CN112524940A - 回转窑及其烟气管网非对称特性动态控制方法 - Google Patents
回转窑及其烟气管网非对称特性动态控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112524940A CN112524940A CN202011541638.8A CN202011541638A CN112524940A CN 112524940 A CN112524940 A CN 112524940A CN 202011541638 A CN202011541638 A CN 202011541638A CN 112524940 A CN112524940 A CN 112524940A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- rotary kiln
- kiln
- air
- flue gas
- set value
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 150
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 title claims abstract description 145
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 88
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 81
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 81
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 81
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 claims abstract description 70
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims abstract description 40
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 28
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims abstract description 17
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 238000004868 gas analysis Methods 0.000 claims abstract description 6
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 60
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 56
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 39
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 24
- 239000000779 smoke Substances 0.000 claims description 21
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 20
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 19
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 claims description 18
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 15
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims description 8
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 7
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 6
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 4
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 claims description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 claims description 3
- 238000004886 process control Methods 0.000 claims description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 2
- 238000010998 test method Methods 0.000 claims description 2
- 239000003517 fume Substances 0.000 claims 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 16
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 6
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 description 9
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 4
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 4
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 4
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 4
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000010259 detection of temperature stimulus Effects 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000003915 air pollution Methods 0.000 description 1
- 239000004566 building material Substances 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 1
- 230000000739 chaotic effect Effects 0.000 description 1
- 230000019771 cognition Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000003631 expected effect Effects 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 210000002569 neuron Anatomy 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012706 support-vector machine Methods 0.000 description 1
- 208000024891 symptom Diseases 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
- F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
