煤粉制備CAM智能控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用*

歐陽昆翔 袁亦斌 歐丹林 梁逸敏

浙江邦業(yè)科技股份有限公司, 浙江 杭州 310051

煤粉制備CAM智能控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用*

歐陽昆翔 袁亦斌 歐丹林 梁逸敏

浙江邦業(yè)科技股份有限公司, 浙江 杭州 310051

煤粉制備是我國絕大多數(shù)水泥企業(yè)必備的生產(chǎn)配套工藝。煤磨產(chǎn)出的煤粉質(zhì)量對(duì)分解爐燃燒及回轉(zhuǎn)窯正常運(yùn)轉(zhuǎn)都有著關(guān)鍵影響。以CAM（Cement's Automation and Management System，即水泥自動(dòng)化與管理系統(tǒng)）智能控制系統(tǒng)為平臺(tái)，創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，開發(fā)出煤粉制備控制模塊：通過穩(wěn)定磨機(jī)出口壓力來穩(wěn)定磨機(jī)負(fù)荷，并保持磨機(jī)的出口風(fēng)溫、入口風(fēng)溫、電流、吐渣量等在合理的范圍內(nèi)，使磨機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)產(chǎn)量最大化。實(shí)踐表明，煤粉制備控制器控制效果良好，能夠有效地控制煤磨出口溫度，提高煤磨產(chǎn)量，節(jié)約熱風(fēng)，減少電耗。

煤磨 CAM 智能控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

0 引言

近十幾年來，我國水泥工業(yè)發(fā)展以預(yù)分解窯水泥生產(chǎn)技術(shù)為主導(dǎo)[1]。在預(yù)分解窯爐煅燒工藝、節(jié)能粉磨技術(shù)、環(huán)境保護(hù)技術(shù)等方面，從設(shè)計(jì)到裝備制造都迅速趕上國際較先進(jìn)的水平[2]。盡管我國回轉(zhuǎn)窯工業(yè)在工藝設(shè)備水平等“硬件”方面已經(jīng)和國際領(lǐng)先水平差距不大，但是在信息化、智能化等“軟件”方面差距巨大[3]。裝置能耗居高不下，在信息化智能化方面，基本處在基于DCS系統(tǒng)的手工操作，依賴操作員的經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心的“半自動(dòng)化”水平[4]。隨著市場(chǎng)競爭的加劇及國家對(duì)節(jié)能減排要求的日益緊迫，提升裝置自動(dòng)化控制水平、減少手工操作帶來的能源和原材料的浪費(fèi)，是水泥行業(yè)有識(shí)之士的共同愿景[5]。應(yīng)用“智能控制”等先進(jìn)控制技術(shù)，是解決此類問題的“取勝之匙”[6]。

浙江邦業(yè)科技股份有限公司（以下簡稱邦業(yè)科技）針對(duì)水泥行業(yè)開發(fā)出一套智能控制系統(tǒng)——CAM智能控制系統(tǒng)，其核心技術(shù)包括以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為內(nèi)核的多變量模型預(yù)測(cè)技術(shù)、滾動(dòng)優(yōu)化技術(shù)以及反饋校正技術(shù)[7,8]。通過對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、優(yōu)化，再反饋給DCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控裝置的智能化、全自動(dòng)化操作。本文主要介紹煤粉制備控制模塊。實(shí)踐證明，與操作員手動(dòng)控制相比，煤磨CAM智能控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定控制磨機(jī)出口溫度，在保證正常生產(chǎn)的情況下提高產(chǎn)量，節(jié)省電耗，減少熱風(fēng)消耗。

