薛美盛 謝忻南 饒偉浩 秦宇海

摘 要 水泥生產(chǎn)系統(tǒng)中，分解爐具有大時(shí)滯、強(qiáng)干擾特性，常規(guī)控制算法難以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。分解爐常出現(xiàn)實(shí)際喂煤量與給定喂煤量嚴(yán)重不符（喂煤異常）的情況，此時(shí)，手動(dòng)控制效果也很不理想，溫度常常超限。為此，提出一種基于廣義預(yù)測(cè)控制+動(dòng)態(tài)補(bǔ)償+負(fù)荷補(bǔ)償?shù)南冗M(jìn)控制算法，可以克服分解爐由于大時(shí)滯與喂煤異常帶來的難控問題。該算法在某水泥廠分解爐上已經(jīng)成功投運(yùn)，極大地改善了溫度回路的控制品質(zhì)。

關(guān)鍵詞 廣義預(yù)測(cè)控制 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償 喂煤補(bǔ)償 水泥生產(chǎn) 分解爐 溫度

中圖分類號(hào) TP273? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B? ?文章編號(hào) 1000?3932（2023）03?0304?06

水泥作為一種重要的經(jīng)濟(jì)建設(shè)原材料，其生產(chǎn)過程的節(jié)能減排對(duì)我國實(shí)現(xiàn)“2060年碳中和”目標(biāo)具有重要意義。2020年，全球水泥工業(yè)產(chǎn)量達(dá)到4.2 Gt，其中我國占53.84%［1］。在我國政府宏觀政策導(dǎo)向作用的影響下，水泥行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)應(yīng)用推廣加速，并取得了顯著成效［2］。我國水泥產(chǎn)業(yè)在預(yù)分解窯節(jié)能煅燒等領(lǐng)域正在迅速跟進(jìn)世界先進(jìn)水平，但仍有相當(dāng)部分預(yù)分解窯依然存在噸熟料能耗偏高、環(huán)境負(fù)荷嚴(yán)重等問題［3］。因此，水泥生產(chǎn)中的分解爐先進(jìn)控制也成為水泥生產(chǎn)節(jié)能領(lǐng)域中的重要課題。

目前，針對(duì)分解爐控制問題提出的解決方案中，大多數(shù)僅適用于分解爐處于正常工況的情況。在先進(jìn)控制方面，文獻(xiàn)［4］提出一種基于廣義預(yù)測(cè)控制的分解爐出口溫度控制算法，有效降低了噸熟料能耗。文獻(xiàn)［5］提出一種基于Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與自適應(yīng)控制的水泥窯先進(jìn)控制方案，有效降低了氮氧化物的排放。在生產(chǎn)系統(tǒng)改造方面，文獻(xiàn)［6］通過調(diào)整分解爐燃燒器的位置，有效提升了水泥窯產(chǎn)量，降低了煤耗。以上水泥窯節(jié)能方案都是針對(duì)正常工況，尤其是先進(jìn)控制方面，在分解爐喂煤異常的情況下無法投運(yùn)。

本課題針對(duì)喂煤異常情況下的分解爐出口溫度控制問題，提出廣義預(yù)測(cè)控制+動(dòng)態(tài)補(bǔ)償+負(fù)荷補(bǔ)償先進(jìn)控制算法，以降低喂煤異常情況對(duì)分解爐出口溫度造成的影響。

1 問題分析

1.1 分解爐喂煤工藝流程簡介

分解爐出口溫度的操作變量是分解爐喂煤量。分解爐喂煤過程的DCS界面如圖1所示。

原煤經(jīng)煤磨研磨成煤粉后，進(jìn)入煤倉。煤粉在煤倉中臨時(shí)儲(chǔ)存，由煤秤控制喂煤量。煤粉在經(jīng)過煤秤后會(huì)經(jīng)由轉(zhuǎn)盤進(jìn)入分解爐。喂煤的實(shí)際數(shù)量由煤秤反饋值和轉(zhuǎn)盤負(fù)荷值指示。

