DCS系統(tǒng)在水泥行業(yè)中的應(yīng)用

摘要：近20年來，水泥工業(yè)從技術(shù)、產(chǎn)品總量、裝備方面都得到巨大發(fā)展，特別是由于近年來計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)的飛速發(fā)展，水泥工業(yè)中的電氣控制方面也有了質(zhì)的飛躍。由原來的繼電器控制發(fā)展到DCs（集散計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)）。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(tǒng)是個(gè)互相干擾因素多、控制復(fù)雜、在質(zhì)量和節(jié)能方面占有重要地位的關(guān)鍵過程。可以說，熟料燒成DCS系統(tǒng)控制是對穩(wěn)定產(chǎn)品的質(zhì)量、提高設(shè)備生產(chǎn)率以及能源的節(jié)約．都起著至關(guān)重要的作用。文章詳細(xì)分析燒成系統(tǒng)主要監(jiān)控參數(shù)及水泥生產(chǎn)線DCS自動(dòng)回路優(yōu)化控制。
關(guān)鍵詞：熟料燒成系統(tǒng)；DCS系統(tǒng)；溫度；壓力；調(diào)節(jié)控制
1前言
　　水泥作為發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)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(yè)不論從技術(shù)、產(chǎn)品總量、裝備方面都得到巨大發(fā)展但是我國水泥工業(yè)在工業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品品種、技術(shù)裝備水平方面與世界先進(jìn)水平尚有較大差距。為了使我國水泥工業(yè)更好的適應(yīng)我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)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(yè)“由大變強(qiáng)，靠新出強(qiáng)”跨世紀(jì)戰(zhàn)略。同時(shí)新型干法技術(shù)提供了提高水泥設(shè)備的單機(jī)能力和功能的可能性，而追求高效率、高性能、低成本，促進(jìn)了水泥裝備大型化的進(jìn)程。設(shè)備大型化是實(shí)現(xiàn)工藝技術(shù)的手段和途徑。為達(dá)到此目的必須提高設(shè)備制造技術(shù)和與之相配套的原材料（耐熱、耐磨、耐火材料）的質(zhì)量，提高必要的檢測、保護(hù)裝置的靈敏可靠性。
　　由于近年來計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)的飛速發(fā)展，DCS這種分散控制，集中管理的集散型控制系統(tǒng)已經(jīng)在世界水泥工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。采用這種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)成組程序控制，過程量的采集、處理、顯示和調(diào)節(jié)。大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高了工廠的管理和經(jīng)營水平。水泥工藝過程是處理固體和粉狀物料的生產(chǎn)過程，風(fēng)、煤、料產(chǎn)生的熱工過程變化復(fù)雜，不可控因素較多。從過程控制的角度來看，是一個(gè)滯留時(shí)間長、時(shí)間常數(shù)大、外來干擾多、相互干擾關(guān)系復(fù)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(tǒng)是個(gè)互相干擾因素多、控制復(fù)雜、在質(zhì)量和節(jié)能方面占有重要地位的關(guān)鍵過程。以下就水泥生產(chǎn)線中的熟料生產(chǎn)部分介紹DCS系統(tǒng)在水泥行業(yè)中的應(yīng)用。
2 熟料生產(chǎn)DCS控制
　　熟料燒成系統(tǒng)主要流程：來自原料制備系統(tǒng)的生料由第二級預(yù)熱器出口管路上加入，在5級旋風(fēng)預(yù)熱器和回轉(zhuǎn)窯內(nèi)與燃燒的高溫氣體進(jìn)行熱交換，經(jīng)過窯內(nèi)燒成的熟料進(jìn)入篦式冷卻機(jī)進(jìn)行驟冷。因此燒成過程的三個(gè)部分（預(yù)熱器、回轉(zhuǎn)窯、冷卻機(jī)）相互干擾，形成反饋的動(dòng)態(tài)情況。有時(shí)為了穩(wěn)定某個(gè)參數(shù)而采取相應(yīng)的操作，其結(jié)果不僅不能達(dá)目的，反而對其它參數(shù)產(chǎn)生不良的影響，造成整個(gè)窯系統(tǒng)的波動(dòng)，因果關(guān)系復(fù)雜。由于水泥廠控制調(diào)節(jié)回路較多，系統(tǒng)參數(shù)要即時(shí)反映出窯內(nèi)熱工狀況，發(fā)揮DCS系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程變量的優(yōu)點(diǎn)，并提供了強(qiáng)大的診斷報(bào)警功能，操作工人能即時(shí)準(zhǔn)確的處理窯系統(tǒng)報(bào)警。DCS系統(tǒng)對保持窯內(nèi)熱工狀況穩(wěn)定和提高系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)率起到至關(guān)重要的作用。
