氧化铝回转窑自动控制系统
高怀中
摘要 介绍了氧化铝回转窑烧成过程的图像测温，实时专家控制系统、熟料质量在线检测系统、筒体温度在线检测系统的应用，论述各个环节的控制原理和功能。 关键词 回转窑 专家系统 图像测温 熟料检测 1 引 言
氧化铝熟料烧成过程是在长达近百米的回转(熟料) 窑中完成的, 是非常复杂的物理化学反应过程, 特点是时变、强非线性、大滞后、大惯性、多干扰, 且难以建立其数学模型, 因此, 采用传统的控制技术难以获得满意的效果, 回转窑的自动控制问题已成为公认的难题。 2 工艺描述
生料浆由隔膜泵输送到喷枪，由窑尾喷入窑内；原煤通过给煤机输送到中速磨煤机制成煤粉，煤粉经转子秤由罗茨风机喷入窑内，做为烧成用的燃料，生料浆在烧成带高温下发生化学反应，生成熟料，熟料经过冷却机冷却，中碎破碎机破碎后，由中碎输送系统送入熟料仓，窑尾烟气经过静电除尘器收尘后，烟气由烟囱排空。窑灰经刮板输送机由富勒泵送入窑尾。 2.1 烧成工序工艺流程图：
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生料浆 原煤
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给煤机
隔膜泵
磨煤机
喷枪
煤粉
烧成窑 转子秤
烟气 窑灰 熟料 风 罗茨风
静电除尘器 冷却机 中碎输送系统 烟囱 排空 熟料仓 -------------
给 煤 Vm 鼓 风 机窑 头 小 车 料 口 下 烧 结 带 温 度 Ts 窑 体 转 速 Vt 窑 头 温 度Th 排 烟 机Kh 生 料 浆L 主 机 电 流 IM 熟 料 冷 却 机 电 流 IL ------------- -------------
2.2 烧成工序系统图 旋风收尘器
+26.800
+16.600回转窑+10.800±0.000
视频分析仪位置冷却机 视频分析仪安装在冷却机出料口处，摄取冷却后熟料流动的视频图像，并进行分析。
3 回转窑专家控制系统：
回转窑专家控制系统采用先进的火焰图像处理技术，检测窑内火焰温度；融合了专业“看火”操作人员的操作
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经验，可在复杂生产条件下，对回转窑烧结温度进行自动控制，使得窑烧结温度保持稳定，从而保持生产的稳定和高效。
目前，国内各氧化铝生产企业的30多条回转窑生产线均已实现片区控制室操作，但窑内烧结带温度的控制，大都还是采用操作员在主控室通过监视器监控火焰情况，进行手动调节。一个经验丰富的看火主操对于窑的稳定操作起到了至关重要的作用，而培养这样一个看火主操需要3到4年的实践操作，看火主操的技术能力势必会影响回转窑在以后生产中的整体生产能力。在另一方面，回转窑属于大型热工设备，结构复杂，系统一直处于一个动态变化过程中，随着外部配料等客观条件的变化，对回转窑看火的控制要求也越来越高。
氧化铝回转窑专家控制系统可以将以前单一的“人工操作”模式，改变为正常工况下以计算机控制为主，异常工况下以人工控制为主的“人工－计算机复合操作”模式。复合操作模式降低人工劳动强度、减少了操作波动，保证熟料烧结过程的稳定、高效，提高窑前自动化水平。系统的整体组成如下图所示：
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回转窑熟料烧结是氧化铝的关键生产环节，烧结带温度
的控制将直接影响熟料生产的稳定和高效。在前后工艺条件变化的情况下，保证回转窑内烧结温度的稳定，关系到生产的稳定运行及熟料质量和产量的提高。现场恶劣环境和回转窑体的特殊结构，使得窑内烧结温度的检测非常困难。常用的热电偶和光纤比色测温方法都不能长期有效地在回转窑上进行应用。这就只能采用人工看火的方法进行喂煤操作。但回转窑烧结温度的控制，大都还是采用操作员在控室通过电视监控设备观察窑内火焰情况，进行手动给煤操作。窑内热工状况的波动，常造成低温跑黄料，高温烧穿窑皮，窑内结球等不良生产问题，这些都不利于窑运行周期、熟料质量和产量的提高。考虑到回转窑只是烧结工艺流程中的众多环节之一，若想对其实施较好的控制，还需要对影响烧结温度的现场因素有一个正确、完备的分析。影响烧结温度的因素有以下几个：
3.1 生料成份和喂料量
不同的料浆成份有着不同的烧结特性。例如对于钙比较高的生料，需要较高的烧结温度，燃煤喂入量的波动幅度较大；另一方面，正常情况下喂料量的多少决定了给煤量的大小。来料量的波动会直接影响到窑内料层分布的均匀性，并且由于窑体长度具有较大的滞后性(生料从窑尾走到烧结带需15－30分钟左右)，这样就较难把握加减喂煤量的时机，
