1、 项目背景

焙烧炉属于大纯滞后、耦合性强、多变量之间相互影响、过程特性复杂的生产系统，目前氧化铝企业焙烧炉装置虽然具有一定的自控率，但主要操作还是采用常规的人工调节，控制比较粗放，特别是关键指标主要还是依靠人的经验，主观性较强，不同的生产班组、不同的班次控制的结果不一致，指标存在波动，均一性差，同时也缺乏成熟、可靠的在线分析仪表，如产品灼减指标，生产指标主要靠化验分析结果，滞后时间长，而且过程被控变量波动大，人工很难实现卡边控制，难以实现多变量协调控制，控制往往达不到满意的效果。

虽然之前项目实施企业焙烧炉当前运行总体较为平稳，但由于焙烧炉是一个过程特性复杂的生产系统，最终产品氧化铝的灼减指标影响因素较多，如煤气流量、煤气热值、ID风机转速、原料含水率、返回量等因素，各参数相互影响、相互关联，具有非线性、滞后性、原料变化波动、工况扰动大和控制调节滞后的特点。自动化控制水平相对较低，控制单一，主要还是靠人工控制，存在控制滞后、主观性、盲目性，控制不精准的情况，经常导致焙烧炉当前总体运行状况仍未达到稳定运行的预期目标，容易导致灼减指标波动较大，造成产品质量不稳定、煤气消耗量大、能耗高的问题。

从控制上来讲，之前项目实施企业焙烧炉当前控制方式采用集散式DCS控制系统人工调节，其调节主要基于操作人员的操作经验，人工调节主要基于反馈机制，调节响应慢，滞后性大，并且难以进行合理的解耦控制，当装置正常开车运行时，由于装置运行会实时受到多个干扰因素的影响，需要操作人员必须根据DCS系统检测信号，实时紧盯装置关键被控参数的运行状态，对可能发生或已经发生的干扰波动情况，做出及时正确的响应并快速调整。对于这种高强度的实时在线专注操作，操作人员很难保持长时间高度精神集中，而且对操作人员的敬业精神和责任心都提出了过高要求，实际上很难实现，导致调节/响应不及时，装置运行稳定性很难长期保持，从长时间周期来看，容易存在关键被控参数波动较大的情况。

除此之外，仅采用DCS系统通过操作人员调节的精确度低，基于操作人员的调节，更多的是依靠操作人员的操作经验进行方向性调节，操作人员更多的是处理模糊性问题，当进料性质（如含水量）、进料负荷等发生变化时，在定性原则的指导下，如何进行量化的精确连续调节，操作人员是很难做到的，依据DCS数据的精确计算，对于人工操作而言，这种要求有些不切实际，无法做到精准控制，没有连续精确的量化调节，装置运行指标很难实现精确稳定调节。

根据现场情况分析，之前该企业焙烧炉主要存在的问题如下：

1）焙烧炉大部分的控制还是通过操作工在现场或DCS上位机进行人工控制；

2）主炉温度主要是通过手动调整煤层气流量和下料量来控制，PID单回路控制，控制滞后且单一，当扰动大时主炉温度波动较大，主炉温度波动大不利于氧化铝灼减指标的稳定控制，进而导致氧化铝的灼减指标波动大，氧化炉质量不稳定；

3）焙烧炉原料（氢氧化铝）由于分解物料变化、下料量大小和平盘冲洗原因，其含水量存在较强的、周期性的变化，导致焙烧效果受到较大影响，温度大幅波动；

4）电收尘返灰对焙烧系统的稳定性产生极大影响，进入主炉后空气温度下降幅度大，导致焙烧温度随之波动大；

5）焙烧炉的煤层气热值波动，早晚温差等，均会导致焙烧炉温度波动；

6）无成熟的氧化铝灼减在线分析仪，需要人工化验，化验数据滞后，无法实现灼减化验值与焙烧温度的自动控制，导致氧化铝灼减波动较大；

7）焙烧炉的ID风机变频调速根据烟气含氧量自动调节，PID单回路控制，但控制单一，无法根据其它变量的变化来调整转速，比如电收尘出口压力、烟道压差等变量变化来调整。

