CN116048163A - 一种水泥窑分解炉温度设定优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水泥窑分解炉温度设定优化方法，涉及水泥窑生产优化控制领域，基于热力学原理，利用窑主传电流、二次风温、窑况综合指标、头尾煤比得出分解炉出口温度设定值推荐策略，并对每一个策略的优先级和在该策略下的分解炉出口温度设定值的调整幅度进行分类讨论，进而综合考虑分解炉喂煤量的控制，保证分解炉出口温度的稳定，最终使入窑生料碳酸盐分解率提高，从而达到减轻窑的热负荷、提高水泥窑的运转周期、提高产质量的目的，缓解水泥行业因迅速发展导致的高能耗问题，最终使水泥行业实现节能减排、可持续发展。

Description

一种水泥窑分解炉温度设定优化方法

技术领域

本发明涉及水泥窑生产优化控制领域，特别涉及一种水泥窑分解炉温度设定优化方法。

背景技术

水泥是经济建设过程中的基础性原材料，近年来我国水泥工业发展迅速，水泥产量居世界第一。但水泥产量的不断增加也带来了高能耗问题，为了响应节能减排的号召，我国水泥行业急需进行产业结构调整和技术创新升级，应用新型干法水泥生产技术，不断优化生产控制策略，是水泥行业实现节能减排，可持续发展的一条重要途径。而分解炉系统就是新型干法水泥熟料烧成系统的核心部件之一。

分解炉是把通过风机将经过预热器预热和分散过的生料粉末，抽至分解炉中，使其在气流中处于较为分散且悬浮的状态，以便于燃料燃烧和碳酸钙分解快速作用的设备。其内部燃料燃烧是在猛烈的湍流状态下与物料吸收能量的化学反应同步进行，燃料的颗粒处于一面漂浮，一面燃烧的状态，所以无法产生火焰，处于820～900℃的低温无焰的状态。分解炉有多种型式，其结构性能虽有差异，但要起的主要作用却是相同的：要使燃料燃烧的放热过程与生料碳酸盐分解的吸热过程在其中以悬浮态或流化态下极其迅速地进行，使入窑生料碳酸盐分解率提高，从而减轻窑的热负荷，提高窑的运转周期，提高产质量。分解炉出口温度是影响分解率指标的关键工艺参数。分解炉与回转窑和悬浮预热器直接相连，设备关联严重，炉内燃烧、传热、分解等过程机理复杂，因此分解炉温度过程存在着非线性、纯滞后、多变量、输入输出约束、不确定干扰等控制难点，因此研究分解炉温度控制目标值对于提高分解炉的温度过程的控制性能，从而提高产品的质量和生产效率具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种水泥窑分解炉温度设定优化方法。

本发明所要解决的技术问题：

如何通过调节关键工艺参数——分解炉出口温度，克服分解炉温度过程控制存在的如非线性、纯滞后、多变量、输入输出约束、不确定干扰等诸多难点，使燃料燃烧的放热过程与生料碳酸盐分解的吸热过程在其中以悬浮态或流化态下极其迅速地进行，使入窑生料碳酸盐分解率提高，从而达到减轻窑的热负荷、提高水泥窑的运转周期、提高产质量的目的。

为解决上述技术问题，本发明提供以下的技术方案：

一种水泥窑分解炉温度设定优化方法，包括如下步骤：

(1)利用窑主传电流，二次风温，窑况综合指标，头尾煤比等因素得出分解炉出口温度设定值推荐策略，推荐策略一共分为七种，分别为窑电流长期高、窑电流长期下降、窑况波动、生料SM、窑况综合指标、质量稳定、分解炉温度理论优化值；

