CN118210277A - 一种适用于水泥制造的全流程多指标配料方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适用于水泥制造的自动配料方法，是一种基于线性规划算法的全流程多指标配料方法。具有以下步骤：S1、配置初始参数。S2、根据初始参数建立多质量控制指标线性规划方程组，计算初始配料方案。S3、取样化验。S4、根据均化库参数计算本次质量控制指标。S5、计算下一周期优化配料方案。S6、判断是否超限，若超限优先保证控制优先级高的质量指标，否则进行步骤S7执行优化配料方案。本发明克服了人工配料无法保证多个关键质量控制指标同时合格的困难，减少由于短时间原料成分的剧烈变化引起的质量波动，提高了水泥配料的稳定性和合格率。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于水泥制造行业的自动配料方法，具体涉及一种基于线性规划算法的、可满足多个质量控制指标的全流程多指标配料方法。
背景技术
水泥制造过程包括生料配料、熟料煅烧、水泥配料三个阶段。在生料配料环节，石灰石与硅质、铁质、铝质等生料原料经过破碎后进入预均化堆场，再从堆场进入原料仓。每种原料均配备原料仓，原料仓下方配备原料秤。各原料通过原料秤按照合理的配料比例混合后，通过皮带输送机送进生料磨进行粉磨，制成成分合适、质量均匀的生料。通过取样设备取代表性生料粉，送到化验室进行化学分析得到各成分化验值，然后进行生料配料。生料经计量设备送入预热器预热，经分解炉分解后，进入窑内煅烧至部分熔融，得到以硅酸钙为主要成分的水泥熟料。然后进入水泥配料环节。水泥配料的原料主要为熟料、石膏、混合材等。水泥配料的各类原料均配备原料仓，原料仓下方配备水泥原料配料秤。各原料通过配料秤按照合理的配料比例混合后，通过皮带输送机送进水泥磨进行粉磨，然后进入水泥均化库。通过取样设备取代表性水泥粉，送到化验室进行化学分析得到各成分化验值，然后进行水泥配料。
目前水泥制造行业在生料配料、水泥配料等环节，通常采用化学化验或X荧光化验为基础，人工调整配料比例的方式进行质量控制。由于原料的成分波动较大，人工配料计算过程中存在计算误差和经验误差，无法保证多个质量指标达到合理范围，导致产品合格率较低。
发明内容
针对水泥制造过程中人工配料计算存在的缺陷，本发明提出一种基于线性规划算法的、可满足多个质量控制指标的全流程多指标配料方法。
水泥全流程多指标配料方法，主要通过线性规划配料算法代替人工配料计算，减少配料误差，提高配料合格率和自动化水平。
水泥全流程多指标配料方法应用于水泥制造行业，能够同时实现生料配料和水泥配料两种自动配料功能，覆盖水泥制造过程中两磨一烧的全流程配料工艺。
水泥全流程多指标配料方法可实现多质量控制指标优化配料，质量控制指标包括三率值指标与各种氧化物含量指标等，通常包括饱和比KH、硅酸率SM、铝氧率IM、CaO、Fe2O3、SiO2、Al2O3、SO3、MgO、K2O、Na2O、Cl等，共12个质量控制指标，但不限于这12个质量控制指标。每个质量控制指标具有目标值、指标代码和优先级3个属性，见表1。各种质量控制指标设置优先级，优先级高的质量控制指标可以优先得到满足。
表1 质量控制指标与优先级
其中，三率值质量控制指标KH，SM，IM是由氧化物含量计算得到，计算公式如下：
KH=(CaO-1.65×Al2O3-0.35×Fe2O3)/SiO2/2.8
SM=SiO2/(Al2O3+Fe2O3)
IM=Al2O3/Fe2O3
水泥全流程多指标配料方法具备生料、熟料质量控制指标转换的功能，目的是保证熟料指标的稳定性。水泥全流程多指标配料方法应用于生料配料时，当煤成分相对稳定时，可以直接采用生料质量控制指标。当煤成分波动较大时，为稳定熟料的质量控制指标，则向配料系统下达熟料质量控制指标。水泥全流程多指标配料方法根据煤成分信息、生料与熟料的转变关系自动地在软件后台将熟料质量控制指标生成对应的生料质量控制指标。
水泥全流程多指标配料方法提供均化库控制模式和非均化库控制模式两种。可以根据均化库的均化能力差异调整配料模式，增强配料系统的工艺适应性，提高配料的稳定性与合格率。配料周期通常为1小时，若单个配料周期达不到质量控制指标目标值，可利用均化库的均化能力，使均化库内的总质量控制指标达到目标值。当均化库均化能力较好时，适宜选择均化库控制模式，即在多个配料周期内使总生料配料达到质量指标目标值。当均化库均化能力较差时，选择非均化库控制模式，即在单个配料周期内努力逼近质量控制指标的目标值。
