水泥窑头工艺控制方法研究

摘要： 本文介绍了系统对水泥窑头生产线的组态方法，它使用西门子新型全集成控制系统PCS7，重点分析了关键工艺参数——入窑的二次风量，及其控制要求和影响因素，并提出了它的控制方法。

关键词： PCS7；工艺；参数；自动控制

中图分类号：TQ172.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）05-0050-02

0 引言

随着世界各地的水泥厂生产规模的增大以及水泥生产控制系统的特殊要求，各生产设备间的连锁关系愈加复杂，DCS集散型控制系统所能达到的对水泥控制线的控制已经远远不能满足现代企业的需求。为了保证产品质量，各水泥厂需采用功能更加强大的自动控制系统来确保生产线的稳定运行。所以，本文采用的是一种新型的全集成控制系统，即水泥窑头控制系统，它采用的是西门子公司近年新推出的SIMATIC PCS7系列产品，能够把传统DCS、现场总线技术以及可编程逻辑控制器有机的融合起来[1]。

1 水泥窑头工艺分析

水泥生产主要有七个工艺环节，分别是破碎、生料磨、煤磨、窑尾、窑头、水泥磨和包装。其中，窑头是水泥生产工艺过程中最重要的一道工序。水泥窑头系统的工艺流程如图1所示。经预热分解的生料粉喂入回转窑进料端，并借助回转窑的斜度和旋转，慢慢地向窑头运动，与窑内热气流进行交换，发生充分的化学反应，在烧成带利用窑头煤粉所提供的燃烧热将其煅烧成水泥熟料，出窑熟料温度为1350～1400℃。

烧结后的高温水泥熟料出窑落入推动蓖式冷却机的蓖床上。首先，物料受到从蓖板下部鼓入的高压风的急速冷却，随后由蓖床推动前进，并且受到中压风的继续冷却，经蓖冷机后的熟料温度可降至100℃以下。熟料通过蓖板的往复推动，部分小颗粒通过蓖孔落入风室，经拉链输送机送入链斗输送机，或直接经风室下的料斗汇入链斗输送机；而大部分熟料则进入冷却机尾部的锤式破碎机口，经破碎机破碎后的大颗粒熟料会同落入蓖条下的细熟料，溜到链斗输送机上[2]。

2 PCS7控制系统在水泥窑头站的应用

2.1 SIMATIC PCS7的功能 SIMATIC PCS7遵循西门子TIA理念，集成了专门针对水泥行业的CEMAT软件包，并包含了Step7、CFC、WinCC等重要的编程软件和组态软件，可以方便地进行横向集成及纵向集成，完成所有流程作业，实现从来料加工到成品包装、从底层测量单元到上层管理系统的自动控制[3]。

2.2 水泥窑头站控制系统结构 窑头站控制系统主要有三层结构，分别是现场设备层，过程控制层和操作管理层，如图2所示。第一层是现场设备层，它主要是由蓖冷机、主电机、各种输送设备、冷却风机、收尘设备、阀门、仓筒等组成的。压力传感器、流量传感器、电流传感器、速度传感器等组成了检测设备，它的作用就是把不同的物理量变换为标准的4-2OmA直流信号。通过I/O模块进入集成于ET200M中的A/D转换电路可以把各直流信号转换成数字信号，并把其通过Profibus-DP现场总线送到过程控制站。第二层是过程控制层，采用西门子公司的S7-400系列PLC作为控制站。过程控制层通过对由现场检测仪表送来的各种过程信号进行各种有效的处理，折算成相应的工程量，之后再传送到数据库中，可以用作实时显示、优化计算、报警打印等[4]。第三层是操作管理层，包括一个工程师站（ES）和一个操作员站（OS）。其中工程师站也是系统的I/O服务器、报警服务器以及用户的登录服务器。现场和操作员的对话窗口就是操作员站，操作员通过各项设备完成对整个系统的监控[4]。

3 关键工艺参数的控制

各工艺参数的数值是否始终在工艺要求的范围内，是保证水泥生产线稳定运行，以完成各项生产指标的重要因素。因此，对工艺参数的控制与调整是整个工业过程控制的关键。在窑头生产线的众多工艺参数中，二次风的温度可以说是最重要的一个控制量。二次风温度是指由蓖冷机进入窑内的空气温度，它的高低不仅决定了窑从蓖冷机接受多少热量和窑内的火焰燃烧状态，这是一个重要的直接降低单位熟料热耗的控制参数，也能够直接的反映蓖冷机对熟料的冷却能力，这能够判断出蓖冷机各项操作参数是否正确，并且熟料出蓖冷机时的温度会随着二次风温度的提高而明显的降低。所以，二次风的温度在生产线的众多工艺参数中是很关键的，它既关系到熟料主要经济指标的完成，也是衡量全系统运转是否合理的重要标志。