- F27B7/00—Rotary-drum furnaces, i.e. horizontal or slightly inclined
- F27B7/20—Details, accessories, or equipment peculiar to rotary-drum furnaces
- F27B7/42—Arrangement of controlling, monitoring, alarm or like devices
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Muffle Furnaces And Rotary Kilns (AREA)
Abstract
本发明回转窑及其烟气管网非对称特性动态控制方法属于回转窑控制技术，研发了回转窑外部空气进入量计算数学模型和空气过剩系数计算数学模型，通过烟气分析检测的氩含量来计算回转窑外部空气的进入量，然后根据外部空气进入量设定值与外部空气进入量计算值之差，对窑尾排风机入口阀开度进行调节，使回转窑外部空气进入量始终控制在设定值范围内；根据烟气分析检测的氧含量和一氧化碳含量对二次风机风量、三次风机风量和一次风机风量进行调节，来控制回转窑空气过剩系数，使回转窑空气过剩系数始终控制在设定值范围内；获得了提高燃烧效率、提高排风机节能量、减少NOx污染排放量、提高生产作业率的节能减排效果。
Description
技术领域
本发明属于回转窑控制技术，具体是回转窑的外部空气进入量控制技术和空气过剩系数控制技术，不涉及回转窑的辅助系统；本发明不涉及控制系统、控制设备及仪器仪表的选型。
背景技术
回转窑是应用范围相当广泛的炉窑之一，遍布了冶金、水泥、石化、建材等行业，是耗能大户，同时也是重要的大气污染源，产生大量的二氧化碳、氮氧化物、粉尘等等。
现有技术对空气过剩系数的控制策略是根据检测尾气氧含量与经验获得的氧含量设定值之差，来调节二次风机风量。但由于经验获得的氧含量与回转窑实际运行情况不一致，通常收不到预想效果，甚至造成系统波动较大，故实际上多数系统都是采用手动控制空气过剩系数的方式，按照空气过剩系数经验曲线或空气过剩系数限值进行调节；现有技术在回转窑控制中应用了多种现代控制技术，如人工神经元网络、模糊控制、支持向量机等，目前智能算法已广泛应用于回转窑中，虽然如此，由于现有技术从根本上缺失炉窑及其烟气管网运行特性的基础理论支持，所以实际上现已应用的现代技术并没有实现对空气过剩系数的动态控制，严格地说，现有技术还没有涉及空气过剩系数的动态自动控制。
由于缺失对回转窑空气过剩系数以及回转窑外部空气进入量进行调节的控制技术，现有技术从根本上适应不了回转窑深度节能减排的需求，理论研究和应用技术亟待有所突破。
涉及回转窑空气过剩系数以及回转窑外部空气进入量控制技术的回转窑及其烟气管网非对称特性动态控制方法还未见到公开发表的出版物、文献或资料。
发明内容
本发明的目的是根据回转窑运行工况的特点，寻求突破制约现有技术的技术瓶颈，研究开发与回转窑运行工况相适应的回转窑及其烟气管网非对称特性动态控制方法，以实现回转窑深度节能减排的效果。
本发明的要点是研究现有技术存在的问题，突破现有技术的基础和框架，根据回转窑运行工况特点及回转窑烟气管网的物理特性，创新性地确立了回转窑非对称系统理论，研发了回转窑外部空气进入量计算数学模型和回转窑空气过剩系数计算数学模型，研发了基于回转窑非对称系统理论的回转窑外部空气进入量及回转窑空气过剩系数的动态控制方法，通过烟气分析检测的氩含量来计算回转窑外部空气的进入量，然后根据回转窑外部空气进入量设定值与回转窑外部空气进入量计算值之差，对窑尾排风机入口阀开度进行调节，构成了回转窑外部空气进入量闭环动态调节系统，使回转窑外部空气进入量始终控制在设定值范围内；根据烟气分析检测的氧含量和一氧化碳含量对二次风机风量、三次风机风量和一次风机风量进行调节，来控制回转窑空气过剩系数，构成了回转窑空气过剩系数闭环动态调节系统，使回转窑空气过剩系数始终控制在设定值范围内；外部空气进入量和空气过剩系数的有效控制获得了提高回转窑燃烧效率、减少生成烟气总量、提高窑尾排风机节能量、减少NOx污染排放量、实现回转窑全自动控制、减轻操作者劳动强度，提高生产作业率的多重节能减排效果，获得了节能减排、增产保质的多重效益。
附图说明
图1是回转窑及其烟气管网非对称特性动态控制方法的技术方案框图，图1中1是回转窑控制系统HMI操作站，2是外部空气进入量设定值，3是窑尾排风机入口阀开度调节，4是回转窑外部空气进入量计算数学模型，5是窑尾主烟道Ar含量，6是窑尾主烟道烟气流量，7是一次风机风量实际值，8是二次风机风量实际值，9是三次风机风量实际值，10是占比系数k输入，11是回转窑空气过剩系数计算数学模型，12是空气过剩系数设定值，13是窑尾主烟道O2量，14是二次风机风量调节，15是三次风机风量调节，16是空燃比，17是回转窑旋转速度设定值，18是回转窑旋转变速装置，19是回转窑温度实际值，20是回转窑温度设定值，21是温度控制方式选择，22是温度控制方式设定，23是一次风机风量调节，24是窑尾主烟道CO设定值，25是窑尾主烟道CO实际值，26是窑头罩压力设定值，27是窑尾排风机风量调节，28是窑头罩压力实际值，29是回转窑现场工艺设备。
图2是回转窑及其烟气管网非对称特性动态控制方法的控制系统构成图，图2中1是回转窑主工艺控制系统，2是回转窑控制系统HMI操作站，3是外部空气进入量设定值，4是空气过剩系数设定值，5是窑尾主烟道CO设定值，6是窑头罩压力设定值，7是回转窑温度设定值，8是回转窑旋转速度设定值，9是空燃比设定输入，10是温度控制方式设定输入，11是占比系数k输入，12是回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器，13是窑尾主烟道Ar含量检测，14是窑尾主烟道O2含量检测，15是窑尾主烟道CO含量检测，16是窑尾主烟道烟气流量，17是窑头罩压力检测，18是回转窑温度i检测，19是回转窑温度n检测，20是一次风机风量检测，21是二次风机风量检测，22是三次风机风量检测，23是一次风机风量调节，24是二次风机风量调节，25是三次风机风量调节，26是窑尾排风机风量调节，27是窑尾排风机入口阀开度调节，28是回转窑旋转变速装置调节，29是现场工艺设备过程信息，30是回转窑现场工艺设备。
图1的技术方案框图是按回转窑的一般特点构建的，实际上，回转窑工艺及设备种类繁多，具有多种型式的回转窑，工艺参数和设备布置也不尽相同，为避免叙述缛琐造成混乱，本技术方案考虑的是具有一般特点的通用情况，而不区分具体回转窑工艺设备组成的细节；然而本文阐述的控制原理、得出的结论、获得的有益效果通用于回转窑的应用。
具体实施方式
基本术语及定义：回转窑系统中空气过剩系数亦称过剩空气系数或过量空气系数，定义为“燃料燃烧时实际空气需要量与理论空气需要量之比值”，用字母α表示。
根据定义，空气过剩系数是指回转窑燃烧系统在所设置的空燃比时所得到的结果，即在该空燃比条件下，助燃空气与燃料的燃烧效果。该燃烧效果不包括回转窑外部空气进入量所发生的燃烧产生的效果，虽然回转窑外部空气进入量可能会产生部分或全部燃烧，但与基于空燃比的燃烧相比，由于回转窑外部空气进入量是冷空气，会产生热损失，所以具有负面影响，不利于提高回转窑的热效率，空气过剩造成的氧化气氛还会增加NOx的排放；回转窑空气过剩系数和回转窑外部空气进入量具有不同的含义，因此窑尾主烟道管网中检测的氧含量既不代表空气过剩系数，也不代表外部空气进入量，该氧含量是两者混合的结果。
现有技术控制回转窑空气过剩系数的方法是根据检测的烟气中氧含量和一氧化碳含量来计算、推测空气过剩系数值，不同类型的回转窑都有推荐的空气过剩系数范围或空气过剩系数限值，用于指导操作人员手动调节空气过剩系数，实际上这种方法是不可取的。
原因在于：
第一，现有技术对回转窑空气过剩系数的认识存在问题，根据空气过剩系数的定义，现有技术检测烟气中氧含量所得到的所谓空气过剩系数，不是真正意义上的空气过剩系数，因为它包含了回转窑外部空气进入量中的氧含量，而真正的空气过剩系数是指经过设定空燃比控制后燃烧所产生的结果，并不包括外部空气进入量中的氧含量。这个概念从新版锅炉大气污染物排放标准GB13271-2014可得到佐证，新国标对污染物排放浓度采用了“基准含氧量”的说法，而不是原国标GB13271-2001的“过量空气系数”，即烟气中检测的氧含量不等于“空气过剩系数”，纠正了过去模糊的概念；以前根据烟气中检测的氧含量计算“空气过剩系数”也缺乏理论依据，而现有技术又没有准确计算“空气过剩系数”的方法，所以目前新国标对污染物排放浓度采用“基准含氧量”的说法是明智之举，避免引起误导。