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易造成烧结温度的波动。 3.2 回转窑窑内物理结构的变化
回转窑内物理结构的变化，对烧结温度的控制也有着不可忽视的影响。这里窑内的物理结构是指窑内耐火砖的损耗情况、窑皮的薄厚以及窑内前圈后圈的位置和高度。前两项因素影响烧结温度的设定，后两项影响到窑内烧结带火焰的位置和燃烧空间的大小。对于不同的物理结构往往采用不同的控制模式，有些情况下，只有经验丰富的师傅才能控制。 3.3 现场操作过程中的限制条件
如果不能对窑内火焰的燃烧状况作出正确估计，在喂煤过多的情况下，容易造成燃烧不充分，俗称“跑煤”。另外现场静电除尘器的入口温度和出口温度对烧结温度的控制也有一定的要求。
回转窑烧结温度是一个受多个因素影响的复杂系统，类似于这样工业现场复杂的大型生产过程，往往具有强烈的非线性、时变性和不确定性，虽然无法获得精确的数学模型，难以用传统的控制理论设计出有效的控制器来对其实现精确控制。
综合上述分析，回转窑烧结是一个受多因素影响的复杂生产过程。它需要丰富的人工操作经验和很强的责任心才能保证生产的稳定、高效运行。在此被控对象上建立稳定的闭环喂煤控制，需要极高的自控技术水平。
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4 窑前专用控制技术：
是基于国际先进图像处理产品的技术实施。
4.1采用AccelerEyes公司的一流的GPU引擎软件包，利用 GPU提升处理速度，达到窑前实时性要求。
4.2采用美国Nvidia 公司的CUBA ，HALCON GPU算法软件包 进行算法开发。
4.3采用美国 Mathworks公司的 Image Process Toolbooks 图像处理算法库实现动态窑内火焰图像和熟料分析的功能开发。
5 控制系统的主要功能： 5.1 烧结带温度智能检测系统：
采用火焰图像模式识别和多传感器信息融合技术，实时测量回转窑窑内烧结带温度，同时分析8个位置的火焰点温度，比色测量一个位置的烧结带温度，克服窑内烟雾、火焰位置变化等干扰，准确检测烧成带火焰温度，经火焰图像处理系统以实时曲线的形式绘制到控制工作站，火焰视频信号显示在工业监视器，供操作员进行监控。
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上面火焰图像的界面上多了三个方形的选择框。按下选择框后，它们是可以任意移动的。红色选择框一般是固定放在火焰上面，它测的是窑内火焰温度；黄色选择框一
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般是固定放在物料上面，它测的是物料温度；蓝色选择框可测窑内任意地方的温度。
5.2 比色高温计测量系统：
比色高温计系统安装在氧化铝回转窑的窑头部位，用于测量回转窑烧成带的内部温度。系统实时地将测量的温度信号（4～20mA）传输给DCS系统，为生产运行提供温度数据。系统主要由高性能的双色红外测温仪、高温连接电缆、热保护套和保护套可调安装支架组成。红外测温仪安装在热保护套内，热保护套提供冷却水接口和空气吹扫接口，保证测温仪工作在正常的环境温度和保持窗口清洁，高温连接电缆连接红外测温仪，为测温仪提供电源和输出测温信号给终端设备。整套测温系统固定在可调安装支架上，通过瞄准口瞄准被测目标，测量回转窑内烧成带的温度。 5.3 筒体温度在线检测系统：
回转窑胴体温度扫描和监视系统用于回转窑胴体表面温度的监测、控制和分析的系统。该系统精确探测窑体表面各点的温度，分析窑内煅烧的工艺状况，监测耐火砖脱落的位置（热点），避免由于红窑、烧穿窑壁等导致窑体损坏事故的发生，延长窑体和耐火材料的寿命。
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黑色面板上显示的是筒体温度，头档温度（自窑头起算的0-5米处的窑体温度最大值）、二档温度（窑体5-10米测得的温度最大值）、三档温度（10-15米测得的窑体温度最大值）、四档温度（15-20米的窑体温度最大值）、五档温度（20-25米的窑体温度最大值）、当前峰值（当前时刻头档至五档间的温度最大值）、历史峰值（系统运行的历史记录中所出现的窑体温度最大值）这几个热工数据的
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曲线。
5.4 熟料质量在线检测系统：
在烧结法生产氧化铝的工艺中，烧成工序的熟料质量
