應(yīng)用智能化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)沸騰爐節(jié)能的研究

文_石建國 徐州工程學(xué)院

礦渣立磨是水泥、建材行業(yè)生產(chǎn)過程的核心粉磨設(shè)備，而高溫?zé)煔夥序v爐則是立磨系統(tǒng)的重要物料烘干設(shè)備，它能夠?qū)⒘⒛スに嚥僮魉璧臒犸L(fēng)溫度持續(xù)傳遞到磨內(nèi)，成為礦渣立磨持續(xù)、穩(wěn)定、高效運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障因素。

受原燃料品種、水分、熱值、配比、爐況等工況因素影響，給高溫?zé)煔夥序v爐穩(wěn)定運(yùn)行帶來波動(dòng)，從而使礦渣粉磨過程出現(xiàn)較大震動(dòng)，磨況穩(wěn)定性變差，一旦出現(xiàn)由于人工干預(yù)調(diào)整不及時(shí)，沸騰爐正常沸騰狀況失效，則爐內(nèi)即呈現(xiàn)結(jié)焦或結(jié)渣狀態(tài)，迫使礦渣粉磨生產(chǎn)中斷甚至停運(yùn)，導(dǎo)致系統(tǒng)能耗指標(biāo)異常。

因此，實(shí)現(xiàn)預(yù)知性智能化操作，使高溫?zé)煔夥序v爐長效穩(wěn)定運(yùn)行，最大限度優(yōu)化系統(tǒng)能耗指標(biāo)，成為礦粉生產(chǎn)企業(yè)追求的目標(biāo)。將原現(xiàn)場手動(dòng)控制模式，改造為智能化自控模式，引入能源管控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)引入模糊PID算法，實(shí)現(xiàn)沸騰爐可動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)的無人值守操作，使系統(tǒng)穩(wěn)定性和精準(zhǔn)程度得以迅速提高。

1 礦渣立磨工藝及高溫?zé)煔夥序v爐簡介

某建材有限公司配置兩條JLSM1-46.4礦渣粉磨生產(chǎn)線，可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)礦粉140萬t。礦渣粉磨工藝流程為：高壓電動(dòng)機(jī)（功率：3150kW，電壓：10kV）驅(qū)動(dòng)主減速機(jī)帶動(dòng)磨盤轉(zhuǎn)動(dòng)，待粉磨的物料由螺旋鉸刀送入旋轉(zhuǎn)的立磨磨盤中心，在離心力的作用下，物料向磨盤周邊移動(dòng)，進(jìn)入粉磨輥道，同時(shí)沸騰爐熱風(fēng)經(jīng)兩側(cè)管道從風(fēng)環(huán)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入磨內(nèi)，在磨輥壓力作用下，物料受到擠壓、研磨和剪切作用而被粉碎。

配套的高溫?zé)煔夥序v爐型號(hào)為ZXFR16，每臺(tái)立磨各配置一座，每座沸騰爐供熱能力為66.88×106kJ/h，燃燒室控制溫度為700～900℃。

2 高溫?zé)煔夥序v爐系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 高溫?zé)煔夥序v爐工藝系統(tǒng)組成

高溫?zé)煔夥序v爐系統(tǒng)包括：布風(fēng)裝置、沸騰燃燒室、燃燼室、給煤系統(tǒng)（圓盤喂料機(jī)）、冷風(fēng)閥、混風(fēng)閥、燃料儲(chǔ)存?zhèn)}（煤倉）、燃料下料倉、燃料提升機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、袋式收塵器、電控系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)等。工藝流程見圖1所示。

2.2 高溫?zé)煔夥序v爐工作原理

高溫?zé)煔夥序v爐是礦渣粉磨系統(tǒng)中礦渣烘干的主要熱源設(shè)備，所用原燃料為新型生物質(zhì)燃料、蘭炭和工業(yè)廢棄黑渣的適當(dāng)比例混合物，經(jīng)定量給料機(jī)稱量后，破碎機(jī)輕量破碎，沿燃料輸送皮帶經(jīng)提升機(jī)送入燃料儲(chǔ)存艙內(nèi)，再通過下料小倉將燃料釋放給圓盤喂料機(jī)進(jìn)入沸騰爐燃燒室，其燃燒方式介于層狀燃燒和懸浮燃燒之間。高壓空氣通過均風(fēng)箱由一次風(fēng)的動(dòng)壓頭變成均勻分布的靜壓頭，從風(fēng)帽上的微孔以高速高壓吹入爐內(nèi)，使其沸騰床形成氣墊層，將粒徑0～10mm、料層厚度為300～500mm的燃料顆粒全部吹起并上下翻動(dòng)。料層由于高壓氣體增加了煤粒間的空隙膨脹而產(chǎn)生激烈運(yùn)動(dòng)，并在不停地翻騰、跳動(dòng)，使沸騰料層的燃料與含碳量為1%～2%的灼熱灰渣充分混合燃燒，產(chǎn)生的熱風(fēng)經(jīng)冷風(fēng)閥和混風(fēng)閥調(diào)節(jié)后通過熱風(fēng)管道輸送至磨內(nèi)，對磨內(nèi)的濕礦渣物料進(jìn)行烘干，滿足立磨生產(chǎn)操作適宜溫度及熱風(fēng)需求。