2．1 燒成系統(tǒng)DCS主要監(jiān)控參數(shù)
2．1．1 燒成帶溫度
　　燒成帶的溫度控制，實(shí)際上是一個(gè)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(jì)，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?yàn)镹Ox的形成同N2和O2的濃度及火焰溫度有關(guān)，在窯中Nz的濃度可視為常數(shù)，這樣NOx的濃度僅與O2的濃度和火焰溫度有關(guān)。過剩空氣系數(shù)大（O2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(shí)NOx的濃度則下降。在窯系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，其過剩的空氣系統(tǒng)相對穩(wěn)定，O2的濃度相對穩(wěn)定，這時(shí)窯尾廢氣中的NOx只與燒成帶火焰溫度有關(guān)。火焰溫度高。NOx濃度大；反之，NOx濃度小，且反映靈敏，時(shí)間滯后小。由于火焰溫度是燒成帶溫度的主導(dǎo)因素，因此，一般均以NOx濃度作為燒成帶溫度變化的控制標(biāo)志。
2．1.2 窯轉(zhuǎn)矩
　　根據(jù)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(zhuǎn)矩大，但是在窯內(nèi)掉磚以及窯喂料量變化情況下，同樣也會(huì)影響窯轉(zhuǎn)矩的值。因此，當(dāng)窯轉(zhuǎn)矩與NOx濃度值、比色高溫計(jì)測量的值發(fā)生逆向變化時(shí)，應(yīng)考慮到窯內(nèi)熱平衡被某種因素所干擾，要么是窯喂料發(fā)生變化（人為的或窯喂料控制系統(tǒng)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(yù)熱，防止窯尾煙室、上升煙道以及旋風(fēng)筒因溫度過高而發(fā)生的物料粘結(jié)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(fēng)預(yù)熱器出口溫度
　　這兩個(gè)位置的溫度，均能反映物料在分解爐內(nèi)的分解情況，一般控制在850～900℃之間。但是在無分解爐的狀態(tài)下，出最下一級旋風(fēng)預(yù)熱器的氣體溫度通常控制在800～850 C范圍，因?yàn)樵谶@個(gè)溫度范圍內(nèi)，可保證物料在分解爐內(nèi)的分解狀況穩(wěn)定，從而使窯系統(tǒng)的整個(gè)熱工制度穩(wěn)定。否則不但會(huì)影響窯系統(tǒng)的熱工平衡，還會(huì)造成分解爐及預(yù)熱器系統(tǒng)物料結(jié)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(fēng)量不匹配，會(huì)造成其它旋風(fēng)預(yù)熱器發(fā)生粘結(jié)和堵塞，或是已造成某一旋風(fēng)筒發(fā)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，通常控制在320～350℃范圍。
2．1．6 窯尾、一級預(yù)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(nèi)、分解爐內(nèi)燃料的燃燒及通風(fēng)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(shù)很少的情況下燃燒，產(chǎn)生大量的CO，危及窯尾電收塵器的安全；又不能在過剩空氣量過大的狀況下燃燒，增加熱耗。而在正常生產(chǎn)過程中，風(fēng)量、喂料量以及燃料量都是相對穩(wěn)定在某一值，相互匹配，整個(gè)窯系統(tǒng)是平衡的。因此，當(dāng)O2、CO濃度發(fā)生變化時(shí)，在綜合分析原因后，適當(dāng)調(diào)整喂煤量（窯頭或分解爐）就可控制O2、CO值在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。
2．1．7 各級旋風(fēng)預(yù)熱器出口壓力
　　各級旋風(fēng)預(yù)熱器的壓力測量，可幫助操作人員了解各級預(yù)熱器工作是否正常，判斷生料流動(dòng)是否正常，有無漏風(fēng)或堵塞現(xiàn)象。某級筒負(fù)壓值低于設(shè)定值，說明該級或該級以下發(fā)生料粘結(jié)或堵塞，需盡快處理，嚴(yán)重的要立即停料。
