“十一五”期间水泥行业自动化发展报告

1.水泥工业发展政策

“十一五”期间国家对水泥行业发展政策：

1）宏观调控，控制产量，限制发展：从土地、能源、环保、贷款等方面限制。2006年我国的水泥产量已达11.5亿吨，综合考虑水泥与国民经济各领域的关联因素，预测2010年水泥需求量为12亿吨。（实际2006年产量已接近发改委的指标数，为此必须要淘汰高能耗的水泥企业来控制产量）。  

2）淘汰小、允许上大：2005年底新型干法水泥产量达到4.73亿吨，它占水泥总产量的比重为45%。2007.3国家发改委发布了紧急文件，要求限期淘汰高能耗的水泥企业，大水泥集团兼并小企业，发展新型干法水泥生产线，今后发展重点在中西部。

3）节约能源：综合性降耗3%，主要是电耗和热耗。

我国各类水泥窑平均热耗对比：

　　上表可见，新型干法窑热耗指数最低，“十一五”期间热耗要控制在110克/吨熟料千克标准煤，电耗要控制在100 kWh/t 。

4）要求清洁生产和循环生产：“十一五”期间大力推广废弃物综合和纯低温余热发电。纯低温余热发电可降低水泥生产的电耗，节约能源，又可有效的减少水泥生产对环境的废热及粉尘等的污染。“十一五”期间国家要求有40%以上新型干法水泥生产线上纯低温余热发电。

2．新建水泥厂规模

　　“十一五” 期间主要是上新型干法5000t/d 规模水泥生产线，但在中西部地区也可上新型干法2500t/d 规模生产线；粉磨站根据所在地水泥需求量确定规模；纯低温余热发电装机容量和工艺生产线配套。

3．水泥厂自动化系统的投资

　　新型干法5000t/d 规模生产线项目总投资为3~3.5亿元人民币，设备一般占总合同额的50%，电气设备占所有设备采购额的20%左右，仪表与控制系统的总投资约为设备购置费6%~8%。5000t/d 规模生产线设备购置费约为1.5亿元，控制系统费用根据要求不同约为200~300万元，仪表（包括电动执行器）费用约为500~700万元 。2500t/d 规模生产线项目总投资为2~2.5亿元人民币，设备购置费约为0.8~1亿元，仪表与控制系统的总投资约为设备购置费7%~8%,控制系统费用根据要求不同约为150~200万元，仪表（包括执行器）费用约为400~600万元。

关于纯低温余热发电项目投资见下表：

4．“十一五”期间水泥项目

　　“十一五”期间主要通过大水泥集团兼并小企业，上新型干法5000t/d 规模生产线。与该政策相适应，国家发改委、国土资源部、中国人行2006 3001号文件发布国家支持结构调整的大型水泥企业名单，全国性有12个，区域性48个。经笔者调查2007年水泥行业发展形势较乐观，全年水泥国内外项目约为65 ~70个，其中国外EP项目约20~25个。值得一提的是过去中国是水泥设备进口大国，经三十年努力中国已变为水泥设备出口大国，现承建的国外EPC和EP项目包括美国、欧洲、俄罗斯、中东、东南亚、东亚、拉美等地区，电气、自动化设备也作为EP项目的一部分。

5．水泥厂对仪表与控制系统的需求

5.1水泥厂MES的规模与功能；

　　90年代起，我国新投产的大中型干法水泥厂和大型粉磨站，几乎全部采用了计算机控制系统用于控制、监视与管理，但目前大多数水泥厂工厂自动化功能仅用于自动化初级模型的前三级，即还是到SCADA一级，优化控制及专家系统等基本没有；PMIS正在一些大集团开始实施, 但仅作为管理者监控的工具，还没有发挥它的功能；生料质量控制应用较普遍，但仅作为稳定原料成分，还未达到最优化控制；磨机的负荷控制基本未用，特别是在水泥磨的综合控制上和国际先进水平还有一定差距。故对我国水泥工业自动化现今评价是：自动化在生产过程中已起到了稳定生产的作用，但和国际著名的大水泥公司的自动化水平还有较大差距。

　　当今我国水泥行业在国内有影响有实力的大集团有十几家，如海螺、华新、冀东、三狮、亚泰等水泥集团，许多大集团现设有自动化研究机构，有的集团已建成光缆通信网络和MIS系统，如华新集团；某些集团已开始研发ERP，如亚泰集团等。“十一五”期间水泥大集团相继要实现CIM和MES，包括生产管理系统、质量控制系统、物流管理系统，采购管理系统、仓库管理系统、销售子系统、设备管理系统、财务管理系统、办公自动化管理系统和综合管理子系统等。现海螺等集体正在开发ERP，三狮集团和设计院合作在开发CIM和MES，另有些EPC项目业主如沙特SCC等也要求设置MES系统。