3 高溫?zé)煔夥序v爐智能化控制及能源裝置

3.1 原現(xiàn)場手動(dòng)裝置存在的問題

沸騰爐現(xiàn)場控制箱分別位于爐體附近的兩個(gè)操作室內(nèi)，現(xiàn)場司爐員根據(jù)立磨中控室對熱風(fēng)及溫度需求，通過儀表盤上的儀表數(shù)據(jù)顯示，手動(dòng)調(diào)整控制箱的調(diào)節(jié)電位器，控制燃料下料量和風(fēng)量，司爐員需連續(xù)觀察燃料下料是否順暢，是否存在堵料和下料不暢等異常情況發(fā)生，根據(jù)火焰顏色狀態(tài)預(yù)判是否存在爐膛結(jié)焦等異常先兆。一旦發(fā)生堵料等事件，需要人工啟動(dòng)振打電機(jī)控制箱，完畢后手動(dòng)停止振打。由于每班司爐人員水平、物料水分、熱值均存在一定差異，加上人為判斷失誤，導(dǎo)致沸騰爐下料穩(wěn)定性偏差，運(yùn)行故障率偏高，從而使系統(tǒng)能耗指標(biāo)偏高。

3.2 智能化系統(tǒng)的改造及方案

保留原手動(dòng)控制箱，將新型自控系統(tǒng)接入原DCS大系統(tǒng)中，在沸騰爐智能系統(tǒng)嵌入自行設(shè)計(jì)的模糊PID控制器。同時(shí)，整條生產(chǎn)線增加一套能源管控系統(tǒng)，通過對現(xiàn)場用能設(shè)備進(jìn)行分區(qū)分類數(shù)據(jù)采集，即對立磨主系統(tǒng)、沸騰爐系統(tǒng)、空壓機(jī)和冷卻水公共系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等用能分別統(tǒng)計(jì)分析，系統(tǒng)內(nèi)部通過能源動(dòng)態(tài)用能分析，實(shí)時(shí)給出能源控制策略，通過輸出模塊控制現(xiàn)場用能設(shè)備，使現(xiàn)場設(shè)備最大限度得以低能耗運(yùn)行。其中針對沸騰爐的燃料輸送、燃料喂料、爐內(nèi)鼓風(fēng)、火焰狀態(tài)識(shí)別分別由能源系統(tǒng)統(tǒng)一管理，其流程如圖2所示。

圖2 高溫?zé)煔夥序v爐自控系統(tǒng)流程圖

3.2.1 燃料喂料系統(tǒng)

將原圓盤喂料機(jī)的變頻控制、燃料倉壁振動(dòng)電機(jī)控制信號(hào)接入新增能源系統(tǒng)，多維度配置3個(gè)喂料系統(tǒng)的堵料、斷料狀態(tài)檢測傳感器，增加現(xiàn)場視頻監(jiān)控影像。當(dāng)自控系統(tǒng)通過堵料傳感器檢測到燃料輸送出現(xiàn)堵料狀態(tài)時(shí)，立即觸發(fā)堵料報(bào)警（畫面與聲光報(bào)警）；當(dāng)檢測到斷料狀態(tài)時(shí)，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)燃料倉壁振打電機(jī)并觸發(fā)斷料報(bào)警（畫面與聲光報(bào)警），提醒操作員盡快處理。

3.2.2 爐內(nèi)鼓風(fēng)系統(tǒng)

將原爐內(nèi)鼓風(fēng)系統(tǒng)熱風(fēng)爐鼓風(fēng)機(jī)的變頻控制接入該能源系統(tǒng)中，增加風(fēng)箱壓力、爐膛壓力、爐膛內(nèi)部溫度、爐膛出口溫度的壓力、溫度測量傳感器。

3.2.3 爐火監(jiān)控系統(tǒng)

增加燃料圓盤喂料機(jī)高清視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)，每臺(tái)喂料機(jī)對應(yīng)一臺(tái)視頻監(jiān)控設(shè)備，圖像信息傳輸至中控DCS操作室，由立磨中控操作員對喂料機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。增加爐火觀察視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)，每個(gè)爐門附近配置一臺(tái)高清視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)，圖像也傳輸至熱風(fēng)爐DCS操作室，由中控操作員對爐火狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.2.4 安全監(jiān)控系統(tǒng)

每座爐增加一臺(tái)CO、SO2在線監(jiān)測聲光報(bào)警儀表，沸騰爐高溫燃燒過程中，一旦出現(xiàn)CO、SO2等有毒有害氣體含量超標(biāo)，聲光報(bào)警器立即動(dòng)作，信號(hào)接入能源主系統(tǒng)，實(shí)時(shí)對巡檢的崗位人員的安全起到保障作用。