1 煤粉制備智能控制技術(shù)原理

1.1 煤粉制備工藝流程簡介

煤粉立磨制備流程（見圖1）一般為：經(jīng)過搭配的物料經(jīng)喂煤機(jī)送到立磨機(jī)的磨盤上，磨盤在主電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)；由于離心力的作用，物料被分散在磨盤的四周，在磨輥的重力和施加研磨力的作用下碾磨成粉；一部分大顆粒物料掉入噴嘴環(huán)，經(jīng)刮板刮出磨腔；來自窯尾或熱風(fēng)爐的高溫廢氣，經(jīng)噴嘴環(huán)進(jìn)入磨機(jī)，產(chǎn)生渦流風(fēng)，對(duì)物料進(jìn)行預(yù)熱烘干；被粉磨的物料在排風(fēng)機(jī)的抽力下，懸浮起符合某一細(xì)度要求的物料進(jìn)入選粉機(jī)；一部分顆粒由于與導(dǎo)向葉片碰撞、物料與物料的碰撞及離心力作用，經(jīng)重錘閥重新入磨粉磨；合格的物料經(jīng)旋風(fēng)筒收入收塵器，經(jīng)收塵器過濾后的氣體通過排風(fēng)機(jī)排入大氣[9]。煤粉進(jìn)入煤粉倉后帶入的廢氣經(jīng)安置在煤粉倉頂部的袋收塵器過濾后由獨(dú)立的風(fēng)機(jī)排出。

1.2 煤粉制備智能控制需求

煤粉制備是熟料燒成流程中重要環(huán)節(jié)之一，其運(yùn)行的安全與穩(wěn)定比產(chǎn)量更為重要。一方面，煤磨出口溫度、煤磨入口溫度、收塵器入口溫度等過高，易造成煤粉自燃而引發(fā)安全事故，因此安全是第一位的；另一方面，煤磨是為燒成系統(tǒng)服務(wù)的，因此對(duì)出磨煤粉的細(xì)度、水分的含量有嚴(yán)格的要求[10]。在目前的煤磨操作中，要求操作員通過手動(dòng)操作使得磨機(jī)出口溫度在范圍內(nèi)、細(xì)度合格、產(chǎn)量穩(wěn)定，對(duì)操作的精細(xì)度及操作員的專業(yè)水平要求很高。為減少誤操作、提高操作精度，煤磨的智能化控制勢(shì)在必行。煤磨主要控制參數(shù)如下：

圖1 煤粉立磨制備流程示意圖

（1）喂煤量。磨機(jī)在正常操作中，在保證出磨煤粉質(zhì)量的前提下，盡可能提高磨的產(chǎn)量。根據(jù)磨機(jī)的電流、進(jìn)出口溫度及差壓等參數(shù)來調(diào)整喂煤量。

（2）磨機(jī)差壓。煤磨差壓的穩(wěn)定對(duì)磨機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。差壓的變化主要取決于磨機(jī)的喂煤量、通風(fēng)量、磨機(jī)出口溫度等。

（3）磨機(jī)出、入口溫度。磨機(jī)出口溫度穩(wěn)定對(duì)保證煤粉水分合格和磨機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要作用。出、入口溫度主要通過調(diào)整喂煤量、熱風(fēng)量和冷風(fēng)量來控制（出口溫度控制在65～75 ℃）。

（4）入口風(fēng)量。入口風(fēng)量主要控制方式為閥門調(diào)節(jié)，包括熱風(fēng)閥、中風(fēng)閥以及冷風(fēng)閥的調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)管道閥門開度，控制入口風(fēng)量，同時(shí)也控制進(jìn)入煤磨熱風(fēng)所攜帶的熱量。

（5）排風(fēng)機(jī)電流。對(duì)風(fēng)機(jī)而言，在頻率不改變的情況下，風(fēng)機(jī)通風(fēng)量和風(fēng)機(jī)電流成正相關(guān)關(guān)系[11]。因此，排風(fēng)機(jī)電流代表了磨機(jī)風(fēng)量。對(duì)于立磨而言，料、風(fēng)都很關(guān)鍵。

（6）磨機(jī)主電流。磨機(jī)電流是判斷煤磨是否正常運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)之一，一般反映原煤的易磨程度[12]。保證磨機(jī)電流在正常工作范圍內(nèi)是控制的要點(diǎn)。

1.3 模型預(yù)測(cè)控制

模型預(yù)測(cè)控制（MPC）作為新一代的智能控制算法，在化工、電力等行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[13]。雖然MPC在水泥行業(yè)的應(yīng)用還不多，但其多變量、模型預(yù)測(cè)、反饋校正和滾動(dòng)優(yōu)化的特點(diǎn)，很適合處理水泥生產(chǎn)這類強(qiáng)耦合、長時(shí)滯的過程。在國際上，ABB、Powitec等公司也就模型預(yù)測(cè)控制在水泥行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行了一定的研究[14]。

