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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，能達到節能降耗、提高鋼材質量的目的。套筒豎窯是德國貝肯巴赫爐窯公司發明的活性石灰生產的先進工藝，它實現了在一個窯身內存在并流煅燒。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，經料斗、密封閘門及旋轉布料器進入環形套筒內。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管中，作為助燃空氣送到各個燒嘴。預熱的驅動空氣從換熱器出來后進入驅動空氣環管，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。窯內所有的廢氣都經廢氣風機引出，然后經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) 通過控制循環氣體的溫度來調節煅燒狀況進而保證石灰質量。
(2) 控制供熱進行調節。在排料速度及循環氣體溫度穩定的條件下，通過改變熱量輸入的辦法同樣可以調節石灰質量。
3 PID控制及其調節過程
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節，可以用PID控制器進行無誤差逼近。
PID控制具有以下優點：
(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、建材等各種生產部門；
(3) 魯棒性強，即其控制品質對控制對象特性的變化不大敏感。
因此直到現在，PID控制仍然是應用最廣泛的基本控制方式。
3.2 調節器動作規律的選擇
考慮到對象特性、負荷變化、主要擾動和系統控制要求等具體情況，同時還考慮到系統的經濟性以及系統投入方便等，決定采用PI調節。
3.3 PI調節的動作規律
PI調節就是綜合P、I兩種調節的優點，利用P調節快速抵消干擾的影響，同時利用I調節消除殘差。它的調節規律為：
(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調節器的兩個重要參數。下圖是PI調節器的階躍響應，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，調節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，調節器的總輸出為2Δe/δ。這樣，就可以根據圖2確定δ和Ti的數值。
圖2 PI調節器的階躍響應
3.4 PI調節器的參數整定
(1) 方法概述
當系統安裝好以后，系統能否在最佳狀態下工作，主要取決于調節器各參數的設置是否得當。
參數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驗方法，但相當實用。
(2) 本工程中的參數整定方法
本工程中，參數整定方法采用工程整定法中的經驗整定法。
此方法實質上是一種經驗試湊法：根據運行經驗，先確定一組調節器參數，并將系統投入運行，然后人為加入階躍擾動（通常為調節器的設定值擾動），觀察被調量或調節器輸出的階躍響應曲線，并依照調節器各參數對調節過程的影響，改變相應的整定參數值。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節器參數的經驗數據。[1]
表1 經驗法調節器參數經驗數據
4 PID控制算法及其實際效果
4.1 概述
為了實現套筒豎窯控制系統中的模擬量調節，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節器FIC410
FIC410通過控制調節閥FV410的開度對下燃燒器煤氣的流量進行調節，其傳遞函數如下：
Gc(S)=0.005(1+ 
) (2)
式中：
0.005―PID調節器的增益系數；
10―PID調節器的積分時間常數，單位：秒。
其中，FIC410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節器FIC430
FIC430通過控制調節閥FV430的開度對上燃燒器煤氣的流量進行調節，其傳遞函數如下：
Gc(S)=0.005(1+ ) (5)
式中：
0.005―PID調節器的增益系數；
10―PID調節器的積分時間常數，單位：秒。
其中，FIC430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節器FIC321
FIC321通過控制調節閥FV321的開度對下燃燒器助燃氣體的流量進行調節，其傳遞函數如下：
Gc(S)=0.005(1+ ) (7)
式中：
0.01―PID調節器的增益系數；
10―PID調節器的積分時間常數，單位：秒。
其中，FIC321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，取值范圍由工藝給出。
(4) 上燃燒器助燃氣體流量調節器FIC322
FIC322通過控制調節閥FV322的開度對上燃燒器助燃氣體的流量進行調節，其傳遞函數如下：
Gc(S)=0.005(1+ ) (9)
式中：
0.005―PID調節器的增益系數；
10―PID調節器的積分時間常數，單位：秒。
其中，FIC322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，取值范圍由工藝給出。
4.3 控制循環氣體溫度的PID控制算法
(1) 下內筒冷卻空氣放散流量調節器FIC310
FIC310通過控制調節閥FV320的開度對下內筒冷卻空氣的放散流量進行調節，其傳遞函數如下：
Gc(S)=0.005(1+ ) (11)
式中：
0.001―PID調節器的增益系數；
10―PID調節器的積分時間常數，單位：秒。
其中，FIC310的設定值：
FIC310_SP=TPD*1*KFIC310/24 (12)
式中：
KFIC310―修正系數，取值范圍由工藝給出。
(2) 上內筒冷卻空氣放散流量調節器FIC350
FIC350通過控制調節閥FV350的開度對上內筒冷卻空氣的放散流量進行調節，其傳遞函數如下：
Gc(S)=0.005(1+ ) (13)
式中：
0.001―PID調節器的增益系數；
10―PID調節器的積分時間常數，單位：秒。
其中，FIC350的設定值：
FIC350_SP=TPD*1*KFIC350/24 (14)
式中：
KFIC350―修正系數，取值范圍由工藝給出。
(3) 熱交換器出口處的驅動空氣溫度調節器TIC520
TIC520通過控制調節閥FV602（位于熱交換器出口處）的開度對熱交換器出口處的驅動空氣溫度進行調節，其傳遞函數如下：
Gc(S)=0.005(1+ ) (15)
式中：
0.01―PID調節器的增益系數；
10―PID調節器的積分時間常數，單位：秒。
(4) 驅動風機出口壓力調節器PIC510
PIC510通過控制變頻器SIC502的給定，間接控制驅動風機M502的速度對驅動風機的出口壓力進行調節，其傳遞函數如下：
Gc(S)=0.005(1+ ) (16)
式中：
0.3―PID調節器的增益系數；
0.3―PID調節器的積分時間常數，單位：秒。
(5) 除塵風機入口壓力調節器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節，其傳遞函數如下：
Gc(S)=0.005(1+ ) (17)
式中：
0.2―PID調節器的增益系數；
0.6―PID調節器的積分時間常數，單位：秒。
(6) 下燃燒室壓力調節器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節，其傳遞函數如下：
Gc(S)=0.005(1+ ) (18)
式中：
0.3―PID調節器的增益系數；
0.2―PID調節器的積分時間常數，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。
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) 控制循環氣體溫度的PID控制算法的實際效果
控制目標：將循環氣體的溫度(TT651)控制在820℃~920℃的范圍之內。
循環氣體的溫度(TT651)曲線如圖6所示。
圖6 循環氣體的溫度曲線(TT651)
5 結語
套筒豎窯自2004年2月15日點火投產以來，產量、質量等技術指標穩步提高。目前，10個PID控制回路全部投運正常，石灰活性度穩定在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據。
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