(2)对七种策略进行优先级排序；

(3)对任一策略下的分解炉出口温度设定值的调整幅度进行分类讨论，进而综合考虑分解炉喂煤量的控制，最终保证分解炉出口温度的稳定。

分解炉出口温度控制设定值主要有以下表1七种推荐策略：

表1

以上策略需同时满足以下条件方可执行：

(1)二次风温或窑电流波动过大时，不可降低设定值；

(2)窑电流显著上升或下降时，不增加或减少设定值；

(3)窑电流在高位或在低位时，不增加或减少设定值(质量策略时不考虑窑电流)；

(4)窑况综合指标好或差时，不增加或减少设定值；

(5)游离钙质检数据差时，不降低设定值；

(6)看火亮度低时，不降低设定值；

(7)氨水流量低时，不减小设定值；

(8)氨水流量趋势下滑时，不减小设定值；

(9)当预热器出口CO超过上限时，不增加设定值；

(10)当设定值发生改变后，如果新的推荐值改变方向与之前相同，保持原变化1小时后再改变；

(11)分解炉出口温度超过和C5出口温度超出一定值时，不增加设定值。

当有多个推荐策略同时可执行时，优先执行优先级数值小的策略，根据具体推荐策略，依赖相应的数据进行计算，然后进行条件判断，最后调整分解炉出口温度设定值。具体如图1所示。

推荐策略优先级及数据计算如下：

(1)窑电流长期高：

优先级：1

数据计算：10个窑主传电流数据作为一组，在满足上一组数据均值＞窑电流设定上限的前置条件下，近一组数据数据均值＞窑电流设定上限+10或者掉窑皮状态＜0.6两条件满足其一，便判断为窑电流长期高，则分解炉控制目标温度-1℃。

(2)窑电流长期下降：

优先级：2

数据计算：条件1：当前窑电流低，当近5个窑电流数据均值＜(窑主传电流目标值+窑主传电流下限)/2时满足；条件2：未来窑电流低，当近15个窑电流数据+180·斜率<窑电流下限时满足；条件3：窑电流下降，当斜率≤-0。2时满足。以上条件都满足时，分解炉温度变化值＝max(0，-窑电流长期趋势比例·60·斜率·3小时电流直线拟合R2)。

(3)窑况波动：

优先级：3

数据计算：计算出二次风温和窑电流的波动大小和波动频率，设定调整波动大小阈值＝25，调整风温波动频率下限＝2，调整风温波动频率上限＝5。如果二次风温或窑电流波动大小＞25且2＜波动频率＜5，则判断为窑电流和二次风温的波动比较大，分解炉出口温度目标值+1℃。

(4)生料SM：

优先级：4

数据计算：计算出上一个生料SM与当前生料SM数据差值。若差值≥0.02，则分解炉出口温度目标变化值＝20·差值；若差值≥0.06，则分解炉出口温度目标变化值＝25·差值；若差值≤0.02，则分解炉出口温度目标变化值＝10·差值。

(5)窑况综合指标：

优先级：5

数据计算：根据游离钙、窑温、主传电流等计算出窑况综合指标滤波，设定窑况指标比例系数＝5。若﹣窑况综合指标滤波·窑况指标比例系数＞0.1，则窑况差，增加温度控制目标值；若-窑况综合指标滤波·窑况指标比例系数＜-0.1，则窑况好，减少温度控制目标值，增益为3。

(6)质量稳定：

优先级：6

数据计算：若游离钙高于上限，增加温度控制目标值；若游离钙低于下限，减少温度控制目标值。温度控制目标值调整幅度＝3·(当前游离钙-游离钙目标值)。

(7)分解炉温度理论优化值

优先级：7

数据计算：若C5下料管温度推荐值＞C5下料管温度当前目标值，则分解炉温度控制目标值调整幅度＝min(差值，0.3℃)；若C5下料管温度推荐值＜C5下料管温度当前目标值，则分解炉温度控制目标值调整幅度＝max(差值，-0.3℃)。

以上推荐策略按照优先级去控制分解炉出口温度设定值，当有多个推荐策略同时可执行时，优先执行优先级数值小的策略。当算法在执行时，人为改变分解炉出口温度设定值，则暂时保持人为设定值一段时间，时间过后重新开始计算设定值。