水泥全流程多指标配料方法可预测原料成分的变化趋势和成分变化，生成更精准的配料方案。通过化验室化验结果及配料秤的历史流量数据，反算出各物料的预估成分，根据质量控制指标目标值，生成优化配料方案，从而使配料方案更准确。
水泥全流程多指标配料方法应用于生料配料，主要步骤为：
S1：配置初始参数：原料初始成分、熟料热耗、煤热值、灰分、配料秤范围、配料秤延迟时间、均化库设定流量及权重系数、生料或熟料质量控制指标、指标优先级、指标符合权重系数等参数。若为熟料质量控制指标，根据熟料热耗、煤热值、灰分信息，将熟料质量控制指标转换为生料质量控制指标。
S2：计算初始配料方案，DCS系统执行生料配料方案。按照原料初始成分和生料质量控制指标等参数，建立多质量控制指标线性规划方程组，生成初始生料配料方案，由DCS系统下达至配料秤进行生料配料。
S3：取样化验。取样系统采集有代表性的生料样品，化验室化验生料成分，启动优化配料计算信号。
S4：计算生料质量控制指标。根据均化库设定参数、累计产量及累计成分等，计算出本次生料质量控制指标。
S5：计算下一周期生料配料方案。自动配料软件根据本次生料质量控制指标、化验结果、配料秤流量、初始参数等信息，建立多质量控制指标线性规划方程组，计算下一周期生料配料方案。
S6：判断优化配料方案中各秤配比是否超限。不超限，则执行更新的优化配料方案；如果超限，根据指标符合权重系数保留优先级高的质量控制指标，重新计算优化配料方案。
S7：执行优化配料方案。优化配料方案传送给DCS系统，并下达至各配料秤执行。
重复步骤S3－S7,形成周期性的自动配料控制模式。
水泥全流程多指标配料方法应用于水泥配料，不需要进行熟料、生料指标转换，其它步骤与生料配料相同。
进一步地，针对水泥全流程多指标配料方法生料配料步骤S5，自动配料软件计算优化配方的流程如下:
S51：自动配料软件接收化验数据。
S52：计算预测成分和预测指标。根据初始原料成分、秤流量信息、秤精度系数、化验结果等信息计算预估原料成分，更新原料预测成分。
S53：选择均化库控制模式或非均化库控制模式，计算需求指标。若为均化库控制模式，根据均化库权重系数计算质量控制指标需求值，更新需求指标；若为非均化库控制模式，需求指标即为质量控制指标。
S54：根据原料预测成分和需求指标建立多质量控制指标线性规划方程组，计算优化配料方案。
S55：判断预测指标与需求指标是否在稳定范围内，更新优化配料方案。如果在稳定范围内，将不更新优化配料方案，继续维持上次配料方案。如果不在稳定范围内，执行新的优化配料方案。
步骤S52,预测指标的计算过程与方法如下：
按照各配料秤的反馈配比与对应原料成分计算得到理论成分1，按照各配料秤的设定配比与对应原料成分计算得到理论成分2。
设置秤精度系数，范围为0-1，用以消除配料过程中配料秤断料、堵料情况的影响。若断料情况非常少，配料秤反馈值与设定值非常接近，则秤精度系数设置较高的数值。反之，若断料情况较多，配料秤反馈值与设定值差异大，则秤精度系数应设置较低的数值。
根据秤精度系数计算本次理论成分，计算公式如下：
本次理论成分=f(理论成分1,理论成分2,秤精度系数)
CFLWi=f(CFLW1,CFLW2,scale)
其中，CFLWi、CFLW1、CFLW2、scale分别为本次理论成分、理论成分1、理论成分2和秤精度系数。
设置原料预估权重系数raw，按照指标平滑方法计算平滑后的理论成分，计算公式如下：
理论成分=本次理论成分×原料预估权重系数+上次理论成分×（1-原料预估权重系数）
CFLW=CFLWi×raw + CFLW－1×(1-raw)
其中，CFLW、CFLWi、CFLW-1、raw分别为理论成分、本次理论成分、上次理论成分和原料预估权重系数。
根据当前时刻的各配料秤的执行配比与原料成分计算得到未来成分，并计算预测成分，计算公式如下：
预测成分=f(未来成分,理论成分,化验成分)
CFYC=f(CFWL,CFLW,CFLAB)
其中，CFYC、CFWL、CFLW、CFLAB分别为预测成分、未来成分、理论成分和化验成分。
