“十一五”期間水泥行業(yè)自動化發(fā)展報告

1.水泥工業(yè)發(fā)展政策

“十一五”期間國家對水泥行業(yè)發(fā)展政策：

1）宏觀調(diào)控，控制產(chǎn)量，限制發(fā)展：從土地、能源、環(huán)保、貸款等方面限制。2006年我國的水泥產(chǎn)量已達(dá)11.5億噸，綜合考慮水泥與國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的關(guān)聯(lián)因素，預(yù)測2010年水泥需求量為12億噸。（實(shí)際2006年產(chǎn)量已接近發(fā)改委的指標(biāo)數(shù)，為此必須要淘汰高能耗的水泥企業(yè)來控制產(chǎn)量）。  

2）淘汰小、允許上大：2005年底新型干法水泥產(chǎn)量達(dá)到4.73億噸，它占水泥總產(chǎn)量的比重為45%。2007.3國家發(fā)改委發(fā)布了緊急文件，要求限期淘汰高能耗的水泥企業(yè)，大水泥集團(tuán)兼并小企業(yè)，發(fā)展新型干法水泥生產(chǎn)線，今后發(fā)展重點(diǎn)在中西部。

3）節(jié)約能源：綜合性降耗3%，主要是電耗和熱耗。

我國各類水泥窯平均熱耗對比：

　　上表可見，新型干法窯熱耗指數(shù)最低，“十一五”期間熱耗要控制在110克/噸熟料千克標(biāo)準(zhǔn)煤，電耗要控制在100 kWh/t 。

4）要求清潔生產(chǎn)和循環(huán)生產(chǎn)：“十一五”期間大力推廣廢棄物綜合和純低溫余熱發(fā)電。純低溫余熱發(fā)電可降低水泥生產(chǎn)的電耗，節(jié)約能源，又可有效的減少水泥生產(chǎn)對環(huán)境的廢熱及粉塵等的污染?！笆晃濉逼陂g國家要求有40%以上新型干法水泥生產(chǎn)線上純低溫余熱發(fā)電。

2．新建水泥廠規(guī)模

　　“十一五” 期間主要是上新型干法5000t/d 規(guī)模水泥生產(chǎn)線，但在中西部地區(qū)也可上新型干法2500t/d 規(guī)模生產(chǎn)線；粉磨站根據(jù)所在地水泥需求量確定規(guī)模；純低溫余熱發(fā)電裝機(jī)容量和工藝生產(chǎn)線配套。

3．水泥廠自動化系統(tǒng)的投資

　　新型干法5000t/d 規(guī)模生產(chǎn)線項(xiàng)目總投資為3~3.5億元人民幣，設(shè)備一般占總合同額的50%，電氣設(shè)備占所有設(shè)備采購額的20%左右，儀表與控制系統(tǒng)的總投資約為設(shè)備購置費(fèi)6%~8%。5000t/d 規(guī)模生產(chǎn)線設(shè)備購置費(fèi)約為1.5億元，控制系統(tǒng)費(fèi)用根據(jù)要求不同約為200~300萬元，儀表（包括電動執(zhí)行器）費(fèi)用約為500~700萬元 。2500t/d 規(guī)模生產(chǎn)線項(xiàng)目總投資為2~2.5億元人民幣，設(shè)備購置費(fèi)約為0.8~1億元，儀表與控制系統(tǒng)的總投資約為設(shè)備購置費(fèi)7%~8%,控制系統(tǒng)費(fèi)用根據(jù)要求不同約為150~200萬元，儀表（包括執(zhí)行器）費(fèi)用約為400~600萬元。

