張龍林

在水泥生產(chǎn)工藝中，CF連續(xù)流式生料均化庫均化系數(shù)可達10～16[1]，均化效果好，可有效保證入窯生料成分的穩(wěn)定，因此，在一些新建項目設(shè)計中優(yōu)先采用此種均化庫。均化庫常見卸料流程示意見圖1。為節(jié)省基建投資，水泥廠生料計量倉一般設(shè)置在均化庫外或在預(yù)熱器上。CF庫七個區(qū)的卸料斜槽的物料先通過一個很小的混合倉，再經(jīng)匯集斜槽和中轉(zhuǎn)提升機送入生料混合計量倉。

圖1 均化庫常見卸料流程示意圖

保持生料計量倉的倉重穩(wěn)定，盡量減少倉內(nèi)壓力波動，可有效防止生料轉(zhuǎn)子秤喂料量大幅波動，從而保證入窯生料喂料量的穩(wěn)定。本文主要介紹我公司設(shè)計的南方HK水泥項目在調(diào)試過程中遇到的生料卸料方面的問題和解決優(yōu)化措施。

1 調(diào)試中存在的問題

本項目生料均化庫采用CF庫，CF庫的工作原理是依靠充氣和重力卸料，物料在庫內(nèi)實現(xiàn)軸向及徑向混合均化，各個卸料區(qū)可控制不同流速，再加上小混合室的空氣攪拌，使物料充分混合均化。庫底各區(qū)電動球閥卸料時序如圖2所示。

由時序圖可見，雖然總的均化周期是1 800s，但七個大區(qū)主斜槽充氣輪換一個循環(huán)只需要300s，程序?qū)嶋H上一直頻繁地在執(zhí)行換區(qū)工作命令。由于各區(qū)卸料流量差異較大，并且換區(qū)后斜槽料流從開始流動到流量穩(wěn)定需要10～20s的時間，這就造成進入中轉(zhuǎn)提升機的料量很不穩(wěn)定，中轉(zhuǎn)提升機的電流有時甚至會突然超過額定電流（163A），有過載壓死的風險。雖然庫底各區(qū)的流量閥可以手動調(diào)節(jié)，但由于換區(qū)頻繁，完全依靠人工調(diào)節(jié)流量是不現(xiàn)實的。最初的設(shè)計是通過PID程序監(jiān)控計量倉倉重，自動調(diào)節(jié)庫底流量閥。此設(shè)計對于設(shè)在庫內(nèi)的計量倉是很容易達到倉重穩(wěn)定的目的，但是由于增加了中轉(zhuǎn)斜槽和提升機，使從閥門調(diào)整到倉重發(fā)生變化的延時較長，導(dǎo)致很難將倉重穩(wěn)定在理想的范圍內(nèi)。通過觀察生料轉(zhuǎn)子秤的負荷率和轉(zhuǎn)速變化趨勢發(fā)現(xiàn)，盡管在計量倉內(nèi)設(shè)置了減壓錐，但計量倉倉重的變化還是會很快地反映到生料轉(zhuǎn)子秤負荷率的變化上，當倉重變化較快時，甚至會引起生料喂料量波動。因此，保持倉重的穩(wěn)定對生料喂料量的穩(wěn)定和回轉(zhuǎn)窯的熱工制度穩(wěn)定至關(guān)重要。

2 調(diào)試中的改進措施

圖2 庫底各區(qū)電動球閥卸料時序圖

為穩(wěn)定計量倉倉重，防止中轉(zhuǎn)提升機被沖料壓死，在程序上允許操作員給每個區(qū)的流量閥分別設(shè)置流量上下限，使各區(qū)的流量閥在給定流量區(qū)間內(nèi)運行。另外，為了減少換區(qū)過程中料流頻繁啟動引起的擾動，將一個循環(huán)周期從300s改為600s。以上措施的實施大大提高了料流的穩(wěn)定性，取得了一定的效果。但是，因為各區(qū)下料量仍然存在較大差異，提升機電流還是會大幅波動到163A以上，所以人工干預(yù)仍然是必不可少的。

用倉重的變化控制庫底的流量閥存在嚴重的滯后，這是引起提升機電流大幅波動的主要原因。考慮到此因素，由于庫底斜槽內(nèi)生料流速很快，時滯很小，我們決定先將提升機電流作為目標設(shè)定值，以此來調(diào)整庫底流量閥。將原PID（以下稱PID1回路）的PV和SP變量由倉重修改為提升機電流后，再通過簡單的PID參數(shù)調(diào)整就達到了預(yù)期的效果，使提升機電流可穩(wěn)定在設(shè)定值的±7A以內(nèi)。