根据率值计算公式，将预测成分转换为对应的预测指标。
步骤S53,需求指标的计算方法与过程如下：
首先计算均化库累计成分CFL，累计成分的计算是基于化验室化验结果的，代表均化库内一段累计时间内的平均化学成分。由本次流量LI、均化库设定流量LS、本次化验成分CFI和上次累计成分CFL-1计算得到，计算公式如下：
CFL=CFL-1×(LS-LI)/LS+CFI×LI/LS
接着计算均化库需求成分。水泥配料过程中，通常需要考虑均化库的均化能力，只需要使进入均化库的原料成分达到设定的目标值即可，称为均化库需求成分。根据设定目标成分CFS、累计流量LL、均化库设定流量LS、累计成分CFL计算得到，计算公式如下：
CFQ=CFS×LS/(LS-LL)-CFL×LL/(LS-LL)
然后，引入均化库权重系数weight，结合均化库的均化能力，计算最终需求成分CFF，计算公式如下：
CFF=f(CFS,CFQ,weight)
均化库权重系数weight取值范围为0-1。均化库权重系数越大，均化库作用影响越大，本次化验值影响较小；均化库权重系数越小，均化库作用影响越小，本次化验值影响较大。极端条件下，均化库权重系数为0，需求指标即为控制指标，配料方案只考虑本配料周期的化验结果，对以前若干配料周期的化验结果不予考虑，此种配料情况与非均化库控制模式效果相同。
最后，根据率值计算公式，将需求成分转变为对应的需求指标。
步骤S54,根据原料预测成分和需求指标建立多质量控制指标线性规划方程组，计算公式如下：
H×P×X=B
XA≤X≤XB
H为质量控制指标相关的指标矩阵，涉及的质量控制指标采用上面步骤计算所得的需求指标；P为各原料成分相关的成分矩阵，成分信息采用上面步骤计算所得的预测成分；B为流量、累计成分等相关的常数项；X为待求的各原料的配料比例，XA为配方下限，XB为配方上限。
利用线性规划算法对建立的多质量控制指标线性规划方程组进行求解，得到各配料秤的配料比例，即优化配料方案。
步骤S55,判断预测指标与需求指标是否在稳定范围内，决定是否执行配料方案。如果在稳定范围内，将不执行优化配料方案，继续执行上次配料方案。如果不在稳定范围内，将执行优化配料方案。
本发明具有以下有益效果及优点：
（1）、水泥全流程多指标配料方法可实现多质量控制指标优化配料，可以同时实现多个质量控制指标的自动控制需求。当无法同时满足所有质量控制指标时，则优先保证优先级较高的关键质量控制指标。克服了人工配料无法保证多个关键质量控制指标同时合格的技术困难。
（2）、水泥全流程多指标配料方法提供均化库控制模式，可以充分均化库的均化功能，增强配料系统的工艺适应性，提高水泥配料的稳定性与合格率。采用均化库控制模式，可以实现在多个配料周期内使总配料指标达到质量指标目标值，减少由于短时间原料成分的剧烈变化引起的质量波动。
（3）、采用秤精度系数、原料预估权重系数等参数计算得到的原料预估成分更接近物料真实成分，有效减小由于配料秤断料、堵料对原料预估成分计算的影响，相比于原有技术，本计算方法得到的优化配料方案更准确。
（4）本发明避免了原来操作人员凭借经验调整配料比例所引起的数据波动，提高了水泥配料的稳定性和合格率。
附图说明
图1为水泥全流程多指标配料方法的工艺结构图
图2为水泥全流程多指标配料方法配料流程图
图3为水泥全流程多指标配料方法配料优化配方计算流程图。
具体实施方式
以生料配料为例，结合附图进行说明。
水泥全流程多指标配料方法应用于生料配料控制过程中，可以对生料各原料的配比进行自动优化调整。图1为水泥全流程多指标配料方法的工艺结构图，图2为水泥全流程多指标配料方法配料流程图，以下举例介绍此方法的配料步骤。
步骤S1，配置初始参数，设置原料初始成分、配料秤上下限、均化库、质量控制指标、指标优先级等参数。
以5种原料进行配料为例，原料成分如表2所示，分别为石灰石1、砂岩、页岩、铁粉和石灰石2。配料秤上下限如表3所示。质量控制指标与优先级设置如表4所示。配料秤可以设置配料范围，即配比下限与上限，以更好地适应现场的生产条件。配料秤还可以选择固定配比，采用固定配比的配料秤始终采用不变的配比给料，如表3中的石灰石2采用固定配比10。质量控制指标有4个，KH、SM、IM和CaO,目标值分别为0.98、2.5、1.3和43.0。已知生料配料的台时产量为400t/h，结合生料均化库的均化能力，设置均化库设定流量为1200t/h，即要求每3个小时内生料均化库内生料平均指标需达到目标值。