關(guān)于純低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目投資見下表：

4．“十一五”期間水泥項(xiàng)目

　　“十一五”期間主要通過大水泥集團(tuán)兼并小企業(yè)，上新型干法5000t/d 規(guī)模生產(chǎn)線。與該政策相適應(yīng)，國家發(fā)改委、國土資源部、中國人行2006 3001號文件發(fā)布國家支持結(jié)構(gòu)調(diào)整的大型水泥企業(yè)名單，全國性有12個，區(qū)域性48個。經(jīng)筆者調(diào)查2007年水泥行業(yè)發(fā)展形勢較樂觀，全年水泥國內(nèi)外項(xiàng)目約為65 ~70個，其中國外EP項(xiàng)目約20~25個。值得一提的是過去中國是水泥設(shè)備進(jìn)口大國，經(jīng)三十年努力中國已變?yōu)樗嘣O(shè)備出口大國，現(xiàn)承建的國外EPC和EP項(xiàng)目包括美國、歐洲、俄羅斯、中東、東南亞、東亞、拉美等地區(qū)，電氣、自動化設(shè)備也作為EP項(xiàng)目的一部分。

5．水泥廠對儀表與控制系統(tǒng)的需求

5.1水泥廠MES的規(guī)模與功能；

　　90年代起，我國新投產(chǎn)的大中型干法水泥廠和大型粉磨站，幾乎全部采用了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用于控制、監(jiān)視與管理，但目前大多數(shù)水泥廠工廠自動化功能僅用于自動化初級模型的前三級，即還是到SCADA一級，優(yōu)化控制及專家系統(tǒng)等基本沒有；PMIS正在一些大集團(tuán)開始實(shí)施, 但僅作為管理者監(jiān)控的工具，還沒有發(fā)揮它的功能；生料質(zhì)量控制應(yīng)用較普遍，但僅作為穩(wěn)定原料成分，還未達(dá)到最優(yōu)化控制；磨機(jī)的負(fù)荷控制基本未用，特別是在水泥磨的綜合控制上和國際先進(jìn)水平還有一定差距。故對我國水泥工業(yè)自動化現(xiàn)今評價是：自動化在生產(chǎn)過程中已起到了穩(wěn)定生產(chǎn)的作用，但和國際著名的大水泥公司的自動化水平還有較大差距。

　　當(dāng)今我國水泥行業(yè)在國內(nèi)有影響有實(shí)力的大集團(tuán)有十幾家，如海螺、華新、冀東、三獅、亞泰等水泥集團(tuán)，許多大集團(tuán)現(xiàn)設(shè)有自動化研究機(jī)構(gòu)，有的集團(tuán)已建成光纜通信網(wǎng)絡(luò)和MIS系統(tǒng)，如華新集團(tuán)；某些集團(tuán)已開始研發(fā)ERP，如亞泰集團(tuán)等?！笆晃濉逼陂g水泥大集團(tuán)相繼要實(shí)現(xiàn)CIM和MES，包括生產(chǎn)管理系統(tǒng)、質(zhì)量控制系統(tǒng)、物流管理系統(tǒng)，采購管理系統(tǒng)、倉庫管理系統(tǒng)、銷售子系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、財務(wù)管理系統(tǒng)、辦公自動化管理系統(tǒng)和綜合管理子系統(tǒng)等?，F(xiàn)海螺等集體正在開發(fā)ERP，三獅集團(tuán)和設(shè)計(jì)院合作在開發(fā)CIM和MES，另有些EPC項(xiàng)目業(yè)主如沙特SCC等也要求設(shè)置MES系統(tǒng)。

5.2水泥生產(chǎn)線對自動化系統(tǒng)的需求

5.2.1 DCS系統(tǒng)的規(guī)模與功能

　　據(jù)不完全的統(tǒng)計(jì)一個典型的5000 t/d 規(guī)模的單條水泥生產(chǎn)線，電機(jī)在700臺左右，雙向運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)約為15臺，閥門包括設(shè)備內(nèi)的電磁閥總共數(shù)量為853個，電動推桿共82臺，還有其他用電設(shè)備如收塵器控制箱、計(jì)量秤的控制箱、電焊機(jī)、電動葫蘆等約380臺組，為此最典型的t/d 規(guī)模生產(chǎn)線，要監(jiān)控的輸入和輸出的開關(guān)量最少約有2000個。該生產(chǎn)線還需要監(jiān)控溫度、壓力、氣體成分和濃度、物位、流量、重量、閥門開度等物理參數(shù)約為600個，另外需報警的點(diǎn)約為1000個，它包括模擬量和開關(guān)量。

