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        水泥窯頭工藝控制方法研究

        2014-11-26 12:07:06劉冰LIUBing何云霄HEYunxiao
        價(jià)值工程 2014年5期
        關(guān)鍵詞:工藝

        劉冰LIU Bing;何云霄HE Yun-xiao

        (①中原工學(xué)院軟件學(xué)院,鄭州 450000;②鄭州宇通客車股份有限公司,鄭州 450000)

        (①Software School,Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450000,China;②Zhengzhou Yutong Bus Co.,Ltd.,Zhengzhou 450000,China)

        0 引言

        隨著世界各地的水泥廠生產(chǎn)規(guī)模的增大以及水泥生產(chǎn)控制系統(tǒng)的特殊要求,各生產(chǎn)設(shè)備間的連鎖關(guān)系愈加復(fù)雜,DCS 集散型控制系統(tǒng)所能達(dá)到的對水泥控制線的控制已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代企業(yè)的需求。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量,各水泥廠需采用功能更加強(qiáng)大的自動(dòng)控制系統(tǒng)來確保生產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行。所以,本文采用的是一種新型的全集成控制系統(tǒng),即水泥窯頭控制系統(tǒng),它采用的是西門子公司近年新推出的SIMATIC PCS7 系列產(chǎn)品,能夠把傳統(tǒng)DCS、現(xiàn)場總線技術(shù)以及可編程邏輯控制器有機(jī)的融合起來[1]。

        1 水泥窯頭工藝分析

        水泥生產(chǎn)主要有七個(gè)工藝環(huán)節(jié),分別是破碎、生料磨、煤磨、窯尾、窯頭、水泥磨和包裝。其中,窯頭是水泥生產(chǎn)工藝過程中最重要的一道工序。水泥窯頭系統(tǒng)的工藝流程如圖1 所示。經(jīng)預(yù)熱分解的生料粉喂入回轉(zhuǎn)窯進(jìn)料端,并借助回轉(zhuǎn)窯的斜度和旋轉(zhuǎn),慢慢地向窯頭運(yùn)動(dòng),與窯內(nèi)熱氣流進(jìn)行交換,發(fā)生充分的化學(xué)反應(yīng),在燒成帶利用窯頭煤粉所提供的燃燒熱將其煅燒成水泥熟料,出窯熟料溫度為1350~1400℃。

        燒結(jié)后的高溫水泥熟料出窯落入推動(dòng)蓖式冷卻機(jī)的蓖床上。首先,物料受到從蓖板下部鼓入的高壓風(fēng)的急速冷卻,隨后由蓖床推動(dòng)前進(jìn),并且受到中壓風(fēng)的繼續(xù)冷卻,經(jīng)蓖冷機(jī)后的熟料溫度可降至100℃以下。熟料通過蓖板的往復(fù)推動(dòng),部分小顆粒通過蓖孔落入風(fēng)室,經(jīng)拉鏈輸送機(jī)送入鏈斗輸送機(jī),或直接經(jīng)風(fēng)室下的料斗匯入鏈斗輸送機(jī);而大部分熟料則進(jìn)入冷卻機(jī)尾部的錘式破碎機(jī)口,經(jīng)破碎機(jī)破碎后的大顆粒熟料會(huì)同落入蓖條下的細(xì)熟料,溜到鏈斗輸送機(jī)上[2]。

        2 PCS7 控制系統(tǒng)在水泥窯頭站的應(yīng)用

        2.1 SIMATIC PCS7 的功能 SIMATIC PCS7 遵循西門子TIA 理念,集成了專門針對水泥行業(yè)的CEMAT 軟件包,并包含了Step7、CFC、WinCC 等重要的編程軟件和組態(tài)軟件,可以方便地進(jìn)行橫向集成及縱向集成,完成所有流程作業(yè),實(shí)現(xiàn)從來料加工到成品包裝、從底層測量單元到上層管理系統(tǒng)的自動(dòng)控制[3]。

