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1 前言
上海寶鋼集團一鋼公司的不銹鋼精品基地建設，需要高品質(zhì)的活性石灰（活性度≥350ml），它是煉鋼必不可少的原料，用它代替普通冶金石灰用于煉鋼，能達到節(jié)能降耗、提高鋼材質(zhì)量的目的。套筒豎窯是德國貝肯巴赫爐窯公司發(fā)明的活性石灰生產(chǎn)的先進工藝，它實現(xiàn)了在一個窯身內(nèi)存在并流煅燒。因此新建一座500t/d套筒豎窯，總投資約1億元，它的建成投產(chǎn)能夠基本滿足冶煉的需要。
2 套筒豎窯工藝及其控制方法
套筒豎窯工藝流程如1所示。
圖1 工藝流程圖
單斗提升機將石灰石運至窯頂，經(jīng)料斗、密封閘門及旋轉(zhuǎn)布料器進入環(huán)形套筒內(nèi)。套筒豎窯有上、下兩層燒嘴并均勻錯開布置，將套筒豎窯分成兩個煅燒帶，上煅燒帶為逆流，下煅燒帶為并流。并流帶下部為冷卻帶，石灰在冷卻帶的底部通過出料裝置排出。冷卻空氣預熱后匯集到冷卻空氣環(huán)管中，作為助燃空氣送到各個燒嘴。預熱的驅(qū)動空氣從換熱器出來后進入驅(qū)動空氣環(huán)管，并被送到噴射器，作為噴射器的動力氣體。上層燃燒室中為不完全燃燒，不完全燃燒的氣體進入下料層時與來自下方的含過剩空氣的氣流相遇，使不完全燃燒的氣體得到完全燃燒。下層燃燒室中為完全燃燒。窯內(nèi)所有的廢氣都經(jīng)廢氣風機引出，然后經(jīng)冷風閥混入冷風進入除塵器除塵后排入大氣。
在活性石灰的整個生產(chǎn)過程中，煅燒控制是其中的關鍵。煅燒是石灰高溫分解的關鍵一步，該工藝步驟的核心技術是控制燃燒室的溫度范圍，具體控制方法如下：
(1) 通過控制循環(huán)氣體的溫度來調(diào)節(jié)煅燒狀況進而保證石灰質(zhì)量。
(2) 控制供熱進行調(diào)節(jié)。在排料速度及循環(huán)氣體溫度穩(wěn)定的條件下，通過改變熱量輸入的辦法同樣可以調(diào)節(jié)石灰質(zhì)量。
3 PID控制及其調(diào)節(jié)過程
3.1 基本概念
一般的受控對象可近似為一階慣性加純延時環(huán)節(jié)，可以用PID控制器進行無誤差逼近。
PID控制具有以下優(yōu)點：
(1) 原理簡單，使用方便；
(2) 適應性強，可以廣泛應用于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙、建材等各種生產(chǎn)部門；
(3) 魯棒性強，即其控制品質(zhì)對控制對象特性的變化不大敏感。
因此直到現(xiàn)在，PID控制仍然是應用最廣泛的基本控制方式。
3.2 調(diào)節(jié)器動作規(guī)律的選擇
考慮到對象特性、負荷變化、主要擾動和系統(tǒng)控制要求等具體情況，同時還考慮到系統(tǒng)的經(jīng)濟性以及系統(tǒng)投入方便等，決定采用PI調(diào)節(jié)。
3.3 PI調(diào)節(jié)的動作規(guī)律
PI調(diào)節(jié)就是綜合P、I兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點，利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時利用I調(diào)節(jié)消除殘差。它的調(diào)節(jié)規(guī)律為：
(1)
式中：
δ―比例帶，可視情況取正值或負值；
Ti―積分時間。
δ和Ti是PI調(diào)節(jié)器的兩個重要參數(shù)。下圖是PI調(diào)節(jié)器的階躍響應，它是由比例動作和積分動作兩部分組成的。在施加階躍輸入的瞬間，調(diào)節(jié)器立即輸出一個幅值為Δe/δ的階躍，然后以固定速度Δe/δTi變化。當t=Ti時，調(diào)節(jié)器的總輸出為2Δe/δ。這樣，就可以根據(jù)圖2確定δ和Ti的數(shù)值。
圖2 PI調(diào)節(jié)器的階躍響應
3.4 PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定
(1) 方法概述
當系統(tǒng)安裝好以后，系統(tǒng)能否在最佳狀態(tài)下工作，主要取決于調(diào)節(jié)器各參數(shù)的設置是否得當。
參數(shù)整定的方法可歸納為兩大類：理論計算整定法和工程整定法。在工程實際中流行的是后一類，它雖然是一種近似的經(jīng)驗方法，但相當實用。
(2) 本工程中的參數(shù)整定方法
本工程中，參數(shù)整定方法采用工程整定法中的經(jīng)驗整定法。
