泥窯中，回轉(zhuǎn)窯入料量和出料量都不能直接測量?；剞D(zhuǎn)窯入料量通過可以直接測量的入預(yù)熱器生料喂料量來計算。假設(shè)預(yù)熱器/分解爐系統(tǒng)的出料/進(jìn)料比為0.6，則：

窯入料量 = 生料喂料量×0.6。

回轉(zhuǎn)窯出料量也不能測量而得，因此采用與回轉(zhuǎn)窯出料量有一定對應(yīng)關(guān)系的篦下壓力來進(jìn)行對比，以驗證計算方法的準(zhǔn)確性。

在測試過程中，回轉(zhuǎn)窯生料喂料量從380 t/h增加到390 t/h，回轉(zhuǎn)窯窯速為4.0 r/min，一段篦冷機(jī)篦速為10次/分。在測試過程中，回轉(zhuǎn)窯窯速和一段篦冷機(jī)篦速均保持不變。

從圖4中可以看出，軟儀表的預(yù)測值與實際篦下壓力反應(yīng)相關(guān)性非常好，說明軟儀表的預(yù)測準(zhǔn)確，經(jīng)長期運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，軟儀表能很長一段時間內(nèi)保持良好的準(zhǔn)度與精度，對窯的日常操作有非常重要的意義。也可以將該軟儀表引入篦冷機(jī)的控制系統(tǒng)中，為篦冷機(jī)的精細(xì)化操作提供支撐。

圖4　窯出料量軟儀表預(yù)測與實際效果對比圖

5　結(jié)束語

針對水泥回轉(zhuǎn)窯出料量難以在線測量的問題，利用基于微元法的機(jī)理建模與基于歷史數(shù)據(jù)的經(jīng)驗建模相結(jié)合的混合建模法，建立回轉(zhuǎn)窯出料量軟儀表。通過現(xiàn)場應(yīng)用表明，所建軟儀表具有反應(yīng)靈敏、預(yù)測準(zhǔn)確等優(yōu)點，獲得了較理想的測量效果。給出的軟儀表實現(xiàn)方案簡單易行，投資少回報高，對于先進(jìn)控制技術(shù)在水泥行業(yè)中的應(yīng)用具有重要意義。

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中圖分類號：TQ172.622.26

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-0473(2016)02-0061-04

DOI編碼：10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.02.010

收稿日期：（2015-12-18）