摘 要：某水泥生产线“辊压机+球磨机”粉磨系统存在工序电耗高、辊压机频繁泄压、瞬间跳停等问题，通过优化系统工艺设备参数，提高辊压机作功效率，增加液压系统点动泄压阀，加装在线激光粒度分析仪，实施智能控制系统改造，粉磨系统工序综合电耗下降2.08kW·h/t，水泥强度标准偏差降至0.8 以下，有效改善了水泥粉磨系统生产经济指标，提高了产品质量稳定性。

关键词：优化改造；在线激光粒度分析仪；智能控制

01 水泥粉磨系统配置及存在问题
南方水泥某年产90 万吨水泥粉磨生产线采用“ 160-140 辊压机+ϕ4.2m×13m 球磨机”开流粉磨系统，未配置动态选粉机，设计生产能力为 180t/h，粉磨系统工艺流程见图 1，系统主要设备及性能指标见表 1。

表1 粉磨系统主要设备及性能指标

该水泥生产线主要生产 P·O42.5、P·II52.5 水泥，2021 年第4 季度，生产线出现工序电耗居高不下、辊压机因液压系统大泄压瞬间跳停的情况，严重影响了粉磨系统的安全生产运行。粉磨系统主要存在以下问题：

（1）球磨机运行电流高，功效低，单位产品电耗高；磨内物料流速过快，活化环布置不合理，质量易出现不达标情况；通过监测磨内筛余数据发现，磨内研磨体非最佳级配。球磨机磨内筛余监测数据见表2。

表2 球磨机磨内筛余监测数据（2021年10月21日）

（2）辊压机单位产品电耗高，循环斗式提升机电流高，原始辊缝大；辊缝波动大，蓄能器压力高，辊压机作功不稳定；液压系统频繁大泄压，辊压机瞬间跳停。水泥粉磨系统运行性能指标见表3。

表3 水泥粉磨系统运行性能指标

02 粉磨系统工艺设备的优化改造

2.1 优化球磨机研磨体装载量，降低球磨机电耗

以生产P·O42.5 水泥为例。优化前，球磨机研磨体一仓装载量为 61.9t，二仓为 182.5t，球磨机功耗3 112kW·h/h，喂料量 199t/h 。优化后，二仓钢段装载量减少 15t，球磨机用电量下降 83kW·h/h，球磨机吨水泥电耗下降0.28kW·h 。优化研磨体装载量前后，球磨机粉磨水泥电耗对比见表4。

表4 优化研磨体装载量前后球磨机粉磨水泥电耗对比

2.2 优化活化环布置，降低磨内物料流速，提高球磨机粉磨效率

改造前，球磨机存在阶段性出磨物料比表面积低的现象，分析可能因磨内物料流速过快导致。检查磨机活化环结构并封堵50% 活化环后，磨内物料流速降低，球磨机粉磨效率提高，出磨水泥比表面积合格率提升。优化活化环前后，球磨机粉磨水泥电耗对比见表5。

表5 优化活化环前后球磨机粉磨水泥电耗对比

2.3 优化球磨机研磨体级配，提高磨内粉磨效率

检查球磨机筛余数据发现，二仓靠隔仓板方向存在一段近水平段，磨内钢段有一定的优化空间。利用2022 年 1 月停磨期间，减少二仓 10t 混合钢段,同时，加入 14mm×16mm 钢段 10t，以改善二仓粉磨能力。优化后，磨内物料筛余值及磨机产量均有所改善。调整磨内研磨体后，水泥磨磨内筛余数据见表6、表7。

表7 调整磨内研磨体后水泥磨磨内筛余（2022年3月）

2.4 降低原始辊缝，提高辊压机作功效率，减小辊缝波动

优化前，辊压机辊缝大，物料通过量大，循环斗式提升机电流高，辊压机作功功效低。优化后，辊压机原始辊缝由 30mm 降至 24mm，辊压机作功明显好转，循环斗式提升机电流下降，辊压机单位产品电耗下降。优化辊缝前后，辊压机、球磨机、斗式提升机电耗情况见表8。

表8 优化辊缝前后辊压机、球磨机、斗式提升机电耗情况

2.5 优化液压系统研磨压力，提升辊压机作功

优化前，辊压机电流低，小仓下插板阀开度持续 100%运行，辊缝波动大，辊压机研磨效率不高。优化液压系统研磨压力后，辊压机电流提高，粉磨效率提高，辊缝波动降低。优化辊压机液压系统研磨压力前后，辊压机及球磨机电耗情况见表9。

表9 优化液压系统研磨压力前后辊压机及球磨机电耗情况

2.6 液压系统加装点动式泄压阀，增加点动式自动控制回路，消除瞬间大泄压故障跳停

改造前，在辊压机运行时，仅能上调液压系统研磨压力，不能下调研磨压力，导致液压系统研磨压力瞬间高于 11MPa，现场PLC控制柜进行大泄压保护，辊压机跳停，跳停频率约8~10次/月。决定对液压系统进行改造，通过增加点动泄压阀，增加点动式自动控制回路，在运行中实现液压系统点动泄压，降低研磨压力。技改后，液压系统大泄压故障次数大幅下降，跳停频率由改造前 8~10次/月降至3 次/月，有效降低了故障导致的设备空转无功消耗，从而降低了系统电耗。技改前后辊压机跳停次数对比数据见表 10。