        2.2 水泥窯頭站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 窯頭站控制系統(tǒng)主要有三層結(jié)構(gòu),分別是現(xiàn)場設(shè)備層,過程控制層和操作管理層,如圖2 所示。第一層是現(xiàn)場設(shè)備層,它主要是由蓖冷機(jī)、主電機(jī)、各種輸送設(shè)備、冷卻風(fēng)機(jī)、收塵設(shè)備、閥門、倉筒等組成的。壓力傳感器、流量傳感器、電流傳感器、速度傳感器等組成了檢測設(shè)備,它的作用就是把不同的物理量變換為標(biāo)準(zhǔn)的4-2OmA 直流信號(hào)。通過I/O 模塊進(jìn)入集成于ET200M 中的A/D 轉(zhuǎn)換電路可以把各直流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),并把其通過Profibus-DP 現(xiàn)場總線送到過程控制站。第二層是過程控制層,采用西門子公司的S7-400 系列PLC 作為控制站。過程控制層通過對由現(xiàn)場檢測儀表送來的各種過程信號(hào)進(jìn)行各種有效的處理,折算成相應(yīng)的工程量,之后再傳送到數(shù)據(jù)庫中,可以用作實(shí)時(shí)顯示、優(yōu)化計(jì)算、報(bào)警打印等[4]。第三層是操作管理層,包括一個(gè)工程師站(ES)和一個(gè)操作員站(OS)。其中工程師站也是系統(tǒng)的I/O 服務(wù)器、報(bào)警服務(wù)器以及用戶的登錄服務(wù)器。現(xiàn)場和操作員的對話窗口就是操作員站,操作員通過各項(xiàng)設(shè)備完成對整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控[4]。

        3 關(guān)鍵工藝參數(shù)的控制

        圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        各工藝參數(shù)的數(shù)值是否始終在工藝要求的范圍內(nèi),是保證水泥生產(chǎn)線穩(wěn)定運(yùn)行,以完成各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)的重要因素。因此,對工藝參數(shù)的控制與調(diào)整是整個(gè)工業(yè)過程控制的關(guān)鍵。在窯頭生產(chǎn)線的眾多工藝參數(shù)中,二次風(fēng)的溫度可以說是最重要的一個(gè)控制量。二次風(fēng)溫度是指由蓖冷機(jī)進(jìn)入窯內(nèi)的空氣溫度,它的高低不僅決定了窯從蓖冷機(jī)接受多少熱量和窯內(nèi)的火焰燃燒狀態(tài),這是一個(gè)重要的直接降低單位熟料熱耗的控制參數(shù),也能夠直接的反映蓖冷機(jī)對熟料的冷卻能力,這能夠判斷出蓖冷機(jī)各項(xiàng)操作參數(shù)是否正確,并且熟料出蓖冷機(jī)時(shí)的溫度會(huì)隨著二次風(fēng)溫度的提高而明顯的降低。所以,二次風(fēng)的溫度在生產(chǎn)線的眾多工藝參數(shù)中是很關(guān)鍵的,它既關(guān)系到熟料主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的完成,也是衡量全系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)是否合理的重要標(biāo)志。

        3.1 二次風(fēng)溫度的理想值 從理論的角度出發(fā),隨著二次風(fēng)溫度的升高,會(huì)有更多的熟料冷卻熱量被利用,且煤粉燃燒所用的空氣熱焓越大。但是,二次風(fēng)溫度過高,對窯頭罩的襯料壽命不利,還容易在蓖冷機(jī)熱端形成“雪人”。因此,該參數(shù)的理想值應(yīng)該介于1050~1150℃之間。

        3.2 二次風(fēng)溫度的影響因素 主要是以下五個(gè)方面的因素影響了二次風(fēng)溫度:

        ①熟料產(chǎn)量的高低。二次風(fēng)溫度會(huì)隨著熟料產(chǎn)量的增多而升高;所以,只有把喂料量穩(wěn)定下來了,才能穩(wěn)定住二次風(fēng)溫度,并且不應(yīng)該出現(xiàn)塌料現(xiàn)象。

        ②熟料出窯溫度的高低。要想提高二次風(fēng)溫度,不僅需要對熟料的煅燒溫度進(jìn)行合理的穩(wěn)定,也和熟料出窯溫度的高低有關(guān),燃燒器出口離窯口位置越近,它的火焰形狀會(huì)更合理,會(huì)很利于提高二次風(fēng)溫度。反之,則不利于提高二次風(fēng)溫度。

        ③蓖冷機(jī)高溫段蓖床上的熟料厚度。當(dāng)熟料的粒徑組成不變時(shí),蓖床上的熟料厚度直接與蓖下壓力成正比:一定的蓖下壓力將保證有最理想的二次風(fēng)溫度,一般情況下,蓖下壓力會(huì)隨著料層的厚度增加而壓力升高,此時(shí)蓖下壓力越高,高溫段的冷卻風(fēng)與熟料的熱交換會(huì)更加的充分,有利于二次風(fēng)溫度的提高;反之,則不利于提高二次風(fēng)的溫度;但料層過厚,致使高壓空氣難以吹透料層,二次風(fēng)溫度不但不會(huì)提高,甚至還會(huì)降低。

