1、 項目背景

焙燒爐屬于大純滯后、耦合性強、多變量之間相互影響、過程特性復雜的生產系統，目前氧化鋁企業焙燒爐裝置雖然具有一定的自控率，但主要操作還是采用常規的人工調節，控制比較粗放，特別是關鍵指標主要還是依靠人的經驗，主觀性較強，不同的生產班組、不同的班次控制的結果不一致，指標存在波動，均一性差，同時也缺乏成熟、可靠的在線分析儀表，如產品灼減指標，生產指標主要靠化驗分析結果，滯后時間長，而且過程被控變量波動大，人工很難實現卡邊控制，難以實現多變量協調控制，控制往往達不到滿意的效果。

雖然之前項目實施企業焙燒爐當前運行總體較為平穩，但由于焙燒爐是一個過程特性復雜的生產系統，最終產品氧化鋁的灼減指標影響因素較多，如煤氣流量、煤氣熱值、ID風機轉速、原料含水率、返回量等因素，各參數相互影響、相互關聯，具有非線性、滯后性、原料變化波動、工況擾動大和控制調節滯后的特點。自動化控制水平相對較低，控制單一，主要還是靠人工控制，存在控制滯后、主觀性、盲目性，控制不精準的情況，經常導致焙燒爐當前總體運行狀況仍未達到穩定運行的預期目標，容易導致灼減指標波動較大，造成產品質量不穩定、煤氣消耗量大、能耗高的問題。

從控制上來講，之前項目實施企業焙燒爐當前控制方式采用集散式DCS控制系統人工調節，其調節主要基于操作人員的操作經驗，人工調節主要基于反饋機制，調節響應慢，滯后性大，并且難以進行合理的解耦控制，當裝置正常開車運行時，由于裝置運行會實時受到多個干擾因素的影響，需要操作人員必須根據DCS系統檢測信號，實時緊盯裝置關鍵被控參數的運行狀態，對可能發生或已經發生的干擾波動情況，做出及時正確的響應并快速調整。對于這種高強度的實時在線專注操作，操作人員很難保持長時間高度精神集中，而且對操作人員的敬業精神和責任心都提出了過高要求，實際上很難實現，導致調節/響應不及時，裝置運行穩定性很難長期保持，從長時間周期來看，容易存在關鍵被控參數波動較大的情況。

除此之外，僅采用DCS系統通過操作人員調節的精確度低，基于操作人員的調節，更多的是依靠操作人員的操作經驗進行方向性調節，操作人員更多的是處理模糊性問題，當進料性質（如含水量）、進料負荷等發生變化時，在定性原則的指導下，如何進行量化的精確連續調節，操作人員是很難做到的，依據DCS數據的精確計算，對于人工操作而言，這種要求有些不切實際，無法做到精準控制，沒有連續精確的量化調節，裝置運行指標很難實現精確穩定調節。

根據現場情況分析，之前該企業焙燒爐主要存在的問題如下：

1）焙燒爐大部分的控制還是通過操作工在現場或DCS上位機進行人工控制；

2）主爐溫度主要是通過手動調整煤層氣流量和下料量來控制，PID單回路控制，控制滯后且單一，當擾動大時主爐溫度波動較大，主爐溫度波動大不利于氧化鋁灼減指標的穩定控制，進而導致氧化鋁的灼減指標波動大，氧化爐質量不穩定；

3）焙燒爐原料（氫氧化鋁）由于分解物料變化、下料量大小和平盤沖洗原因，其含水量存在較強的、周期性的變化，導致焙燒效果受到較大影響，溫度大幅波動；

4）電收塵返灰對焙燒系統的穩定性產生極大影響，進入主爐后空氣溫度下降幅度大，導致焙燒溫度隨之波動大；

5）焙燒爐的煤層氣熱值波動，早晚溫差等，均會導致焙燒爐溫度波動；

6）無成熟的氧化鋁灼減在線分析儀，需要人工化驗，化驗數據滯后，無法實現灼減化驗值與焙燒溫度的自動控制，導致氧化鋁灼減波動較大；

7）焙燒爐的ID風機變頻調速根據煙氣含氧量自動調節，PID單回路控制，但控制單一，無法根據其它變量的變化來調整轉速，比如電收塵出口壓力、煙道壓差等變量變化來調整。

