煤粉制备CAM智能控制系统的研发与应用*

欧阳昆翔 袁亦斌 欧丹林 梁逸敏

浙江邦业科技股份有限公司, 浙江 杭州 310051

煤粉制备CAM智能控制系统的研发与应用*

欧阳昆翔 袁亦斌 欧丹林 梁逸敏

浙江邦业科技股份有限公司, 浙江 杭州 310051

煤粉制备是我国绝大多数水泥企业必备的生产配套工艺。煤磨产出的煤粉质量对分解炉燃烧及回转窑正常运转都有着关键影响。以CAM（Cement's Automation and Management System，即水泥自动化与管理系统）智能控制系统为平台，创建神经网络模型，开发出煤粉制备控制模块：通过稳定磨机出口压力来稳定磨机负荷，并保持磨机的出口风温、入口风温、电流、吐渣量等在合理的范围内，使磨机在稳定运行的同时产量最大化。实践表明，煤粉制备控制器控制效果良好，能够有效地控制煤磨出口温度，提高煤磨产量，节约热风，减少电耗。

煤磨 CAM 智能控制 神经网络

0 引言

近十几年来，我国水泥工业发展以预分解窑水泥生产技术为主导[1]。在预分解窑炉煅烧工艺、节能粉磨技术、环境保护技术等方面，从设计到装备制造都迅速赶上国际较先进的水平[2]。尽管我国回转窑工业在工艺设备水平等“硬件”方面已经和国际领先水平差距不大，但是在信息化、智能化等“软件”方面差距巨大[3]。装置能耗居高不下，在信息化智能化方面，基本处在基于DCS系统的手工操作，依赖操作员的经验和责任心的“半自动化”水平[4]。随着市场竞争的加剧及国家对节能减排要求的日益紧迫，提升装置自动化控制水平、减少手工操作带来的能源和原材料的浪费，是水泥行业有识之士的共同愿景[5]。应用“智能控制”等先进控制技术，是解决此类问题的“取胜之匙”[6]。

浙江邦业科技股份有限公司（以下简称邦业科技）针对水泥行业开发出一套智能控制系统——CAM智能控制系统，其核心技术包括以神经网络为内核的多变量模型预测技术、滚动优化技术以及反馈校正技术[7,8]。通过对控制参数进行实时分析、优化，再反馈给DCS系统，实现对被控装置的智能化、全自动化操作。本文主要介绍煤粉制备控制模块。实践证明，与操作员手动控制相比，煤磨CAM智能控制系统能够稳定控制磨机出口温度，在保证正常生产的情况下提高产量，节省电耗，减少热风消耗。

1 煤粉制备智能控制技术原理

1.1 煤粉制备工艺流程简介

煤粉立磨制备流程（见图1）一般为：经过搭配的物料经喂煤机送到立磨机的磨盘上，磨盘在主电机的驱动下转动；由于离心力的作用，物料被分散在磨盘的四周，在磨辊的重力和施加研磨力的作用下碾磨成粉；一部分大颗粒物料掉入喷嘴环，经刮板刮出磨腔；来自窑尾或热风炉的高温废气，经喷嘴环进入磨机，产生涡流风，对物料进行预热烘干；被粉磨的物料在排风机的抽力下，悬浮起符合某一细度要求的物料进入选粉机；一部分颗粒由于与导向叶片碰撞、物料与物料的碰撞及离心力作用，经重锤阀重新入磨粉磨；合格的物料经旋风筒收入收尘器，经收尘器过滤后的气体通过排风机排入大气[9]。煤粉进入煤粉仓后带入的废气经安置在煤粉仓顶部的袋收尘器过滤后由独立的风机排出。

