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水泥磨优化控制系统(一)

  •              目录

  • 一、系统概述.........................2

    二、系统功能.........................3

    2.1.辊压机小仓仓重优化控制...........4

    2.2.磨机负荷控制.....................4

    2.3. 在线质量(粒度和比表面积)控制..4

    2.4. 助磨剂添加控制..................4

    三、操作方法.........................5

    3.1.辊压机小仓仓重优化控制...........................5

    3.2.磨机负荷控制..................................................5

    3.3. 在线质量(粒度和比表面积)控制........6

    3.4. 助磨剂添加控制............................................6

    四、查看趋势曲线................................................6

    五、使用该系统的优点.......................................6

    、使用水泥磨优化控制系统的局限性........7

    七、使用水泥磨优化控制系统需用的软硬件

    使用后能产生的经济效益分析.................8


    一、系统概述

      钢球球磨机是水泥生产制粉的主要设备,能耗高,磨损大。水泥磨的自动化控制水平直接影响着水泥产品的质量、产量以及能耗。对于复杂的水泥磨系统,由于水泥磨控制本身具有的大时滞、多约束、多变量以及变量间的强耦合性等特点,数学模型难以建立,控制精度难以保证。水泥磨优化控制系统,成为水泥磨系统控制的必然选择。


      目前水泥厂的自动配料系统实现了对各路物料下料比例的控制,使生产过程中化学成份达到合格的要求,但在质量控制及产量方面存在如下问题:凭借操作员经验控制喂料量,质量的调整主要依赖定时的化验结果进行,造成调节滞后;调节滞后容易造成细度(或比表面积)波动;没有准确有效的磨机料位测量手段,无法判断磨机内的料位及变化;难以在质量合格前提下实现产量最大化及稳定,因而粉磨过程电耗偏高;当磨机内物料过多时容易形成饱磨,会导致跑粉、磨内温度增高、水泥细度跑粗等问题;当磨机内物料过少时,会造成钢球、衬板磨损增大,产量急剧减少等问题。为了避免磨机发生饱磨等影响磨机运行的事故发生,大多数情况下水泥磨机系统均在比较保守的工况下运行,很大程度降低了水泥磨机的工作效率,导致制粉系统长期处于低效率、高耗电的工况。

    磨机料位与产量的关系:

    在一定工况下,磨机料位--产量特性曲线如下图所示。从曲线可以看出,磨机的产量并不随存料量的增加而持续增大,实际上磨机存在最大产量料位点,即最佳工作点。虽然磨机的料位-产量特性曲线存在着极值特性,但是其无法用公式表达,而且会随外界因素(例如物料、工况、机械磨损等)的变化而变化,特性曲线会发生漂移,但仍存在最佳工作点。根据粉磨过程运行存在最大产量这一特性,采用优化控制算法,对磨机的最佳料位点进行搜索,以找到最大产量为方向,逐渐向最佳料位点靠近。

    图 磨机料位-产量特性曲线


    水泥磨机负荷测量原理分析

      水泥磨机研磨物料时,磨机筒体转动带动筒内钢球、物料运动,磨机负荷随着磨机料位的变化而变化。磨机主电机有功功率是能够反映磨机内存料量的标准信号,从而实现磨机内料位的准确测量,为水泥磨优化控制提供了控制手段。

    水泥助磨剂使用存在的问题:

      目前,水泥磨助磨剂添加是在现场控制的,开停都需要现场人员进行操作,增加了员工的工作量。当磨机启停时,助磨剂的操作有滞后现象,偶尔造成助磨剂的浪费。人工控制助磨剂添加量,与质管中心的助磨剂控制标准的偏差很大,是现场员工根据产量人为估算后操作给定的,且不随总产量的变化而变化。助磨剂添加多了,造成浪费;助磨剂添加少了,磨机研磨效率降低,降低了产量,增加了电耗。还影响到水泥磨制粉系统的稳定性和产质量。

    二、功能说明:

    水泥磨优化控制系统设计的基本原则是质量第一,产量第二,稳定高产、节能降耗。

      通过分析水泥磨运行参数,水泥磨优化控制系统设计由四个子系统组成:辊压机负荷(仓重)控制系统、磨机负荷控制系统,在线质量(粒度和比表面积)控制系统、助磨剂添加控制系统,它们之间相互独立,有机地组合在一起,相互影响,又相辅相成,构成了一个完整的磨机优化控制系统。实现对磨机的整体协调控制。

                    图1  水泥磨流程图

                     图2  水泥磨优化控制系统图

    2.1.辊压机小仓仓重优化控制:(图1中绿色圈定部分

      通过自动加减喂料总量,自动完成小仓料料重的自动控制。稳定的仓重,对辊压机的进料形成稳定的料压,从而稳定了辊压机的负荷,提高了辊压机的辊压效率。对辊压机料仓仓重实行自动控制,通过控制喂料总量,使其稳定在30+2.0吨左右(操作员可根据实际情况设定)。

    2.2.磨机负荷控制图1中红色圈定部分

      通过对水泥磨主电机有功功率和磨尾斗提电流的自动控制,自动调节循环风机的变频器转速,调控磨机喂料量,完成磨机负荷的控制运行,以实现磨机功率、磨机电流、出磨斗提电流、入库斗提电流等稳定运行。有功功率和磨尾斗提电流设定值的设定,需经过开机稳定、台时产量较高时投入自动控制,并根据磨况逐步修改设定值,也可把上次停机前的有功功率值和磨尾斗提电流值作为设定值。参照磨音、出磨负压(反映磨内通风量、磨内流速)、磨机电流、磨机功率、出磨斗提电流、入库斗提电流的变化趋势,综合判断磨况。该系统的应用,有效克服了磨音的分辨率低、主电机电流受电网电压波动的影响,主电机有功功率和磨尾斗提电流是真正反映磨机负荷的最关键指标之一。

    2.3. 在线质量(粒度和比表面积)控制系统(1色圈定部分)

      通过对在线粒度分析仪粒度和比表面积的自动控制,自动调节选粉机的转速,调控入库成品水泥的粒度和比表面积,完成水泥质量(粒度、比表面积)的自动控制。一般情况下,两台水泥磨公用一台在线粒度分析仪,交换进行分析,切换周期为15分钟(用户自定)。选用粒度≦45um的细度含量作为控制对象,根据其实时检测值与控制目标值的偏差值的大小自动调节选粉机转速。在线粒度仪直接安装在水泥磨入库斗提的下面,每隔15分钟检测一次(间隔时间可由在线粒度分析仪服务工程师进行调整)水泥细度大小分布,粒度有关的参数(如<3um, >80um, >45um, 3-32um50%)都可以在计算机上显示出来,数据更科学,更准确,更及时,是实现智能化工厂不可或缺的监测控制仪器。

      在线粒度分析仪采用“一拖二”的形式检测两台磨机,且检测有时间间隔,因此,检测信号不是连续的不间断信号,所以,采用传统的PID调节无法实现。细度与选粉机转速并不是单纯的线性关系,原材料(特别是熟料)的易磨性有很大的影响。质管中心的质量要求是细度和比表面积同时满足水泥质量标准。熟料(质量)易磨性的好坏,同样的细度,比表面积有较大差异,直接影响水泥的强度。也就是说,熟料易磨性好的时候,选粉机转速只需要41.5Hz,而熟料易磨性差的时候,选粉机转速却需要45Hz。这对细度自动控制程序提出了非常大的挑战,既要满足单一熟料品质的选粉机转速控制要求,又要满足多熟料品质的选粉机转速控制要求。因此,根据熟料易磨性的不同,作员根据磨况实际情况,通过调整合适细度的设定值,以满足细度、比表面积同时满足质量标准的控制要求。

    2.4助磨剂自动添加控制系统:

      为解决助磨剂添加存在的问题,设计了助磨剂添加自动控制系统,在操作员画面上可随时修改助磨剂添加配比,如由5%%改为3.5%%,然后,随总喂料量的变化自动计算所需助磨剂的用量。