　　根據(jù)設(shè)備的不同、控制策略的不同、控制原理圖的不同，同樣規(guī)模的水泥生產(chǎn)線盡管用電設(shè)備數(shù)量幾乎相同，但在控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的輸入和輸出的點(diǎn)（DI，DO）就可能相差很多。在國際水泥界中，現(xiàn)較公認(rèn)的是由MCC控制的某一單向電機(jī)輸入點(diǎn)為3~4個（DI），輸出的點(diǎn)為1個（DO）。廣州越堡水泥有限公司6000t/d水泥生產(chǎn)線采用的DCS系統(tǒng)是目前國內(nèi)水泥行業(yè)中最大的DCS系統(tǒng)，I/O點(diǎn)數(shù)超過17000點(diǎn)，控制系統(tǒng)采用了西門子的PCS7，其中現(xiàn)場控制站為14臺AS417-4，上位監(jiān)控層配備3對冗余服務(wù)器, 5臺操作員站，1臺工程師站。故I/O點(diǎn)數(shù)可能相差很多。

　　現(xiàn)今水泥廠廣泛應(yīng)用是具有混合控制策略的PLC/DCS混合系統(tǒng)，主要有ABB的Industry IT(AC800F，M)，Siemens的PCS7，AB的ControlLogix，Schneider 的Quantum （“Unity”也開始應(yīng)用），它們已作為主導(dǎo)產(chǎn)品在水泥行業(yè)推廣，并已取得不俗的業(yè)績。

5000t/d 規(guī)模生產(chǎn)線DCS 系統(tǒng)配置的I/O表見下：

5．2．2現(xiàn)場總線系統(tǒng)的應(yīng)用

　　據(jù)水泥生產(chǎn)線的特點(diǎn)和現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)勢，有許多項(xiàng)目在窯尾預(yù)熱器、窯頭篦冷機(jī)等熱工測控點(diǎn)集中的區(qū)域，原料立磨、原料調(diào)配秤等數(shù)據(jù)量較大的配套設(shè)備中局部采用現(xiàn)場總線方案，主要采用Profibus 現(xiàn)場總線。由于充分發(fā)揮現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)勢和特點(diǎn)，減少了大量隔離器、端子柜、I/O模塊及大量電纜和電纜橋架，同時由于采用現(xiàn)場總線提高了信號的測量、傳輸和控制精度，提高了系統(tǒng)與設(shè)備的性能。形成真正分散在現(xiàn)場的完整的控制系統(tǒng)。吉林亞泰明城5000t/d 熟料線用PA儀表80臺。以下為吉林亞泰明城5000t/d 熟料線DCS 系統(tǒng)配置的I/O表：

5.3水泥廠儀表需求的臺數(shù)，

5.3.1壓力變送器：一條5000t/d的水泥生產(chǎn)線，在工藝流程各關(guān)鍵部位必須設(shè)置壓力變送器，如在窯頭、窯尾、各級預(yù)熱器的頂部和底部、各次風(fēng)管和冷卻機(jī)各室等，以監(jiān)控工藝正常運(yùn)行，據(jù)統(tǒng)計(jì)一條新型干法水泥生產(chǎn)線共需設(shè)置壓力變送器約為80臺。現(xiàn)我國的干法水泥廠幾乎全采用了智能壓力變送器，主要產(chǎn)品有：重慶橫河川儀生產(chǎn)的EJA系列變送器 ，E+H的Cerabar S變送器, ABB的MV2000T，西門子的SITRANS P以及羅斯蒙特升級的1151和3051C變送器，有許多廠還選用了帶有PROFIBUS-PA協(xié)議的智能壓力變送器。

5.3.2溫度變送器：

　　它也是過程變量變送器中很重要的一類，它也是測量流量、密度及其他過程變量的基本要素之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)一條新型干法水泥生產(chǎn)線共需設(shè)置溫度變送器約為80~100臺。采用溫度變送器主要有以下幾種形式：

1）風(fēng)雨型溫度變送器

　　這類溫度變送器通常裝在對變送器性能有很高要求，苛刻的應(yīng)用場合，如在窯尾、分解爐、五級預(yù)熱器等。這類溫度變送器被封裝在密封的殼體內(nèi)，而這種殼體通常由不銹鋼制成，其特點(diǎn)是精確度高、可靠性高、安全性好、防風(fēng)雨，它的主要缺點(diǎn)是價格較高。它通常都帶有現(xiàn)場表頭，可現(xiàn)場監(jiān)視，調(diào)整和組態(tài)。代表性的產(chǎn)品是EMERSON生產(chǎn)的3144，3244和北京遠(yuǎn)東的444。

2）DIN導(dǎo)軌安裝、儀表盤安裝型溫度變送器

　　這類溫度變送器可以采用DIN導(dǎo)軌安裝，通常在控制室內(nèi)安裝使用。它價格便宜、安裝和維護(hù)簡單，可以通過改變組態(tài)來匹配不同類型的溫度傳感器。由于同遠(yuǎn)程安裝的傳感器之間的連接導(dǎo)線較長導(dǎo)致測量精確度較低。在水泥廠磨系統(tǒng)使用這類溫度變送器。

3）一體化溫度變送器

　　這類溫度變送器可以直接安裝在溫度傳感器的DIN連接頭上，它的優(yōu)點(diǎn)是安裝費(fèi)用低廉，體積小巧，兼容各種類型的溫度傳感器。由于這種溫度變送器直接安裝在溫度傳感器的接頭上，所以電氣連接和傳感器接線都非常簡單。水泥廠的窯系統(tǒng)除要求高的部位外可采用一體化溫度變送器，磨系統(tǒng)也選用。

　　另外還帶有符合現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)的FF或PROFIBUS-PA協(xié)議的產(chǎn)品。

5.3.3物位儀表

　　水泥工業(yè)中主要是固體物料的物位測量，液位測量則很少。固體物料種類繁多，有塊料、顆粒狀、粉料，這些物料的介電常數(shù)、容重、溫度、水分含量也各不相同。一條新型干法水泥生產(chǎn)線共需設(shè)置各種物位儀表約為60~70臺。

　　接觸式測量是過去測量物位的主要手段，如電容式、重錘式、音叉式、阻旋式等測量方法，由于測量時儀表和物料是接觸的，在使用過程中往往會出現(xiàn)各種問題，如電容的掛料；重錘的斷錘、埋錘；音叉的堵料等，且日常的維護(hù)量很大。到20世紀(jì)90年代，水泥工業(yè)開始采用非接觸的物位測量，據(jù)統(tǒng)計(jì)近幾年來新設(shè)計(jì)的大型水泥廠和粉磨站的各類庫和倉近80%采用了各種類型的雷達(dá)料位計(jì)，另超聲波料位計(jì)用于測量塊料或顆粒狀的物料，約占15~20%。水泥廠現(xiàn)大多選用VEGA公司和西門子公司生產(chǎn)的雷達(dá)料位計(jì)。型號為PLUS54，68和SITRANS LR400，量程最大45m 。

5.3.4流量變送器

　　相對其他行業(yè),各種流量計(jì)在水泥工業(yè)應(yīng)用較少，這是由于生產(chǎn)工藝過程中主要介質(zhì)是物料流和氣流，在物料流中則以粉狀和顆粒為主，在主工藝流程中液體料流幾乎沒有，而氣流還帶有一定的粉塵，并且是在大管道內(nèi)通過，它給流量測量帶來很大的難度。目前正在探索大管道含塵的流量計(jì)在水泥行業(yè)應(yīng)用，主要考慮新型差壓式均速管流量計(jì)和熱式流量計(jì)。在輔助工藝流程中設(shè)置電磁流量計(jì)約3~4臺。

5.3.5成分分析

　　干法水泥廠的氣體分析裝置一是用于設(shè)備保護(hù)，如在窯尾電收塵入口，以及煤磨收塵出口,裝設(shè)CO分析儀，以檢測廢氣中CO的含量，防止收塵器設(shè)備事故，一條新型干法水泥生產(chǎn)線共需設(shè)置CO分析儀2~4臺。另一目的是作為過程變量用于監(jiān)控煅燒的工況，如在窯尾煙室設(shè)氣體分析儀，對窯尾氣體成分包括CO、O₂、NO_X進(jìn)行分析和檢測，判斷燃料及助燃空氣的比例，從而對燃料、風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整控制，保證燒成系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)在最佳狀態(tài)。設(shè)備保護(hù)用的氣體分析裝置必須安裝，但作為過程變量的氣體分析裝置，由于工況條件惡劣，如窯尾的粉塵含量約2000g/Nm³,溫度最高可達(dá)1500⁰C ；另裝置結(jié)構(gòu)也十分復(fù)雜，要取樣、預(yù)處理、冷卻、反吹防堵、流量設(shè)定、氣體校正和氣體分析等，而且用此參數(shù)來分析和判斷需要一定的工藝知識，其價格貴，維護(hù)困難。我國大多水泥廠窯尾的氣體分析裝置現(xiàn)今已不采用，但要優(yōu)化工藝過程，我們認(rèn)為它還是需要的，有的大集團(tuán)生產(chǎn)線已開始應(yīng)用。

　　現(xiàn)窯尾的氣體分析裝置采用機(jī)理有濕式和干式兩種。干式采樣是將粉塵連同試樣一起抽進(jìn)采樣系統(tǒng)，再由過濾器濾去其中的粉塵，ABB公司所屬的H&B公司采樣系統(tǒng)是屬干式，現(xiàn)生產(chǎn)的探頭為60#，國內(nèi)四川儀表九廠已引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)成套的氣體分析裝置。

5.3.6電動執(zhí)行器

　　典型的5000的單條水泥生產(chǎn)線，電動推桿共82臺，設(shè)置的電動執(zhí)行器約為75~85臺，現(xiàn)采用除DKJ電動執(zhí)行器外，在國內(nèi)水泥廠用的還有天津津達(dá)執(zhí)行器公司的JD系列電動執(zhí)行器，上海自動化儀表十一廠的IKZL電動執(zhí)行器，天津儀表七廠引進(jìn)法國伯納德（BANADY）技術(shù)的AS，BS，RS系列電動執(zhí)行器，重慶川儀十廠引進(jìn)德國H&B公司的MOE700/MME800系列電動執(zhí)行器，還有引進(jìn)的SIEMENS POSITIONER公司的SIPOS系列電動執(zhí)行器，德國AUMA系列，英國ROTORK公司的IQ 系列電動執(zhí)行器等。

5.4水泥廠專用儀表

5.4.1窯胴體測溫裝置

　　此裝置主要用于長時間不間斷地實(shí)時檢測水泥窯筒體表面溫度，經(jīng)分析處理后能客觀、及時地反映窯內(nèi)狀況，幫助操作員有效地改善窯的操作,這幾年國內(nèi)一些設(shè)計(jì)研究院也紛紛開發(fā)窯筒體溫度掃描監(jiān)測系統(tǒng)，現(xiàn)大部分生產(chǎn)線采用國內(nèi)研制的溫度掃描監(jiān)測系統(tǒng)，也有少量的引進(jìn)國外設(shè)備。

5.4.2比色高溫計(jì)

　　此裝置主要用于長時間不間斷地實(shí)時檢測水泥窯內(nèi)燒成帶溫度，它一般裝在窯門罩上，為此必須配置相應(yīng)的保護(hù)裝置，以防鏡頭等被損壞。目前在新型干法水泥廠常用的比色高溫計(jì)大多是引進(jìn)的如西門子的ARDOL等，也有采用國內(nèi)開發(fā)的如合肥金星的光纖比色高溫計(jì)。

　　由于比色測溫效果并不理想，現(xiàn)在市場有引進(jìn)的測燒成帶溫度的紅外高溫計(jì)和看火工業(yè)電視合二為一新型的自動化裝置問世，看火工業(yè)電視顯示包括燒成帶溫度在內(nèi)的各點(diǎn)溫度，節(jié)省了為比色高溫計(jì)設(shè)置的冷卻和清掃裝置，同時監(jiān)控更為直觀，

5.5水泥廠需要進(jìn)口的儀表

5.5.1基本沒有需要進(jìn)口的儀表，個別廠進(jìn)口主要是美國熱電公司開發(fā)的跨帶式CBX的中子式活化分析儀，可以在線調(diào)節(jié)配料,減少了原料的成分波動, 使得工藝的波動降到最低.，同時對原料的分析以及控制是實(shí)時的高頻的工藝過程控制,使得原料的配料均化效果達(dá)到最佳結(jié)果。.另X射線熒光分析儀還需進(jìn)口。

5.5.2從環(huán)保方面的需求要進(jìn)口現(xiàn)場測量的激光氣體分析儀，主要測定煙筒的粉塵含量。

5.5.3看火工業(yè)電視和窯內(nèi)紅外測溫系統(tǒng)合二為一新型的自動化裝置。   

 主要用于不間斷地實(shí)時檢測水泥窯內(nèi)煅燒情況，并和DCS系統(tǒng)通信。美國的KURZ 等公司在國內(nèi)鋼鐵行業(yè)有應(yīng)用，但在水泥行業(yè)還沒有采用

6．純低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目

6.1 純低溫余熱發(fā)電的主機(jī)設(shè)備和DCS系統(tǒng)

　　國內(nèi)預(yù)分解水泥窯采用純低溫余熱發(fā)電的主機(jī)設(shè)備配置主要為：

　　窯頭采用余熱鍋爐（或熱交換器），簡稱為AQC爐；

　　窯尾采用余熱鍋爐（或熱交換器），簡稱為SP爐；

　　汽輪機(jī)，國內(nèi)采用補(bǔ)汽凝汽式汽輪機(jī)；

　　發(fā)電機(jī)，國內(nèi)采用空冷式發(fā)電機(jī)；

　　水處理設(shè)備和循環(huán)冷卻設(shè)備。

　　DCS控制系統(tǒng)：其控制點(diǎn)數(shù)：DI：200~300，DO: 150~200 ，AI,AO: 150~200，

　　常用系統(tǒng)有西門子公司的PCS7，ABB的INFI-90，浙大中控Web-Field ECS系統(tǒng)以及和利時LED系統(tǒng)，但國產(chǎn)系統(tǒng)的成套性還比較差。

6.2 純低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目儀表需求的臺數(shù)

　　在各部位如余熱鍋爐、水處理設(shè)備和循環(huán)冷卻設(shè)備等需要監(jiān)控溫度、壓力、液位、流量、閥門開度等，約80臺，全可采用國內(nèi)儀表，目前對還沒有測量入余熱鍋爐的流量，因測量還有一定的難度，難度在于新型干法水泥生產(chǎn)線中，熱風(fēng)管道的口徑大多是大于1000毫米；另被測的氣流是變化的，還帶有一定的粉塵，所測的介質(zhì)是包含氣固二相?，F(xiàn)有二種方案，一是采用熱式流量計(jì)，一是采用差壓式均速管流量計(jì)，擬在海螺集團(tuán)的純低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目試用。