第二，认识的偏差使现有技术实施困难，因为没有理论依据作为具体指导，操作人员也只能根据经验，试验性地根据推荐的空气过剩系数范围或空气过剩系数限值进行调节，很难得到预想的结果，事实上目前在回转窑控制中缺失对空气过剩系数的动态自动控制功能。
回转窑空气过剩系数动态控制技术是典型的、长期困扰人们的工业控制疑难问题，是具有类似工况回转窑的共性问题，是业内称之为复杂工业系统控制的问题，极具代表性。迄今为止现有技术还没有找到回转窑空气过剩系数动态控制的方法，还停留在控制策略并非正确的手动调节或自动+手动干预的控制方式中。
现有技术根据检测烟气中的氧含量来做空气过剩系数的估计判断，提出所谓最佳空气过剩系数范围或空气过剩系数限值，作为指导操作员的操作的依据，实际上这种做法存在很大问题。烟气中测得的氧含量不代表空气过剩系数α，用氧含量来代表或换算空气过剩系数对燃烧进行控制会产生错误的结果。下面定性分析一下现有技术控制策略将会产生的危害。
设烟气中检测的氧含量为A，因为烟气中的氧由两部分组成，一是空燃比不当造成的剩余的氧，设为B；二是回转窑外部空气进入带入的氧，设为C；由于B存在α＞1、α＝1和α＜1三种情况；而C仅存在一种情况，即根据回转窑的基本特性，不可能一点外部空气也不进入，所以不存在氧＝零的情况，只存在氧＞0的情况；若考虑C会与烟气中CO发生部分燃烧、全部燃烧或者不燃烧以及C会在高温条件下与氮化合反应，生成NOx，故设燃烧掉和化合反应掉的部分氧为D；根据这些条件，烟气中测得的氧是B和C两部分氧组合而成，组合成A的情况有三种，第一种情况是当α＞1时，B和C混合,则A＝B+C-D；第二种情况是当α＝1时，即空燃比为1时，此时B为零，则A＝C-D；第三种情况是当α＜1时，即B的剩余氧为零，但存在剩余的CO，则A＝C-D。
现有技术根据A进行控制，第一种情况时，操作员调节助燃空气减少或增加燃气比例，使B减小，但实际上是参照A来控制的，由于A＞B，所以控制的结果将使α＜1；第二种情况时，由于空燃比为1，操作员调节助燃空气减少或增加燃气比例，控制的结果必然使α＜1；第三种情况时，控制的结果与第二种情况相同，也将使α＜1，区别在于燃烧情况更加恶化。
根据上述分析，按照现有技术根据A进行控制的策略，不论是哪一种情况控制结果都是α＜1，因此与未控制前的状况相比，造成燃烧恶化是必然结果，结果是造成燃料消耗增加，炉窑热效率下降，NOx排放增加，所以现有技术的控制策略是不可取的。
那么，如何进行燃烧优化控制？怎样做才能提高回转窑热效率？现有技术的症结究竟是什么？具体如何解决现有技术存在的问题？下面本发明将给出理论分析、结论、控制策略以及技术解决方案。
理论分析：
技术遭遇了瓶颈，必然存在致命的障碍。要突破技术瓶颈就必须具有不同于现有技术的思维，必须突破现有技术框架的束缚才行，重要的是有必要重新审视被控对象的实质，即需要颠覆现有技术对被控对象的不正确认知。
先分析一般炉窑的情况，随着工艺过程参数或生产负荷的变化，炉窑内所产生的炉气量是变化的，随着生产负荷的增加或降低，炉气量也增加或减少；但炉窑有个共同的特点是，在没有外界预先施加控制的情况下，炉气量增加时，炉膛压力将升高；当炉气量减少时，炉膛压力并不会降低，而是保持在原来的状态；炉窑的这个现象是炉窑设备本身特点和烟气管网特性共同形成的，炉窑设备是不很严密的封闭式设备，通常运行在炉膛压力为微负压状态，炉窑内生成的炉气在引风机的作用下由烟气管网排出。当炉窑负荷增加时，炉气量增加，炉膛压力变大，炉膛压力检测及调节系统控制引风机速度或引风机入口阀开度，改变烟气输出流量，使压力得到平衡；当炉窑负荷降低时，炉气量减少，但此时炉膛压力并没有变化，或者并没有显著的变化，原因是当炉气量逐渐减少时，减少的部分被炉窑外部进入的空气及其生成的烟气逐渐充填，所以炉膛压力仍处于平衡状态，此时炉膛压力检测及调节系统未启动炉膛压力调节。炉窑的这个现象，我们称之为“非对称系统”过程。
“非对称系统”具有很大的隐蔽性和欺骗性，因此蒙蔽、欺骗了现有技术。试想，现有技术采用一贯使用的对称性控制策略来控制非对称系统，根据炉膛压力检测形成压力闭环对炉膛压力进行调节，实际上造成了单边调节的现象，即实际上只对炉气量增加时有调节作用，对炉气量减少时并没有调节作用，若是系统重复几次炉气量增加和减少的过程，则炉膛压力调节系统将会崩溃，或者将进入不稳定的运行状态，这就是长期以来炉窑所遭遇的炉膛压力系统难以稳定控制的问题；对于生产负荷比较稳定的炉窑，虽然炉膛压力显示的是压力在较小的范围内波动，使人们感觉炉膛压力处于良好的控制状态，但通过烟气中检测的氧含量指标则可印证出，在炉膛压力稳定的表象下，实际上系统的氧含量指标已逐渐恶化，说明了现有技术对于外部空气进入量实际上处于失控状态；同时，氧含量的升高误导了现有技术去手动调节过量空气系数，使本来处于稳定运行的燃烧系统进入了混乱状态，由此影响了温度控制的紊乱，这就是长期以来炉窑所遭遇的炉膛温度系统难以稳定控制的根源，但现有技术一直没有意识到“非对称系统”的影响，反而将炉膛温度系统难以稳定控制的原因归结为燃烧介质管网压力的不稳定、燃烧介质成分变化等因素的影响，所以采取的温度控制策略与客观实际南辕北辙，才形成了炉膛温度系统难以稳定控制的被动局面。
回转窑也是一种炉窑，也具有炉窑的一般特性，因此炉窑的非对称特性也存在于回转窑，直接影响了回转窑压力及温度的稳定控制，回转窑不同于一般炉窑之处在于它是运行工况较为复杂的一种炉窑，具有不同的工艺和设备的特点。
技术解决方案：
理论上说，揭示了炉窑及其烟气管网运行物理特性从而确立的炉窑非对称系统理论为实现回转窑压力及温度动态控制奠定了基础，接下来是具体解决现有技术没有解决或不能解决的问题。
现有技术没有解决回转窑空气过剩系数动态控制问题，特别是还没有意识到回转窑外部空气进入量对回转窑压力和温度控制的影响，更谈不上如何去解决该问题，还局限在通过烟气分析检测氧含量，然后换算成所谓的空气过剩系数，再由操作人员手动调节助燃风量的方式；实际上，由于烟气分析检测的氧含量并不代表真正的空气过剩系数，系统试验或仿真计算所得出的所谓的最佳空气过剩系数亦是在并非正确的条件下进行的，所以现有技术获取的空气过剩系数及采取的控制策略从根本上就存在严重技术瑕疵，也因此造成了现有技术不可能实现空气过剩系数动态自动控制。
解决问题的切入点就在于对空气过剩系数的正确分析和准确计算，窑尾主烟道烟气中检测的氧含量一部分是由于燃烧系统空燃比系数不当，致使空气过剩系数过大剩余的氧，另一部分是回转窑外部进入空气在回转窑中和管网中燃烧或未燃烧后所含有的氧；如何准确地计算出各部分的氧量是本技术方案需要解决的关键问题，要想知道与空气过剩系数相关的氧量，首先要计算出回转窑外部空气进入量所含氧量，然后用窑尾主烟道烟气中测得的氧量减去回转窑外部空气进入量所含氧量，就可得到与空气过剩系数相关的氧量；要计算出回转窑外部空气进入量所含氧量，先要知道回转窑外部空气进入量，由此产生了回转窑外部空气进入量动态控制技术，这是又一项相对于现有技术质的飞越的创新技术。
为实施对外部空气进入量的控制，首先需要准确计算出外部空气进入量，对此本发明研发了回转窑外部空气进入量计算数学模型式(1)：
式中：
Qi：i次风机检测的空气流量，m3/s；
Arb：空气中基准氩摩尔分数，mol％；
Qw：窑尾主烟道烟气流量，m3/s；
Arw：窑尾主烟道烟气中氩摩尔分数，mol％；
Qair：回转窑外部进入空气量，m3/s；
i＝1、2…n，本技术方案n＝3。
根据惰性气体很难参与化学反应的特点，采用检测烟气中惰性气体计算回转窑外部空气进入量，可保证计算的准确性，本技术方案采用了氩气作为烟气分析计算的基础，但对于实际应用中不同类型回转窑的具体情况，并不限于采用氩气。
由回转窑外部空气进入量计算数学模型准确计算出外部空气进入量后，则可进行关于氧量的分析和计算，根据式(1)可得出式(2)回转窑外部空气进入量中的氧量计算数学模型。
式中：
Qi：i次风机检测的空气流量，m3/s；
Arb：空气中基准氩摩尔分数，mol％；
Qw：窑尾主烟道烟气流量，m3/s；
Arw：窑尾主烟道烟气中氩摩尔分数，mol％；
O2e：回转窑外部空气进入量中的氧量，mol；
i＝1、2…n，本技术方案n＝3；
由窑尾主烟道烟气中检测的氧量减去式(2)数学模型计算出的外部空气进入量中的氧量，则可求得空气过剩系数中的氧含量实际值，该值由式(3)空气过剩系数中的氧含量计算数学模型进行计算；
式中：
O2a：空气过剩系数中的氧含量实际值，％；
Qw：窑尾主烟道烟气流量，m3/s；