雖然解決了提升機沖料的問題，但是倉重仍需人工監(jiān)控，需要通過改變提升機電流設(shè)定值進行調(diào)整。為了減少操作負擔，在DCS技術(shù)人員的配合下，又增加了用倉重變化來控制提升機電流的PID2回路。通過倉重傳感器測得PV值，和設(shè)定值SP值進行比較，將PID2運算的輸出作為前述電流PID1回路的設(shè)定值SP，組成一個串級PID控制回路（如圖3所示）。通過不斷觀察和修改PID參數(shù)，最終達到了令人滿意的效果。表1是程序修改前后幾個參數(shù)的波動情況對比。

3 改進的技術(shù)要點

（1）在本例中，倉重屬于“溫度、質(zhì)量等參量滯后較大，且控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)”[2]，正是串級PID適用條件之一；而物料輸送的路徑長，調(diào)節(jié)時間滯后，換區(qū)時存在料流劇烈變化等情形，也是串級PID控制回路的適用條件。在此，提升機電流波動大是因料流擾動引起的，所以能通過流量閥快速直接有效控制提升機電流，控制精度要求也不太高。另外，倉重的變化相對較慢，又需要較高的靈敏度，需要精細調(diào)節(jié)，因此必須加強積分控制作用，并引入微分控制作用進行超前調(diào)節(jié)。

（2）PID模塊的設(shè)置必須重視量程的轉(zhuǎn)換。量程的數(shù)量級和范圍直接影響比例系數(shù)的大小，可以選用參數(shù)的自然量程。如PID1回路中PV和SP值量程采用0～163A（額定電流），輸出0～100，正好是執(zhí)行器的開度范圍。PID2回路中PV和SP值量程采用倉重的量程0～150t，因為系統(tǒng)限制PID模塊的輸出只能以0～100來表示，而此處作為PID1回路輸入，量程應(yīng)當是斗式提升機電流的正常范圍0～163A，所以此處需要加入量程轉(zhuǎn)換模塊。

圖3 串級PID控制示意圖

表1 程序修改前后參數(shù)對比

（3）對PID的輸出設(shè)定適當?shù)姆秶?，既可以將輸出限制在安全范圍?nèi)，又可以減少無效輸出時間，大大改善調(diào)節(jié)的效果。如此處PID1回路輸出的是流量閥開度，可以根據(jù)實際需要限定最大和最小輸出范圍。PID2回路的輸出轉(zhuǎn)換成PID1回路的電流設(shè)定值，對于空載電流以下的設(shè)定值是沒有意義的，因此可以設(shè)定PID2輸出最小值對應(yīng)的PID1輸入值在空載電流附近。輸出的最大值不可過大，需要滿足夠用和安全（不引起過載）的要求。

（4）關(guān)于參數(shù)的整定，需要耐心地觀察PID回路的輸出變化趨勢。首先斷開PID2，先整定PID1，調(diào)整好之后再投入PID2并整定參數(shù)。兩級串聯(lián)后觀察系統(tǒng)反應(yīng)時間，如果不能滿足要求，可能還需要重新調(diào)整PID1的參數(shù)，直至達到滿意的控制效果。比例、積分和微分時間的組合很難確定哪個值是最優(yōu)的，滿足控制要求即可。大的原則是先要確定比例系數(shù)的數(shù)量級，首先給定一個極小的比例系數(shù)，再根據(jù)調(diào)節(jié)的靈敏度逐步增大。由于時間差的存在，需要引進較大的微分作用進行超前調(diào)節(jié)，調(diào)試過程中需要注意觀察，在倉重下降時，即使倉重顯示值高于設(shè)定值，也要判斷是否仍然能增加輸出量，如果不能，就需要加大微分時間。需要注意的是，某些系統(tǒng)PID模塊默認的微分時間和積分時間范圍可能不夠用，必要時可以調(diào)大微分時間或積分時間的輸入范圍。

4 結(jié)語

在水泥廠設(shè)計和調(diào)試過程中，DCS工程師往往主要負責編制程序，不負責具體操作工藝設(shè)備，所以很難將控制參數(shù)調(diào)到最優(yōu)。本技改在公司技術(shù)人員和DCS工程師的相互配合下，經(jīng)過帶料狀態(tài)下的耐心調(diào)整，成功解決了提升機沖料和倉重控制不穩(wěn)導(dǎo)致的生料轉(zhuǎn)子秤喂料量波動問題，也充分證明了各專業(yè)密切配合的重要性，為以后的調(diào)試積累了寶貴的經(jīng)驗。