此方法實質(zhì)上是一種經(jīng)驗試湊法：根據(jù)運行經(jīng)驗，先確定一組調(diào)節(jié)器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入運行，然后人為加入階躍擾動（通常為調(diào)節(jié)器的設定值擾動），觀察被調(diào)量或調(diào)節(jié)器輸出的階躍響應曲線，并依照調(diào)節(jié)器各參數(shù)對調(diào)節(jié)過程的影響，改變相應的整定參數(shù)值。一般先δ后Ti，如此反復試驗多次，直到獲得滿意的階躍響應曲線為止。表1就不同對象給出了調(diào)節(jié)器參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。[1]
表1 經(jīng)驗法調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)
4 PID控制算法及其實際效果
4.1 概述
為了實現(xiàn)套筒豎窯控制系統(tǒng)中的模擬量調(diào)節(jié)，共采用了10個PID控制回路，具體的PID控制算法如圖3所示。
圖3 PID控制框圖
4.2 控制供熱的PID控制算法
(1) 下燃燒器煤氣流量調(diào)節(jié)器FIC410
FIC410通過控制調(diào)節(jié)閥FV410的開度對下燃燒器煤氣的流量進行調(diào)節(jié)，其傳遞函數(shù)如下：
Gc(S)=0.005(1+ 
) (2)
式中：
0.005―PID調(diào)節(jié)器的增益系數(shù)；
10―PID調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)，單位：秒。
其中，F(xiàn)IC410的設定值：
FIC410_SP=GF*PERC410 (3)
式中：
PERC410―下燃燒器煤氣流量分配百分比；
GF―每小時煤氣消耗量，單位：Nm3/h。
對于GF，有以下公式：
GF=TPD*1000*HC/（24*PCI） (4)
式中：
TPD―每日石灰產(chǎn)量，單位：噸/天；
HC―每公斤石灰消耗熱量，單位：kcal/kg；
PCI―煤氣熱值，單位：kcal/Nm3。
(2) 上燃燒器煤氣流量調(diào)節(jié)器FIC430
FIC430通過控制調(diào)節(jié)閥FV430的開度對上燃燒器煤氣的流量進行調(diào)節(jié)，其傳遞函數(shù)如下：
Gc(S)=0.005(1+ ) (5)
式中：
0.005―PID調(diào)節(jié)器的增益系數(shù)；
10―PID調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)，單位：秒。
其中，F(xiàn)IC430的設定值：
FIC430_SP=GF*PERC430 (6)
式中：
PERC430―上燃燒器煤氣流量分配百分比。
PERC410與PERC430相除，稱為煤氣分配比，取值范圍由工藝給出。
(3) 下燃燒器助燃氣體流量調(diào)節(jié)器FIC321
FIC321通過控制調(diào)節(jié)閥FV321的開度對下燃燒器助燃氣體的流量進行調(diào)節(jié)，其傳遞函數(shù)如下：
Gc(S)=0.005(1+ ) (7)
式中：
0.01―PID調(diào)節(jié)器的增益系數(shù)；
10―PID調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)，單位：秒。
其中，F(xiàn)IC321的設定值：
FIC321_SP=GF*FIC321_TA*FIC321_K (8)
式中：
FIC321_TA―空氣與煤氣的配比，即空煤比，取值范圍由工藝給出；
FIC321_K―下燃燒器的空煤比修正系數(shù)，取值范圍由工藝給出。
(4) 上燃燒器助燃氣體流量調(diào)節(jié)器FIC322
FIC322通過控制調(diào)節(jié)閥FV322的開度對上燃燒器助燃氣體的流量進行調(diào)節(jié)，其傳遞函數(shù)如下：
Gc(S)=0.005(1+ ) (9)
式中：
0.005―PID調(diào)節(jié)器的增益系數(shù)；
10―PID調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)，單位：秒。
其中，F(xiàn)IC322的設定值：
FIC322_SP=GF*FIC322_TA*FIC322_K (10)
式中：
FIC322_TA―空氣與煤氣的配比，即空煤比，取值范圍由工藝給出。
FIC322_K―上燃燒器的空煤比修正系數(shù)，取值范圍由工藝給出。
4.3 控制循環(huán)氣體溫度的PID控制算法
(1) 下內(nèi)筒冷卻空氣放散流量調(diào)節(jié)器FIC310
FIC310通過控制調(diào)節(jié)閥FV320的開度對下內(nèi)筒冷卻空氣的放散流量進行調(diào)節(jié)，其傳遞函數(shù)如下：
Gc(S)=0.005(1+ ) (11)
式中：
0.001―PID調(diào)節(jié)器的增益系數(shù)；
10―PID調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)，單位：秒。