O21：窑尾主烟道烟气中氧摩尔分数，mol％；
O2e：回转窑外部空气进入量中的氧量，mol；
k：占比系数，0～1。
式(3)中的k为外部空气进入量中的氧量到达窑尾主烟道检测点时所剩余的百分比，即剩余的氧占外部空气进入量中的氧量的比例，简称占比系数，取值范围为0～1；因为外部进入的氧量O2e有可能未燃烧、部分燃烧或者全部燃烧，是与回转窑及其烟气管网的漏风量相关的变量，无法进行准确数学计算，故采取工程系数的方法解决；占比系数k由回转窑工艺工程师根据回转窑本体外部空气进入量和烟气管网漏风量的检测统计数据确定，在HMI操作站输入。
将式(3)代入简化的空气过剩系数计算数学模型式(4)，则得到了式(5)空气过剩系数计算数学模型；
式中：
O2a：空气过剩系数中的氧含量实际值，％；
α：空气过剩系数，＞0。
式中：
Qw：窑尾主烟道烟气流量，m3/s；
O21：窑尾主烟道烟气中氧摩尔分数，mol％；
O2e：回转窑外部空气进入量中的氧量，mol；
k：占比系数，0～1；
α：空气过剩系数，＞0。
有了式(1)、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)数学模型，然后基于炉窑非对称系统理论及采取相应控制策略来解决回转窑的动态控制问题。
图1是回转窑及其烟气管网非对称特性动态控制方法的技术方案框图，图1中回转窑控制系统HMI操作站(1)是回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制系统的人机交互界面；外部空气进入量设定值(2)与回转窑控制系统HMI操作站(1)和窑尾排风机入口阀开度调节(3)相连接，该设定值由人机交互界面输入；窑尾排风机入口阀开度调节(3)与外部空气进入量设定值(2)、回转窑外部空气进入量计算数学模型(4)及回转窑现场工艺设备(29)相连接，由外部空气进入量设定值(2)与回转窑外部空气进入量计算数学模型(4)的差值对窑尾排风机入口阀开度进行调节，控制流经该入口阀的烟气流量，抑制外部空气进入，使回转窑外部空气进入量控制在设定值范围内；回转窑外部空气进入量计算数学模型(4)与窑尾主烟道Ar含量(5)、窑尾主烟道烟气流量(6)、一次风机风量实际值(7)、二次风机风量实际值(8)、三次风机风量实际值(9)和窑尾排风机入口阀开度调节(3)相连接，根据窑尾主烟道Ar含量、窑尾主烟道烟气流量、一次风机风量实际值、二次风机风量实际值和三次风机风量实际值进行回转窑外部空气进入量计算，计算结果送至窑尾排风机入口阀开度调节(3)；窑尾主烟道Ar含量(5)与回转窑外部空气进入量计算数学模型(4)和回转窑现场工艺设备(29)相连接；窑尾主烟道烟气流量(6)与回转窑外部空气进入量计算数学模型(4)和回转窑现场工艺设备(29)相连接；一次风机风量实际值(7)与回转窑外部空气进入量计算数学模型(4)和回转窑现场工艺设备(29)相连接；二次风机风量实际值(8)与回转窑外部空气进入量计算数学模型(4)和回转窑现场工艺设备(29)相连接；三次风机风量实际值(9)与回转窑外部空气进入量计算数学模型(4)和回转窑现场工艺设备(29)相连接；占比系数k输入(10)与回转窑控制系统HMI操作站(1)和回转窑空气过剩系数计算数学模型(11)相连接；回转窑空气过剩系数计算数学模型(11)与回转窑外部空气进入量计算数学模型(4)、空气过剩系数设定值(12)、窑尾主烟道O2量(13)、二次风机风量调节(14)和三次风机风量调节(15)相连接，在回转窑外部空气进入量计算数学模型基础上，推导出回转窑空气过剩系数计算数学模型，空气过剩系数设定值与回转窑空气过剩系数计算值的差值控制二次风机风量和三次风机风量，对回转窑空气过剩系数进行调节；空气过剩系数设定值(12)为设定值，由回转窑控制系统HMI操作站(1)人机交互接口输入；窑尾主烟道O2量(13)为O2量实际值，作为反馈值参与空气过剩系数计算；二次风机风量调节(14)是被控量，空气过剩系数计算差值用于调节二次风机风量，对空气过剩系数进行调节；三次风机风量调节(15)是被控量，空气过剩系数计算差值用于调节三次风机风量，对空气过剩系数进行调节；空燃比(16)从回转窑控制系统HMI操作站(1)人机交互接口输入；回转窑旋转速度设定值(17)与回转窑控制系统HMI操作站(1)和回转窑旋转变速装置(18)相连接，设定值从回转窑控制系统HMI操作站(1)人机交互接口输入，对回转窑旋转变速装置进行调节，控制回转窑转动速度；回转窑旋转变速装置(18)是驱动回转窑旋转的变速传动装置，为直流调速装置、交流调速装置、液力偶合器调速装置或磁力偶合器装置；回转窑温度实际值(19)是回转窑温度控制反馈值；回转窑温度设定值(20)为设定值，由回转窑控制系统HMI操作站(1)人机交互接口输入；温度控制方式选择(21)的控制信号来自温度控制方式设定(22)，设定信号为“0”时，温度控制方式选择(21)控制信号与风机风量调节系统相连接，当设定信号为“1”时，控制信号连接至回转窑旋转变速装置(18)，此时回转窑的温度控制由调节回转窑旋转变速装置进行；温度控制方式设定(22)的设定信号来自回转窑控制系统HMI操作站(1)人机交互接口输入；一次风机风量调节(23)是回转窑燃料调节系统，通过调节一次风机风量来控制燃烧的燃料量；窑尾主烟道CO设定值(24)为设定值，由回转窑控制系统HMI操作站(1)人机交互接口输入；窑尾主烟道CO实际值(25)是CO检测实际值，作为负反馈与窑尾主烟道CO设定值(24)进行比较，其差值用于一次风机风量的调节，以改善燃烧状况；窑头罩压力设定值(26)为设定值，由回转窑控制系统HMI操作站(1)人机交互接口输入；窑尾排风机风量调节(27)与窑头罩压力设定值(26)、窑头罩压力实际值(28)和回转窑现场工艺设备(29)相连接，按照窑头罩压力设定值与窑头罩压力反馈实际值之差对窑尾排风机风量进行调节，对回转窑压力进行动态控制；窑头罩压力实际值(28)为压力检测实际值；回转窑现场工艺设备(29)是回转窑现场在线设备。
本技术方案通过图2所示回转窑及其烟气管网非对称特性动态控制方法的控制系统构成图付诸实施，图2中回转窑主工艺控制系统(1)是回转窑主控制系统，包括回转窑本体及其附属设备的控制，与回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)相连接；回转窑控制系统HMI操作站(2)是计算机为基础的操作及画面显示的人机交互界面，与回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)相连接；外部空气进入量设定值(3)是系统控制目标设定值，设定值来自回转窑控制系统HMI操作站(2)，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)；空气过剩系数设定值(4)是系统控制目标设定值，设定值来自回转窑控制系统HMI操作站(2)，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)；窑尾主烟道CO设定值(5)是系统控制目标设定值，设定值来自回转窑控制系统HMI操作站(2)，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)；窑头罩压力设定值(6)是系统控制目标设定值，设定值来自回转窑控制系统HMI操作站(2)，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)；回转窑温度设定值(7)是系统控制目标设定值，设定值来自回转窑控制系统HMI操作站(2)，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)；回转窑旋转速度设定值(8)是系统控制目标设定值，设定值来自回转窑控制系统HMI操作站(2)，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)；空燃比设定输入(9)是系统控制设定值，设定值来自回转窑控制系统HMI操作站(2)，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)；温度控制方式设定输入(10)是系统控制设定值，设定值来自回转窑控制系统HMI操作站(2)，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)；占比系数k输入(11)是数学模型计算参数输入，来自回转窑控制系统HMI