表10 技改前后辊压机跳停次数对比数据

03 水泥粉磨系统智能控制系统的控制策略

水泥粉磨系统应用多变量非线性模型预测智能控制技术，实现了水泥粉磨系统关键参数的稳定控制，辊压机和球磨机系统的协同控制，提高了水泥粉磨的产质量，降低了粉磨电耗。智能控制系统主要控制策略如下。

3.1 辊压机和球磨机系统协同控制

通过控制入磨物料特征粒径，平衡辊压机与球磨机作功，消除辊压机作功不足与辊压机系统循环负荷过大现象，主要控制指标为循环风机转速。

3.2 稳流仓仓重控制

通过分析辊压机压力、辊缝和仓重的最佳匹配关系，得出仓重控制目标值，通过控制喂料量、循环风机转速，将仓重稳定在设定目标值左右。

3.3 辊压机稳定控制

通过控制辊压机动辊电流、定辊电流、出磨循环斗式提升机电流、辊压机振动、辊缝、稳流仓等保护限值，平衡辊压机通过量与循环量关系，最大化辊压机作功功效。主要控制指标为：动辊斜插板开度、定辊侧斜插板开度、研磨压力。

图2 磨头磨尾加装球磨机在线粒度分析仪

3.4 球磨机稳定控制

控制球磨机电流负荷、出磨成品温度、磨头负压、出磨成品比表面积、筛余、成品特征粒径等变量，稳定球磨机作功功效。主要控制指标为：磨尾风机及循环风机转速。

3.5 在线激光粒度分析仪取样浓度控制

分别在球磨机磨头磨尾加装在线激光粒度分析仪，加装位置见图2。通过控制取样绞刀进样速度，控制物料取样量，保证分析仪在稳定的光学浓度下检测物料粒度分布，进而提高在线激光粒度分析仪检测精度的可靠性和稳定性。

3.6 产品质量控制

根据实时运行参数，建立产品质量软测量模型并输出实时质量数据 。在线激光粒度分析仪每15min检测一次物料粒度，依据检测值校正测量实时质量数据，用于过程控制，稳定球磨机产质量。

3.7 产能最大化控制

球磨机处于稳定运行状态后，在循环风机转速、磨尾风机转速与产品质量之间寻找一个最佳平衡点，使产量趋于动态最大化。

3.8 特征粒度自优化控制

在线激光粒度分析仪初次特征粒径目标值由人工给定，构造数据统计分析自优化算法，运行2h后触发自优化算法，自动调整在线激光粒度分析仪特征粒径目标值，自动调整循环风机、磨尾风机风量，从而降低在线激光粒度分析仪标准偏差，稳定水泥质量。

3.9 一键启停与APC控制无扰切换

结合水泥磨中控操作规程编制开停机操作方案，再结合操作方案进行 DCS组态，实现水泥磨开停过程中模拟量与开关量的自动调整。水泥磨启动结束后，自动切换至APC控制程序，停机时自动切除APC控制至一键停磨，实现水泥磨开停机过程无扰切换，无需人工介入，有效缩短了水泥磨开机至满负荷、满负荷至停机的时间，降低了水泥磨开停机过程的工序电耗。一键启停与APC操作界面见图3。

图3 一键启停与APC操作界面

04  “优化改造+智能控制”运行效果

水泥粉磨系统实施“优化改造+智能控制”后，关键工序电耗大幅下降，产品质量显著提高。水泥磨控制系统智能化改造后的电耗数据见表 11。

表12 使用在线激光粒度分析仪前后出磨水泥3d、28d强度标准偏差

由表11数据可知，改造后，2022年4~9月稳定运 行期间 ，P·O42.5水泥吨水泥综合电耗为27.67kW·h，P·II52.5水泥吨水泥综合电耗为33.96kW·h，与2021年11月（改造前）综合电耗30.08kW·h/t、35.67kW · h/t 相比，电耗分别下降2.41kW·h/t、1.71kW·h/t。

使用在线激光粒度分析仪前后，出磨水泥3d、 28d 强度标准偏差见表12。 由表12可知，2022 年7~9 月（使用在线粒度分析仪后）与 1~3 月（使用在线粒度分析仪前）对比，生产P·O42.5水泥时，3d 出磨水泥抗压强度标准偏差由0.84降至0.70，28d 出磨水泥抗压强度标准偏差由1.13降至0.69；生产P· Ⅱ52.5 水泥时，3d 出磨水泥抗压强度标准偏差由0.95 降至0.85，28d 出磨水泥抗压强度标准偏差由1.21 降至0.60。

05 结语

水泥粉磨智能控制系统的成功应用，为优化水泥出厂质量奠定了基础。对于熟料来源（熟料强度）相对稳定的生产线，使用在线激光粒度分析仪为智能控制系统提供了基础数据，通过控制入磨物料量及出磨水泥特征粒径组分含量，完全可以实现出厂水泥质量及球磨机研磨状态的稳定。对于熟料或水泥辅材来源复杂，熟料强度、易磨性等指标波动大的生产线，虽然可以稳定控制粒度分布，稳定颗粒级配及比表面积，但若要控制水泥强度波动，则需增配更多检测仪器并进一步优化系统控制软件。

有关本文：
作者：禹敏1，段振洪2，王方伟3，濮阳森1，杨国进1
单位：1.广德新杭南方水泥有限公司；2 上海南方水泥有限公司，3 中材邦业智能技术有限公司