1.2 分解爐出口溫度控制問題分析

某水泥分解爐主要存在兩個(gè)控制難點(diǎn)：

a. 從喂煤量到分解爐出口溫度存在較大的時(shí)間滯后。用手動(dòng)控制或傳統(tǒng)PID算法難以取得較好的控制效果。

b. 水泥分解爐喂煤煤秤長時(shí)間處于異常狀態(tài)，這種異常狀態(tài)出現(xiàn)的頻率較高，約每20 min出現(xiàn)一次。這種異常狀態(tài)的具體表現(xiàn)為：煤秤所給出的喂煤量與實(shí)際喂煤量不符，且該煤秤在處于異常情況時(shí)不受程序控制。煤秤下方的轉(zhuǎn)盤負(fù)荷可在一定程度上反映喂煤量。正常情況下，喂煤量在7～10 t/h波動(dòng)，轉(zhuǎn)盤負(fù)荷在70%～85%波動(dòng)。當(dāng)煤秤處于異常狀態(tài)時(shí)，表現(xiàn)為兩種情況，一種是喂煤量突然增大，此時(shí)煤秤仍在7～10 t/h波動(dòng)，但轉(zhuǎn)盤負(fù)荷升至100%以上，如果根據(jù)正常情況給定喂煤量定會(huì)導(dǎo)致分解爐出口溫度急劇上升，發(fā)生危險(xiǎn)；另一種是喂煤量突然減小，轉(zhuǎn)盤負(fù)荷降至70%以下，此時(shí)分解爐出口溫度急劇下降，導(dǎo)致水泥產(chǎn)品不合格。

針對(duì)以上控制難點(diǎn)，本課題提出采用廣義預(yù)測(cè)控制解決分解爐出口溫度時(shí)間滯后大的問題，采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法解決由于喂煤異常造成的分解爐出口溫度波動(dòng)幅度大、波動(dòng)速度快的問題，采用負(fù)荷補(bǔ)償方法根據(jù)喂煤量負(fù)荷補(bǔ)償解決由于喂煤異常造成的給定喂煤量與實(shí)際喂煤量不符的問題。

2 分解爐出口溫度先進(jìn)控制算法

2.1 廣義預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)

分解爐出口溫度廣義預(yù)測(cè)控制器采用廣義預(yù)測(cè)控制（Generalized Predictive Control，GPC）［7，8］。

采用遞推最小二乘法［9］建立分解爐出口溫度與喂煤量的差分方程模型。分解爐出口溫度與喂煤量的差分方程模型為：

y（k）=-0.9931y（k-1）+0.2614u（k-150）（1）

式中 u（k-150）——150個(gè)控制周期前喂煤量，t/h；

y（k）——當(dāng)前控制周期分解爐出口溫度，? ℃；

y（k-1）——上一控制周期分解爐出口?溫度，℃。

控制周期為1 s，150個(gè)控制周期的滯后由真實(shí)數(shù)據(jù)建模所得。

2.2 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

由于分解爐喂煤異常，分解爐工況非常惡劣，溫度波動(dòng)很大。在這種情況下，由于廣義預(yù)測(cè)控制抗干擾能力較差，且喂煤異常導(dǎo)致模型失配加重，采用與正常工況相同的控制策略無法得到好的控制效果。因此，在廣義預(yù)測(cè)控制算法的基礎(chǔ)上，針對(duì)分解爐出口溫度波動(dòng)較大的情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

動(dòng)態(tài)補(bǔ)償主要應(yīng)對(duì)分解爐出口溫度波動(dòng)速度較快的情況。首先需要判斷分解爐出口溫度的變化趨勢(shì)和變化速度。判斷溫度變化趨勢(shì)遵循以下邏輯：

if（y（k）>y（k-d））

&（y（k-d）>y（k-2d））

&（y（k-2d）>y（k-3d））

then flag=1

else if（y（k）

&（y（k-d）

&（y（k-2d）

then flag=2

else flag=0

其中，flag為分解爐出口溫度趨勢(shì)標(biāo)志，分解爐出口溫度連續(xù)上升時(shí)flag=1，分解爐出口溫度連續(xù)下降時(shí)flag=2，分解爐出口溫度無明顯上升或下降趨勢(shì)時(shí)flag=0；d為判斷步數(shù)，取d=3。

分解爐出口溫度變化的速度Δy（k）的計(jì)算式為：

分解爐出口溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償遵循以下邏輯（表1）：

a. 當(dāng)分解爐出口溫度連續(xù)上升時(shí)，判斷分解爐出口溫度偏差。

b. 當(dāng)偏差為正且偏差較大時(shí)，應(yīng)快速減少喂煤量，迅速遏制溫度上升趨勢(shì)。

c. 當(dāng)偏差為正且偏差較小時(shí)，應(yīng)慢速減少喂煤量，使溫度不再上升。此時(shí)不能快速減煤，否則易造成溫度快速下降。

d. 當(dāng)偏差為負(fù)且偏差較大時(shí)，應(yīng)慢速增加喂煤量。此時(shí)由于溫度在回升，不宜快速增加喂煤量，否則可能導(dǎo)致溫度回升過快。

e. 當(dāng)偏差為負(fù)且偏差較小時(shí)，不補(bǔ)償，此時(shí)溫度在逐漸回升至設(shè)定值，且偏差較小。

f. 當(dāng)分解爐出口溫度連續(xù)下降時(shí)，判斷分解爐出口溫度偏差。

g. 當(dāng)偏差為正且偏差較大時(shí)，應(yīng)緩慢減少喂煤量，使溫度回落至設(shè)定值。

h. 當(dāng)偏差為正且偏差較小時(shí)，不補(bǔ)償，此時(shí)溫度在逐漸回落至設(shè)定值，且偏差較小。

i. 當(dāng)偏差為負(fù)且偏差較大時(shí)，應(yīng)快速增加喂煤量，使溫度不再下降。

j. 當(dāng)偏差為負(fù)且偏差較小時(shí)，應(yīng)慢速增加喂煤量。

分解爐喂煤補(bǔ)償量計(jì)算式為：

2.3 負(fù)荷補(bǔ)償

在廣義預(yù)測(cè)控制算法和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，針對(duì)喂煤異常的情況，利用可以反映真實(shí)喂煤量的轉(zhuǎn)盤負(fù)荷進(jìn)行負(fù)荷補(bǔ)償。

負(fù)荷補(bǔ)償?shù)恼w思路為：在廣義預(yù)測(cè)控制加動(dòng)態(tài)補(bǔ)償計(jì)算所得的喂煤量的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)盤負(fù)荷較高時(shí)減小喂煤量，轉(zhuǎn)盤負(fù)荷較低時(shí)增加喂煤量。

負(fù)荷補(bǔ)償有減煤補(bǔ)償與增煤補(bǔ)償兩種計(jì)算方法。

減煤補(bǔ)償應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)盤負(fù)荷突然增加的情況。負(fù)荷突然增加時(shí)，需要快速減少喂煤量，否則會(huì)造成分解爐出口溫度急劇上升，但是當(dāng)負(fù)荷增加到一定程度后需要降低減煤速度以防止喂煤量低于危險(xiǎn)下限。因此，減煤補(bǔ)償采用與轉(zhuǎn)盤負(fù)荷反比例函數(shù)有關(guān)的計(jì)算公式。減煤補(bǔ)償計(jì)算式為：

增煤補(bǔ)償應(yīng)對(duì)在負(fù)荷突然增加，經(jīng)過減煤補(bǔ)償后負(fù)荷開始降低的情況，此時(shí)需要增加喂煤量，以防止由于喂煤量減少且負(fù)荷下降造成分解爐出口溫度急劇下降的情況。同時(shí)，增加喂煤量的速度應(yīng)較為緩慢，以防止快速增煤導(dǎo)致負(fù)荷再次升高。因此，增煤補(bǔ)償采用與轉(zhuǎn)盤負(fù)荷一次函數(shù)有關(guān)的計(jì)算式。增煤補(bǔ)償計(jì)算式為：

其中，γ為增煤補(bǔ)償系數(shù)，取較低數(shù)值以降低增煤速度；α為負(fù)荷補(bǔ)償控制數(shù)，當(dāng)α=90時(shí)，即表示轉(zhuǎn)盤負(fù)荷小于90%時(shí)，喂煤量向上補(bǔ)償。

3 分解爐先進(jìn)控制系統(tǒng)

3.1 先進(jìn)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

分解爐出口溫度先進(jìn)控制系統(tǒng)通過OPC協(xié)議與現(xiàn)場DCS連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場工藝數(shù)據(jù)的采集與控制數(shù)據(jù)的寫入。

分解爐出口溫度先進(jìn)控制系統(tǒng)的控制界面如圖2所示。左側(cè)為分解爐出口溫度檢測(cè)值與設(shè)定值，現(xiàn)場工作人員通過滑條設(shè)置分解爐出口溫度設(shè)定值。右側(cè)為喂煤量檢測(cè)值、喂煤量設(shè)定值與喂煤量負(fù)荷值，現(xiàn)場工作人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)喂煤量設(shè)定值。下方為分解爐出口溫度自動(dòng)控制開關(guān)與喂煤負(fù)荷補(bǔ)償開關(guān)，現(xiàn)場工作人員可以根據(jù)喂煤是否異常決定喂煤負(fù)荷補(bǔ)償是否開啟。

3.2 先進(jìn)控制系統(tǒng)控制算法實(shí)施

某水泥廠分解爐出口溫度廣義預(yù)測(cè)控制+動(dòng)態(tài)補(bǔ)償+負(fù)荷補(bǔ)償先進(jìn)控制算法的整體控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

主回路為廣義預(yù)測(cè)控制回路。本課題所設(shè)計(jì)的廣義預(yù)測(cè)控制器參數(shù)為：采樣周期Ts=1 s，控制周期Tc=1 s，預(yù)測(cè)前景P=80，控制前景Pu=20，柔化因子α=0.988，階梯因子β=1，控制量權(quán)重因子λ=4500，控制器單個(gè)控制周期變化量ΔU=0.05。當(dāng)分解爐出口溫度偏差過大時(shí)（|e（k）|>5）需要增強(qiáng)控制器作用，使被控量快速回到設(shè)定值，調(diào)整階梯式廣義預(yù)測(cè)控制器參數(shù)α=0.985，λ=3800。

當(dāng)啟用負(fù)荷補(bǔ)償時(shí)，說明分解爐處于不穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)加大控制器單個(gè)控制周期變化量ΔU=0.1。分解爐出口溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置見表2。

趨勢(shì)標(biāo)志flag與溫度偏差e（k）為判斷當(dāng)前動(dòng)態(tài)狀態(tài)的變量。例如，當(dāng)前分解爐出口溫度連續(xù)上升flag=1，且溫度偏差為正大偏差e（k）>+3，即設(shè)置動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系數(shù)k=8.0。分解爐出口溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償溫度系數(shù)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置為k=0.01。

負(fù)荷補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置見表3。先進(jìn)控制系統(tǒng)根據(jù)分解爐出口溫度偏差決定補(bǔ)償模式。當(dāng)分解爐出口溫度大于設(shè)定值且轉(zhuǎn)盤負(fù)荷大于80%時(shí)，為減煤補(bǔ)償。當(dāng)分解爐出口溫度偏差小于-3 ℃時(shí)為增煤補(bǔ)償。先進(jìn)控制系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)盤負(fù)荷決定補(bǔ)償?shù)目刂茀?shù)。

4 分解爐先進(jìn)控制系統(tǒng)投運(yùn)效果

4.1 負(fù)荷補(bǔ)償投運(yùn)效果

負(fù)荷補(bǔ)償投運(yùn)效果如圖4所示，可以看出，在約400 s的位置，喂煤量在煤秤出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)入負(fù)荷補(bǔ)償。此時(shí)，負(fù)荷快速上升，負(fù)荷補(bǔ)償進(jìn)入減煤補(bǔ)償模式，喂煤量快速下降至下限。喂煤量減少至下限后可以防止因喂煤異常導(dǎo)致分解爐出口溫度過高。在約900 s的位置，分解爐出口溫度下降且轉(zhuǎn)盤負(fù)荷下降，此時(shí)進(jìn)入增煤補(bǔ)償模式，防止分解爐出口溫度快速下降。

4.2 系統(tǒng)整體投運(yùn)效果

在某水泥廠投運(yùn)分解爐出口溫度先進(jìn)控制算法，與手動(dòng)控制進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示，每種控制算法采集投運(yùn)4 h的數(shù)據(jù)。從圖5可以看出，手動(dòng)控制的最大誤差39.18 ℃，算得絕對(duì)誤差積分226 774，分解爐出口溫度標(biāo)準(zhǔn)差11.69；自動(dòng)控制的最大誤差22.67 ℃，算得絕對(duì)誤差積分90 756，分解爐出口溫度標(biāo)準(zhǔn)差7.56。

由先進(jìn)控制系統(tǒng)投用前后的對(duì)比分析結(jié)果可知，采用廣義預(yù)測(cè)控制+動(dòng)態(tài)補(bǔ)償+負(fù)荷補(bǔ)償?shù)目刂菩Ч黠@優(yōu)于手動(dòng)控制。

5 結(jié)束語

本課題以某水泥廠為背景，針對(duì)水泥生產(chǎn)過程中喂煤異常時(shí)分解爐出口溫度的控制問題，提出廣義預(yù)測(cè)控制+動(dòng)態(tài)補(bǔ)償+負(fù)荷補(bǔ)償?shù)南冗M(jìn)控制算法，并在水泥廠分解爐上成功投用。解決了在分解爐煤秤異常情況下的溫度控制問題，使分解爐出口溫度可以長時(shí)間運(yùn)行于自動(dòng)控制模式。

本課題提出的負(fù)荷補(bǔ)償方法僅適用于喂煤異常的情況。如果在煤秤正常的情況下使用該方法會(huì)造成喂煤量波動(dòng)較大，反而不利于分解爐出口溫度的控制。所提動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法的應(yīng)用場景不限于溫度波動(dòng)較大的分解爐出口溫度，在水泥廠篦冷機(jī)篦下壓力的控制中也取得了良好效果。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2022-04-20，修回日期：2022-12-29）

Advanced Control over Calciner Exit Temperature in?Abnormal Coal Feeding in Cement Production

XUE Mei?sheng1， XIE Xin?nan1， RAO Wei?hao1， QIN Yu?hai2

（1. Dept. of Automation of School of Information Science and Technology， University of Science?and Technology of China； 2. Jiangsu Panvieo Energy Saving Technology Co.， Ltd.）

Abstract? ?In the cement production system， large time delay and strong interference characterize the calciner and conventional control algorithms is difficult to achieve closed?loop control. The actual coal feeding amount which seriously inconsistent with the given coal feeding amount （coal feeding is abnormal） often troubles the calciner. At this time， the control quality of manual control is unsatisfactory and the temperature of the calciner often exceeds the limit. In this paper， an advanced control algorithm based on generalized predictive control and dynamic compensation and coal feeding compensation was proposed， which can overcome the control problems caused by the large time delay and abnormal coal feeding in the calciner temperature control. This algorithms successful operation in a calciner greatly improves the control quality.

Key words? ?generalized predictive control， dynamic compensation， coal feeding compensation， cement production， calciner， temperature