预分解窑入窑生料控制的探讨

　　1、入窑生料的稳定性对窑系统稳定的影响

　　如果将窑的煅烧过程看作一个控制系统时，我们惊讶的发现整个系统的CPU竟是我们的窑操人员，喂料系统、喂煤系统和风量调节系统仅仅是整个窑系统的子系统。对于整个窑煅烧过程这样一个复杂系统来说，即使一个非常熟练的窑操人员，要稳定这样一个非线性、多变量、强耦合、时变和滞后的复杂系统――尤其是子系统的自身的稳定性较差时，也是非常吃力的。

　　我们再来看一看影响窑煅烧系统稳定性的三个主要参量：

　　入窑生料量、窑（含炉）系统的喂煤量以及窑系统的用风量。

　　入窑生料量的大小决定了这个窑的产量，它受制于窑的设计和窑内实际煅烧情况，其参考输入是由窑操人员根据操作过程的实际情况来决定的。窑（炉）的喂煤量是由入窑生料量的多少决定的，它提供了窑煅烧的能源。窑系统的风量取决于窑（炉）的

　　喂煤量，它提供煤粉燃烧所必须的氧气。从控制的角度大致可以这样认为，窑（炉）喂煤系统是入窑生料系统的随动系统，其参考输入（喂煤的设定量）是入窑生料量的时间函数；而用风系统是喂煤系统的随动系统，其参考输入是喂煤量的时间函数。

　　由此我们可以看出，即使不考虑窑系统各参量的非线性、耦合、时变等复杂因素，入窑生料系统的稳定性也是窑系统（热工制度）稳定的极为关键的环节和至关重要的节点。

　　2、入窑生料的特性和工艺流程与控制特点

　　预分解窑的入窑生料主要是由石灰石、页岩和铁通过研磨后的细粉状物料。自然状态下，它具有一定的流态性和较小的休止角，比重大约在1.0t/m3左右。它流态性受到水分和气流的影响极为强烈。水分的增加会使其流态性变差，表现在物料趋于粘聚并有较大的附着性，水分越大其附着性越强，流态性越差；而当干燥或伴有气流时其流态性变得极强，表现为物料趋于自溢（自流性），含气量越大，其流态性越强。

　　考虑到窑尾生料的特性，目前大多数水泥厂的窑尾喂料的工艺流程中，都设计有一个过程稳流储料仓，并且该稳流储料仓通常带有重量监测传感器或料位监测装置。

　　水泥工业中窑尾生料的过程稳流储料仓是窑尾生料控制的一个比较重要的环节。窑尾生料的定量计量和控制往往直接串接在这个工艺环节之后。因此不论是从生料的控制计量方面还是从工艺流程方面，都希望过程稳流储料仓内的生料能够稳定地受控卸料。

　　但是经过研磨均化后的生料粉体，在常态下虽具有一定的流态性，但其流态性指标并不足以保证其能够以自身重力方式通过稳流储料仓自然卸料。因此除了在传统工艺中采用螺旋喂料机方式的强制性卸料方式外――极易产生过程稳流储料仓的起拱现象，目前在实际中应用中大多数采用仓（库）底充气助卸间或结合仓（库）侧充气破拱的自 然卸料的方式来保证生料仓内物料的卸料。

　　通过以上对入窑生料的特性和工艺流程的探讨，我们可以发现，由于入窑生料的流态性，受助卸气流的气压和稳流仓的仓压影响很大，因此对入窑生料的控制的其中一个关键环节是如何避免稳流储料仓卸料时（即入窑生料的计量控制设备在受料时），入窑生料的流态性差异对控制计量系统的巨大影响；而另一个关键环节就是如何避免给料控制装置的非线性对控制计量系统的影响。