操作站(2)，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)；回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)是回转窑及其烟气管网非对称特性动态控制的核心，由DCS或同类数字式控制器组成，本身建有回转窑外部空气进入量计算数学模型、回转窑外部空气进入量中的氧量计算数学模型、回转窑空气过剩系数计算数学模型、回转窑外部空气进入量闭环动态控制及回转窑空气过剩系数闭环动态控制软件；窑尾主烟道Ar含量检测(13)是窑尾烟气检测值，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)，用于数学模型计算外部空气进入量；窑尾主烟道O2含量检测(14)是窑尾烟气检测值，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)，用于数学模型计算外部空气进入量中的氧量；窑尾主烟道CO含量检测(15)是窑尾烟气检测值，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)，用于调节一次风机风量，对CO含量进行调节；窑尾主烟道烟气流量(16)是窑尾烟气流量检测值，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)，用于数学模型计算外部空气进入量；窑头罩压力检测(17)是压力检测实际值，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)，用于调节窑尾排风机风量，对回转窑压力进行动态控制；回转窑温度i检测(18)是温度检测实际值，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)，用于回转窑温度动态调节；回转窑温度n检测(19)是温度检测实际值，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)，用于回转窑温度动态调节；一次风机风量检测(20)是风机风量检测值，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)，用于数学模型计算外部空气进入量；二次风机风量检测(21)是风机风量检测值，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)，用于数学模型计算外部空气进入量；三次风机风量检测(22)是风机风量检测值，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)，用于数学模型计算外部空气进入量；一次风机风量调节(23)与回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)相连接，用于燃烧系统燃料的调节；二次风机风量调节(24)与回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)相连接，用于燃烧系统助燃空气的调节；三次风机风量调节(25)与回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)相连接，用于燃烧系统助燃空气的调节；窑尾排风机风量调节(26)与回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)相连接，用于回转窑压力动态调节；窑尾排风机入口阀开度调节(27)与回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)相连接，用于窑尾排风机入口阀开度的调节，以使该入口阀开度与管网烟气量相匹配；回转窑旋转变速装置调节(28)与回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)相连接，用于回转窑温度系统的动态调节；现场工艺设备过程信息(29)收集回转窑现场工艺设备(30)的设备、检测器的运行信号和状态信息并送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)；回转窑现场工艺设备(30)为回转窑现场在线设备。
要获得回转窑热效率的提高，不仅要实现空气过剩系数可控，也要实现回转窑外部空气进入量可控；实现了空气过剩系数可控，可获得燃烧效果的优化；实现了回转窑外部空气进入量可控，可获得减少回转窑热损失的优化及回转窑压力稳定控制；实现这两个可控，就突破了制约现有技术的技术瓶颈，实现了对回转窑非对称系统的动态控制。
①回转窑外部空气进入量动态控制系统
在回转窑外部空气进入量计算数学模型的计算中，采取检测烟气中氩含量计算回转窑外部空气进入量是非常简捷、准确、可靠的方法；根据回转窑外部空气进入量设定值与计算值的偏差调节窑尾排风机入口阀开度，使该入口阀开度与回转窑实际炉气量基本匹配，抑制外部空气进入，进而采取窑头罩压力检测调节窑尾排风机的速度，对窑头罩压力进行动态控制，解决了回转窑非对称系统不可控的问题，即使回转窑负荷降低，由于回转窑外部空气进入量动态控制系统的调节作用，调节窑尾排风机入口阀减小开度，炉膛压力将会减小，炉膛压力调节系统将调节引风机速度，使炉膛压力得到新的平衡，回转窑负荷变化对压力的扰动得到了有效控制，不会出现压力失控现象，窑尾排风机入口阀开度与实际炉气量基本匹配时，风机管网特性也得到了良好改善，窑尾排风机的变速范围得到了很大提高，不会发生风机喘振问题，能满足窑尾排风机全工况范围节能优化的需求。
压力稳定是满足回转窑正常运行的必要条件之一，只有在对回转窑外部空气进入量进行了有效控制的前提下，窑头罩压力才能得到稳定控制，即在物理特性上，回转窑非对称特性产生的外部空气进入量严重影响了窑头罩压力的稳定；在根据回转窑外部空气进入量对窑尾排风机入口阀开度进行控制的前提条件下，进而采取窑头罩压力检测控制窑尾排风机的速度是调节回转窑非对称系统的关键技术。
附图1回转窑及其烟气管网非对称特性动态控制方法的技术方案框图中回转窑控制系统HMI操作站(1)、外部空气进入量设定值(2)、窑尾排风机入口阀开度调节(3)、回转窑外部空气进入量计算数学模型(4)、窑尾主烟道Ar含量(5)、窑尾主烟道烟气流量(6)、一次风机风量实际值(7)、二次风机风量实际值(8)、三次风机风量实际值(9)、窑头罩压力设定值(26)、窑尾排风机风量调节(27)、窑头罩压力实际值(28)和回转窑现场工艺设备(29)构成了回转窑外部空气进入量闭环动态控制系统。
②回转窑空气过剩系数动态控制系统
采取检测烟气中氧含量和一氧化碳含量的方法，根据回转窑空气过剩系数计算数学模型计算出空气过剩系数，再根据空气过剩系数设定值与空气过剩系数计算值之差，去调节二次风机、三次风机的风量，以及根据检测的CO值与CO设定值之差，去调节一次风机的风量，使空气过剩系数稳定在设定值范围内。
附图1回转窑及其烟气管网非对称特性动态控制方法的技术方案框图中回转窑控制系统HMI操作站(1)、占比系数k输入(10)、回转窑空气过剩系数计算数学模型(11)、空气过剩系数设定值(12)、窑尾主烟道O2量(13)、二次风机风量调节(14)、三次风机风量调节(15)、空燃比(16)、回转窑旋转速度设定值(17)、回转窑旋转变速装置(18)、回转窑温度实际值(19)、回转窑温度设定值(20)、温度控制方式选择(21)、温度控制方式设定(22)、一次风机风量调节(23)、窑尾主烟道CO设定值(24)、窑尾主烟道CO实际值(25)和回转窑现场工艺设备(29)构成了回转窑空气过剩系数闭环动态控制系统。
关于回转窑外部空气进入量，其中回转窑烟气管网漏风量也可在系统调试阶段或设备维修阶段通过试验方法确定，具体方法是调节回转窑外部空气进入量动态控制系统，使回转窑窑头罩压力为0，通过烟气测得的氩含量计算回转窑外部空气进入量，由于此时回转窑本体的外部空气进入量为0，故此时计算得出的回转窑外部空气进入量即为回转窑烟气管网漏风量；烟气管网漏风量计算结果显示在人机界面操作站上，用于空气过剩系数计算，亦可用于设备维护指导，当计算得出的烟气管网漏风量过大时，应尽快组织进行设备维修。
实际工程应用中，回转窑外部空气进入量不可能为0，空气过剩系数不可能为1，窑尾主烟道烟气中的CO量也不可能为0，所以分别设置了回转窑外部空气进入量设定值、空气过剩系数设定值和窑尾主烟道CO设定值，该设定值由回转窑工艺工程师根据回转窑具体工况确定，在回转窑控制系统HMI操作站输入。