1.2 煤粉制备智能控制需求

煤粉制备是熟料烧成流程中重要环节之一，其运行的安全与稳定比产量更为重要。一方面，煤磨出口温度、煤磨入口温度、收尘器入口温度等过高，易造成煤粉自燃而引发安全事故，因此安全是第一位的；另一方面，煤磨是为烧成系统服务的，因此对出磨煤粉的细度、水分的含量有严格的要求[10]。在目前的煤磨操作中，要求操作员通过手动操作使得磨机出口温度在范围内、细度合格、产量稳定，对操作的精细度及操作员的专业水平要求很高。为减少误操作、提高操作精度，煤磨的智能化控制势在必行。煤磨主要控制参数如下：

图1 煤粉立磨制备流程示意图

（1）喂煤量。磨机在正常操作中，在保证出磨煤粉质量的前提下，尽可能提高磨的产量。根据磨机的电流、进出口温度及差压等参数来调整喂煤量。

（2）磨机差压。煤磨差压的稳定对磨机的正常运转至关重要。差压的变化主要取决于磨机的喂煤量、通风量、磨机出口温度等。

（3）磨机出、入口温度。磨机出口温度稳定对保证煤粉水分合格和磨机稳定运转具有重要作用。出、入口温度主要通过调整喂煤量、热风量和冷风量来控制（出口温度控制在65～75 ℃）。

（4）入口风量。入口风量主要控制方式为阀门调节，包括热风阀、中风阀以及冷风阀的调节。通过调节管道阀门开度，控制入口风量，同时也控制进入煤磨热风所携带的热量。

（5）排风机电流。对风机而言，在频率不改变的情况下，风机通风量和风机电流成正相关关系[11]。因此，排风机电流代表了磨机风量。对于立磨而言，料、风都很关键。

（6）磨机主电流。磨机电流是判断煤磨是否正常运行的关键参数之一，一般反映原煤的易磨程度[12]。保证磨机电流在正常工作范围内是控制的要点。

1.3 模型预测控制

模型预测控制（MPC）作为新一代的智能控制算法，在化工、电力等行业已经得到了广泛的应用[13]。虽然MPC在水泥行业的应用还不多，但其多变量、模型预测、反馈校正和滚动优化的特点，很适合处理水泥生产这类强耦合、长时滞的过程。在国际上，ABB、Powitec等公司也就模型预测控制在水泥行业的应用进行了一定的研究[14]。

模型预测控制的基本思想是根据内置的预测模型，预测未来一段时间内过程的变化趋势，从而寻找出最佳操作控制参数。与专家系统相比，模型预测控制的内核已经不是若干专家规则，而是升级为反映过程本征规律的数学模型[15]。模型是精确的、连续的，因此，基于预测模型的控制系统，可以适应工业现场千变万化的各种情况，控制精度和适应性都大大提高。

2 煤粉制备控制方案设计

2.1 系统架构

智能控制系统的网络架构图如图2所示。智能控制系统的核心是CAM服务器组。一方面，CAM服务器组通过OPC数据服务器与工厂采用的集散控制系统（DCS）进行交互，从而实现关键过程参数和调节变量的采集、分析、计算、调节、反馈等各项功能。而操作人员通过集成在操作员站的人机交互界面（HMI），与智能控制系统进行交互。另一方面，CAM服务器组也和位于工业以太网上的Web客户端，以及位于Internet上的远程维护客服端进行连接，供工程技术人员进行系统调试、维护等各项工作。同时，在DCS系统中新增人机交互界面，供操作人员日常使用。

图2 CAM智能控制系统网络构架

2.2 煤粉制备控制方案

煤粉制备控制器对料的控制，主要是通过稳定磨机出口压力带来磨机负荷的稳定，同时保持磨机出口风温、磨机入口风温、磨机电流、磨机吐渣量等在合理的范围内，在磨机稳定运行的同时使产量最大化。

煤粉制备控制器主要功能如下：（1）通过热风和冷风比例的调节，使磨机出口温度（或者收尘器入口温度）保持稳定，入口温度保持在安全限内；（2）通过对总风量的调节，实现磨机内的“风”、“料”的匹配；（3）在磨机正常运转的情况下尽量提高产量；（4）在满足磨机用风的前提下，尽可能减少热风用量。