本发明获得的有益效果：

本发明提供了一种水泥窑分解炉温度设定优化方法，通过调节关键工艺参数——分解炉出口温度，进而综合考虑分解炉喂煤量的控制，这对于提高分解炉的温度过程的控制性能，从而提高产品的质量和生产效率具有重要意义。

附图说明

图1为分解炉出口温度控制设定值推荐策略计算的流程图。

具体实施方式

下面通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

实施例：

一种水泥窑分解炉温度设定优化方法，具体步骤如下：

(1)利用窑主传电流，二次风温，窑况综合指标，头尾煤比等因素得出分解炉出口温度设定值推荐策略，推荐策略一共分为七种，分别为窑电流长期高、窑电流长期下降、窑况波动、生料SM、窑况综合指标、质量稳定、分解炉温度理论优化值；

(2)对七种策略进行优先级1-7排序，窑电流长期高(优先级1)>窑电流长期下降(优先级2)>窑况波动(优先级3)>生料SM(优先级4)>窑况综合指标(优先级5)>质量稳定(优先级6)>分解炉温度理论优化值(优先级7)；

(3)对任一策略下的分解炉出口温度设定值的调整幅度进行分类讨论，进而综合考虑分解炉喂煤量的控制，最终保证分解炉出口温度的稳定。

七种推荐策略数据计算如下：

(1)窑电流长期高：

优先级：1

数据计算：10个窑主传电流数据作为一组，在满足上一组数据均值＞窑电流设定上限的前置条件下，近一组数据数据均值＞窑电流设定上限+10或者掉窑皮状态＜0.6两条件满足其一，便判断为窑电流长期高，则分解炉控制目标温度-1℃。

(2)窑电流长期下降：

优先级：2

数据计算：条件1：当前窑电流低，当近5个窑电流数据均值＜(窑主传电流目标值+窑主传电流下限)/2时满足；条件2：未来窑电流低，当近15个窑电流数据+180·斜率<窑电流下限时满足；条件3：窑电流下降，当斜率≤-0.2时满足。以上条件都满足时，分解炉温度变化值＝max(0，-窑电流长期趋势比例·60·斜率·3小时电流直线拟合R2)。

(3)窑况波动：

优先级：3

数据计算：计算出二次风温和窑电流的波动大小和波动频率，设定调整波动大小阈值＝25，调整风温波动频率下限＝2，调整风温波动频率上限＝5。如果二次风温或窑电流波动大小＞25且2＜波动频率＜5，则判断为窑电流和二次风温的波动比较大，分解炉出口温度目标值+1℃。

(4)生料SM：

优先级：4

数据计算：计算出上一个生料SM与当前生料SM数据差值。若差值≥0.02，则分解炉出口温度目标变化值＝20·差值；若差值≥0.06，则分解炉出口温度目标变化值＝25·差值；若差值≤0.02，则分解炉出口温度目标变化值＝10·差值。

(5)窑况综合指标：

优先级：5

数据计算：根据游离钙、窑温、主传电流等计算出窑况综合指标滤波，设定窑况指标比例系数＝5。若﹣窑况综合指标滤波·窑况指标比例系数＞0.1，则窑况差，增加温度控制目标值；若-窑况综合指标滤波·窑况指标比例系数＜-0.1，则窑况好，减少温度控制目标值，增益为3。

(6)质量稳定：

优先级：6

数据计算：若游离钙高于上限，增加温度控制目标值；若游离钙低于下限，减少温度控制目标值。温度控制目标值调整幅度＝3·(当前游离钙-游离钙目标值)。

(7)分解炉温度理论优化值

优先级：7

数据计算：若C5下料管温度推荐值＞C5下料管温度当前目标值，则分解炉温度控制目标值调整幅度＝min(差值，0.3℃)；若C5下料管温度推荐值＜C5下料管温度当前目标值，则分解炉温度控制目标值调整幅度＝max(差值，-0.3℃)。