模型預(yù)測(cè)控制的基本思想是根據(jù)內(nèi)置的預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間內(nèi)過程的變化趨勢(shì)，從而尋找出最佳操作控制參數(shù)。與專家系統(tǒng)相比，模型預(yù)測(cè)控制的內(nèi)核已經(jīng)不是若干專家規(guī)則，而是升級(jí)為反映過程本征規(guī)律的數(shù)學(xué)模型[15]。模型是精確的、連續(xù)的，因此，基于預(yù)測(cè)模型的控制系統(tǒng)，可以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)千變?nèi)f化的各種情況，控制精度和適應(yīng)性都大大提高。

2 煤粉制備控制方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖如圖2所示。智能控制系統(tǒng)的核心是CAM服務(wù)器組。一方面，CAM服務(wù)器組通過OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器與工廠采用的集散控制系統(tǒng)（DCS）進(jìn)行交互，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵過程參數(shù)和調(diào)節(jié)變量的采集、分析、計(jì)算、調(diào)節(jié)、反饋等各項(xiàng)功能。而操作人員通過集成在操作員站的人機(jī)交互界面（HMI），與智能控制系統(tǒng)進(jìn)行交互。另一方面，CAM服務(wù)器組也和位于工業(yè)以太網(wǎng)上的Web客戶端，以及位于Internet上的遠(yuǎn)程維護(hù)客服端進(jìn)行連接，供工程技術(shù)人員進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試、維護(hù)等各項(xiàng)工作。同時(shí)，在DCS系統(tǒng)中新增人機(jī)交互界面，供操作人員日常使用。

圖2 CAM智能控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

2.2 煤粉制備控制方案

煤粉制備控制器對(duì)料的控制，主要是通過穩(wěn)定磨機(jī)出口壓力帶來磨機(jī)負(fù)荷的穩(wěn)定，同時(shí)保持磨機(jī)出口風(fēng)溫、磨機(jī)入口風(fēng)溫、磨機(jī)電流、磨機(jī)吐渣量等在合理的范圍內(nèi)，在磨機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)使產(chǎn)量最大化。

煤粉制備控制器主要功能如下：（1）通過熱風(fēng)和冷風(fēng)比例的調(diào)節(jié)，使磨機(jī)出口溫度（或者收塵器入口溫度）保持穩(wěn)定，入口溫度保持在安全限內(nèi)；（2）通過對(duì)總風(fēng)量的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)磨機(jī)內(nèi)的“風(fēng)”、“料”的匹配；（3）在磨機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下盡量提高產(chǎn)量；（4）在滿足磨機(jī)用風(fēng)的前提下，盡可能減少熱風(fēng)用量。

煤粉制備控制器的主要操作變量包括：喂煤量、熱風(fēng)閥、中風(fēng)閥、冷風(fēng)閥；主要被控變量包括：磨機(jī)出口溫度、排風(fēng)機(jī)電流、磨機(jī)入口溫度、磨機(jī)出口壓差。變量關(guān)系如表1所示，其中X表示兩者存在控制關(guān)系。

表1 煤粉制備控制器控制變量關(guān)系

2.2.1 煤磨用風(fēng)的控制

對(duì)于煤磨而言，風(fēng)的控制是非常關(guān)鍵的。邦業(yè)科技的煤粉制備控制器包括幾個(gè)方面的內(nèi)容：其一，通過熱風(fēng)和冷風(fēng)比例的調(diào)節(jié)，使磨機(jī)出口溫度（或者收塵器入口溫度）保持穩(wěn)定，入口溫度保持在安全限內(nèi)；其二，通過對(duì)總風(fēng)量的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)磨機(jī)內(nèi)的“風(fēng)”、“料”的匹配；其三，在滿足磨機(jī)用風(fēng)的前提下，盡可能減少熱風(fēng)用量。經(jīng)過理論估算，煤磨減少10%的熱風(fēng)用量，可增加窯頭余熱發(fā)電1%的發(fā)電量，其效益是相當(dāng)可觀的。