        ④高溫段高壓風(fēng)機(jī)的開度。一般情況下,要想保證二次風(fēng)持續(xù)較高的溫度,其中一個(gè)必要的條件就是蓖冷機(jī)高溫段的風(fēng)機(jī)均選型為高壓,并且運(yùn)行中的開度也基本上都在100%左右。然而,需要注意的是,并不是隨時(shí)都是開度越大就越好的,有一些特殊的情況開度越大可能會(huì)降低二次風(fēng)溫度,比如在熟料產(chǎn)量偏低,料層本身并不厚時(shí)等。

        ⑤蓖冷機(jī)廢氣風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。它能夠有效的保證蓖冷機(jī)高溫段的熱風(fēng)不會(huì)被抽至冷端,全部入窯。

        3.3 二次風(fēng)溫度的控制方法 針對以上影響二次風(fēng)溫度的五個(gè)因素,提出了以下幾種提高并穩(wěn)定二次風(fēng)溫度的措施:

        ①保證窯內(nèi)煅燒制度的穩(wěn)定。影響窯內(nèi)穩(wěn)定煅燒的因素很多,其中也包括二次風(fēng)溫度的穩(wěn)定,操作中對原燃料質(zhì)量及用量的穩(wěn)定、窯速的穩(wěn)定、系統(tǒng)用風(fēng)的穩(wěn)定等都會(huì)直接影響二次風(fēng)溫度的穩(wěn)定。所以,二次風(fēng)溫度的穩(wěn)定與窯內(nèi)煅燒制度穩(wěn)定是相互促進(jìn)、相互保證的。

        ②建立自動(dòng)控制蓖速的回路。當(dāng)蓖冷機(jī)高溫段的風(fēng)機(jī)開度相對穩(wěn)定時(shí),可以將高溫段的蓖下壓力與高溫段的蓖速設(shè)置成自動(dòng)控制回路,當(dāng)蓖下壓力減小時(shí),蓖速將自動(dòng)減慢,以保證蓖下壓力不變。

        ③建立自動(dòng)控制高壓風(fēng)機(jī)開度的回路。根據(jù)蓖冷機(jī)高溫段高壓風(fēng)機(jī)、窯頭高溫風(fēng)機(jī)、廢氣風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況,合理控制相應(yīng)閥門的開度。特殊情況下,該開度可以由操作員在上位畫面中設(shè)置??刂苹芈啡鐖D3 所示。

        ④調(diào)節(jié)窯頭廢氣風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)窯頭負(fù)壓的數(shù)值來調(diào)節(jié)蓖冷機(jī)廢氣風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速??刂苹芈啡鐖D4 所示。

        4 小結(jié)

        本文采用西門子PCS7 全集成自動(dòng)控制系統(tǒng)完成了水泥窯頭站的組態(tài),實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備層、過程控制層以及操作管理層之間的數(shù)據(jù)通信。并重點(diǎn)分析了窯頭站的工藝流程,研究了工藝過程中關(guān)鍵參數(shù)的控制方法。實(shí)踐證明,比起以往的DCS 集散型控制系統(tǒng),PCS7 控制系統(tǒng)對窯頭生產(chǎn)線的組態(tài)明顯簡化了控制過程和操作步驟,提高了生產(chǎn)效率,達(dá)到了預(yù)期效果;關(guān)鍵工藝參數(shù)的控制回路設(shè)計(jì)也實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能,使二次風(fēng)量的數(shù)值穩(wěn)定在工藝要求的范圍內(nèi),從而優(yōu)化了窯內(nèi)的溫度場,提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和水泥熟料的質(zhì)量。

        [1]劉繼光.CEMAT 軟件在某水泥廠的應(yīng)用[J].Proceedings of the 7th Industrial Instrumentation and Automation Conference,2006(3):353-358.

        [2]張冬梅.新型干法水泥生產(chǎn)工藝和新設(shè)備介紹[J].硅谷,2008(22):99.

        [3]張鳳剛,鹿志清,鄭仰冠.CEMAT 系統(tǒng)在大型水泥企業(yè)中的應(yīng)用[J].水泥,2004(10):62-64.

        [4]溫曉玲.基于PLC 的水泥粉磨控制系統(tǒng)[D].合肥工業(yè)大學(xué),2007.

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