1、入窯生料的穩定性對窯系統穩定的影響

　　如果將窯的煅燒過程看作一個控制系統時，我們驚訝的發現整個系統的CPU竟是我們的窯操人員，喂料系統、喂煤系統和風量調節系統僅僅是整個窯系統的子系統。對于整個窯煅燒過程這樣一個復雜系統來說，即使一個非常熟練的窯操人員，要穩定這樣一個非線性、多變量、強耦合、時變和滯后的復雜系統――尤其是子系統的自身的穩定性較差時，也是非常吃力的。

　　我們再來看一看影響窯煅燒系統穩定性的三個主要參量：

　　入窯生料量、窯（含爐）系統的喂煤量以及窯系統的用風量。

　　入窯生料量的大小決定了這個窯的產量，它受制于窯的設計和窯內實際煅燒情況，其參考輸入是由窯操人員根據操作過程的實際情況來決定的。窯（爐）的喂煤量是由入窯生料量的多少決定的，它提供了窯煅燒的能源。窯系統的風量取決于窯（爐）的

　　喂煤量，它提供煤粉燃燒所必須的氧氣。從控制的角度大致可以這樣認為，窯（爐）喂煤系統是入窯生料系統的隨動系統，其參考輸入（喂煤的設定量）是入窯生料量的時間函數；而用風系統是喂煤系統的隨動系統，其參考輸入是喂煤量的時間函數。

　　由此我們可以看出，即使不考慮窯系統各參量的非線性、耦合、時變等復雜因素，入窯生料系統的穩定性也是窯系統（熱工制度）穩定的極為關鍵的環節和至關重要的節點。

　　2、入窯生料的特性和工藝流程與控制特點

　　預分解窯的入窯生料主要是由石灰石、頁巖和鐵通過研磨后的細粉狀物料。自然狀態下，它具有一定的流態性和較小的休止角，比重大約在1.0t/m3左右。它流態性受到水分和氣流的影響極為強烈。水分的增加會使其流態性變差，表現在物料趨于粘聚并有較大的附著性，水分越大其附著性越強，流態性越差；而當干燥或伴有氣流時其流態性變得極強，表現為物料趨于自溢（自流性），含氣量越大，其流態性越強。

　　考慮到窯尾生料的特性，目前大多數水泥廠的窯尾喂料的工藝流程中，都設計有一個過程穩流儲料倉，并且該穩流儲料倉通常帶有重量監測傳感器或料位監測裝置。

　　水泥工業中窯尾生料的過程穩流儲料倉是窯尾生料控制的一個比較重要的環節。窯尾生料的定量計量和控制往往直接串接在這個工藝環節之后。因此不論是從生料的控制計量方面還是從工藝流程方面，都希望過程穩流儲料倉內的生料能夠穩定地受控卸料。

　　但是經過研磨均化后的生料粉體，在常態下雖具有一定的流態性，但其流態性指標并不足以保證其能夠以自身重力方式通過穩流儲料倉自然卸料。因此除了在傳統工藝中采用螺旋喂料機方式的強制性卸料方式外――極易產生過程穩流儲料倉的起拱現象，目前在實際中應用中大多數采用倉（庫）底充氣助卸間或結合倉（庫）側充氣破拱的自 然卸料的方式來保證生料倉內物料的卸料。

　　通過以上對入窯生料的特性和工藝流程的探討，我們可以發現，由于入窯生料的流態性，受助卸氣流的氣壓和穩流倉的倉壓影響很大，因此對入窯生料的控制的其中一個關鍵環節是如何避免穩流儲料倉卸料時（即入窯生料的計量控制設備在受料時），入窯生料的流態性差異對控制計量系統的巨大影響；而另一個關鍵環節就是如何避免給料控制裝置的非線性對控制計量系統的影響。

　　從系統的角度去分析入窯生料的特性、工藝流程、卸料特點對入窯生料控制的影響是實現入窯生料穩定控制的基礎。

　　流量調節閥＋固體流量計系統的探討

　　采用流量調節閥和固體流量計組成的入窯生料計（量）控（制）調節系統在我國的水泥工業中占有很大比例。其計量控制原理是通過固體流量計，檢測出入窯生料的瞬時（或平均）流量，并將測量出的流量值與設定值比較，其偏差通過PID或其變種算法來調節流量閥門的開度，力求使入窯生料的實際流量與設定值保持一致。