由于回转窑烟气溢出具有增加回转窑热损失、烧损回转窑附属设备、造成空气过剩系数计算困难的危害，所以回转窑不适于采取微正压控制，应采取微负压控制。
回转窑及其烟气管网非对称特性动态控制方法的特点是科学、合理、充分、有效地发挥了回转窑外部空气进入量闭环动态控制系统和回转窑空气过剩系数闭环动态控制系统两个闭环动态控制系统的作用，系统简捷，运行可靠、稳定、高效，调试也很方便，适于实现回转窑动态全自动控制。
与现有技术相比，回转窑及其烟气管网非对称特性动态控制方法突破了技术瓶颈，为回转窑实现深度节能减排、增产保质开创了全新的、广泛的视野和空间，具有突出的实质性特点和显著的进步，其有益的特征是：
(a)首次提出了回转窑非对称系统理论，为突破长期困扰回转窑控制的技术瓶颈奠定了理论基础；
(b)首次提出了回转窑非对称系统动态控制方法，使回转窑外部空气进入量可控，使回转窑空气过剩系数可控；
(c)研发了回转窑外部空气进入量计算数学模型和回转窑外部空气进入量闭环动态控制技术；
(d)研发了回转窑空气过剩系数计算数学模型和回转窑空气过剩系数闭环动态控制技术；
(e)实现了回转窑非对称系统的炉膛压力有效稳定控制和回转窑全自动控制；
(f)由于实现了外部空气进入量和空气过剩系数的动态控制，节约了燃气消耗，减少了回转窑热损失，降低了NOx排放，提高了回转窑热效率；
(g)由于实现了回转窑全自动控制，减轻了操作人员劳动强度，提高了生产作业率；
(h)风机管网特性的良好改善使窑尾排风机实现了深度节能；
(i)外部空气进入量可控、空气过剩系数可控使作为炉窑一员的回转窑烟气污染物排放得到根本性治理，可从根本上解决雾霾问题，对国家大气污染治理具有非常重要的意义。
回转窑及其烟气管网非对称特性动态控制方法可广泛应用于新建、扩建和改造的回转窑系统；本技术方案所述仅为本发明的一个应用领域的例子，不用于限制本发明，尽管参照所述例子对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对所述例子所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；凡在本发明的控制原理和控制策略之内所做的修改、等同替换和改进均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种回转窑及其烟气管网非对称特性动态控制方法，其特征在于根据回转窑运行工况特点及回转窑烟气管网的物理特性确立了回转窑非对称系统理论，研发了回转窑外部空气进入量计算数学模型和回转窑空气过剩系数计算数学模型，研发了基于回转窑非对称系统理论的回转窑外部空气进入量及回转窑空气过剩系数的动态控制方法，通过烟气分析检测的氩含量来计算回转窑外部空气的进入量，然后根据回转窑外部空气进入量设定值与回转窑外部空气进入量计算值之差，对窑尾排风机入口阀开度进行调节，构成了回转窑外部空气进入量闭环动态调节系统，使回转窑外部空气进入量始终控制在设定值范围内；根据烟气分析检测的氧含量和一氧化碳含量对二次风机风量、三次风机风量和一次风机风量进行调节，来控制回转窑空气过剩系数，构成了回转窑空气过剩系数闭环动态调节系统，使回转窑空气过剩系数始终控制在设定值范围内；
式(1)为回转窑外部空气进入量计算数学模型；
Qair＝(Qw×Arw－Σi＝n i＝1(Qi×Arb))×22.4×100/0.934 (1)
式中：
Qi：i次风机检测的空气流量，m3/s；
Arb：空气中基准氩摩尔分数，mol％；
Qw：窑尾主烟道烟气流量，m3/s；
Arw：窑尾主烟道烟气中氩摩尔分数，mol％；
Qair：回转窑外部进入空气量，m3/s；
i＝1、2…n，本技术方案n＝3；
式(2)为回转窑外部空气进入量中的氧量计算数学模型；
O2e＝(Qw×Arw－Σi＝n i＝1(Qi×Arb))×20.95/0.934 (2)
式中：
Qi：i次风机检测的空气流量，m3/s；
Arb：空气中基准氩摩尔分数，mol％；
Qw：窑尾主烟道烟气流量，m3/s；
Arw：窑尾主烟道烟气中氩摩尔分数，mol％；
O2e：回转窑外部空气进入量中的氧量，mol；
i＝1、2…n，本技术方案n＝3；
空气过剩系数中的氧含量实际值由式(3)空气过剩系数中的氧含量计算数学模型进行计算；
O2a＝(Qw×O21－kO2e)/Qw (3)
式中：
O2a：空气过剩系数中的氧含量实际值，％；
Qw：窑尾主烟道烟气流量，m3/s；
O21：窑尾主烟道烟气中氧摩尔分数，mol％；
O2e：回转窑外部空气进入量中的氧量，mol；
k：占比系数，0～1；
空气过剩系数实际值由式(5)空气过剩系数计算数学模型进行计算；
α＝20.95/(20.95-(Qw×O21－kO2e)/Qw) (5)
式中：
Qw：窑尾主烟道烟气流量，m3/s；
O21：窑尾主烟道烟气中氧摩尔分数，mol％；
O2e：回转窑外部空气进入量中的氧量，mol；
k：占比系数，0～1；
α：空气过剩系数，＞0。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该方法的技术方案是通过图1实现的，图1中回转窑控制系统HMI操作站(1)是回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制系统的人机交互界面；外部空气进入量设定值(2)与回转窑控制系统HMI操作站(1)和窑尾排风机入口阀开度调节(3)相连接，该设定值由人机交互界面输入；窑尾排风机入口阀开度调节(3)与外部空气进入量设定值(2)、回转窑外部空气进入量计算数学模型(4)及回转窑现场工艺设备(29)相连接，由外部空气进入量设定值(2)与回转窑外部空气进入量计算数学模型(4)的差值对窑尾排风机入口阀开度进行调节，控制流经该入口阀的烟气流量，抑制外部空气进入，使回转窑外部空气进入量控制在设定值范围内；回转窑外部空气进入量计算数学模型(4)与窑尾主烟道Ar含量(5)、窑尾主烟道烟气流量(6)、一次风机风量实际值(7)、二次风机风量实际值(8)、三次风机风量实际值(9)和窑尾排风机入口阀开度调节(3)相连接，根据窑尾主烟道Ar含量、窑尾主烟道烟气流量、一次风机风量实际值、二次风机风量实际值和三次风机风量实际值进行回转窑外部空气进入量计算，计算结果送至窑尾排风机入口阀开度调节(3)；窑尾主烟道Ar含量(5)与回转窑外部空气进入量计算数学模型(4)和回转窑现场工艺设备(29)相连接；窑尾主烟道烟气流量(6)与回转窑外部空气进入量计算数学模型(4)和回转窑现场工艺设备(29)相连接；一次风机风量实际值(7)与回转窑外部空气进入量计算数学模型(4)和回转窑现场工艺设备(29)相连接；二次风机风量实际值(8)与回转窑外部空气进入量计算数学模型(4)和回转窑现场工艺设备(29)相连接；三次风机风量实际值(9)与回转窑外部空气进入量计算数学模型(4)和回转窑现场工艺设备(29)相连接；占比系数k输入(10)与回转窑控制系统HMI操作站(1)和回转窑空气过剩系数计算数学模型(11)相连接；回转窑空气过剩系数计算数学模型(11)与回转窑外部空气进入量计算数学模型(4)、空气过剩系数设定值(12)、窑尾主烟道O2量(13)、二次风机风量调节(14)和三次风机风量调节(15)相连接，在回转窑外部空气进入量计算数学模型基础上，推导出回转窑空气过剩系数计算数学模型，空气过剩系数设定值与回转窑空气过剩系数计算值的差值控制二次风机风量和三次风机风量，对回转窑空气过剩系数进行调节；空气过剩系数设定值(12)为设定值，由回转窑控制系统HMI操作站(1)人机交互接口输入；窑尾主烟道O2量(13)为O2量实际值，作为反馈值参与空气过剩系数计算；二次风机风量调节(14)是被控量，空气过剩系数计算差值用于调节二次风机风量，对空气过剩系数进行调节；三次风机风量调节(15)是被控量，空气过剩系数计算差值用于调节三次风机风量，对空气过剩系数进行调节；空燃比(16)从回转窑控制系统HMI操作站(1)人机交互接口输入；回转窑旋转速度设定值(17)与回转窑控制系统HMI操作站(1)和回转窑旋转变速装置(18)相连接，设定值从回转窑控制系统HMI操作站(1)人机交互接口输入，对回转窑旋转变速装置进行调节，控制回转窑转动速度；回转窑旋转变速装置(18)是驱动回转窑旋转的变速传动装置，为直流调速装置、交流调速装置、液力偶合器调速装置或磁力偶合器装置；回转窑温度实际值(19)是回转窑温度控制反馈值；回转窑温度设定值(20)为设定值，由回转窑控制系统HMI操作站(1)人机交互接口输入；温度控制方式选择(21)的控制信号来自温度控制方式设定(22)，设定信号为“0”时，温度控制方式选择(21)控制信号与风机风量调节系统相连接，当设定信号为“1”时，控制信号连接至回转窑旋转变速装置(18)，此时回转窑的温度控制由调节回转窑旋转变速装置进行；温度控制方式设定(22)的设定信号来自回转窑控制系统HMI操作站(1)人机交互接口输入；一次风机风量调节(23)是回转窑燃料调节系统，通过调节一次风机风量来控制燃烧的燃料量；窑尾主烟道CO设定值(24)为设定值，由回转窑控制系统HMI操作站(1)人机交互接口输入；窑尾主烟道CO实际值(25)是CO检测实际值，作为负反馈与窑尾主烟道CO设定值(24)进行比较，其差值用于一次风机风量的调节，以改善燃烧状况；窑头罩压力设定值(26)为设定值，由回转窑控制系统HMI操作站(1)人机交互接口输入；窑尾排风机风量调节(27)与窑头罩压力设定值(26)、窑头罩压力实际值(28)和回转窑现场工艺设备(29)相连接，按照窑头罩压力设定值与窑头罩压力反馈实际值之差对窑尾排风机风量进行调节，对回转窑压力进行动态控制；窑头罩压力实际值(28)为压力检测实际值；回转窑现场工艺设备(29)是回转窑现场在线设备。