    三、操作方法:

    3.1辊压机小仓仓重优化控制:(图1中绿色圈定部分)

      磨机开机后,双击总喂料量,弹出仓重自动控制对话框,处于手动状态,在“输出”栏输入一定的总喂料量的值,如:200t/h,除以10后在输出栏内输入20,手动控制仓重至所需要自动控制的仓重,如30t,这时即可按下“自动”按钮,投入自动运行。自动状态下会自动调节总喂料量,使仓重逐步稳定在30t左右。


    3.2.磨机负荷控制图1中红色圈定部分

      待磨机开机进入稳态后,双击循环风机转速, 弹出负荷自动控制对话框,处于手动状态,在“输出2”栏输入已经有选粉机转速手动给定值,如:30Hz,手动控制磨机工况至达产稳定状态。手动状态下主电机有功功率和磨尾斗提电流的过程值和设定值都是自动跟踪的,即两者是相同的。注意:为控制策略的精度需要,主电机有功功率的过程值和设定值,都是减去了3000后的值。磨机工况稳定后至所需要自动控制的有功功率,如3550KW,减去3000后得到的。按下“自动2”按钮,调节“输出1”的值,使“给定2”的值接近“过程2”的值,然后再按下“自动2”,使其处于“手动”状态,改变“输出2”的值与选粉机转速值一致,再次依次按下“自动2”“自动1”按钮。然后把总的“手动/自动”按钮按下,把磨机负荷自动控制投入运行。自动状态下微调磨机有功功率和磨尾斗提电流的设定值,实现稳产高产的目的。

    3.3. 在线质量(粒度和比表面积)控制系统(1色圈定部分)

      待磨机开机进入稳态后,大约时间在磨机主电机开机30分钟后,投入在线粒度分析仪的自动检测。在水泥磨流程图画面上,单“优化控制”按钮,弹出图2的“水泥磨优化控制系统”画面,根据质管中心质量标准的细度要求,如 ≤45um的细度要求94,直接在“细度给定”栏内输入94即可然后按下“手动”按钮由绿色变为灰色,即已投入细度自动控制。质管中心质量标准不仅有细度要求,同时还有比表面积。在控制细度达到标准后,观察比表面积的数值是否也在标准的控制范围内,若有偏离,可适当调整“细度给定”值

    3.4. 助磨剂添加自动控制系统

      水泥磨助磨剂添加自动控制系统,根据水泥磨的总喂料量,按照质管中心的助磨剂添加标准,通过比例线性化化算法,自动调节助磨剂添加量。

    水泥磨开机后,设定好助磨剂配比,点击助磨剂“手动/自动”按钮,即可投入自动运行。

    图红色圈定部分为助磨剂控制对象



    四、查看趋势曲线

      与查看DCS系统中各模拟量参数的趋势曲线的方法一样,水泥磨优化控制系统的参数都可以直接查看。

    五、水泥磨优化控制系统的优点

    1、水泥磨应用优化控制技术;实现了水泥磨的自动化、精细化、标准化运行。

    1)自动化运行:

    磨机的主要关键控制参数实现了自动调整,如喂料量、循环风机转速、辊压机上部小仓料位、选粉机转速等,实现了实时在线自动控制调整。

    2)精细化运行:

    优化控制系统对水泥磨机系统的调整控制是不知疲劳,是实时在线连续监控调整,力求磨机产能最大化,达到提高运转效率的目的。

    3)标准化运行:

    由于水泥磨优化控制系统使用的是统一的整体的操作思想去操作,不会因操作者的操作水平差异,责任心不同,影响磨系统的运行,减少了人为因素对磨系统运行产生的扰动。

    投入自动后,首先改变了水泥操作员多年习惯的不正确的操作方式。

    以前的操作方式:开机正常磨机处于稳态后,限定磨机喂料量在一定的产量,由于熟料易磨性和粒度的变化,辊压机称重仓往往会有较大波动,为了保住辊压机称重仓的稳定,操作员的处理办法往往就是调整循环风机转速,这样料仓保住了,但是磨机负荷的稳态被打破了,再调整循环风机转速,增加磨机负荷直到稳态,问题又来了,料仓又保不住了,又要调整分料阀保料仓。通过循环风机转速同时控制两个变量:料仓和磨机负荷,顾此失彼,恶性循环,要想达到稳产高产,难上加难。