表2 原料初始成分
表3 配料秤配料范围与固定配比
表4 质量控制指标与优先级
步骤S2，根据步骤1设置的初始参数，包括原料初始成分、各配料秤配比范围、质量控制指标及优先级等，建立线性规划方程组，计算出初始配料方案，如表5所示。
表5 初始配料方案
DCS系统向配料秤下达配料方案，各原料按一定比例混合后，经传送带送进生料磨粉磨，进入生料均化库。生料配料的配料周期一般为1－2小时，这个配料周期内均采用初始配料方案。
步骤S3，取样设备在生料送入生料均化库的路径上采集有代表性的生料粉，送进化验室化验，化验结果代表配料周期内的生料混合成分。化验室化验方法可以采用化学分析方法，也可以采用X荧光检测方法。生料化验结果如表6所示：
表6 生料化验结果
步骤S5，自动配料软件根据步骤S3得到的化验结果、流量等信息，结合步骤S4所得的生料质量控制指标，计算新的优化配料方案。主要计算过程描述如下：
首先，计算预测指标。根据初始原料成分、秤流量信息、秤精度系数、化验结果等信息计算原料预估成分，计算生料预测成分，转换为预测指标，如表7和表8所示。
表7 生料预测成分及预测指标
表8 原料预估成分
然后，计算需求指标。根据化验结果、累计流量、均化库设定流量、质量控制指标等信息，计算出累计成分和均化库需求成分，并计算对应的需求指标，如表9所示。
表9 生料需求成分及需求指标
最后，根据原料预测成分和需求指标建立线性规划方程组，对建立的线性规划方程组进行求解，得到各配料秤的配料比例，即优化配料方案，如表10所示。
表10 优化配料方案
接下来，步骤S6，判断优化配料方案中各秤配比是否超限。表10中各配料秤的优化配比满足配比范围限制的要求，则执行步骤S7,执行优化配料方案。生料配料方案传送给DCS系统，并下达至各配料秤执行。继续执行生料配料方案1个周期后，进入步骤S3取样化验，然后根据化验结果与目标值的差异，计算新的生料配料方案，如此循环执行步骤S3-S7。
Claims (8)
1.一种适用于水泥制造的全流程多指标配料方法，其特征在于，配料方法包括以下步骤：
S1：配置初始参数：原料初始成分、熟料热耗、煤热值、灰分、配料秤范围、配料秤延迟时间、均化库设定流量及权重系数、生料或熟料质量控制指标、指标优先级、指标符合系数等参数；若为熟料质量控制指标，根据熟料热耗、煤热值、灰分信息，将熟料质量控制指标转换为生料质量控制指标；
S2：计算初始配料方案，DCS系统执行生料配料方案；按照原料初始成分和生料质量控制指标等参数，建立多质量控制指标线性规划方程组，生成初始生料配料方案，由DCS系统下达至配料秤进行生料配料；
S3：取样化验：取样系统采集有代表性的生料样品，化验室化验生料成分，启动优化配料计算信号；
S4：计算生料质量控制指标：根据均化库设定参数、累计产量及累计成分，计算出本次生料质量控制指标；
S5：计算下一周期生料配料方案：自动配料软件根据本次生料质量控制指标、化验结果、配料秤流量、初始参数等信息，建立多质量控制指标线性规划方程组，计算下一周期生料配料方案；
S6：判断优化配料方案中各秤配比是否超限：不超限，则执行更新的优化配料方案；如果超限，根据指标符合权重系数保留优先级高的质量控制指标，重新计算优化配料方案；
S7：执行优化配料方案，优化配料方案传送给DCS系统，并下达至各配料秤执行；
重复步骤S3－S7，形成周期性的自动配料控制模式。
2.如权利要求1所述的一种适用于水泥制造的全流程多指标配料方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下步骤：
S51：自动配料软件接收化验数据；
S52：计算预测成分和预测指标：根据初始原料成分、秤流量信息、秤精度系数、化验结果等信息计算预估原料成分，更新原料预测成分；
S53：选择均化库控制模式或非均化库控制模式，计算需求指标，若为均化库控制模式，根据均化库权重系数计算质量控制指标需求值，更新需求指标；若为非均化库控制模式，需求指标即为质量控制指标；
S54：根据原料预测成分和需求指标建立多质量控制指标线性规划方程组，计算优化配料方案；