煤粉制备控制器的主要操作变量包括：喂煤量、热风阀、中风阀、冷风阀；主要被控变量包括：磨机出口温度、排风机电流、磨机入口温度、磨机出口压差。变量关系如表1所示，其中X表示两者存在控制关系。

表1 煤粉制备控制器控制变量关系

2.2.1 煤磨用风的控制

对于煤磨而言，风的控制是非常关键的。邦业科技的煤粉制备控制器包括几个方面的内容：其一，通过热风和冷风比例的调节，使磨机出口温度（或者收尘器入口温度）保持稳定，入口温度保持在安全限内；其二，通过对总风量的调节，实现磨机内的“风”、“料”的匹配；其三，在满足磨机用风的前提下，尽可能减少热风用量。经过理论估算，煤磨减少10%的热风用量，可增加窑头余热发电1%的发电量，其效益是相当可观的。

2.2.2 磨机给料的控制

煤粉制备控制器对料的控制，主要是通过稳定磨机出口压力带来磨机负荷的稳定，同时保持磨机出口风温、磨机入口风温、磨机电流、磨机吐渣量等在合理的范围内，使磨机在稳定运行的同时产量最大化。

2.2.3 安全生产的控制

对于煤磨安全生产而言，磨机出口温度尤为重要。若出口温度过高，则容易导致煤粉燃烧而产生爆炸事故。因此，在控制器中设定了煤磨出口温度的上限值，当出口温度达到或者高于该上限时，控制器会迅速采取措施以降低出口温度。

磨机中CO浓度也对安全起着至关重要的影响，CO气体浓度在磨煤机内部有限空间的增加，降低了磨煤机内可燃混合物的着火点，增加了磨煤机着火或爆炸的危险性。邦业科技的煤粉制备控制器内含CO浓度监控系统，当检测到的CO浓度达到危险值时，通知控制器，采取一系列操作以保证CO浓度保持在安全范围。

3 实施效果

煤粉制备控制器在国内某水泥公司实际应用近一年，取得了良好的效果。统计出2016年1～3月控制器投用率数据如表2所示。从表2中可以得出，控制器投用率均在96.9%以上，说明客户对控制器使用效果相当满意。

表2 国内某水泥公司1-3月投用率

表3为控制器投用前后煤磨设备正常生产数据，投用前为2015年11月数据，投用后为2016年3月数据。从表3中可以看出，控制器投用后煤磨平均产量从37.4 t/h提高到了40.6 t/h，有了显著提高；平均出口温度从65.6 ℃提高到了67.4 ℃，标准偏差从2.94降低到了1.44，温度波动显著减小，出口温度更加稳定.

表3 控制器投用前后主要数据对比

各截取8 h煤磨正常生产的出口温度趋势图（见图3）及喂煤量趋势图（见图4），用以对比控制器投用前后的效果。

从图3中可以看出，在控制器投用前，煤磨出口温度波动较大，约有10 ℃的上下波动；而投用控制器后，出口温度波动显著降低，只有3 ℃的波动，基本已经控制在要求范围内。

从图4中可以看出，控制器投用后，根据煤磨出口温度自动调节喂煤量。当出口温度在控制范围内时，不断缓慢提高产量；当出口温度低于控制范围时，降低产量以提高出口温度使之保持在控制范围内，反之亦然。

图3 煤磨出口温度对比趋势图

图4 煤磨喂煤量对比趋势图

4 结束语

煤粉制备控制器能够有效地控制煤磨高效、稳定运转，在保证质量的同时提高产量，减少热风消耗，这对水泥企业有着非常重要的意义。煤磨产量的提高及热风消耗的减少，有助于节省电耗，提高余热发电量，进一步降低企业生产成本，同时减少因烧煤而产生的环境污染，对水泥企业节能减排有实质性的推动作用。实践表明，煤粉制备控制器控制效果良好，有重要的推广意义。

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TQ172.625.4

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国家国际科技合作专项项目：工业回转窑能源管理和控制一体化关键技术（2015DFA60200）

2016-04-22）