5.2水泥生产线对自动化系统的需求

5.2.1 DCS系统的规模与功能

　　据不完全的统计一个典型的5000 t/d 规模的单条水泥生产线，电机在700台左右，双向运转电机约为15台，阀门包括设备内的电磁阀总共数量为853个，电动推杆共82台，还有其他用电设备如收尘器控制箱、计量秤的控制箱、电焊机、电动葫芦等约380台组，为此最典型的t/d 规模生产线，要监控的输入和输出的开关量最少约有2000个。该生产线还需要监控温度、压力、气体成分和浓度、物位、流量、重量、阀门开度等物理参数约为600个，另外需报警的点约为1000个，它包括模拟量和开关量。

　　根据设备的不同、控制策略的不同、控制原理图的不同，同样规模的水泥生产线尽管用电设备数量几乎相同，但在控制系统内设置的输入和输出的点（DI，DO）就可能相差很多。在国际水泥界中，现较公认的是由MCC控制的某一单向电机输入点为3~4个（DI），输出的点为1个（DO）。广州越堡水泥有限公司6000t/d水泥生产线采用的DCS系统是目前国内水泥行业中最大的DCS系统，I/O点数超过17000点，控制系统采用了西门子的PCS7，其中现场控制站为14台AS417-4，上位监控层配备3对冗余服务器, 5台操作员站，1台工程师站。故I/O点数可能相差很多。

　　现今水泥厂广泛应用是具有混合控制策略的PLC/DCS混合系统，主要有ABB的Industry IT(AC800F，M)，Siemens的PCS7，AB的ControlLogix，Schneider 的Quantum （“Unity”也开始应用），它们已作为主导产品在水泥行业推广，并已取得不俗的业绩。

5000t/d 规模生产线DCS 系统配置的I/O表见下：

5．2．2现场总线系统的应用

　　据水泥生产线的特点和现场总线技术的优势，有许多项目在窑尾预热器、窑头篦冷机等热工测控点集中的区域，原料立磨、原料调配秤等数据量较大的配套设备中局部采用现场总线方案，主要采用Profibus 现场总线。由于充分发挥现场总线技术的优势和特点，减少了大量隔离器、端子柜、I/O模块及大量电缆和电缆桥架，同时由于采用现场总线提高了信号的测量、传输和控制精度，提高了系统与设备的性能。形成真正分散在现场的完整的控制系统。吉林亚泰明城5000t/d 熟料线用PA仪表80台。以下为吉林亚泰明城5000t/d 熟料线DCS 系统配置的I/O表：

5.3水泥厂仪表需求的台数，

5.3.1压力变送器：一条5000t/d的水泥生产线，在工艺流程各关键部位必须设置压力变送器，如在窑头、窑尾、各级预热器的顶部和底部、各次风管和冷却机各室等，以监控工艺正常运行，据统计一条新型干法水泥生产线共需设置压力变送器约为80台。现我国的干法水泥厂几乎全采用了智能压力变送器，主要产品有：重庆横河川仪生产的EJA系列变送器 ，E+H的Cerabar S变送器, ABB的MV2000T，西门子的SITRANS P以及罗斯蒙特升级的1151和3051C变送器，有许多厂还选用了带有PROFIBUS-PA协议的智能压力变送器。

5.3.2温度变送器：

　　它也是过程变量变送器中很重要的一类，它也是测量流量、密度及其他过程变量的基本要素之一。据统计一条新型干法水泥生产线共需设置温度变送器约为80~100台。采用温度变送器主要有以下几种形式：

1）风雨型温度变送器

　　这类温度变送器通常装在对变送器性能有很高要求，苛刻的应用场合，如在窑尾、分解炉、五级预热器等。这类温度变送器被封装在密封的壳体内，而这种壳体通常由不锈钢制成，其特点是精确度高、可靠性高、安全性好、防风雨，它的主要缺点是价格较高。它通常都带有现场表头，可现场监视，调整和组态。代表性的产品是EMERSON生产的3144，3244和北京远东的444。

2）DIN导轨安装、仪表盘安装型温度变送器

　　这类温度变送器可以采用DIN导轨安装，通常在控制室内安装使用。它价格便宜、安装和维护简单，可以通过改变组态来匹配不同类型的温度传感器。由于同远程安装的传感器之间的连接导线较长导致测量精确度较低。在水泥厂磨系统使用这类温度变送器。

3）一体化温度变送器

　　这类温度变送器可以直接安装在温度传感器的DIN连接头上，它的优点是安装费用低廉，体积小巧，兼容各种类型的温度传感器。由于这种温度变送器直接安装在温度传感器的接头上，所以电气连接和传感器接线都非常简单。水泥厂的窑系统除要求高的部位外可采用一体化温度变送器，磨系统也选用。

　　另外还带有符合现场总线国际标准的FF或PROFIBUS-PA协议的产品。

5.3.3物位仪表

　　水泥工业中主要是固体物料的物位测量，液位测量则很少。固体物料种类繁多，有块料、颗粒状、粉料，这些物料的介电常数、容重、温度、水分含量也各不相同。一条新型干法水泥生产线共需设置各种物位仪表约为60~70台。

