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1 前言
上海寶鋼集團(tuán)一鋼公司的不銹鋼精品基地建設(shè)，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(dá)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(jìn)工藝，它實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)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(jī)將石灰石運(yùn)至窯頂，經(jīng)料斗、密封閘門及旋轉(zhuǎn)布料器進(jìn)入環(huán)形套筒內(nèi)。套筒豎窯有上、下兩層燒嘴并均勻錯(cuò)開布置，將套筒豎窯分成兩個(gè)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(yù)熱后匯集到冷卻空氣環(huán)管中，作為助燃空氣送到各個(gè)燒嘴。預(yù)熱的驅(qū)動空氣從換熱器出來后進(jìn)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(jìn)入下料層時(shí)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(fēng)機(jī)引出，然后經(jīng)冷風(fēng)閥混入冷風(fēng)進(jìn)入除塵器除塵后排入大氣。
在活性石灰的整個(gè)生產(chǎn)過程中，煅燒控制是其中的關(guān)鍵。煅燒是石灰高溫分解的關(guān)鍵一步，該工藝步驟的核心技術(shù)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(jìn)而保證石灰質(zhì)量。
(2) 控制供熱進(jìn)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(shí)環(huán)節(jié)，可以用PID控制器進(jìn)行無誤差逼近。
PID控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1) 原理簡單，使用方便；
(2) 適應(yīng)性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)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(qiáng)，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(yīng)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(fù)荷變化、主要擾動和系統(tǒng)控制要求等具體情況，同時(shí)還考慮到系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)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(diǎn)，利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時(shí)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(fù)值；
Ti―積分時(shí)間。
δ和Ti是PI調(diào)節(jié)器的兩個(gè)重要參數(shù)。下圖是PI調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)，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(gè)幅值為Δe/δ的階躍，然后以固定速度Δe/δTi變化。當(dāng)t=Ti時(shí)，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(yīng)
3.4 PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定
(1) 方法概述
當(dāng)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(shè)置是否得當(dāng)。
參數(shù)整定的方法可歸納為兩大類：理論計(jì)算整定法和工程整定法。在工程實(shí)際中流行的是后一類，它雖然是一種近似的經(jīng)驗(yàn)方法，但相當(dāng)實(shí)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(yàn)整定法。
此方法實(shí)質(zhì)上是一種經(jīng)驗(yàn)試湊法：根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，先確定一組調(diào)節(jié)器參數(shù)，并將系統(tǒng)投入運(yùn)行，然后人為加入階躍擾動（通常為調(diào)節(jié)器的設(shè)定值擾動），觀察被調(diào)量或調(diào)節(jié)器輸出的階躍響應(yīng)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(yīng)的整定參數(shù)值。一般先δ后Ti，如此反復(fù)試驗(yàn)多次，直到獲得滿意的階躍響應(yīng)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(yàn)數(shù)據(jù)。[1]
表1 經(jīng)驗(yàn)法調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)
4 PID控制算法及其實(shí)際效果
4.1 概述
為了實(shí)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(gè)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(jìn)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(shí)間常數(shù)，單位：秒。
其中，F(xiàn)IC410的設(shè)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(shí)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(jìn)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(shí)間常數(shù)，單位：秒。
其中，F(xiàn)IC430的設(shè)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?xì)怏w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?xì)怏w的流量進(jìn)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(shí)間常數(shù)，單位：秒。
其中，F(xiàn)IC321的設(shè)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?xì)怏w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?xì)怏w的流量進(jìn)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(shí)間常數(shù)，單位：秒。
其中，F(xiàn)IC322的設(shè)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(jìn)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(shí)間常數(shù)，單位：秒。
其中，F(xiàn)IC310的設(shè)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(jìn)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(shí)間常數(shù)，單位：秒。
其中，F(xiàn)IC350的設(shè)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(jìn)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(shí)間常數(shù)，單位：秒。
(4) 驅(qū)動風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)M502的速度對驅(qū)動風(fēng)機(jī)的出口壓力進(jìn)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(shí)間常數(shù)，單位：秒。
(5) 除塵風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)M606的速度對除塵風(fēng)機(jī)的入口壓力進(jìn)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(shí)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(fēng)機(jī)M605的速度對下燃燒室壓力進(jìn)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(shí)間常數(shù)，單位：秒。
注：對于(3)~(6)中的設(shè)定值（TIC520_SP、PIC510_SP、PIC606_SP、PIC611_SP），均由操作人員通過CRT進(jìn)行設(shè)置，取值范圍由工藝給出。
4.4 PID控制算法的實(shí)際效果
(1) 控制供熱PID控制算法的實(shí)際效果
控制目標(biāo)：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(shí)際效果
控制目標(biāo)：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(diǎn)火投產(chǎn)以來，產(chǎn)量、質(zhì)量等技術(shù)指標(biāo)穩(wěn)步提高。目前，10個(gè)PID控制回路全部投運(yùn)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(yīng)用已在上海寶鋼集團(tuán)一鋼公司得到實(shí)施，實(shí)踐表明：通過PID控制回路的使用，確保了關(guān)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(guān)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