在此運行背景下，該企業為了提高氧化鋁生產的智能化控制水平，實現節能降耗目標，增強企業競爭力。隨決定將其中一套焙燒爐系統作為公司智能化建設的戰略試點，對該焙燒爐進行先進過程專家控制系統的開發，以建設一個功能完善、技術先進、安全可靠、可不斷擴充開發的APC系統。借助APC系統建設，增強企業競爭力的同時，為企業帶來顯著的經濟效益，這對公司戰略目標的部署將會具有非常重要的意義。

2、 項目目標與原則

焙燒爐APC項目的項目目標為：

1）通過建立多變量協調預測控制，優化控制氧化鋁焙燒的關鍵控制參數，穩定裝置生產運行，實現裝置的關鍵被控變量平均標準偏差降低30%以上（裝置穩定性以關鍵參數的標準偏差計）；

2）通過實時調節進料量、煤氣閥門開度等關鍵操作手段，穩定氧化鋁產品質量，提高產品合格率，并通過“卡邊”優化，減少產品質量過剩問題，提高灼減指標控制的穩定性；

3）平穩控制主爐溫度至合理范圍，在滿足各約束條件的基礎上，使焙燒爐下料量盡量最大化運行，在裝置具備提產的工況下，實現自動提高生產負荷功能；

4）平穩控制煙氣O2含量、主爐膛負壓等指標，提高燃燒效率，通過“卡邊”優化操作，在滿足裝置整體穩定與設備運行安全的前提下，實現提產降耗，挖潛裝置經濟效益，降低噸產品煤氣用量；

5）開發焙燒爐氧化鋁出料灼減指標等參數的軟儀表，同時通過結合樣品的實驗室化驗頻次，提高軟儀表的準確性，保證質量指標的控制精準度，實現灼減指標的閉環控制；

6）減少操作人員勞動強度，提高裝置控制的均一性，減少人為干預；

7）APC控制器投用率不低于95%（儀表或設備故障及生產應急狀況除外）。

焙燒爐APC項目實施原則為：

1）在APC所有實施過程不能對原有軟硬件、系統、生產穩定造成影響。

2）實施結束后，無論APC實施成功與否，在今后的運行中都不能對現有裝置的正常運行產生影響。如果項目最終出現效果折扣或者失敗，則乙方負責APC系統安全策略的設計和實施，確保該系統不對DCS和裝置生產產生影響。

3）建立運行安全保障系統，具有故障診斷和自動切換功能，當系統主要儀表和設備出現故障時能自動無擾切換至DCS運行，并進行報警提示。

4）軟硬件的一切功能都在保證生產安全正常運行的基礎上實施。

5）APC軟件投運之后保證裝置運行的各項指標在工藝指標的范圍內。

6）APC工程師站的部署，優化軟件的安裝應先獨立進行測試，測試無問題后方可與現有DCS系統進行外掛和通訊，確保實施過程安全。

7）APC軟件與DCS進行讀寫時，應提前進行獨立測試。APC程序的下裝要進行安全風險的辨識，在安全的前提下進行實施。

8）APC優化過程中涉及到DCS組態需要優化的，要結合招標方進行分析和論證，具備條件后方可進行組態的下載、發布，確保裝置的安全運行。

3、 項目實施與應用

本項目在不改變裝置原有聯鎖條件的前提下，開發焙燒爐APC系統，實現氧化鋁焙燒工序在生產操作時需要關注的一些主要生產參數，包括主爐溫度、主爐壓差、煙氣氧含量、CO含量、出料溫度、電除塵出口壓力、煤氣壓力、氧化鋁灼減質量指標（無在線分析儀，取樣化驗分析）的閉環穩定控制，其中灼減指標通過軟儀表技術，實現了實時在線預測以及閉環控制。除以上重點關注的生產參數與產品質量穩定控制外，還通過LP線性優化技術，減少了裝置煤氣單耗。煤氣單耗的降低，主要通過對主爐溫度、煙氣氧含量、下料量、灼減指標等控制目標進行卡邊優化。氧化鋁焙燒爐APC的主要控制策略如下：