S55：判断预测指标与需求指标是否在稳定范围内，更新优化配料方案，如果在稳定范围内，将不更新优化配料方案，继续维持上次配料方案；如果不在稳定范围内，执行新的优化配料方案。
3.如权利要求2所述的一种适用于水泥制造的全流程多指标配料方法，其特征在于，所述步骤S52，计算预测指标的方法如下：
按照各配料秤的反馈配比与对应原料成分计算得到理论成分1(CFLW1)，按照各配料秤的设定配比与对应原料成分计算得到理论成分2(CFLW2)；引入秤精度系数scale计算本次理论成分CFLWi：
CFLWi=f(CFLW1,CFLW2,scale)
由原料预估权重系数raw、本次理论成分CFLWi和上次理论成分CFLW－1，按照指标平滑方法计算平滑后的理论成分CFLW：
CFLW=CFLWi×raw + CFLW－1×(1-raw)
根据当前时刻的各配料秤的执行配比与原料成分计算得到未来成分CFWL，结合化验成分CFLAB计算预测成分CFYC：
CFYC=f(CFWL,CFLW,CFLAB)
根据率值计算公式，将预测成分转换为对应的预测指标。
4.如权利要求2所述的一种适用于水泥制造的全流程多指标配料方法，其特征在于，所述步骤S53，计算需求指标的方法如下：
首先计算均化库累计成分CFL，由本次流量LI、均化库设定流量LS、本次化验成分CFI和上次累计成分CFL-1计算：
CFL=CFL-1×(LS-LI)/LS+CFI×LI/LS
接着，根据设定目标成分CFS、累计流量LL、均化库设定流量LS、累计成分CFL计算均化库需求成分CFQ：
CFQ=CFS×LS/(LS-LL)-CFL×LL/(LS-LL)
然后，引入均化库权重系数weight计算适应实际的最终需求成分CFF：
CFF=f(CFS,CFQ,weight)
最后，根据率值计算公式，将需求成分转变为对应的需求指标。
5.如权利要求2所述的一种适用于水泥制造的全流程多指标配料方法，其特征在于，所述步骤S54，根据原料预测成分和需求指标建立多质量控制指标线性规划方程组，表达形式如下：
H×P×X=B
XA≤X≤XB
其中,H为质量控制指标相关的指标矩阵，P为各原料成分相关的成分矩阵，B为流量、累计成分等相关的常数项，X为待求的各原料的配料比例，XA为配方下限，XB为配方上限；
利用线性规划算法对建立的多质量控制指标线性规划方程组进行求解，生成优化配料方案。
6.如权利要求1所述的一种适用于水泥制造的全流程多指标配料方法，其特征在于，水泥全流程多指标配料方法能够同时实现生料配料和水泥配料两种自动配料功能，涵盖水泥制造过程中两磨一烧的全流程配料工艺；
水泥全流程多指标配料方法应用于生料配料过程控制环节，主要包括生料原料、生料配料秤、生料磨、生料均化库、DCS系统、取样设备、化验室、自动配料软件等；
水泥全流程多指标配料方法应用于水泥配料过程控制环节，主要包括水泥原料、水泥配料秤、水泥磨、水泥均化库、DCS系统、取样设备、化验室、自动配料软件等。
7.如权利要求1所述的一种适用于水泥制造的全流程多指标配料方法，其特征在于，水泥全流程多指标配料方法可实现多质量控制指标优化自动配料，质量控制指标包括三率值指标与各种氧化物含量指标等，通常包括饱和比KH、硅酸率SM、铝氧率IM、CaO、Fe2O3、SiO2、Al2O3、SO3、MgO、K2O、Na2O、Cl等，共12个质量控制指标，但不限于这12个质量控制指标；各种质量控制指标可以设置优先级，优先级高的质量控制指标可以优先得到满足。
8.如权利要求1所述的一种适用于水泥制造的全流程多指标配料方法，其特征在于，水泥全流程多指标配料方法提供均化库控制模式和非均化库控制模式两种；可以根据均化库的均化能力差异调整配料模式，增强配料的工艺适应性，提高配料的稳定性与合格率；配料周期通常为1小时，若单个配料周期达不到质量控制指标目标值，可利用均化库的均化能力，使均化库内的总质量控制指标达到目标值；当均化库均化能力较好时，选择均化库控制模式，即在多个配料周期内使总生料配料达到质量指标目标值；当均化库均化能力极差时，选择非均化库控制模式，即在单个配料周期内努力逼近质量控制指标的目标值。
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