指标对整个生产过程的均衡稳定和后续工序的初溶和净溶指标有重大影响。在实际生产中，生料浆成份和烧结温度是影响熟料质量的主要因素。烧结温度由操作工人通过控制喷煤量随时调整，如果喷煤量控制不当，烧结带的温度比生料要求的烧结温度高，就形成“过烧”熟料；反之，烧结带温度比生料要求的烧结温度低，就形成“欠烧”熟料。“过烧”熟料质量大，可容性差，降低溶出率，同时还可能引起窑内生成结圈，熟料粘结成为大块等故障。“欠烧”熟料—生产中称“黄料”，由于烧结反应不完全，熟料中存在游离石灰，不仅使溶出率降低，而且造成熟料溶出工序中硅酸二钙膨胀或胶结，使分离作业困难，熟料质量低会造成氧化铝和氧化钠的溶出率降低，二次反应造成的氧化铝损失增加，从而影响总回收率和碱耗指标。
熟料的溶出试验研究表明，熟料的烧结程度与溶出技术指标关系很大；欠烧时氧化铝溶出率降低５％－７％，氧化钠溶出率降低２％，二次反应损失则分别增加１％左
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右。因此提高熟料的质量合格率是当前提高烧结法产量和降低成本的关键。烧结熟料的质量（容重）是一项衡量生产质量，进行员工考核的重要的工艺指标。
熟料容重在线检测系统，要求采集熟料视频信息进行数据分析，经熟料图像处理系统实现熟料质量的连续在线检测，进行物理上单位体积内熟料称重的连续计量，实现熟料质量的在线非接触式检测，实时监控熟料品质，熟料粒度大小及分布，分析计算熟料的容重，据此来调整生产工艺参数。
在熟料容重和筒体温度检测基础上，根据生产要求，实现以熟料容重为控制目标，以稳定筒体温度和最小用煤为限制条件的氧化铝烧成回转窑计算机专家辅助控制，实现了多目标优化的回转窑专家控制系统。
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主界面的中央部分显示冷却机口熟料适时画面，操作人员可直接观察到冷却机出料口的状况，如出现掉大块等异常工况时，可及时进行处理。下方显示的是熟料质量适时曲线，可以观察到最近一段时间的熟料质量变化状况，曲线纵坐标为熟料质量容重值，曲线横坐标为时间，每格的时间为两分钟。右上角会显示当前时间以及当前时间的熟料质量、光源状况,网络状况和现场温度。
5.5 特殊工况的预测与处理：
系统可以结合火焰图像信号、冷却机尾图像视频和其他现
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场热工信号对现场的特殊工况进行识别和处理。可对高温窑内结皮、低温黄料提温、窑内结球、低温跑煤、冷却机尾大块等特殊工况进行预测和处理，窑内掉转、窑皮及其他异物时，能及时通知下道工序，避免对中碎设备造成损害。
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6 中州铝厂回转窑热工参数及性能指标：
6.1 黑色面板上显示的是光纤温度、鼓风风量、窑尾压力、主机转速、窑头压力、鼓风电流、煤管温度这几个热工数据的曲线。
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6.2 选则6个主要热工数据（火焰温度、双管喂煤量，冷却机负荷、料浆流量、窑头温度、窑尾温度、主机负荷和窑转速）的曲线。
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6.3 熟料质量的高精度连续检测。系统每分钟分析一次熟料容重，中州铝厂完成共计542个检测点分析。系统检测的熟料质量与人工检测趋势基本吻合，计算机系统检测值
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与人工的报样值进行比较，容重值的检测精度达到：93.5%。
2008年3月8－3月9日检测对比1.61.41.210.80.60.40.20161116212631364146515661
计算机检测人工检测
6.4 中州铝厂6号窑2006年技改投入专家控制系统，6号窑的各项生产指标明显高于其它几台窑。6号窑表现出超强的稳定性，系统投运率85.6%。从2006年8月至10月这三个月的指标统计来看，6号窑和其他6台窑平均水平相比，台时产能提高0.55个冲刺（约为1.5吨熟料），容重合格率提高4.88%，每班黄料时间低19.3分钟。2007年又对其它6台窑进行了技改。以上是从中州铝厂计控车间看到的资料数据。
同期条件下6号与其它窑横向对比（2006.8-2006.10） -------------
产量(冲刺) 容重合格率(%) 黄料(分钟) -------------
6号窑 其余窑 提高 20.02 19.47 0.55 98.33 93.45 4.88 5.48 24.78 19.3
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