　　从系统的角度去分析入窑生料的特性、工艺流程、卸料特点对入窑生料控制的影响是实现入窑生料稳定控制的基础。

　　流量调节阀＋固体流量计系统的探讨

　　采用流量调节阀和固体流量计组成的入窑生料计（量）控（制）调节系统在我国的水泥工业中占有很大比例。其计量控制原理是通过固体流量计，检测出入窑生料的瞬时（或平均）流量，并将测量出的流量值与设定值比较，其偏差通过PID或其变种算法来调节流量阀门的开度，力求使入窑生料的实际流量与设定值保持一致。

　　我们可以从控制学的角度对该系统的动态性能和稳态性能简要探讨一下。

　　该控制系统的流程原理，如上图所示，被控入窑生料通过流量阀门、布风斜槽和流量计导向斜槽作用于流量计检测板，由流量计检测板测量出实际流量的大小，反馈给系统，再由系统比较设定流量与实际反馈流量的偏差来调节流量调节阀门的开度。

　　入窑生料系统的设定输入是入窑生料的流量（注意设定输入不是阀门开度），其调节手段是利用流量阀门的开度来实现的。因此流量阀门的开度与通过阀门生料流量的大小的线性关系直接影响该系统的稳态性能间接影响系统的动态性能指标。

　　另外还应该注意到流量测量环节（固体流量计）和流量调节环节（流量调节阀）在物理空间的分离（通过布风斜槽和导向斜槽来联结）使的该系统在偏差调节上会出现一定的滞后现象。因此该系统的调节模式，不应采用简单的惯性环节来处理，而应根据现场实际情况充分考虑其滞后性能对系统动态性能指标的影响。

　　由上的分析可以得出流量调节阀开度与流量大小的线性关系以及调节系统对系统滞后性的处理，对采用流量调节阀和固体流量计组成的计控系统的稳态性能和动态性能起着至关重要的影响。

　　流量调节阀门开度与流量大小的对应关系，除了流量调节阀自身设计合理性和自身质量关系外，物料流态性能对其影响巨大，如前文所述入窑生料的流态性能取决于过程储料仓仓压和仓底助卸气压，特别是仓底助卸气压的大小对入窑生料的流态性能影响。目前由于很难对物料的流态性能进行量化测定，加上影响该性能的因素很多，因此一个物料绝对稳定的流态性是一种奢求。所以一般在实际应用时，阀门自身定位精度的偏差、环境状态的改变或不稳定都往往导致流量调节阀的非线性。严重时会造成系统的震荡，表现为物料的冲料或间歇性断料发生。

　　采用常规PID调节的单回路系统时，调节的系统的滞后性会降低系统的跟随性和抗扰性（注：控制系统的动态性能的定义）。特别是当调节装置带有非线性死区时，系统还会出现稳态静差，影响系统精度。

　　由此可以得出在采用流量调节阀＋固体流量计组成的入窑生料控制系统时，除了选配性能优良的流量调节阀和固体流量计外，设计一个合理的过程储料仓、稳定过程储料仓的仓压、稳定仓底助卸气压下，得到一个稳定卸料的料流是非常重要的因素。同时为了能够提高整个系统的动态性能，应根据系统实际滞后时间常数，选择合理调节方式和参数也是非常重要的。

　　4、流量调节阀＋定量给料机系统的探讨

　　怎样才能进一步提高入窑生料系统的稳定性和动态指标性能。从上节讨论中可以看出，解决调节装置（流量调节阀）的非线性和计、控分离产生的时滞性是提高整个系统稳定性和控制性能的关键。为此我们引入了密封皮带式定量给料机这样一个小惯性线性流量测控环节，取代固体流量计这样一个单纯的测量环节，将流量调节阀的精确调节下降为稳流预给料的粗调环节，形成了一个由流量调节阀――稳流粗调环；密封皮带式定量给料机――流量精调环，组成的一个粗、精双回路调节系统来解决入窑生料的前述问题。如下图所示。