以上推荐策略按照优先级去控制分解炉出口温度设定值，当算法在执行时人为改变分解炉出口温度设定值，则暂时保持人为设定值一段时间，时间过后重新开始计算设定值。

以上推荐策略按照优先级去控制分解炉出口温度设定值，当算法在执行时人为改变分解炉出口温度设定值，则暂时保持人为设定值一段时间，时间过后重新开始计算设定值。

综上所述，通过调节关键工艺参数——分解炉出口温度，提高入窑生料碳酸盐分解率，提高分解炉的温度过程的控制性能。应用新型干法水泥生产技术时，不断优化生产控制策略，使水泥行业实现节能减排，缓解其高能耗的问题。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种水泥窑分解炉温度设定优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)利用窑主传电流、二次风温、窑况综合指标、头尾煤比得出分解炉出口温度设定值推荐策略，推荐策略一共分为七种，分别为窑电流长期高、窑电流长期下降、窑况波动、生料SM、窑况综合指标、质量稳定、分解炉温度理论优化值；

(2)对七种策略进行优先级排序：窑电流长期高>窑电流长期下降>窑况波动>生料SM>窑况综合指标>质量稳定>分解炉温度理论优化值；

(3)对任一策略下的分解炉出口温度设定值的调整幅度进行分类讨论，进而综合考虑分解炉喂煤量的控制，最终保证分解炉出口温度的稳定。

2.根据权利要求1所述的一种水泥窑分解炉温度设定优化方法，其特征在于，所述推荐策略中窑电流长期高，其依赖数据是近20个窑电流数据，应降低分解炉温度设定值，其数据计算方式为：

分析窑电流数据近180s趋势，采样频率可以为15s，定义掉窑皮状态＝max(0,min(1,180s线性趋势值/range))，其中range一般取11,最后输出值要进行滤波。

10个窑主传电流数据作为一组，在满足上一组数据均值＞窑电流设定上限的前置条件下，近一组数据数据均值＞窑电流设定上限+10或者掉窑皮状态＜0.6，两条件满足其一，便判断为窑电流长期高，则分解炉控制目标温度-1℃。

3.根据权利要求1所述的一种水泥窑分解炉温度设定优化方法，其特征在于，所述推荐策略中窑电流长期下降，其依赖数据是近3小时的窑电流数据，增加分解炉温度设定值，其数据计算方式为：

首先，对近3小时窑电流数据进行处理，以窑电流数据个数为x坐标，具体的窑电流数据为y坐标，阶数为1进行曲线拟合得到关于窑电流变化的一次函数，其一次函数的斜率为r1，同时直线拟合R2＝1-sum((实际窑电流数据-拟合函数上对应窑电流数据)²)/sum(拟合函数上对应窑电流数据-拟合函数上对应窑电流数据均值)²

条件1：当前窑电流低，当近5个窑电流数据均值＜(窑主传电流目标值+窑主传电流下限)/2时；

条件2：未来窑电流低，当近15个窑电流数据+180·r1<窑电流下限时；

条件3：窑电流下降，当r1≤-0.2时；

以上条件都满足时，分解炉温度变化值＝max(0，-窑电流长期趋势比例·60·r1·3小时电流直线拟合R2)，其中窑电流长期趋势比例一般取0.05。

4.根据权利要求1所述的一种水泥窑分解炉温度设定优化方法，其特征在于，所述推荐策略中窑况波动，其依赖数据是二次风温和窑电流的波动频率和幅度，若二次风温波动和窑电流波动非常大，分解炉温度设定值增加1℃，其数据计算方式为：

利用快速傅里叶变换计算出二次风温和窑电流的波动大小和波动频率，设定调整波动大小阈值＝25，调整风温波动频率下限＝2，调整风温波动频率上限＝5，如果二次风温或窑电流波动大小＞25且2＜波动频率＜5，则判断为窑电流和二次风温的波动比较大，分解炉出口温度目标值+1℃。