2．1．8 三、四、五級旋風(fēng)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(dāng)旋風(fēng)筒溫度過高發(fā)生料粘堵塞時(shí)，其錐部負(fù)壓值就會(huì)下降。此時(shí)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(hù)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(fù)壓值能幫助操作人員了解回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氣流阻力的變化情況。當(dāng)負(fù)壓值高于設(shè)計(jì)值范圍，窯內(nèi)可能出現(xiàn)結(jié)圈，并借鑒胴體掃描做出綜合判斷。
2．1．1O 窯尾排風(fēng)機(jī)出口壓力
　　在窯系統(tǒng)與生料磨系統(tǒng)聯(lián)合操作運(yùn)行時(shí)，窯尾排出的廢氣用于生料磨系統(tǒng)烘干等，該點(diǎn)的測量是非常必要的。因?yàn)樵擖c(diǎn)的負(fù)壓值直接影響以上兩個(gè)系統(tǒng)的操作平衡。當(dāng)該點(diǎn)的負(fù)壓值大于設(shè)定值或正壓值較設(shè)定值小時(shí)，應(yīng)將電收塵后的排風(fēng)機(jī)閥門關(guān)小；反之，則開大閥門，以保證風(fēng)量平衡。
2．1．11 電收塵入口氣體溫度
　　不同生產(chǎn)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(yán)格控制人口溫度在規(guī)定的范圍，以保證電收塵設(shè)備安全運(yùn)行及防止氣體冷凝結(jié)露，影響電收塵設(shè)備正常工作。一般都裝有自動(dòng)控制裝置，當(dāng)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(guī)定值且溫度也較高時(shí)，電收塵器的高壓電源自動(dòng)跳閘且報(bào)警。
2．1.12窯頭負(fù)壓
　　一般要求保證窯頭微負(fù)壓，防止窯頭噴火。另一方面，窯頭負(fù)壓穩(wěn)定，也表征窯內(nèi)通風(fēng)及冷卻機(jī)人窯二次風(fēng)之間的平衡。通常增加篦冷機(jī)余風(fēng)排風(fēng)機(jī)風(fēng)量，窯頭負(fù)壓增大；反之減小。但是，在正常生產(chǎn)情況下，窯尾風(fēng)機(jī)風(fēng)量盡量保持不變，否則將影響整個(gè)窯系統(tǒng)的熱工平衡。因此，均采用調(diào)節(jié)窯頭電收塵出口閥門的開度來保持窯頭罩為微負(fù)壓。正常生產(chǎn)時(shí)，窯頭負(fù)壓一般保持在一0．1～ 一0．05kPa。如產(chǎn)生正壓，導(dǎo)致噴火，將危及窯頭比色高溫計(jì)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(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定時(shí)，從窯頭掉下的熟料量變化較大，出現(xiàn)冷卻機(jī)無法及時(shí)將熟料冷卻，這時(shí)從冷卻機(jī)抽出的熱風(fēng)溫度就高，則需采取冷卻機(jī)內(nèi)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(fēng)溫度必須穩(wěn)定。因?yàn)槎物L(fēng)對于窯內(nèi)燃燒的好壞、工作的穩(wěn)定和煅燒過程中燃料的消耗都有較大的影響。
　　以上參數(shù)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(jiān)控整個(gè)窯系統(tǒng)的生產(chǎn)過程
3 水泥生產(chǎn)線DCS自動(dòng)回路優(yōu)化控制
　　水泥生產(chǎn)線控制回路的優(yōu)化控制系統(tǒng)代表了水泥生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展方向。回路優(yōu)化控制取代了原有靠操作工人經(jīng)驗(yàn)來維持水泥生產(chǎn)的熱工穩(wěn)定。國內(nèi)外通過多年的研究和實(shí)踐，認(rèn)為以多條單回路優(yōu)化控制來實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)線的自動(dòng)化生產(chǎn)是可行的、有效的、必要的，它將大大提高水泥企業(yè)的控制水平。近幾年來，回路優(yōu)化控制已在水泥廠得到了大量的應(yīng)用，取得了良好的效果。
3．1 窯尾喂料調(diào)節(jié)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(wěn)定，減少調(diào)節(jié)回路的計(jì)量誤差。另一條回路是通過測量沖擊（或滑槽）流量計(jì)的物流量，調(diào)節(jié)生料小倉下料流量閥的開度，確保生料人窯量的穩(wěn)定。即：
　　（1）生料小倉重量=生料均化庫下料流量閥開度（2）沖擊流量計(jì)：生料倉下料流量閥開度。
3．2 分解爐喂煤量控制
　　分解爐內(nèi)溫度的穩(wěn)定，有利于保持一定的分解率。一般通過測量最下級旋風(fēng)預(yù)熱器出口溫度來控制喂煤調(diào)節(jié)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(fēng)筒出口溫度：喂煤流量調(diào)節(jié)閥開度（或分格輪速度）。
3．3 增濕塔出口廢氣溫度控制