　　流量调节阀＋定量给料机组成的入窑生料计量控制系统的系统构成：由流量调节阀门与定量给料机的负荷组成一个闭合的稳流环节，考虑到流量调节阀的非线性，将其与定量给料机负荷组成一个定性调节的负荷粗调环节，它的调节作用是在一定范围内保证定量给料机负荷的相对稳定，避开了由于其非线性因素对整个计量控制系统的影响。充分利用定量给料机的小惯性和流量线性调节功能，避开了调节装置的非线性和调节滞后对整个入窑生料系统的影响。该系统的工作原理：1）流量环的调节是由定量给料机的荷重传感器测定其有效称量段上的负荷；由测速传感器测定定量给料机的线速度。通过运算和标度变化得到实际通过定量给料机的瞬时生料流量，与入窑生料系统的设定输入流量进行比较，利用偏差调节定量给料机的速度。2）负荷环的调节是由系统根据设定输入确定定量给料机的负荷范围，再由定量给料机的荷重传感器测量定量给料机的负荷，与标准负荷比较，由偏差调节流量调节阀门的开度。

　　这里需要强调的是，由于该系统是由流量调节环节和负荷调节环这两个闭环回路组成的调节系统。一般来说，可以将该系统看作是双入、双出的多回路复杂系统，两个回路之间存在着强耦合，对强耦合的多回路系统来说，未经解耦的控制一定会使系统发生震荡，甚至导致系统崩溃。所以如何解耦是控制系统调节的关键。

　　目前由合肥水泥研究设计院金山公司研制开发的TDGSL入窑生料系统，就是采用流量调节阀＋定量给料机组成的双回路入窑生料调节系统。该系统通过十多年来不断的完善，汲取众多现代控制理论精华，建立和发展了一整套基于现代控制理论的入窑生料控制系统的模型和解耦方法，使得采用流量调节阀＋定量给料机模式的TDGSL入窑生料控制系统，正不断的投入水泥工业的应用，目前该系统已成功的应用于国内外中大型水泥厂40多套，各项性能指标大大超过采用流量调节阀＋固体流量计模式的入窑生料系统。

　　5、其它几种入窑生料系统的辨析

　　考虑到调速螺旋铰刀的喂料能力，目前除了少数1000t/d熟料生产线一下的水泥厂外，采用调速螺旋铰刀＋固体流量计模式组成的入窑生料系统已经极少了。该模式是将前第3节所述的流量调节阀换成了调速螺旋铰刀。这样一个系统一般来说不能采用仓底空气助卸方式卸料，否则调速螺旋铰刀会丧失作用。由于螺旋铰刀的转速和流量之间也存在一定的非线性，另外生料物料采用仓底强制卸料时，料仓易发生结拱塌料现象。所以目前很少有水泥厂采用该方式作为入窑生料控制系统的。

　　目前还有两种也称是采用流量调节阀＋定量给料机模式的入窑生料控制系统。它们完全不同于上述第4节的系统。其一是采用一恒速皮带秤代替定量给料机（调速），由此组成的系统与第3节所述的模式比较，除了将固体流量计这样一个测量装置替换成恒速皮带秤这样一个测量装置之外，还将整个系统的滞后时间常数加大，给系统的动态性能带来麻烦外，从系统角度分析该系统与第3节所述系统比较而言，有害而无益。当然前提是固体流量计的质量一定要过关。其二虽然也是采用定量给料机替代固体流量计，硬件模式同第4节所述的硬件模式相同。但其回避了流量调节阀与定量给料机之间的强耦合作用，仅是将标度变换后，同步调节流量阀门开度和皮带转速（第4节所述系统的两个环节是解耦后异步调节的），这样组成的系统，如果从系统稳态性判别角度去分析，一个微弱的扰动也会影响系统的稳定平衡，特别是当窑操人员需要改变产量设定时，其过渡过程将十分漫长，且过渡过程中流量偏差巨大，所以作者观点该系统甚至不如采用恒速皮带秤的方式。

　　6、结束语

　　随着水泥工业的不断发展，人们对窑内煅烧系统提出了更高的要求。如何更稳定风量精确的控制入窑生料、窑炉煤粉和窑内风量，以提高预分解窑的产质量，减少能耗成为现代水泥生产中显得尤为迫切的要求。