3.2.5 模糊PID模塊精準(zhǔn)控制

選用西門子SMATIC S7-1500的PLC模塊，配套TIA博途軟件進(jìn)行程序編輯，同時(shí)引入模糊PID控制算法，用于精準(zhǔn)控制沸騰爐輸出溫度，為立磨操作提供穩(wěn)定工況保障。以沸騰爐爐膛溫度（700～950℃）、燃料下料量頻率調(diào)整范圍（20～40 Hz）、爐膛運(yùn)行操作負(fù)壓（-200～-80Pa）、沸騰爐熱風(fēng)管道出口溫度（200～300℃）、沸騰爐出口冷風(fēng)閥開度（20%～100%）五個(gè)控制變量為主體，進(jìn)行自整定模糊PID優(yōu)化運(yùn)算，模糊控制規(guī)則是根據(jù)原現(xiàn)場司爐員操作數(shù)據(jù)和專家控制經(jīng)驗(yàn)，自整定模糊PID控制原理如圖3所示。

圖3 自整定模糊PID系統(tǒng)框圖

4 高溫?zé)煔夥序v爐智能化裝置投入運(yùn)行狀態(tài)與數(shù)據(jù)

該系統(tǒng)根據(jù)檢測點(diǎn)配置遠(yuǎn)程I/O站，占用DI30點(diǎn)、DO66點(diǎn)、AI30點(diǎn)、AO32點(diǎn)，經(jīng)工控組態(tài)、調(diào)試與原DCS主系統(tǒng)對接投入自動(dòng)運(yùn)行。其運(yùn)行實(shí)圖與狀態(tài)監(jiān)控如圖4、圖5所示。

圖4 沸騰爐智能化系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)圖

圖5 沸騰爐狀態(tài)監(jiān)控運(yùn)行實(shí)圖

高溫?zé)煔夥序v爐自控智能化系統(tǒng)自運(yùn)行以來，最明顯的優(yōu)勢就是直接實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)環(huán)節(jié)的減員增效、節(jié)能降耗（原兩座沸騰爐每爐一人現(xiàn)場值守，合計(jì)4班，共計(jì)8人），火焰監(jiān)測和控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能源管理系統(tǒng)大數(shù)據(jù)趨勢一目了然，在正常生產(chǎn)工況下，智能系統(tǒng)輸出預(yù)判結(jié)果準(zhǔn)確，自我整定、調(diào)整及時(shí)，誤報(bào)、誤動(dòng)作現(xiàn)象很少，為立磨穩(wěn)定運(yùn)行提供強(qiáng)有力熱風(fēng)保障，完全實(shí)現(xiàn)了無人值守的智能低能耗操控運(yùn)行生產(chǎn)模式。但該系統(tǒng)也存在一定缺陷，尚需進(jìn)一步優(yōu)化。該系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)為模糊PID的經(jīng)驗(yàn)整定參數(shù)的準(zhǔn)確程度，因現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)不足，同時(shí)由于原燃料的配比及料況的復(fù)雜性（如含水量、熱值、雜質(zhì)、各種燃料摻加配比變化等存在較大差異時(shí)），系統(tǒng)抗干擾能力需要進(jìn)一步提高，有時(shí)存在下料不暢或調(diào)整頻繁而導(dǎo)致爐溫略有波動(dòng)的現(xiàn)象。

5 結(jié)語

通過高溫?zé)煔夥序v爐智能化系統(tǒng)的升級(jí)改造，使某建材公司減員增效、節(jié)能降耗的理念成為現(xiàn)實(shí)。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，實(shí)現(xiàn)了對沸騰爐生產(chǎn)過程狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)控，沸騰爐運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性由原來的86%提升至98%。

燃燒效率逐步提升，所用燃料單耗迅速下降，從最初的燃煤單耗（設(shè)計(jì)使用5500kcal/kg的燃煤）28kg/t，直降至目前的19.22kg/t，且還有進(jìn)一步下降的趨勢。粉磨系統(tǒng)分步電耗由原來的41kWh/t降至34.2kWh/t，臺(tái)時(shí)由88t/h提升至94t/h，可見節(jié)能降耗效果非常明顯。

因系統(tǒng)處于全天候智能化調(diào)控狀態(tài)，很大程度上其預(yù)判性和動(dòng)態(tài)調(diào)整的及時(shí)性遠(yuǎn)優(yōu)于人工，穩(wěn)定運(yùn)行效果明顯；高溫?zé)煔夥序v爐智能化系統(tǒng)的良好應(yīng)用，使公司生產(chǎn)、設(shè)備智能化水平得以增強(qiáng)，能源管理水平得以提升，符合公司建設(shè)綠色智能化工廠的創(chuàng)新發(fā)展理念。