回转窑和分解炉是大型水泥生产线预分解部分的核心设备,窑炉内各生产参数的控制以及窑炉内热量平衡和质量平衡,是影响水泥产量、质量和能耗的关键因素。窑炉系统具有大惯性、纯滞后、强耦合等特点,目前采用的PID、模糊、神经网络等常规控制器仍然主要依靠现场操作工人的经验来调节水泥生产各生产参数,控制精度差,导致窑炉系统的能耗相对较高,存在燃煤严重浪费的问题。本文针对大型水泥生产线窑炉中各生产参数,以水泥生料质量传递、能量传递和化学反应的基本原理为基础,分析了预分解窑炉系统散热特性,结合物料、煤料和风量传递及伴随的能量传递,分别推导了预分解窑炉系统中旋风筒、回转窑和分解炉的质量平衡方程和热量平衡方程,编写MATLAB程序求解了各平衡方程,找出了预分解窑炉系统中各主要生产参数间的数学关系,通过实验仿真与现场数据,对这些数学关系式进行了理论验证。以窑炉喂煤量最小为目标函数,以三次风管风压、窑尾负压、喂料量、主排风机风速和入窑物料分解率为约束条件,建立了窑炉节能优化数学模型,从而实现对窑炉内各主要生产参数的优化。基于窑炉节能优化数学模型,构建了窑炉三维模糊PID节能优化控制器,对控制器的控制效果及抗干扰能力进行了仿真,并与常规窑炉温度控制器效果进行了对比分析,得出窑炉三维模糊PID节能优化控制器具有响应速度快、超调小、跟随性好等优点。采用PLC和组态技术设计了一套水泥窑炉节能优化集控系统,可实现对窑炉主要生产参数的实时监测和控制。将该窑炉节能优化控制系统在湖南韶峰水泥集团有限公司一条干法水泥生产线进行实验调试,结果表明,该系统可使窑炉温度分别稳定在985～1015℃和840～860℃的范围内,喂煤量分别稳定在4.6～4.8t/h和7.4～7.6t/h的范围,煤耗比常规控制器的降低了3%左右。