　　根據(jù)濕塔出口氣體溫度自動(dòng)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(shù)量）
3．4 窯頭罩負(fù)壓自動(dòng)控制
　　穩(wěn)定窯頭罩負(fù)壓，保持二次風(fēng)入窯相對平衡，有利于窯熱工制度穩(wěn)定。窯頭罩正壓會(huì)弓I起窯口噴火，損壞設(shè)備。但窯頭罩負(fù)壓過大，窯內(nèi)通風(fēng)過大，粉塵大，降低窯內(nèi)溫度，增加熱耗。一般要求控制在微負(fù)壓（一50Pa左右）。
　　窯頭罩負(fù)壓：篦冷機(jī)余風(fēng)排風(fēng)機(jī)閥門開度。
3．5 冷卻機(jī)篦速自動(dòng)調(diào)節(jié)
　　冷卻機(jī)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(fēng)溫穩(wěn)定，且保持冷卻機(jī)安全運(yùn)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(shù)工廠不愿使用，主要擔(dān)心放射性輻射。根據(jù)流體力學(xué)理論，氣體通過料層的阻力，與料層厚度成正比關(guān)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(jù)篦冷機(jī)的篦下壓力變化調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定料層的要求。低但是，當(dāng)出現(xiàn)大塊料或掉窯皮時(shí)，料層厚度與篦下壓力不再成正比關(guān)系，這時(shí)篦下壓力非旦沒有增加，反而下降。如根據(jù)上述方法調(diào)節(jié)，篦板速度也隨之放慢，以致使篦板料層越積越厚，將會(huì)造成篦板燒壞，冷卻機(jī)電機(jī)被燒壞。為此，必須增設(shè)監(jiān)控參數(shù)，即電機(jī)電流。當(dāng)篦下壓力下降，而電機(jī)電流上升時(shí)，則此電機(jī)電流為主控參數(shù)，迫使篦板速度提高，不致造成以上事故。

3．6 冷卻機(jī)冷風(fēng)風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)
　　為了使冷卻機(jī)工作狀況少受外界的干擾，同時(shí)也為了使冷卻機(jī)篦下壓力能夠較真實(shí)地反映料層厚度，保持一～五室的風(fēng)量穩(wěn)定是非常必要的，故采用一～ 五室冷風(fēng)風(fēng)量自動(dòng)調(diào)節(jié)各自的閥門開度。冷卻機(jī)入口風(fēng)量=相應(yīng)的冷卻風(fēng)機(jī)入口閻門開度
3．7 窯頭喂煤自動(dòng)控制
　　它是窯熱工制度穩(wěn)定的不可缺少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可根據(jù)窯尾冷煙室溫度來調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)下料器的轉(zhuǎn)速，從而保證定量給煤。
　　窯尾冷煙室溫度：回轉(zhuǎn)下料器轉(zhuǎn)速
3．8 旋風(fēng)預(yù)熱器錐部自動(dòng)吹堵控制
　　當(dāng)預(yù)熱器錐部下料口負(fù)壓值由于熱工不穩(wěn)定造成錐部堵料而下降時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)壓縮空氣電磁閥，以防止或消除下料堵料現(xiàn)象。
　　錐部負(fù)壓：相應(yīng)電磁閥開關(guān)
　　另一方法，是采用PLC程序控制，實(shí)施連續(xù)循環(huán)吹掃，同樣也可防止和消除堵料現(xiàn)象。
3．9 冷卻機(jī)噴水控制。
　　根據(jù)工藝設(shè)計(jì)，有時(shí)不需要冷卻機(jī)噴水，另外，冷卻機(jī)噴水系統(tǒng)設(shè)置形式也較多，因此，操作人員可根據(jù)具體的實(shí)際噴水控制系統(tǒng)了解和掌握。
　　根據(jù)上述熱工參數(shù)的檢測和水泥生產(chǎn)線DCS自動(dòng)回路優(yōu)化控制的闡述，在燒成系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)現(xiàn)場控制站對燒成系統(tǒng)得設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)。可好為水泥企業(yè)帶來以下幾方面的效益：
　　穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量
　　提高了設(shè)備生產(chǎn)率
　　減小了人為誤差
　　增強(qiáng)了調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)性
　　保證了整個(gè)熱工制度的穩(wěn)定
　　節(jié)約了大量能源
　　結(jié)束語：綜上所述，隨著水泥行業(yè)不斷向大型化、智能化的發(fā)展，DCS系統(tǒng)在水泥行業(yè)中起著越來越重要的作用。必將成為水泥生產(chǎn)企業(yè)不可取代的主要生產(chǎn)控制方式。
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