主爐溫度優化控制：

1）燃氣閥調節（含3個燒嘴調節），燃料氣閥位主要作為下料量的輔助調節手段，以微調為主，同時需要將煤氣總管壓力作為約束條件，設定上下限約束，當煤氣總管壓力過低時，燃料氣流量需要適當減少，此時同步調整氫氧化鋁下料量，以保證主爐溫度。

2）主爐溫度控制時以增加產量為目標，當主爐的溫度高于設定值時，增加下料量；當主爐的溫度低于設定值時，如果氧含量允許的情況下，保證下料量不調整，增加燃料氣量，如果氧含量已經接近下限，則根據ID風機的電流來確定是否增加燃料氣量，如果能夠增加ID風機的頻率，則同時增加燃料氣量，如果不能增加ID風機的頻率，則表示燃料氣量不能增加；如果燃料氣調不過來或氧含量太低且ID風機已經滿負荷運行則調整下料量，以穩定溫度。但是在調整燃料氣的前提是保證供燃料氣供應安全穩定。

3）現場有煤氣熱值分析儀，將其監測數據作為調整主爐溫度的干擾因素，當煤氣熱值升高或者降低時，基于APC動態模型預測功能，提前調節氫氧化鋁下料量或者煤氣用量，實現煤氣量與氫氧化鋁下料量的匹配。

煙氣氧含量優化控制：

對于燃燒反應來講，往往需要將煙氣氧含量控制某區間范圍偏下限區域，此時對應的燃燒效果最佳，通過APC系統的實時調節，優化煙氣氧含量，提高燃燒效率，減少單位煤氣用量，燃燒效率同煙氣氧含量往往呈“單峰”函數形式，當煙氣氧含量過低時，意味著燃燒不充分，不完全燃燒熱損增加，燃燒效率為非最佳點；當煙氣氧含量過高時，由于空氣過量，排煙熱損過大，同樣對焙燒爐運行不利，燃燒效率偏離最佳位置，因此一般需要將煙氣氧含量控制在目標區間的下限位置運行，可以保持燃燒效率的最大化，降低煤氣單耗。影響煙氣氧含量的因素主要包括空氣進料量、煤氣熱值等因素，通過多變量協調預測控APC技術進行協調控制，優化空煤比，提高燃燒效率，降低煤氣單耗。

A02壓差的優化控制：

A02壓差是衡量P02與A02之間是否堵料的重要參數，當差壓超過設定的高報值時，需要停止增加下料量，并同時增加引風機轉速（如果引風機沒有提速空間，則減少下料量和燃料氣用量）；當差壓超過高高報值時，則大幅度減料。高報值、高高報值的設定值由操作工設定，該功能考慮基于APC平臺的模型預測控制與Python程序功能模塊實現。

ID引風機調節的優化調節：

ID引風機轉速（或變頻）控制煙氣氧含量、A02壓差、電收塵出口壓力、主爐壓差等運行參數，同時ID引風機在調節時，需要關注設備的額定電流，當電流達到某一設定值時，控制系統將禁止增加ID風機轉速（或變頻），以保護ID引風機電機。

4、效益分析

該項目實現了氧化鋁行業拜耳法生產氧化鋁焙燒工序的APC智能優化控制，焙燒爐生產從安全、穩定、節能、提質到環保得以全方位提升，為用戶帶來了可觀的收益，具體的效益點如下：

1） 穩定性大幅提升：主爐溫度、氧含量、下料量等關鍵變量波動方差平均降低50%以上；

2） 提高了裝置處理能力：在工藝與設備約束前提下，裝置下料量提升3%以上；

3） 環保指標穩定性提升與物耗降低：氮氧化物排放平均值降低15%左右，尿素消耗量降低3%左右；

4） 人工操作頻次大幅降低：人工日常高頻操作由日均30次降至0次，整體人工干預率從35%降至0；

5） 提高了產品質量穩定性：借助軟儀表和APC的協同，灼減率波動大幅收窄，產品質量得到顯著提升。

系統架構圖

APC控制軟件

智能控制器參數

生產波動穩定示意：