    现在投入自动后的操作方式:开机正常磨机处于稳态后,调整辊压机循环风机转速,增加磨机负荷直到稳态。通过调整磨机总喂料量,保住辊压机称重仓的稳定。现在的操作方式控制对象明确,比较容易达到磨机稳定。投入自动后,操作员在一个班时间内,给定值只做一两次的微调即可。

    2、提高了磨机运行的稳定性,保护了设备安全性,提高了设备运转率。

    1)辊压机上部料仓仓位长期可以控制在30+2.0t范围内,95%时间运行在30+1.0t范围内。细度和比表面积的偏差也大幅度的降低。

    2)通过水泥磨优化控制系统调整,磨机的主要关键控制参数如辊压机上部料仓料位、出辊压机斗提电流、出磨斗提电流、入库斗提电流的波动大幅下降,运行稳定性提高。

    3、使用磨机优化控制系统后,提高了系统的反应速度。

    避免了由于操作员的疲劳造成的磨机效率降低的情况;

    避免了手动操作的调整不及时的情况;

    实时的调整磨机各项参数,不断把磨机向最优化方向调整;

    4、减轻操作员的劳动强度50%以上,提高了劳动效率。

    磨投入自动运行后,减少了操作员日常的、繁琐的、重复的、必须做的工作量,这样操作员能够有时间学习、思考、监控更多更深层的技术,尽而提高了生产效率;                      

    5水泥磨优化控制系统投入率可达到90%以上,达到了优化磨机生产的目的。

    6、 能够有效降低水泥质量标准偏差。严格按照质管中心的助磨剂添加标准进行控制,杜绝助磨剂浪费,降低生产成本。

    7、提高台时产量在5%以上。

    系统的稳定性增强,提高系统的反应速度,磨机精细化、标准化运行,都可以做到提高产量;保护了设备安全性,减少系统止料次数,减少主机停机次数,可以做到提高产量;

    8、节约电耗2%上。

    系统的稳定性增强,电机电流波动减少,台时产量增加,提高磨机效率,都能够节电;

    六、使用水泥磨优化控制系统的局限性:

    辊压机系统的稳定性问题,主要是辊压机设备问题,特别是辊压机的严重冲料现象,直接影响到该优化控制系统的稳定性,水泥磨优化控制系统可以承受辊压机循环斗提电流8A的波动,10A以上的波动,不建议投入自动控制。

    七、使用水泥磨优化控制系统的需用的软硬件:

          1安装本系统是直接在ABB (或Honywell RXXPKS)系统服务器上安装、编制相关控制程序,需用户授权允许使用ABB 服务器进行编程。

    不需要额外增加专用计算机,易于DCS工程师以后的维护。

         2、在ABB (或Honywell RXXPKS)系统服务器上已经通过OPC通讯接收到在线粒度分析仪的相关数据。

         3、用户自己安装水泥磨主电机的有功功率变送器,并显示到水泥磨监控画面。磨音检测仪建议安装。

    水泥磨优化控制系统有授权限制,请保护知识产权。

      八、使用后能产生的经济效益分析:

    (按台时年产量75万吨)

    1、水泥磨优化控制系统的投入,扣除其他因素,可以提高台时产量在5%以上,按单位产品收益20元算,1台水泥磨将年多创造经济效益75万元

    2根据节约电耗2%以上,按平电电价0.60元计算,年节电49.6万度 1台水泥磨将年多创造经济效益29.76万元

    3通过使用水泥磨优化控制系统,能够降低水泥质量标准偏差,提高水泥强度。提高了水泥强度可以参加更多的混合材,其效益也可观

    4、投用该系统后,一般3~6个月将会收回投资成本。


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