水泥回转窑的调节方式与优化研究

　　1 水泥回转窑的调节方式分析
　　
　　水泥回转窑的调节方式主要包括以下四种：

　　1.1 窑头喷煤量调节
　　
　　窑头喷煤量是水泥回转窑系统中调节烧成带温度的主要方式。一般情况下，要在烧成带温度过高时，采取减少窑头喷煤量的调节方式；在烧成带温度过低时，采取增加窑头喷煤量的调节方式。

　　1.2 生料流量调节
　　
　　调节生料流量可改变回转窑内烧成带温度。在正常工况条件下，生料流量增加，则会降低窑内温度；生料流量减少，则会升高窑内温度。然而，在实际操作中，一般会保持稳定的生料流量，所以可将其作为扰动变量进行前馈控制。

　　1.3 窑速调节
　　
　　窑速调节要与生料流量调节保持一致性，即在增加生料流量的情况下，应提高窑速；在减少生料流量的情况下，应降低窑速。根据下料量的范围不同，窑转速也应当有所不同，一旦出现异常运行情况，则需要及时调节窑转速。

　　1.4 窑头排风机调节
　　
　　窑头负压可以调节回转窑内用风和篦冷机入窑二次风之间的平衡，将窑头排风机作为控制窑头负压的控制变量，在升高窑头负压的情况下，增大窑头排风机转速；在降低窑头负压的情况下，减小其转速。

　　由上述调节方式可知，水泥回转窑系统控制主要涉及烟室温度、窑头负压、回转窑转速三个方面的控制。
　　
　　2 水泥回转窑优化控制策略
　　
　　2.1 水泥回转窑的优化控制目标及控制难点
　　
　　2.1.1 优化控制目标。通过上文对水泥回转窑的调节方式进行分析可得出系统的控制目标如下：一是烟室温度的控制。被控目标为窑尾烟室的温度，控制变量选择窑头喷煤，并通过对喷煤的调节来确保烟室温度始终被控制在合理的范围以内，进而保证窑内系统的热工稳定性，这样便可以使回转窑一直处于高效、低能耗的运行状态；二是负压调节。被控目标为窑头负压，控制变量选择窑头排风机转速，并通过对转速的有效调节来确保窑头负压始终在受控范围之内，由此保证窑内系统用风稳定；三是窑转速的控制。以回转窑本身的转速作为控制量，在运行正常的工况下，按照生料流量对窑的转速进行调节，在运行异常的情况下，结合系统出现的特殊工况对转速进行修正。

　　2.1.2 控制难点。对水泥回转窑系统进行优化控制的过程中，存在以下难点问题：一是很难建立起回转窑系统精确的机理模型，所有的优化控制目标都是人为设定，由此导致了设定值的差别较大；二是回转窑系统内的变化过程较为复杂，且窑内温度与煤粉燃烧之间存在着非线性、大滞后的特点，从而增大了控制难度；三是不同变量间存在较强的耦合性，采用单一的控制方式难以确保回转窑系统的高效、连续、稳定运行。

　　2.2 优化控制方案设计
　　
　　为了有效解决上文中提到的水泥回转窑控制中的难点问题，实现对回转窑运行过程的优化控制，本文提出如下控制策略：将 PID 控制器、趋势控制器、偏差控制器和前馈控制器结合到一起的智能控制方案，具体如图 1 所示。
　　
　　2.3 优化控制方案的实现
　　
　　2.3.1 水泥回转窑窑尾温度的优化控制。

　　①PID 控制器。当被控量出现较大偏差时，会使系统的稳定性降低，严重时会引起震荡。为有效解决这一问题，在优化控制方案的设计中，引入了变速积分，即在偏差相对较小时，可通过 PI 进行控制，以此来增强积分作用；当偏差较大时，则可采用 PD 进行控制，借此来消除积分作用。在现场应用中，若是窑头喷煤的频率过于频繁，则会对窑系统的运行稳定性造成影响，而且还可能缩短设备的使用寿命，故此，可引入输出阀值变量进行控制，经现场调试后得出输出阀值变量为0.1 时能够达到最佳的控制效果。

　　②滑动上下限。为保证窑头喷煤在合理范围内波动，必须对窑头喷煤的最终输出设置上下限。本文采取滑动上下限的方法，以确保在窑头喷煤出现异常工况时，能够进行及时调整。滑动上下限的具体设置如下：滑动上限=窑头喷煤自动给定均值+波动幅度；滑动下限=窑头喷煤自动给定均值-波动幅度。

　　③偏差控制器。受外界扰动影响，在被控变量与设定值严重偏离时，应启用偏差校正控制对变积分 PID 控制输出进行校正，提高系统响应速度。

　　④趋势控制器。在烟室温度上升或下降过快时，应启用趋势校正控制对 PID输出进行校正，避免系统出现超调问题。

　　⑤前馈控制器。以前馈控制器对下料量给定的变化进行控制，当下料给定发生改变时，窑头喷煤也随之改变，由此可以进一步减小下料变化引起的窑尾烟室温度波动。具体的控制方式可用下式表示：【1】

　　
　　在上式当中，（）1sk为下料的给定改变量；1M 和2M 分别为原始下料和当前下料的给定；1sY为喷煤调整的幅度参数；s1X为下料的变化幅度参数；e为下料的给定改变阀值。

　　⑥补偿模块。为了实现对水泥回转窑的自动控制，应在识别回转窑参数的前提下，准确判断回转窑的运行工况，并以此为依据，采取相应的补偿控制措施。

　　在判定运行工况时，选取窑头喷煤压力、窑电流、游离氧化钙含量等参数，同时还须参考其他相关参数的变化。

　　2.3.2 窑头负压的优化控制。对窑头负压的优化控制欲窑尾温度的控制方法基本类似，在此不进行重复介绍。

　　2.3.3 回转窑转速的优化控制。为确保回转窑窑内热工稳定，应确定好窑速与投料量之间的比例关系。下面根据水泥厂的实际数据，将两者的比例关系确定为：

　　对于 5000t/d水泥生产线而言，当投料量分别为 320-340t/h、340-360t/h、360-380t/h、390t/h 以上时，应当将窑速分别控制在 3.6r/min、3.8r/min、4.0r/min、4.2r/min.当前，基本上均采取薄料快烧法对熟料进行煅烧，所以应在确定窑体斜率的基础上，适当提高回转窑窑速，加快窑内物料运动速度，以达到提高回转窑熟料产量的目的。

　　结论：

　　综上所述，本文在对水泥回转窑调节方式进行分析的基础上，提出了回转窑优化控制方案，并对该方案的具体实现进行了详细论述。本文设计的这套方案已在国内某水泥公司日产 5000t 的水泥生产线上进行了试运行，在运行期间，水泥回转窑的运行稳定性获得显着提升。由此可见，该套控制方案具有一定的推广使用价值。

　　参考文献
　　
　　[1]王孝红。房喜明。于宏亮。基于专家系统的回转窑窑头工况识别[J].控制工程。2010（3）。
　　[2]汪海滨。李思源。水泥回转窑系统耐火材料的设计与使用[J].水泥工程。2013（2）。
　　[3]陈铁军。赵洁。水泥回转窑系统的结构分布式控制[J].郑州大学学报（工学版）。2014（5）。
　　[4]覃新颖。佘乾仲。彭奎。基于神经网络的回转窑建模及其优化控制设计[J].计算机仿真。2012（1）。