3.1 二次风温度的理想值 从理论的角度出发，随着二次风温度的升高，会有更多的熟料冷却热量被利用，且煤粉燃烧所用的空气热焓越大。但是，二次风温度过高，对窑头罩的衬料寿命不利，还容易在蓖冷机热端形成“雪人”。因此，该参数的理想值应该介于1050～1150℃之间。

3.2 二次风温度的影响因素 主要是以下五个方面的因素影响了二次风温度：

①熟料产量的高低。二次风温度会随着熟料产量的增多而升高；所以，只有把喂料量稳定下来了，才能稳定住二次风温度，并且不应该出现塌料现象。

②熟料出窑温度的高低。要想提高二次风温度，不仅需要对熟料的煅烧温度进行合理的稳定，也和熟料出窑温度的高低有关，燃烧器出口离窑口位置越近，它的火焰形状会更合理，会很利于提高二次风温度。反之，则不利于提高二次风温度。

③蓖冷机高温段蓖床上的熟料厚度。当熟料的粒径组成不变时，蓖床上的熟料厚度直接与蓖下压力成正比：一定的蓖下压力将保证有最理想的二次风温度，一般情况下，蓖下压力会随着料层的厚度增加而压力升高，此时蓖下压力越高，高温段的冷却风与熟料的热交换会更加的充分，有利于二次风温度的提高；反之，则不利于提高二次风的温度；但料层过厚，致使高压空气难以吹透料层，二次风温度不但不会提高，甚至还会降低。

④高温段高压风机的开度。一般情况下，要想保证二次风持续较高的温度，其中一个必要的条件就是蓖冷机高温段的风机均选型为高压，并且运行中的开度也基本上都在100%左右。然而，需要注意的是，并不是随时都是开度越大就越好的，有一些特殊的情况开度越大可能会降低二次风温度，比如在熟料产量偏低，料层本身并不厚时等。

⑤蓖冷机废气风机的转速。它能够有效的保证蓖冷机高温段的热风不会被抽至冷端，全部入窑。

3.3 二次风温度的控制方法 针对以上影响二次风温度的五个因素，提出了以下几种提高并稳定二次风温度的措施：

①保证窑内煅烧制度的稳定。影响窑内稳定煅烧的因素很多，其中也包括二次风温度的稳定，操作中对原燃料质量及用量的稳定、窑速的稳定、系统用风的稳定等都会直接影响二次风温度的稳定。所以，二次风温度的稳定与窑内煅烧制度稳定是相互促进、相互保证的。

②建立自动控制蓖速的回路。当蓖冷机高温段的风机开度相对稳定时，可以将高温段的蓖下压力与高温段的蓖速设置成自动控制回路，当蓖下压力减小时，蓖速将自动减慢，以保证蓖下压力不变。

③建立自动控制高压风机开度的回路。根据蓖冷机高温段高压风机、窑头高温风机、废气风机的运行状况，合理控制相应阀门的开度。特殊情况下，该开度可以由操作员在上位画面中设置。控制回路如图3所示。

④调节窑头废气风机的转速。根据窑头负压的数值来调节蓖冷机废气风机的转速。控制回路如图4所示。

4 小结

本文采用西门子PCS7全集成自动控制系统完成了水泥窑头站的组态，实现了现场设备层、过程控制层以及操作管理层之间的数据通信。并重点分析了窑头站的工艺流程，研究了工艺过程中关键参数的控制方法。实践证明，比起以往的DCS集散型控制系统，PCS7控制系统对窑头生产线的组态明显简化了控制过程和操作步骤，提高了生产效率，达到了预期效果；关键工艺参数的控制回路设计也实现了预期功能，使二次风量的数值稳定在工艺要求的范围内，从而优化了窑内的温度场，提高了控制系统的稳定性和水泥熟料的质量。

参考文献：

[1]刘继光.CEMAT软件在某水泥厂的应用[J].Proceedings of the 7th Industrial Instrumentation and Automation Conference，2006（3）：353-358.

[2]张冬梅.新型干法水泥生产工艺和新设备介绍[J].硅谷，2008（22）：99.

[3]张凤刚，鹿志清，郑仰冠.CEMAT系统在大型水泥企业中的应用[J].水泥，2004（10）：62-64.

[4]温晓玲.基于PLC的水泥粉磨控制系统[D].合肥工业大学，2007.