在此运行背景下，该企业为了提高氧化铝生产的智能化控制水平，实现节能降耗目标，增强企业竞争力。随决定将其中一套焙烧炉系统作为公司智能化建设的战略试点，对该焙烧炉进行先进过程专家控制系统的开发，以建设一个功能完善、技术先进、安全可靠、可不断扩充开发的APC系统。借助APC系统建设，增强企业竞争力的同时，为企业带来显著的经济效益，这对公司战略目标的部署将会具有非常重要的意义。

2、 项目目标与原则

焙烧炉APC项目的项目目标为：

1）通过建立多变量协调预测控制，优化控制氧化铝焙烧的关键控制参数，稳定装置生产运行，实现装置的关键被控变量平均标准偏差降低30%以上（装置稳定性以关键参数的标准偏差计）；

2）通过实时调节进料量、煤气阀门开度等关键操作手段，稳定氧化铝产品质量，提高产品合格率，并通过“卡边”优化，减少产品质量过剩问题，提高灼减指标控制的稳定性；

3）平稳控制主炉温度至合理范围，在满足各约束条件的基础上，使焙烧炉下料量尽量最大化运行，在装置具备提产的工况下，实现自动提高生产负荷功能；

4）平稳控制烟气O2含量、主炉膛负压等指标，提高燃烧效率，通过“卡边”优化操作，在满足装置整体稳定与设备运行安全的前提下，实现提产降耗，挖潜装置经济效益，降低吨产品煤气用量；

5）开发焙烧炉氧化铝出料灼减指标等参数的软仪表，同时通过结合样品的实验室化验频次，提高软仪表的准确性，保证质量指标的控制精准度，实现灼减指标的闭环控制；

6）减少操作人员劳动强度，提高装置控制的均一性，减少人为干预；

7）APC控制器投用率不低于95%（仪表或设备故障及生产应急状况除外）。

焙烧炉APC项目实施原则为：

1）在APC所有实施过程不能对原有软硬件、系统、生产稳定造成影响。

2）实施结束后，无论APC实施成功与否，在今后的运行中都不能对现有装置的正常运行产生影响。如果项目最终出现效果折扣或者失败，则乙方负责APC系统安全策略的设计和实施，确保该系统不对DCS和装置生产产生影响。

3）建立运行安全保障系统，具有故障诊断和自动切换功能，当系统主要仪表和设备出现故障时能自动无扰切换至DCS运行，并进行报警提示。

4）软硬件的一切功能都在保证生产安全正常运行的基础上实施。

5）APC软件投运之后保证装置运行的各项指标在工艺指标的范围内。

6）APC工程师站的部署，优化软件的安装应先独立进行测试，测试无问题后方可与现有DCS系统进行外挂和通讯，确保实施过程安全。

7）APC软件与DCS进行读写时，应提前进行独立测试。APC程序的下装要进行安全风险的辨识，在安全的前提下进行实施。

8）APC优化过程中涉及到DCS组态需要优化的，要结合招标方进行分析和论证，具备条件后方可进行组态的下载、发布，确保装置的安全运行。

3、 项目实施与应用

本项目在不改变装置原有联锁条件的前提下，开发焙烧炉APC系统，实现氧化铝焙烧工序在生产操作时需要关注的一些主要生产参数，包括主炉温度、主炉压差、烟气氧含量、CO含量、出料温度、电除尘出口压力、煤气压力、氧化铝灼减质量指标（无在线分析仪，取样化验分析）的闭环稳定控制，其中灼减指标通过软仪表技术，实现了实时在线预测以及闭环控制。除以上重点关注的生产参数与产品质量稳定控制外，还通过LP线性优化技术，减少了装置煤气单耗。煤气单耗的降低，主要通过对主炉温度、烟气氧含量、下料量、灼减指标等控制目标进行卡边优化。氧化铝焙烧炉APC的主要控制策略如下：