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该方法通过图2回转窑及其烟气管网非对称特性动态控制方法的控制系统构成图付诸实施，图2中回转窑主工艺控制系统(1)是回转窑主控制系统，包括回转窑本体及其附属设备的控制，与回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)相连接；回转窑控制系统HMI操作站(2)是计算机为基础的操作及画面显示的人机交互界面，与回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)相连接；外部空气进入量设定值(3)是系统控制目标设定值，设定值来自回转窑控制系统HMI操作站(2)，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)；空气过剩系数设定值(4)是系统控制目标设定值，设定值来自回转窑控制系统HMI操作站(2)，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)；窑尾主烟道CO设定值(5)是系统控制目标设定值，设定值来自回转窑控制系统HMI操作站(2)，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)；窑头罩压力设定值(6)是系统控制目标设定值，设定值来自回转窑控制系统HMI操作站(2)，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)；回转窑温度设定值(7)是系统控制目标设定值，设定值来自回转窑控制系统HMI操作站(2)，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)；回转窑旋转速度设定值(8)是系统控制目标设定值，设定值来自回转窑控制系统HMI操作站(2)，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)；空燃比设定输入(9)是系统控制设定值，设定值来自回转窑控制系统HMI操作站(2)，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)；温度控制方式设定输入(10)是系统控制设定值，设定值来自回转窑控制系统HMI操作站(2)，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)；占比系数k输入(11)是数学模型计算参数输入，来自回转窑控制系统HMI操作站(2)，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)；回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)是回转窑及其烟气管网非对称特性动态控制的核心，由DCS或同类数字式控制器组成，本身建有回转窑外部空气进入量计算数学模型、回转窑外部空气进入量中的氧量计算数学模型、回转窑空气过剩系数计算数学模型、回转窑外部空气进入量闭环动态控制及回转窑空气过剩系数闭环动态控制软件；窑尾主烟道Ar含量检测(13)是窑尾烟气检测值，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)，用于数学模型计算外部空气进入量；窑尾主烟道O2含量检测(14)是窑尾烟气检测值，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)，用于数学模型计算外部空气进入量中的氧量；窑尾主烟道CO含量检测(15)是窑尾烟气检测值，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)，用于调节一次风机风量，对CO含量进行调节；窑尾主烟道烟气流量(16)是窑尾烟气流量检测值，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)，用于数学模型计算外部空气进入量；窑头罩压力检测(17)是压力检测实际值，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)，用于调节窑尾排风机风量，对回转窑压力进行动态控制；回转窑温度i检测(18)是温度检测实际值，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)，用于回转窑温度动态调节；回转窑温度n检测(19)是温度检测实际值，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)，用于回转窑温度动态调节；一次风机风量检测(20)是风机风量检测值，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)，用于数学模型计算外部空气进入量；二次风机风量检测(21)是风机风量检测值，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)，用于数学模型计算外部空气进入量；三次风机风量检测(22)是风机风量检测值，送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)，用于数学模型计算外部空气进入量；一次风机风量调节(23)与回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)相连接，用于燃烧系统燃料的调节；二次风机风量调节(24)与回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)相连接，用于燃烧系统助燃空气的调节；三次风机风量调节(25)与回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)相连接，用于燃烧系统助燃空气的调节；窑尾排风机风量调节(26)与回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)相连接，用于回转窑压力动态调节；窑尾排风机入口阀开度调节(27)与回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)相连接，用于窑尾排风机入口阀开度的调节，以使该入口阀开度与管网烟气量相匹配；回转窑旋转变速装置调节(28)与回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)相连接，用于回转窑温度系统的动态调节；现场工艺设备过程信息(29)收集回转窑现场工艺设备(30)的设备、检测器的运行信号和状态信息并送至回转窑及其烟气管网非对称系统动态控制器(12)；回转窑现场工艺设备(30)为回转窑现场在线设备。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于关于外部空气进入量计算，根据惰性气体很难参与化学反应的特点，采用检测烟气中惰性气体计算回转窑外部空气进入量，可保证计算的准确性，本技术方案采用了氩气作为烟气分析计算的基础，但对于实际应用中不同类型回转窑的具体情况，并不限于采用氩气。