其中，F(xiàn)IC310的設定值：
FIC310_SP=TPD*1*KFIC310/24 (12)
式中：
KFIC310―修正系數(shù)，取值范圍由工藝給出。
(2) 上內(nèi)筒冷卻空氣放散流量調(diào)節(jié)器FIC350
FIC350通過控制調(diào)節(jié)閥FV350的開度對上內(nèi)筒冷卻空氣的放散流量進行調(diào)節(jié)，其傳遞函數(shù)如下：
Gc(S)=0.005(1+ ) (13)
式中：
0.001―PID調(diào)節(jié)器的增益系數(shù)；
10―PID調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)，單位：秒。
其中，F(xiàn)IC350的設定值：
FIC350_SP=TPD*1*KFIC350/24 (14)
式中：
KFIC350―修正系數(shù)，取值范圍由工藝給出。
(3) 熱交換器出口處的驅(qū)動空氣溫度調(diào)節(jié)器TIC520
TIC520通過控制調(diào)節(jié)閥FV602（位于熱交換器出口處）的開度對熱交換器出口處的驅(qū)動空氣溫度進行調(diào)節(jié)，其傳遞函數(shù)如下：
Gc(S)=0.005(1+ ) (15)
式中：
0.01―PID調(diào)節(jié)器的增益系數(shù)；
10―PID調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)，單位：秒。
(4) 驅(qū)動風機出口壓力調(diào)節(jié)器PIC510
PIC510通過控制變頻器SIC502的給定，間接控制驅(qū)動風機M502的速度對驅(qū)動風機的出口壓力進行調(diào)節(jié)，其傳遞函數(shù)如下：
Gc(S)=0.005(1+ ) (16)
式中：
0.3―PID調(diào)節(jié)器的增益系數(shù)；
0.3―PID調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)，單位：秒。
(5) 除塵風機入口壓力調(diào)節(jié)器PIC606
PIC606通過控制變頻器SIC606的給定，間接控制除塵風機M606的速度對除塵風機的入口壓力進行調(diào)節(jié)，其傳遞函數(shù)如下：
Gc(S)=0.005(1+ ) (17)
式中：
0.2―PID調(diào)節(jié)器的增益系數(shù)；
0.6―PID調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)，單位：秒。
(6) 下燃燒室壓力調(diào)節(jié)器PIC611
PIC611通過控制變頻器SIC605的給定，間接控制廢氣風機M605的速度對下燃燒室壓力進行調(diào)節(jié)，其傳遞函數(shù)如下：
Gc(S)=0.005(1+ ) (18)
式中：
0.3―PID調(diào)節(jié)器的增益系數(shù)；
0.2―PID調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)，單位：秒。
注：對于(3)~(6)中的設定值（TIC520_SP、PIC510_SP、PIC606_SP、PIC611_SP），均由操作人員通過CRT進行設置，取值范圍由工藝給出。
4.4 PID控制算法的實際效果
(1) 控制供熱PID控制算法的實際效果
控制目標：將上、下燃燒室的溫度（TT631~636、TT611~616）控制在1100℃~1300℃的范圍之內(nèi)。
下燃燒室的溫度（TT616）曲線如圖4所示.
圖4 下燃燒室的溫度曲線(TT616)
上燃燒室的溫度（TT636）曲線如圖5所示。
圖5 上燃燒室的溫度曲線（TT636）
(2) 控制循環(huán)氣體溫度的PID控制算法的實際效果
控制目標：將循環(huán)氣體的溫度(TT651)控制在820℃~920℃的范圍之內(nèi)。
循環(huán)氣體的溫度(TT651)曲線如圖6所示。
圖6 循環(huán)氣體的溫度曲線(TT651)
5 結(jié)語
套筒豎窯自2004年2月15日點火投產(chǎn)以來，產(chǎn)量、質(zhì)量等技術指標穩(wěn)步提高。目前，10個PID控制回路全部投運正常，石灰活性度穩(wěn)定在350ml以上，完全滿足了不銹鋼對活性石灰的需求。表2是新、舊石灰窯平均活性度的對比數(shù)據(jù)。
表2 活性度對比一覽表（單位：ml）
PID在套筒豎窯中的應用已在上海寶鋼集團一鋼公司得到實施，實踐表明：通過PID控制回路的使用，確保了關鍵工藝參數(shù)的控制，因而使得石灰活性度完全滿足了煉鋼的需要，本文所闡述的方法值得大力推廣和普及，對其它相關工藝控制也具有一定的借鑒意義。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號