　　我們可以從控制學的角度對該系統的動態性能和穩態性能簡要探討一下。

　　該控制系統的流程原理，如上圖所示，被控入窯生料通過流量閥門、布風斜槽和流量計導向斜槽作用于流量計檢測板，由流量計檢測板測量出實際流量的大小，反饋給系統，再由系統比較設定流量與實際反饋流量的偏差來調節流量調節閥門的開度。

　　入窯生料系統的設定輸入是入窯生料的流量（注意設定輸入不是閥門開度），其調節手段是利用流量閥門的開度來實現的。因此流量閥門的開度與通過閥門生料流量的大小的線性關系直接影響該系統的穩態性能間接影響系統的動態性能指標。

　　另外還應該注意到流量測量環節（固體流量計）和流量調節環節（流量調節閥）在物理空間的分離（通過布風斜槽和導向斜槽來聯結）使的該系統在偏差調節上會出現一定的滯后現象。因此該系統的調節模式，不應采用簡單的慣性環節來處理，而應根據現場實際情況充分考慮其滯后性能對系統動態性能指標的影響。

　　由上的分析可以得出流量調節閥開度與流量大小的線性關系以及調節系統對系統滯后性的處理，對采用流量調節閥和固體流量計組成的計控系統的穩態性能和動態性能起著至關重要的影響。

　　流量調節閥門開度與流量大小的對應關系，除了流量調節閥自身設計合理性和自身質量關系外，物料流態性能對其影響巨大，如前文所述入窯生料的流態性能取決于過程儲料倉倉壓和倉底助卸氣壓，特別是倉底助卸氣壓的大小對入窯生料的流態性能影響。目前由于很難對物料的流態性能進行量化測定，加上影響該性能的因素很多，因此一個物料絕對穩定的流態性是一種奢求。所以一般在實際應用時，閥門自身定位精度的偏差、環境狀態的改變或不穩定都往往導致流量調節閥的非線性。嚴重時會造成系統的震蕩，表現為物料的沖料或間歇性斷料發生。

　　采用常規PID調節的單回路系統時，調節的系統的滯后性會降低系統的跟隨性和抗擾性（注：控制系統的動態性能的定義）。特別是當調節裝置帶有非線性死區時，系統還會出現穩態靜差，影響系統精度。

　　由此可以得出在采用流量調節閥＋固體流量計組成的入窯生料控制系統時，除了選配性能優良的流量調節閥和固體流量計外，設計一個合理的過程儲料倉、穩定過程儲料倉的倉壓、穩定倉底助卸氣壓下，得到一個穩定卸料的料流是非常重要的因素。同時為了能夠提高整個系統的動態性能，應根據系統實際滯后時間常數，選擇合理調節方式和參數也是非常重要的。

　　4、流量調節閥＋定量給料機系統的探討

　　怎樣才能進一步提高入窯生料系統的穩定性和動態指標性能。從上節討論中可以看出，解決調節裝置（流量調節閥）的非線性和計、控分離產生的時滯性是提高整個系統穩定性和控制性能的關鍵。為此我們引入了密封皮帶式定量給料機這樣一個小慣性線性流量測控環節，取代固體流量計這樣一個單純的測量環節，將流量調節閥的精確調節下降為穩流預給料的粗調環節，形成了一個由流量調節閥――穩流粗調環；密封皮帶式定量給料機――流量精調環，組成的一個粗、精雙回路調節系統來解決入窯生料的前述問題。如下圖所示。

　　流量調節閥＋定量給料機組成的入窯生料計量控制系統的系統構成：由流量調節閥門與定量給料機的負荷組成一個閉合的穩流環節，考慮到流量調節閥的非線性，將其與定量給料機負荷組成一個定性調節的負荷粗調環節，它的調節作用是在一定范圍內保證定量給料機負荷的相對穩定，避開了由于其非線性因素對整個計量控制系統的影響。充分利用定量給料機的小慣性和流量線性調節功能，避開了調節裝置的非線性和調節滯后對整個入窯生料系統的影響。該系統的工作原理：1）流量環的調節是由定量給料機的荷重傳感器測定其有效稱量段上的負荷；由測速傳感器測定定量給料機的線速度。通過運算和標度變化得到實際通過定量給料機的瞬時生料流量，與入窯生料系統的設定輸入流量進行比較，利用偏差調節定量給料機的速度。2）負荷環的調節是由系統根據設定輸入確定定量給料機的負荷范圍，再由定量給料機的荷重傳感器測量定量給料機的負荷，與標準負荷比較，由偏差調節流量調節閥門的開度。

　　這里需要強調的是，由于該系統是由流量調節環節和負荷調節環這兩個閉環回路組成的調節系統。一般來說，可以將該系統看作是雙入、雙出的多回路復雜系統，兩個回路之間存在著強耦合，對強耦合的多回路系統來說，未經解耦的控制一定會使系統發生震蕩，甚至導致系統崩潰。所以如何解耦是控制系統調節的關鍵。

　　目前由合肥水泥研究設計院金山公司研制開發的TDGSL入窯生料系統，就是采用流量調節閥＋定量給料機組成的雙回路入窯生料調節系統。該系統通過十多年來不斷的完善，汲取眾多現代控制理論精華，建立和發展了一整套基于現代控制理論的入窯生料控制系統的模型和解耦方法，使得采用流量調節閥＋定量給料機模式的TDGSL入窯生料控制系統，正不斷的投入水泥工業的應用，目前該系統已成功的應用于國內外中大型水泥廠40多套，各項性能指標大大超過采用流量調節閥＋固體流量計模式的入窯生料系統。

　　5、其它幾種入窯生料系統的辨析

　　考慮到調速螺旋鉸刀的喂料能力，目前除了少數1000t/d熟料生產線一下的水泥廠外，采用調速螺旋鉸刀＋固體流量計模式組成的入窯生料系統已經極少了。該模式是將前第3節所述的流量調節閥換成了調速螺旋鉸刀。這樣一個系統一般來說不能采用倉底空氣助卸方式卸料，否則調速螺旋鉸刀會喪失作用。由于螺旋鉸刀的轉速和流量之間也存在一定的非線性，另外生料物料采用倉底強制卸料時，料倉易發生結拱塌料現象。所以目前很少有水泥廠采用該方式作為入窯生料控制系統的。

　　目前還有兩種也稱是采用流量調節閥＋定量給料機模式的入窯生料控制系統。它們完全不同于上述第4節的系統。其一是采用一恒速皮帶秤代替定量給料機（調速），由此組成的系統與第3節所述的模式比較，除了將固體流量計這樣一個測量裝置替換成恒速皮帶秤這樣一個測量裝置之外，還將整個系統的滯后時間常數加大，給系統的動態性能帶來麻煩外，從系統角度分析該系統與第3節所述系統比較而言，有害而無益。當然前提是固體流量計的質量一定要過關。其二雖然也是采用定量給料機替代固體流量計，硬件模式同第4節所述的硬件模式相同。但其回避了流量調節閥與定量給料機之間的強耦合作用，僅是將標度變換后，同步調節流量閥門開度和皮帶轉速（第4節所述系統的兩個環節是解耦后異步調節的），這樣組成的系統，如果從系統穩態性判別角度去分析，一個微弱的擾動也會影響系統的穩定平衡，特別是當窯操人員需要改變產量設定時，其過渡過程將十分漫長，且過渡過程中流量偏差巨大，所以作者觀點該系統甚至不如采用恒速皮帶秤的方式。

　　6、結束語

　　隨著水泥工業的不斷發展，人們對窯內煅燒系統提出了更高的要求。如何更穩定風量精確的控制入窯生料、窯爐煤粉和窯內風量，以提高預分解窯的產質量，減少能耗成為現代水泥生產中顯得尤為迫切的要求。