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于实际工程应用中，回转窑外部空气进入量不可能为0，空气过剩系数不可能为1，烟气中的CO量也不可能为0，所以分别设置了回转窑外部空气进入量设定值、空气过剩系数设定值和陶瓷窑炉CO设定值，该设定值由回转窑工艺工程师根据回转窑具体工况确定，在回转窑控制系统HMI操作站输入。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于由于回转窑烟气溢出具有增加回转窑热损失、烧损回转窑附属设备、造成空气过剩系数计算困难的危害，所以回转窑不适于采取微正压控制，应采取微负压控制。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于关于回转窑外部空气进入量，其中回转窑烟气管网漏风量也可在系统调试阶段或设备维修阶段通过试验方法确定，具体方法是调节回转窑外部空气进入量动态控制系统，使回转窑窑头罩压力为0，通过烟气测得的氩含量计算回转窑外部空气进入量，由于此时回转窑本体的外部空气进入量为0，故此时计算得出的回转窑外部空气进入量即为回转窑烟气管网漏风量；烟气管网漏风量计算结果显示在人机界面操作站上，用于空气过剩系数计算，亦可用于设备维护指导，当计算得出的烟气管网漏风量过大时，应尽快组织进行设备维修。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于式(3)中的k为外部空气进入量中的氧量到达窑尾主烟道检测点时所剩余的百分比，即剩余的氧占外部空气进入量中的氧量的比例，简称占比系数，取值范围为0～1；因为外部进入的氧量O2e有可能未燃烧、部分燃烧或者全部燃烧，是与回转窑及其烟气管网的漏风量相关的变量，无法进行准确数学计算，故采取工程系数的方法解决；占比系数k由回转窑工艺工程师根据回转窑本体外部空气进入量和烟气管网漏风量的检测统计数据确定，在HMI操作站输入。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该方法可广泛应用于新建、扩建和改造的回转窑系统；本技术方案所述仅为本发明的一个应用领域的例子，不用于限制本发明，尽管参照所述例子对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对所述例子所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；凡在本发明的控制原理和控制策略之内所做的修改、等同替换和改进均应包含在本发明的保护范围之内。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011541638.8A CN112524940A (zh) | 2020-12-23 | 2020-12-23 | 回转窑及其烟气管网非对称特性动态控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011541638.8A CN112524940A (zh) | 2020-12-23 | 2020-12-23 | 回转窑及其烟气管网非对称特性动态控制方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112524940A true CN112524940A (zh) | 2021-03-19 |
Family
ID=74975953
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011541638.8A Pending CN112524940A (zh) | 2020-12-23 | 2020-12-23 | 回转窑及其烟气管网非对称特性动态控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112524940A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117804241A (zh) * | 2023-12-27 | 2024-04-02 | 北川中联水泥有限公司 | 一种高效窑尾排风节流的智能控制系统 |
-
2020
- 2020-12-23 CN CN202011541638.8A patent/CN112524940A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117804241A (zh) * | 2023-12-27 | 2024-04-02 | 北川中联水泥有限公司 | 一种高效窑尾排风节流的智能控制系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7401577B2 (en) | Real time optimization and control of oxygen enhanced boilers | |
| CN101876449B (zh) | 加热炉内氧量气氛场的控制方法 | |
| CN202274761U (zh) | 加热炉氧化烧损优化气氛燃烧自动控制装置 | |
| CN107327870A (zh) | 加热炉智能精确燃烧控制系统 | |
| CN112524940A (zh) | 回转窑及其烟气管网非对称特性动态控制方法 | |
| CN112539661A (zh) | 陶瓷窑炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法 | |
| CN112555795A (zh) | 电厂锅炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法 | |
| CN108488831B (zh) | 锅炉燃烧控制系统和方法 | |
| CN112556441A (zh) | 轧钢加热炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法 | |
| CN112522464A (zh) | 高炉热风炉及其废气管网非对称特性动态控制方法 | |
| CN112574759A (zh) | 焦炉燃烧室及其废气管网非对称特性动态控制方法 | |
| CN111141153A (zh) | 基于助燃空气流量计算的加热炉温度动态优化控制方法 | |
| CN112684835A (zh) | 玻璃熔窑及其烟气管网非对称特性动态控制方法 | |
| CN112556442A (zh) | 炉窑及其烟气管网非对称特性动态控制方法 | |
| CN112524969A (zh) | 炼化加热炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法 | |
| CN112555859A (zh) | 垃圾焚烧发电锅炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法 | |
| CN211645345U (zh) | 基于炉气量的加热炉炉膛压力动态优化控制系统 | |
| CN114198914B (zh) | 一种基于动态跟踪斜率思想的热风炉自动燃烧控制方法 | |
| CN205316379U (zh) | 一种锅炉运行氧量自动控制系统及锅炉 | |
| CN112650059A (zh) | 转炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法 | |
| JPH0579622A (ja) | 燃焼炉に於ける酸素濃度制御による燃焼制御方法 | |
| CN114484496A (zh) | 炉窑内氮氧化物和硫氧化物动态控制方法 | |
| Vasilyev et al. | Energy-saving method of fuzzy control combustion process in thermal plants | |
| CN111647701B (zh) | 一种基于模糊控制思想的热风炉自动燃烧控制方法 | |
| CN114459260A (zh) | 球团带式焙烧机炉内氮氧化物和硫氧化物动态控制方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |