面向節(jié)能降耗的水泥生產(chǎn)優(yōu)化控制與能效管理系統(tǒng)

　　1 概述

　　水泥行業(yè)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要地位，就行業(yè)平均水平而言，雖然生產(chǎn)工藝與裝備已大為改觀，但整體表現(xiàn)仍大而不強(qiáng)。

　　大表現(xiàn)為：產(chǎn)量高（年產(chǎn)19億噸，占世界50%以上）；耗能大（年消耗標(biāo)煤占全國(guó)總量約7%）；碳排放多（二氧化碳排放占全國(guó)總量10%以上 ）。

　　不強(qiáng)表現(xiàn)為：管理、自動(dòng)化水平低（信息孤島、自動(dòng)化孤島現(xiàn)象大量存在）；能效低（行業(yè)平均每噸水泥熟料燒成耗標(biāo)煤比國(guó)際先進(jìn)水平高約15%）。

　　近年來(lái)，政府對(duì)水泥行業(yè)宏觀調(diào)控措施頻出。工信部近期發(fā)布的《水泥行業(yè)準(zhǔn)入條件》中，要求嚴(yán)格控制新增產(chǎn)能,加快淘汰落后產(chǎn)能。同時(shí)政府方面明確提出,到"十二五"末,全國(guó)水泥生產(chǎn)綜合能耗應(yīng)小于93千克標(biāo)準(zhǔn)煤/噸，氮氧化物排放在2009年基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低25%,二氧化碳排放強(qiáng)度也需進(jìn)一步下降。企業(yè)基于自身生存需求及經(jīng)濟(jì)效益需求，必須繼工藝改造（新型干法生產(chǎn)、預(yù)熱發(fā)電）、設(shè)備改造（中高壓變頻、第四代篦冷機(jī)）后，在綜合自動(dòng)化系統(tǒng)及先進(jìn)控制應(yīng)用方面尋求支持，以達(dá)到減員增效目的。

　　本系統(tǒng)旨在提高水泥企業(yè)的自動(dòng)化水平，降低單產(chǎn)能耗使其達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

　　針對(duì)以上需求，濟(jì)南大學(xué)自動(dòng)化研究所會(huì)同山東恒拓科技發(fā)展有限公司進(jìn)行了項(xiàng)目研發(fā)，并先后獲得國(guó)家發(fā)改委資助；國(guó)家863資助；山東省科技攻關(guān)資助；山東省自然基金資助；在此期間，還與中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、山水集團(tuán)、寶山生態(tài)建材、德州中聯(lián)等單位進(jìn)行了橫向合作；最終研發(fā)成功貫穿整個(gè)水泥生產(chǎn)設(shè)備、單元、車(chē)間以及企業(yè)運(yùn)營(yíng)的面向節(jié)能降耗的水泥生產(chǎn)優(yōu)化控制與能效管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的可擴(kuò)展解決方案。

　　水泥生產(chǎn)工藝流程中存在著復(fù)雜的串并聯(lián)關(guān)系。從總的工藝流程看，物料是依次通過(guò)生料制備、熟料煅燒、水泥粉磨三個(gè)串聯(lián)階段，最終得到水泥產(chǎn)品。但在這單一的生產(chǎn)流程中，局部環(huán)節(jié)上又同時(shí)存在著物料流和能流的循環(huán)、返流現(xiàn)象。水泥企業(yè)既有流程工業(yè)的共性，又有自身的個(gè)性。

　　本課題在深入分析水泥企業(yè)和水泥生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，借鑒已有成果，采用三層（ERP/MES/PCS)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了整套的新型干法水泥生產(chǎn)過(guò)程全流程優(yōu)化方法體系與系統(tǒng)總體架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了水泥生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的綜合信息化，提高了水泥企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。其重點(diǎn)在PCS和MES層次上

　　技術(shù)難點(diǎn)：

　　管理扁平化

　　生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié)多，功能訴求多，信息子系統(tǒng)異型、異構(gòu)網(wǎng)多

　　我國(guó)水泥行業(yè)相對(duì)粗放，人員計(jì)算機(jī)水平不高，且存在"酒瓶裝新酒"現(xiàn)象

　　解決方案：

　　構(gòu)建整套信息化系統(tǒng)解決方案，用三層（ERP/MES/PCS) 結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)五層結(jié)構(gòu)。

　　完善子系統(tǒng)功能，完成設(shè)計(jì)規(guī)范

　　開(kāi)放性數(shù)據(jù)接口：OPC，DDE，ODBC

　　流程再造

　　實(shí)現(xiàn)了水泥生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的綜合信息化，提高了水泥企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

　　在深入調(diào)查并分析用戶需求基礎(chǔ)上，我們完成了水泥行業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范 ，包括測(cè)點(diǎn)和控制回路的設(shè)置、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、全流程優(yōu)化調(diào)度與協(xié)調(diào)控制、設(shè)備選型和設(shè)備清單。

　　由于本課題的重點(diǎn)是研究水泥行業(yè)的優(yōu)化調(diào)度與先進(jìn)控制，因此，我們重點(diǎn)完成了MES的五個(gè)模塊和PCS 。左圖為MES系統(tǒng)架構(gòu)示意，右圖為PCS的基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)示意，由先進(jìn)DCS集成而得，而PCS的過(guò)程優(yōu)化部分，已在前面部分，不再贅述。

　　計(jì)劃分解：以單產(chǎn)能耗最低為目標(biāo)分解生產(chǎn)計(jì)劃

　　質(zhì)量管理：建立生料制備、熟料燒成、水泥粉磨過(guò)程的雙向質(zhì)量模型

　　能源管理：監(jiān)測(cè)主要設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)，建立能源消耗模型并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析

　　設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況管理：監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，給出故障原因和操作指導(dǎo)

　　作業(yè)調(diào)度：根據(jù)工況和生產(chǎn)計(jì)劃任務(wù)，下達(dá)具體的控制指標(biāo)

　　節(jié)能降耗的重點(diǎn)在于PCS的優(yōu)化控制系統(tǒng)和MES的能效管理系統(tǒng)（能源監(jiān)控中心）的建設(shè)。

　　整體系統(tǒng)投運(yùn)后，各運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié)內(nèi)部及彼此之間的信息流動(dòng)更合理，更流暢，實(shí)現(xiàn)了水泥企業(yè)整個(gè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的綜合信息化，提高了核心競(jìng)爭(zhēng)力。

　　水泥生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)優(yōu)化需要解決以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:

　　關(guān)鍵問(wèn)題一：進(jìn)行良好優(yōu)化控制的前提是需要對(duì)生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)信息及時(shí)準(zhǔn)確的把握，而水泥生產(chǎn)過(guò)程中部分關(guān)鍵參數(shù)難以獲取完備信息.(1、部分關(guān)鍵參數(shù)（燒成帶溫度、分解爐分解率磨機(jī)負(fù)荷等）無(wú)法直接或在線測(cè)量。2、我國(guó)水泥企業(yè)測(cè)控點(diǎn)普遍配置少，比國(guó)外同類(lèi)規(guī)模企業(yè)少25%-50%。)

　　關(guān)鍵問(wèn)題二：水泥生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜特性為自動(dòng)控制與過(guò)程優(yōu)化帶來(lái)極大難度。（1、水泥生產(chǎn)過(guò)程具有多變量、非線性、大時(shí)滯的特性，對(duì)過(guò)程控制與優(yōu)化帶來(lái)極大困難。2、與國(guó)外同行業(yè)相比，我國(guó)水泥企業(yè)原材料、燃料波動(dòng)較大，設(shè)備穩(wěn)定性較差，同樣對(duì)過(guò)程控制與優(yōu)化帶來(lái)不利因素。）

　　關(guān)鍵問(wèn)題三：水泥企業(yè)用能水平仍然主要人工定期抄表進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，這種方式存在數(shù)據(jù)滯后、時(shí)效性差、數(shù)據(jù)單一等問(wèn)題，不能為企業(yè)管理與調(diào)度人員及時(shí)、準(zhǔn)確的提供生產(chǎn)實(shí)時(shí)用能信息，同時(shí)不能提供科學(xué)的決策支持。

　　為了打破國(guó)外技術(shù)壟斷，同時(shí)為了能更好服務(wù)通過(guò)在自動(dòng)控制及綜合優(yōu)化方面的技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水泥企業(yè)進(jìn)一步的增產(chǎn)、節(jié)能、降耗、減排，我們對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)。

　　首先通過(guò)對(duì)燒成帶溫度、磨機(jī)負(fù)荷等水泥生產(chǎn)過(guò)程關(guān)鍵參數(shù)的軟測(cè)量研究，并基于此進(jìn)行信息融合，對(duì)水泥生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)工況進(jìn)行識(shí)別，解決了水泥生產(chǎn)過(guò)程控制信息不完備的問(wèn)題。其次，通過(guò)基于工況識(shí)別的智能控制及其他先進(jìn)控制算法的綜合利用，消除了水泥生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜特性，及我國(guó)水泥企業(yè)原、燃料成分波動(dòng)帶給過(guò)程控制的不利影響。再次，我們給出了綜合優(yōu)化的方法體系與系統(tǒng)架構(gòu)，有效整合了水泥企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)各環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)全流程優(yōu)化。另外，提出水泥企業(yè)能效管理系統(tǒng)解決方案，解決目前用能管理系統(tǒng)（人工抄表）的落后，不能及時(shí)而科學(xué)地為節(jié)能降耗指明方向的關(guān)鍵問(wèn)題。 基于此，構(gòu)建了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的適合我國(guó)國(guó)情的水泥生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)優(yōu)化技術(shù)體系及運(yùn)行平臺(tái)。

　　2 水泥生產(chǎn)優(yōu)化控制系統(tǒng)

　　水泥生產(chǎn)優(yōu)化控制系統(tǒng)按過(guò)程特性的不同分為兩大部分：燒成系統(tǒng)、粉磨過(guò)程

　　2.1水泥生產(chǎn)全流程優(yōu)化控制技術(shù)

　　新型干法水泥生產(chǎn)線優(yōu)化控制系統(tǒng)解決方案：

　　基于現(xiàn)場(chǎng)信息反饋（DCS信息、化驗(yàn)室數(shù)據(jù)等）

　　采用面向綜合能耗最小指標(biāo)的生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)化分解方法

　　實(shí)現(xiàn)了各主要生產(chǎn)單元（粉磨過(guò)程及燒成過(guò)程）生產(chǎn)任務(wù)和設(shè)備運(yùn)行的合理安排，達(dá)到水泥生產(chǎn)全流程優(yōu)化的目的。

　　技術(shù)難題：

　　水泥生產(chǎn)過(guò)程要求物料的成份穩(wěn)定和熱力系統(tǒng)平衡；而粉磨系統(tǒng)和燒成系統(tǒng)內(nèi)部，及彼此之間又存在復(fù)雜串并聯(lián)關(guān)系。

　　解決方案：

　　根據(jù)能源消耗模型和操作經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建的專(zhuān)家系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，在滿足生產(chǎn)工藝指標(biāo)要求的前題下實(shí)現(xiàn)能耗最小。

　　生料磨噸產(chǎn)電耗模型：

　　生料噸產(chǎn)電耗=-0.091 x 生料磨臺(tái)時(shí)產(chǎn)量 - 0.031 x 出磨生料細(xì)度 + 37.984

　　燒成噸產(chǎn)電耗模型：

　　燒成噸產(chǎn)電耗=-0.223 x 燒成系統(tǒng)每小時(shí)產(chǎn)量 +53.449

　　2.2  水泥生產(chǎn)過(guò)程關(guān)鍵工藝參數(shù)軟測(cè)量技術(shù)

　　創(chuàng)新點(diǎn)一：新型干法水泥生產(chǎn)過(guò)程關(guān)鍵工藝參數(shù)軟測(cè)量技術(shù)

　　技術(shù)難點(diǎn)：燒成帶溫度、分解爐分解率、磨機(jī)負(fù)荷等參數(shù)無(wú)法直接或在線測(cè)量。（其中，燒成帶溫度以及生料分解率直接關(guān)系熟料燒成的質(zhì)量、產(chǎn)量及能耗；磨機(jī)負(fù)荷則對(duì)磨機(jī)的優(yōu)化控制至關(guān)重要。）

　　采用最小二乘支持向量機(jī)及人工神經(jīng)網(wǎng)，在水泥行業(yè)首先提出并研發(fā)了水泥生產(chǎn)過(guò)程關(guān)鍵工藝參數(shù)軟測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了上述參數(shù)的等無(wú)法直接或在線測(cè)量參數(shù)的在線估計(jì)，并基于此進(jìn)行信息融合，對(duì)水泥生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)工況進(jìn)行識(shí)別，提高了水泥生產(chǎn)過(guò)程控制的信息完備性。

　　以燒成帶溫度軟測(cè)量為例：其是監(jiān)控水泥熟料燒成情況的重要標(biāo)志，其高低直接反映了熟料產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。其在高溫旋轉(zhuǎn)的水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)呈帶狀分布，且窯內(nèi)密布粉塵，難以直接測(cè)量。

　　由于無(wú)法獲取燒成帶溫度的準(zhǔn)確測(cè)量值來(lái)實(shí)施模型校準(zhǔn)，采用f-CaO含量為中間變量進(jìn)行兩階段建模，通過(guò)SVM實(shí)現(xiàn)在線軟測(cè)量。

　　（文獻(xiàn)證明：在1100℃～1400℃之間，燒成帶溫度與f-CaO含量近似成線性關(guān)系。）

　　2.3熟料燒成自動(dòng)控制與過(guò)程優(yōu)化

　　孰料燒成系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)：使熟料燒成的綜合能耗達(dá)到最小 ；質(zhì)好產(chǎn)高。

　　孰料燒成主要單元控制目標(biāo)：分解爐溫度穩(wěn)定；燒成帶溫度穩(wěn)定（指導(dǎo)）；篦下壓力穩(wěn)定；其他（小倉(cāng)倉(cāng)重、入窯生料、窯頭負(fù)壓）……；多過(guò)程協(xié)調(diào)控制。

　　控制難點(diǎn)：

　　關(guān)鍵參數(shù)不能直接測(cè)量；時(shí)變、非線性、強(qiáng)耦合、大滯后；人工操作時(shí)被控量波動(dòng)大、工藝設(shè)定裕度大。

　　創(chuàng)新點(diǎn)二：燒成系統(tǒng)燃燒優(yōu)化控制：熟料燒成系統(tǒng)是水泥生產(chǎn)的核心，也是消耗燃煤主要部分。

　　主要過(guò)程變量如圖所示：

　　基于工況識(shí)別技術(shù)，開(kāi)發(fā)了水泥孰料燒成的智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了燒成燃燒的優(yōu)化控制，有效降低了水泥熟料燒成 能耗。

　　其中部分變量為軟測(cè)量量,不再贅述．該過(guò)程控制集成應(yīng)用了多種算法：軟測(cè)量、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、預(yù)測(cè)控制、布爾邏輯、模糊算法、PID。

　　水泥熟料燒成過(guò)程的自動(dòng)控制與過(guò)程優(yōu)化采用先穩(wěn)定后優(yōu)化的方針。

　　基于工況識(shí)別的過(guò)程控制

　　系統(tǒng)綜合運(yùn)用PID、模糊、及預(yù)測(cè)控制算法，主要對(duì)分解爐溫度、燒成帶溫度、篦下壓力實(shí)現(xiàn)了基于工況的智能控制。系統(tǒng)首先進(jìn)行工況識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同窯況的判斷，然后針對(duì)不同波動(dòng)類(lèi)型，采取相應(yīng)控制方法進(jìn)行控制。其中工況辨識(shí)包括幅值大小的判斷、趨勢(shì)類(lèi)型的判斷以及綜合的判定。

　　熟料燒成過(guò)程控制以仿人辨識(shí)與控制為基礎(chǔ)，因此控制系統(tǒng)按遞階控制系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)。在當(dāng)前的理論及技術(shù)條件下，智能系統(tǒng)的組織級(jí)尚難以很完整的實(shí)現(xiàn)，尚需人工設(shè)定與干預(yù)。軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)現(xiàn)重點(diǎn)在基礎(chǔ)執(zhí)行級(jí)與中間協(xié)調(diào)級(jí)。其中，執(zhí)行級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)具體單元回路進(jìn)行辨識(shí)與控制。辨識(shí)時(shí)，各單元負(fù)責(zé)對(duì)各子環(huán)節(jié)影響因素進(jìn)行實(shí)時(shí)值及趨勢(shì)辨識(shí)，并將初判的風(fēng)、煤、料變化狀態(tài)上傳協(xié)調(diào)級(jí)；控制時(shí)，執(zhí)行級(jí)各基本單元接受協(xié)調(diào)級(jí)傳來(lái)的工況號(hào)，確定各單元執(zhí)行參數(shù)，對(duì)相應(yīng)子環(huán)節(jié)的控制量輸出進(jìn)行計(jì)算，并上傳協(xié)調(diào)級(jí)，根據(jù)協(xié)調(diào)級(jí)傳回指令進(jìn)行控制（注：因各單元只在某一穩(wěn)態(tài)工況下工作，原則上，在此工況下，該環(huán)節(jié)應(yīng)處于單輸入單輸出狀態(tài)，可由基礎(chǔ)控制算法，如PID等實(shí)現(xiàn)）。協(xié)調(diào)級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)執(zhí)行級(jí)單元信息進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)與沖突協(xié)調(diào)。辨識(shí)時(shí)，協(xié)調(diào)程序需對(duì)各基礎(chǔ)單元上報(bào)的風(fēng)、煤、料狀態(tài)進(jìn)行綜合，若各單元間預(yù)判狀態(tài)又沖突，則由仿人規(guī)則進(jìn)行消解，得出工況狀態(tài)號(hào)，最后上傳組織級(jí)；控制時(shí)，協(xié)調(diào)程序根據(jù)組織級(jí)傳送的燒成工況，以及各基礎(chǔ)執(zhí)行級(jí)單元上報(bào)的控制量計(jì)算值，生成控制量輸出值，并下發(fā)執(zhí)行級(jí)，期間通過(guò)仿人規(guī)則，消解各執(zhí)行單元計(jì)算值的沖突 。

　　熟料燒成自動(dòng)控制與過(guò)程優(yōu)化-工況識(shí)別界面

　　2.4生料、熟料粉磨自動(dòng)控制與過(guò)程優(yōu)化(立磨）

　　生料粉磨優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)在專(zhuān)家系統(tǒng)監(jiān)督指導(dǎo)下的多變量控制系統(tǒng)。

　　專(zhuān)家系統(tǒng)主要是根據(jù)實(shí)時(shí)參數(shù)和操作經(jīng)驗(yàn)識(shí)別磨況，并協(xié)調(diào)粗、細(xì)粉倉(cāng)的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷優(yōu)化

　　生料、熟料粉磨自動(dòng)控制與過(guò)程優(yōu)化（球磨）

　　2.5水泥生產(chǎn)優(yōu)化控制軟件介紹

　　熟料燒成過(guò)程控制軟件由三部分組成：數(shù)據(jù)采集；前臺(tái)操作界面；后臺(tái)控制程序

　　數(shù)據(jù)采集功能模塊，即通過(guò)數(shù)據(jù)采集功能模塊采集現(xiàn)場(chǎng)DCS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并儲(chǔ)存于SQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，水泥燒成優(yōu)化軟件實(shí)時(shí)調(diào)用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，并將優(yōu)化控制量輸出到SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，再通過(guò)數(shù)據(jù)采集功能模塊寫(xiě)入到DCS現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。

　　分解爐單元優(yōu)化子系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)如下：將水泥生產(chǎn)分解爐環(huán)節(jié)優(yōu)化控制系統(tǒng)分為兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，即分解爐溫度優(yōu)化設(shè)定系統(tǒng)和分解爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)：分解爐溫度優(yōu)化設(shè)定系統(tǒng)根據(jù)由生料三率值KH、n、p和生料細(xì)度建立起的基于LS-SVM的分解爐溫度預(yù)設(shè)定模型得出分解爐出口溫度的預(yù)設(shè)定值，然后經(jīng)基于專(zhuān)家系統(tǒng)的溫度設(shè)定補(bǔ)償模型和基于Fuzzy系統(tǒng)的溫度設(shè)定校正模型對(duì)分解爐溫度預(yù)設(shè)定值進(jìn)行補(bǔ)償校正，得出當(dāng)前工況下分解爐出口溫度的最優(yōu)設(shè)定值。

　　熟料燒成過(guò)程控制程序：

　　水泥燒成過(guò)程控制程序，主要功能，煤熱值、分解率、燒成帶溫度的軟測(cè)量，分解爐、篦冷機(jī)、高溫風(fēng)機(jī)、窯系統(tǒng)的工況識(shí)別，分解爐、篦冷機(jī)、高溫風(fēng)機(jī)、生料下料、窯系統(tǒng)的優(yōu)化控制。

　　生料、水泥粉磨過(guò)程控制軟件：

　　水泥燒成優(yōu)化系統(tǒng)軟件總體可分為兩個(gè)子模塊組成，自動(dòng)配料、磨機(jī)負(fù)荷控制。

　　生料粉磨優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)在專(zhuān)家系統(tǒng)監(jiān)督指導(dǎo)下的多變量控制系統(tǒng)。

　　專(zhuān)家系統(tǒng)主要是根據(jù)實(shí)時(shí)參數(shù)和操作經(jīng)驗(yàn)識(shí)別磨況，并協(xié)調(diào)粗、細(xì)粉倉(cāng)的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷優(yōu)化

　　3 水泥企業(yè)能源監(jiān)控中心

　　水泥企業(yè)能源監(jiān)控中心：

　　水泥企業(yè)能效管理系統(tǒng)從整體看，相對(duì)復(fù)雜而龐大，針對(duì)國(guó)內(nèi)多數(shù)水泥企業(yè)現(xiàn)狀，該系統(tǒng)的具體實(shí)施可分為兩步走，第一步可先實(shí)現(xiàn)"能耗數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)"，包括："電量采集與管理系統(tǒng)"、"煤耗采集與管理系統(tǒng)"的應(yīng)用，并進(jìn)行初步的能效管理與分析。第二步則完整實(shí)現(xiàn)"能效管理與分析子系統(tǒng)"，實(shí)現(xiàn)水泥運(yùn)營(yíng)過(guò)程的能效科學(xué)管理。

　　3.1 水泥能源監(jiān)控中心系統(tǒng)架構(gòu)和分布

　　此圖為能效管理系統(tǒng)圖，在能效管理中，我們可以對(duì)水泥廠電耗和煤耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，使水泥廠的電耗和煤耗透明化，更好的指導(dǎo)生產(chǎn)。一般水泥廠的電耗可以分為幾下部分：原材料破碎電耗，原材料預(yù)均化電耗，生料粉磨電耗，生料均化電耗，燃料制備電耗，孰料燒成電耗，水泥粉磨電耗，水泥包裝電耗，水泥輸送電耗。孰料燒成電耗，在有的水泥廠分為，窯電耗，煤磨電耗；有的將生料磨電耗也包括其中。 煤耗一般分為以下幾部分：原料烘干煤耗，燃料烘干煤耗，孰料燒成煤耗，混合材料烘干煤耗。

　　3.2 水泥能源監(jiān)控中心系統(tǒng)實(shí)施方案

　?。?）方案一：?jiǎn)为?dú)組網(wǎng)，環(huán)網(wǎng)采用光纖收發(fā)器。系統(tǒng)架構(gòu)圖如下所示：

　　對(duì)電量采集網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行單獨(dú)組網(wǎng)，通過(guò)光纖收發(fā)器和串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)。對(duì)煤耗采集網(wǎng)絡(luò)還是使用原廠的工控環(huán)網(wǎng)。

　　（2）方案二：利用原有DCS環(huán)網(wǎng),系統(tǒng)架構(gòu)圖如下所示

　　電量采集、煤耗采集均沿用原廠工控環(huán)網(wǎng)。對(duì)于有光纖收發(fā)器的電力室可直接接到工控環(huán)網(wǎng)上，對(duì)于沒(méi)有光纖收發(fā)器的電力室要使用光電轉(zhuǎn)換器將該電力室的串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器連接到最近的含有光纖收發(fā)器的電力室，這樣就可以連到工控環(huán)網(wǎng)上。

　　3.3 水泥能源監(jiān)控中心系統(tǒng)-電效管理：

　　此圖顯示了水泥企業(yè)能效管理軟件的一部分功能。

　　此系統(tǒng)具備的功能有：第一，電耗采集功能：（1）各個(gè)電力室的電能和功率實(shí)時(shí)顯示。（2）水泥廠總電量的統(tǒng)計(jì)。（3）單個(gè)電機(jī)和系統(tǒng)的電量查詢。第二，電耗管理功能：（1）生料磨、窯、煤磨、礦山破碎、整條熟料線，噸電耗的統(tǒng)計(jì)和顯示。（2）水泥廠峰谷平電量、產(chǎn)量、噸電耗的查詢（3）各個(gè)電機(jī)實(shí)時(shí)功率和歷史功率曲線的查詢。（4）各個(gè)電機(jī)，各主要環(huán)節(jié)，整條熟料線月份電量的柱狀現(xiàn)實(shí)。（5）各主要環(huán)節(jié)能耗的實(shí)際曲線，與國(guó)標(biāo)，省標(biāo)，行業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，進(jìn)行分析。

　　3.3 水泥企業(yè)能效管理軟件-煤效管理：

　　煤效管理包括了煤耗的熱量收入和熱量支出的統(tǒng)計(jì)。

　　3.4 水泥能源監(jiān)控中心系統(tǒng)-能效分析

　　上圖為各主要環(huán)節(jié)能耗的實(shí)際曲線，與國(guó)標(biāo)，省標(biāo)，行業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比。通過(guò)此圖我們可以很清楚的發(fā)現(xiàn)什么時(shí)間段內(nèi)噸電耗超標(biāo)，然后我們就可以針對(duì)這時(shí)的情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。從而有利于節(jié)能降耗。

　　當(dāng)能耗高出國(guó)標(biāo)，省標(biāo)或者其公司內(nèi)部能耗標(biāo)志后，進(jìn)行分析：

　　首先，可以根據(jù)電流或者功率，分析出電機(jī)是否出現(xiàn)大牛拉小車(chē)的現(xiàn)象。判斷回轉(zhuǎn)窯正常運(yùn)行時(shí)，電流的平均值，進(jìn)而根據(jù)功率計(jì)算公式，算出此時(shí)對(duì)應(yīng)的功率。

　　其次，根據(jù)電流的影響因素，建立數(shù)學(xué)模型或者專(zhuān)家系統(tǒng)，分析出能耗高的原因，給出指導(dǎo)，進(jìn)而有利于企業(yè)的節(jié)能降耗。

　　4 應(yīng)用與推廣

　　已完成

　　山水集團(tuán)世紀(jì)創(chuàng)新水泥有限公司2008

　　山水集團(tuán)平陰水泥有限公司2009

　　棗莊中聯(lián)水泥有限公司2012

　　。。。。。。

　　正在進(jìn)行中

　　山水集團(tuán)微山山水水泥有限公司

　　大同冀東水泥有限公司

　　浙江金元

　　桐鄉(xiāng)南方水泥

　　日照中聯(lián)

　　。。。。。。

　　水泥生產(chǎn)線能耗指標(biāo)對(duì)比

實(shí)際軟測(cè)量效果（燒成帶溫度）：

　　實(shí)踐證明，通過(guò)模糊聚類(lèi)方法獲得樣本數(shù)據(jù)，并通過(guò)LS-SVM訓(xùn)練的燒成帶溫度軟測(cè)量方法取得更好結(jié)果。完全達(dá)到指導(dǎo)自動(dòng)控制與過(guò)程優(yōu)化的目的。

　　實(shí)際控制效果（篦冷機(jī)篦壓）：

　　篦冷機(jī)篦速投入使用自動(dòng)控制之前，手動(dòng)控制的篦下壓力正常狀況下上下波動(dòng)700Pa；用上篦速自動(dòng)控制后，正常狀況下篦冷機(jī)篦下壓力上下波動(dòng)小于400Pa。隨著篦速自動(dòng)控制的穩(wěn)定使用。穩(wěn)定的篦冷機(jī)篦下壓力給窯系統(tǒng)的工藝穩(wěn)定提供了保障。

　　左圖是自動(dòng)控制前篦冷機(jī)篦下壓力變化，從上圖可以看出，手動(dòng)操作時(shí)反應(yīng)相對(duì)滯后，調(diào)整的步長(zhǎng)較大，壓力的波動(dòng)范圍較大。

　　右圖是是自動(dòng)控制篦冷機(jī)篦速后篦冷機(jī)篦下壓力變化，由上圖可以看出，篦下壓力曲線波動(dòng)范圍較小，篦壓較穩(wěn)定。

　　實(shí)際控制效果（分解爐溫度）

　　通過(guò)60小時(shí)的試運(yùn)行，控制效果能達(dá)到并超過(guò)人工，滿足工藝要求，基本不需要人工控制。

　　最后達(dá)到較好的優(yōu)化效果，一天中80%時(shí)間都能控制在正負(fù)6度以內(nèi)，而人工的話偏差在15度左右。

　　DCS程序中，對(duì)溫度的采集時(shí)間設(shè)定太長(zhǎng)，造成進(jìn)入優(yōu)化軟件的數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)跟蹤現(xiàn)場(chǎng)變化，使優(yōu)化效果大打折扣，鑒于這種情況，聯(lián)系相關(guān)人員改變了其采樣時(shí)間

　　主要技術(shù)指標(biāo)：

　　實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯、分解爐控制在線優(yōu)化, 燒成系統(tǒng)能耗降低，最大可節(jié)煤1-5%

　　實(shí)現(xiàn)生料磨負(fù)荷優(yōu)化控制，最大可節(jié)電5%

　　實(shí)現(xiàn)水泥企業(yè)綜合能效監(jiān)控，最大可使企業(yè)綜合能耗降低1.5%

　　工藝和質(zhì)量狀況

　　穩(wěn)定的分解爐出口溫度，減少了系統(tǒng)溫度忽高忽低的波動(dòng)，減緩了框架系統(tǒng)的結(jié)皮現(xiàn)象。穩(wěn)定的篦冷機(jī)篦下壓力，減少了對(duì)二次風(fēng)溫的影響。兩者均保證了工藝的順暢；工藝的順暢，窯況的穩(wěn)定，防止了因窯況波動(dòng)引起的掉窯皮等現(xiàn)象，提高了熟料質(zhì)量的合格率。

　　煤耗

　　分解爐出口溫度的穩(wěn)定控制，既降低了窯系統(tǒng)的煤耗，又穩(wěn)定了窯系統(tǒng)的工藝狀況，使窯工藝狀況更加穩(wěn)定。通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比：投運(yùn)前粉煤灰用量0.4%時(shí)的實(shí)物煤耗151.3Kg/t,窯尾喂煤自動(dòng)控制后粉煤灰用量0.4%時(shí)的實(shí)物煤耗149.2Kg/t，實(shí)物煤耗降低2.1 Kg/t。

　　勞動(dòng)強(qiáng)度

　　窯尾喂煤自動(dòng)控制前，中控員需要時(shí)時(shí)調(diào)整分解爐出口溫度，中控員勞動(dòng)強(qiáng)度大，并且其控制的分解爐出口溫度控制的波動(dòng)范圍較大。窯尾喂煤自動(dòng)控制后，分解爐出口溫度既不用中控員時(shí)時(shí)調(diào)整，而且自動(dòng)控制的溫度波動(dòng)變小，這樣不但保證了窯系統(tǒng)的穩(wěn)定，又大大減輕了中控員和現(xiàn)場(chǎng)巡檢工的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，中控員在寬松環(huán)境下，可進(jìn)一步關(guān)注系統(tǒng)的整體工況與操作優(yōu)化。

　　示范應(yīng)用單位經(jīng)濟(jì)效益：

　　濟(jì)南世紀(jì)創(chuàng)新水泥有限公司：直接節(jié)煤節(jié)電效益：362.37萬(wàn)元

　　平陰山水水泥有限公司：直接節(jié)煤效益：1085萬(wàn)元

　　項(xiàng)目部分成果推廣多家水泥企業(yè)

　　社會(huì)效益：

　　低碳減排

　　降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度

　　清潔生產(chǎn)

　　行業(yè)促進(jìn)

　　提高水泥企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力：不僅可以大幅提高我國(guó)水泥行業(yè)的自動(dòng)化、信息化水平，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，使我國(guó)水泥單產(chǎn)能耗接近國(guó)際先進(jìn)水平。

　　示范作用：而且研究成果可在其它行業(yè)推廣應(yīng)用，對(duì)工業(yè)鍋爐、窯爐等行業(yè)也具有很強(qiáng)的示范帶動(dòng)作用。

　　提高水泥行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益：

　　若在全國(guó)推廣應(yīng)用，年可節(jié)約原煤： 718.2 萬(wàn)噸。

　　年增加經(jīng)濟(jì)效益44.5億元。

　　年減少二氧化碳排放1745.2萬(wàn)噸。