主炉温度优化控制：

1）燃气阀调节（含3个烧嘴调节），燃料气阀位主要作为下料量的辅助调节手段，以微调为主，同时需要将煤气总管压力作为约束条件，设定上下限约束，当煤气总管压力过低时，燃料气流量需要适当减少，此时同步调整氢氧化铝下料量，以保证主炉温度。

2）主炉温度控制时以增加产量为目标，当主炉的温度高于设定值时，增加下料量；当主炉的温度低于设定值时，如果氧含量允许的情况下，保证下料量不调整，增加燃料气量，如果氧含量已经接近下限，则根据ID风机的电流来确定是否增加燃料气量，如果能够增加ID风机的频率，则同时增加燃料气量，如果不能增加ID风机的频率，则表示燃料气量不能增加；如果燃料气调不过来或氧含量太低且ID风机已经满负荷运行则调整下料量，以稳定温度。但是在调整燃料气的前提是保证供燃料气供应安全稳定。

3）现场有煤气热值分析仪，将其监测数据作为调整主炉温度的干扰因素，当煤气热值升高或者降低时，基于APC动态模型预测功能，提前调节氢氧化铝下料量或者煤气用量，实现煤气量与氢氧化铝下料量的匹配。

烟气氧含量优化控制：

对于燃烧反应来讲，往往需要将烟气氧含量控制某区间范围偏下限区域，此时对应的燃烧效果最佳，通过APC系统的实时调节，优化烟气氧含量，提高燃烧效率，减少单位煤气用量，燃烧效率同烟气氧含量往往呈“单峰”函数形式，当烟气氧含量过低时，意味着燃烧不充分，不完全燃烧热损增加，燃烧效率为非最佳点；当烟气氧含量过高时，由于空气过量，排烟热损过大，同样对焙烧炉运行不利，燃烧效率偏离最佳位置，因此一般需要将烟气氧含量控制在目标区间的下限位置运行，可以保持燃烧效率的最大化，降低煤气单耗。影响烟气氧含量的因素主要包括空气进料量、煤气热值等因素，通过多变量协调预测控APC技术进行协调控制，优化空煤比，提高燃烧效率，降低煤气单耗。

A02压差的优化控制：

A02压差是衡量P02与A02之间是否堵料的重要参数，当差压超过设定的高报值时，需要停止增加下料量，并同时增加引风机转速（如果引风机没有提速空间，则减少下料量和燃料气用量）；当差压超过高高报值时，则大幅度减料。高报值、高高报值的设定值由操作工设定，该功能考虑基于APC平台的模型预测控制与Python程序功能模块实现。

ID引风机调节的优化调节：

ID引风机转速（或变频）控制烟气氧含量、A02压差、电收尘出口压力、主炉压差等运行参数，同时ID引风机在调节时，需要关注设备的额定电流，当电流达到某一设定值时，控制系统将禁止增加ID风机转速（或变频），以保护ID引风机电机。

4、效益分析

该项目实现了氧化铝行业拜耳法生产氧化铝焙烧工序的APC智能优化控制，焙烧炉生产从安全、稳定、节能、提质到环保得以全方位提升，为用户带来了可观的收益，具体的效益点如下：

1） 稳定性大幅提升：主炉温度、氧含量、下料量等关键变量波动方差平均降低50%以上；

2） 提高了装置处理能力：在工艺与设备约束前提下，装置下料量提升3%以上；

3） 环保指标稳定性提升与物耗降低：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） 人工操作频次大幅降低：人工日常高频操作由日均30次降至0次，整体人工干预率从35%降至0；

5） 提高了产品质量稳定性：借助软仪表和APC的协同，灼减率波动大幅收窄，产品质量得到显著提升。

系统架构图

APC控制软件

智能控制器参数

生产波动稳定示意：