5.根据权利要求1所述的一种水泥窑分解炉温度设定优化方法，其特征在于，所述推荐策略中生料SM，其依赖数据是历史生料SM数据，计算当前生料SM与上一个生料SM差值，若为正值，则增加分解炉温度设定值；若为负值，则减少分解炉温度设定值，其数据计算方式为：

计算出上一个生料SM与当前生料SM数据差值，若差值≥0.02，则分解炉出口温度目标变化值＝20·差值；若差值≥0.06，则分解炉出口温度目标变化值＝25·差值；若差值≤0.02，则分解炉出口温度目标变化值＝10·差值。

6.根据权利要求1所述的一种水泥窑分解炉温度设定优化方法，其特征在于，所述推荐策略中窑况综合指标，其依赖数据是根据实时窑况指标的大小进行调节，窑况变差，则增加五级筒物料温度设定值，五级筒物料温度用C5表示；窑况变好，则减少C5设定值，其数据计算方式为：

窑况综合指标基本计算策略：获取当前窑电流、二次风温、看火亮度、窑尾氨气、分解炉氨气和氨水流量数据并进行滤波，上述变量结合近期的游离钙数据做出判断，满足下列一条，则判断窑况基本面差，用负数表示：游离钙高于上限；除游离钙外，存在一个变量低于下限；游离钙高于目标值，且游离钙连续3个样增加。满足下列一条，则判断窑况基本面好，用正数表示：游离钙在目标值以下且其他变量都在目标值以上；游离钙在目标值以下，看火在目标值以上且其他变量至少有一个高于目标值。其余情况，则判断窑况正常，用0表示。以上窑况综合指标差和好的具体数值绝对值不超过1，其具体的数值计算依据各变量的计算权重进行计算，一般情况下，看火亮度50％、二次风温20％、游离钙10％、窑电流10％、氨水流量10％，其权重可人为调整，最后的结果应进行滤波，得到窑况综合指标滤波。

根据游离钙、窑温、主传电流等计算出窑况综合指标滤波，设定窑况指标比例系数＝5；若负的窑况综合指标滤波·窑况指标比例系数＞0.1，则窑况差，增加温度控制目标值；若-窑况综合指标滤波·窑况指标比例系数＜-0.1，则窑况好，减少温度控制目标值，增益为3。

7.根据权利要求1所述的一种水泥窑分解炉温度设定优化方法，其特征在于，所述推荐策略中质量稳定，其依赖数据是分析最近几个游离钙结果，游离钙高于上限或低于下限且数值可靠，则增加或减小五级筒物料温度设定值，五级筒物料温度用C5表示，其数据计算方式为：

若游离钙高于上限，增加温度控制目标值；若游离钙低于下限，减少温度控制目标值，温度控制目标值调整幅度＝3·(当前游离钙-游离钙目标值)。

8.根据权利要求1所述的一种水泥窑分解炉温度设定优化方法，其特征在于，所述推荐策略中分解炉温度理论优化值，其依赖数据是五级筒物料温度C5下料管温度推荐值和五级筒物料温度C5下料管温度目标值，若优化值高于当前值，对应增加分解炉温度设定值，最多不超过0.3℃；若优化值低于当前值，对应减少分解炉温度设定值，最多不超过0.3℃，其数据计算方式为：

若C5下料管温度推荐值＞C5下料管温度当前目标值，则分解炉温度控制目标值调整幅度＝min(差值，0.3℃)；若C5下料管温度推荐值＜C5下料管温度当前目标值，则分解炉温度控制目标值调整幅度＝max(差值，-0.3℃)。

9.根据权利要求1所述的一种水泥窑分解炉温度设定优化方法，其特征在于，根据推荐策略按照优先级去控制分解炉出口温度设定值，当算法在执行时，人为改变分解炉出口温度设定值，则暂时保持人为设定值一段时间，时间过后重新开始计算设定值。

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