2.2.2 磨機(jī)給料的控制

煤粉制備控制器對(duì)料的控制，主要是通過穩(wěn)定磨機(jī)出口壓力帶來磨機(jī)負(fù)荷的穩(wěn)定，同時(shí)保持磨機(jī)出口風(fēng)溫、磨機(jī)入口風(fēng)溫、磨機(jī)電流、磨機(jī)吐渣量等在合理的范圍內(nèi)，使磨機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)產(chǎn)量最大化。

2.2.3 安全生產(chǎn)的控制

對(duì)于煤磨安全生產(chǎn)而言，磨機(jī)出口溫度尤為重要。若出口溫度過高，則容易導(dǎo)致煤粉燃燒而產(chǎn)生爆炸事故。因此，在控制器中設(shè)定了煤磨出口溫度的上限值，當(dāng)出口溫度達(dá)到或者高于該上限時(shí)，控制器會(huì)迅速采取措施以降低出口溫度。

磨機(jī)中CO濃度也對(duì)安全起著至關(guān)重要的影響，CO氣體濃度在磨煤機(jī)內(nèi)部有限空間的增加，降低了磨煤機(jī)內(nèi)可燃混合物的著火點(diǎn)，增加了磨煤機(jī)著火或爆炸的危險(xiǎn)性。邦業(yè)科技的煤粉制備控制器內(nèi)含CO濃度監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)到的CO濃度達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí)，通知控制器，采取一系列操作以保證CO濃度保持在安全范圍。

3 實(shí)施效果

煤粉制備控制器在國內(nèi)某水泥公司實(shí)際應(yīng)用近一年，取得了良好的效果。統(tǒng)計(jì)出2016年1～3月控制器投用率數(shù)據(jù)如表2所示。從表2中可以得出，控制器投用率均在96.9%以上，說明客戶對(duì)控制器使用效果相當(dāng)滿意。

表2 國內(nèi)某水泥公司1-3月投用率

表3為控制器投用前后煤磨設(shè)備正常生產(chǎn)數(shù)據(jù)，投用前為2015年11月數(shù)據(jù)，投用后為2016年3月數(shù)據(jù)。從表3中可以看出，控制器投用后煤磨平均產(chǎn)量從37.4 t/h提高到了40.6 t/h，有了顯著提高；平均出口溫度從65.6 ℃提高到了67.4 ℃，標(biāo)準(zhǔn)偏差從2.94降低到了1.44，溫度波動(dòng)顯著減小，出口溫度更加穩(wěn)定.

表3 控制器投用前后主要數(shù)據(jù)對(duì)比

各截取8 h煤磨正常生產(chǎn)的出口溫度趨勢(shì)圖（見圖3）及喂煤量趨勢(shì)圖（見圖4），用以對(duì)比控制器投用前后的效果。

從圖3中可以看出，在控制器投用前，煤磨出口溫度波動(dòng)較大，約有10 ℃的上下波動(dòng)；而投用控制器后，出口溫度波動(dòng)顯著降低，只有3 ℃的波動(dòng)，基本已經(jīng)控制在要求范圍內(nèi)。

從圖4中可以看出，控制器投用后，根據(jù)煤磨出口溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)喂煤量。當(dāng)出口溫度在控制范圍內(nèi)時(shí)，不斷緩慢提高產(chǎn)量；當(dāng)出口溫度低于控制范圍時(shí)，降低產(chǎn)量以提高出口溫度使之保持在控制范圍內(nèi)，反之亦然。

圖3 煤磨出口溫度對(duì)比趨勢(shì)圖

圖4 煤磨喂煤量對(duì)比趨勢(shì)圖

4 結(jié)束語

煤粉制備控制器能夠有效地控制煤磨高效、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，在保證質(zhì)量的同時(shí)提高產(chǎn)量，減少熱風(fēng)消耗，這對(duì)水泥企業(yè)有著非常重要的意義。煤磨產(chǎn)量的提高及熱風(fēng)消耗的減少，有助于節(jié)省電耗，提高余熱發(fā)電量，進(jìn)一步降低企業(yè)生產(chǎn)成本，同時(shí)減少因燒煤而產(chǎn)生的環(huán)境污染，對(duì)水泥企業(yè)節(jié)能減排有實(shí)質(zhì)性的推動(dòng)作用。實(shí)踐表明，煤粉制備控制器控制效果良好，有重要的推廣意義。

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TQ172.625.4

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