水泥熟料生产与余热发电的协调控制和优化运行研究

摘要

随着国民经济的快速发展，建筑产业突飞猛进，作为重要建筑材料的水泥，其产量很大，而水泥生产是高能耗行业。因此针对水泥生产特别是水泥熟料生产的一系列节能减排措施被迅速推广应用，在国家政策和经济效益的双重推动作用下，余热发电技术在全国各地的熟料生产线上推广应用。在水泥熟料生产和余热发电过程中，如何实现稳定的运行工况对保证产品质量、提高余热回收有效利用率和降低系统整体能耗至关重要，但由于熟料生产过程的复杂性及两套生产系统相互影响，使其成为一个非常复杂的问题，引起各国研究者的重视。本文针对中国水泥熟料生产和余热发电技术发展现状，从两系统协调控制的角度出发，对熟料生产和余热发电的协调控制方法和协调控制系统进行研究。
　　本文首先概述国内外水泥熟料生产和余热回收利用技术的现状和发展趋势及其过程控制技术。在对熟料生产和余热发电相互影响关系分析的基础上，提出了针对熟料生产和余热发电的协调控制方法的研究思路，从理论研究和现场试验两方面展开了系统而深入的研究工作。本文的主要研究内容包括以下几方面：
　　首先进行了熟料生产和余热发电系统控制对象分析，剖析了两套系统在运行过程中的相互影响关系，提出了水泥熟料生产和余热发电协调控制的必要性和实现方法，搭建了“水泥熟料生产和余热发电的协调优化控制系统平台”，确定了协调控制目标和评判指标。
　　在对窑头控制对象分析的基础上，提出窑头篦冷机、窑头余热锅炉(AQC锅炉)和窑头引风机等的协调控制需求，研究了协调控制方法，构建了基于模糊控制方法的窑头篦冷机与AQC锅炉协调控制子系统，阐述了各模糊控制器的开发过程。现场运行试验的效果证明了该方法的可行性和有效性。
　　对窑尾各控制对象进行了控制分析，提出了窑尾协调控制需求，研究了协调控制策略和模糊控制器，构建了窑尾协调控制子系统。对该协调控制子系统的现场试验运行结果进行了对比研究，结果表明协调控制策略的控制效果明显改善。
　　针对两台锅炉一台汽轮机组负荷协调控制需求，结合余热锅炉热源大幅波动现状，提出引入余热锅炉废气温度变化率，改进机炉协调控制系统中的热量信号表达式。还针对余热锅炉热源大幅波动导致汽包水位难于自动控制的现状，研究了基于模糊方法和前馈补偿的汽包水位控制方法。并对除氧器和凝汽器水位的协调控制问题进行了研究。根据现场试验数据分析证明了协调控制方法和新的汽包水位控制方法的实际效果。
　　利用开发的系统平台，对余热发电系统的启动、运行过程和停机过程的控制方法和制度进行了优化研究，制定了最优的控制曲线和控制方法。此外还对所开发的协调优化控制系统的72小时测试和长期运行的控制效果进行了分析，结果表明该系统有利于熟料产量增加、熟料生产煤耗降低和余热发电量增加，有利于熟料生产和余热发电整体效益的优化。
　　最后，对全文的研究内容和结论进行了总结，对本文建立的熟料生产和余热发电的协调控制方法、控制系统及具体的模糊控制器等需要改进的方面进行了阐述，分析了该协调控制方法的应用前景。对协调控制研究的发展方向进行了探索，明确了下一步工作的主要研究内容。

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1绪论

1.1研究背景及意义

1.2水泥熟料生产及余热回收利用技术现状与发展趋势

1.3水泥熟料生产与余热发电过程控制技术分析

1.4本文研究内容

2 协调控制需求分析与控制系统开发

2.1控制对象分析

2.2熟料生产与余热发电的相互影响

2.3熟料生产与余热发电的协调控制需求和方法

2.4熟料生产与余热发电协调控制系统的实现与开发

2.5协调控制目标

2.6本章小结

3 篦冷机与窑头余热锅炉的协调控制

3.1控制对象分析

3.2窑头部分协调控制方法

3.3窑头协调控制子系统结构

3.4窑头协调控制的模糊控制算法

3.5现场试验结果分析

3.6本章小结

4 窑尾预热系统与窑尾余热锅炉的协调控制

4.1控制对象分析

4.2窑尾部分协调控制方法

4.3窑尾协调控制子系统结构

4.4窑尾协调控制策略

4.5模糊控制器的开发

4.6现场试验结果分析

4.7本章小结

5 余热发电系统的协调控制

5.1控制对象分析

5.2余热发电系统的协调控制需求分析

5.3余热发电系统的协调控制方法

5.4余热发电系统协调控制子系统

5.5现场试验结果分析

5.6本章小结

6 熟料生产与余热发电的优化运行研究

6.1协调控制方法的优化研究

6.2协调优化控制系统的应用效果

6.3协调优化控制系统的经济效益与社会效益

6.4本章小结

7 全文总结与展望

7.1全文工作总结

7.2进一步研究的工作与建议

致谢

参考文献

附录1攻读博士学位期间发表的论文

附录2 攻读博士学位期间申请的专利

附录3 博士期间参与的项目