　　接触式测量是过去测量物位的主要手段，如电容式、重锤式、音叉式、阻旋式等测量方法，由于测量时仪表和物料是接触的，在使用过程中往往会出现各种问题，如电容的挂料；重锤的断锤、埋锤；音叉的堵料等，且日常的维护量很大。到20世纪90年代，水泥工业开始采用非接触的物位测量，据统计近几年来新设计的大型水泥厂和粉磨站的各类库和仓近80%采用了各种类型的雷达料位计，另超声波料位计用于测量块料或颗粒状的物料，约占15~20%。水泥厂现大多选用VEGA公司和西门子公司生产的雷达料位计。型号为PLUS54，68和SITRANS LR400，量程最大45m 。

5.3.4流量变送器

　　相对其他行业,各种流量计在水泥工业应用较少，这是由于生产工艺过程中主要介质是物料流和气流，在物料流中则以粉状和颗粒为主，在主工艺流程中液体料流几乎没有，而气流还带有一定的粉尘，并且是在大管道内通过，它给流量测量带来很大的难度。目前正在探索大管道含尘的流量计在水泥行业应用，主要考虑新型差压式均速管流量计和热式流量计。在辅助工艺流程中设置电磁流量计约3~4台。

5.3.5成分分析

　　干法水泥厂的气体分析装置一是用于设备保护，如在窑尾电收尘入口，以及煤磨收尘出口,装设CO分析仪，以检测废气中CO的含量，防止收尘器设备事故，一条新型干法水泥生产线共需设置CO分析仪2~4台。另一目的是作为过程变量用于监控煅烧的工况，如在窑尾烟室设气体分析仪，对窑尾气体成分包括CO、O₂、NO_X进行分析和检测，判断燃料及助燃空气的比例，从而对燃料、风量进行调整控制，保证烧成系统运转在最佳状态。设备保护用的气体分析装置必须安装，但作为过程变量的气体分析装置，由于工况条件恶劣，如窑尾的粉尘含量约2000g/Nm³,温度最高可达1500⁰C ；另装置结构也十分复杂，要取样、预处理、冷却、反吹防堵、流量设定、气体校正和气体分析等，而且用此参数来分析和判断需要一定的工艺知识，其价格贵，维护困难。我国大多水泥厂窑尾的气体分析装置现今已不采用，但要优化工艺过程，我们认为它还是需要的，有的大集团生产线已开始应用。

　　现窑尾的气体分析装置采用机理有湿式和干式两种。干式采样是将粉尘连同试样一起抽进采样系统，再由过滤器滤去其中的粉尘，ABB公司所属的H&B公司采样系统是属干式，现生产的探头为60#，国内四川仪表九厂已引进技术生产成套的气体分析装置。

5.3.6电动执行器

　　典型的5000的单条水泥生产线，电动推杆共82台，设置的电动执行器约为75~85台，现采用除DKJ电动执行器外，在国内水泥厂用的还有天津津达执行器公司的JD系列电动执行器，上海自动化仪表十一厂的IKZL电动执行器，天津仪表七厂引进法国伯纳德（BANADY）技术的AS，BS，RS系列电动执行器，重庆川仪十厂引进德国H&B公司的MOE700/MME800系列电动执行器，还有引进的SIEMENS POSITIONER公司的SIPOS系列电动执行器，德国AUMA系列，英国ROTORK公司的IQ 系列电动执行器等。

5.4水泥厂专用仪表

5.4.1窑胴体测温装置

　　此装置主要用于长时间不间断地实时检测水泥窑筒体表面温度，经分析处理后能客观、及时地反映窑内状况，帮助操作员有效地改善窑的操作,这几年国内一些设计研究院也纷纷开发窑筒体温度扫描监测系统，现大部分生产线采用国内研制的温度扫描监测系统，也有少量的引进国外设备。

5.4.2比色高温计

　　此装置主要用于长时间不间断地实时检测水泥窑内烧成带温度，它一般装在窑门罩上，为此必须配置相应的保护装置，以防镜头等被损坏。目前在新型干法水泥厂常用的比色高温计大多是引进的如西门子的ARDOL等，也有采用国内开发的如合肥金星的光纤比色高温计。

　　由于比色测温效果并不理想，现在市场有引进的测烧成带温度的红外高温计和看火工业电视合二为一新型的自动化装置问世，看火工业电视显示包括烧成带温度在内的各点温度，节省了为比色高温计设置的冷却和清扫装置，同时监控更为直观，

5.5水泥厂需要进口的仪表

5.5.1基本没有需要进口的仪表，个别厂进口主要是美国热电公司开发的跨带式CBX的中子式活化分析仪，可以在线调节配料,减少了原料的成分波动, 使得工艺的波动降到最低.，同时对原料的分析以及控制是实时的高频的工艺过程控制,使得原料的配料均化效果达到最佳结果。.另X射线荧光分析仪还需进口。

5.5.2从环保方面的需求要进口现场测量的激光气体分析仪，主要测定烟筒的粉尘含量。

5.5.3看火工业电视和窑内红外测温系统合二为一新型的自动化装置。   

 主要用于不间断地实时检测水泥窑内煅烧情况，并和DCS系统通信。美国的KURZ 等公司在国内钢铁行业有应用，但在水泥行业还没有采用

6．纯低温余热发电项目

6.1 纯低温余热发电的主机设备和DCS系统

　　国内预分解水泥窑采用纯低温余热发电的主机设备配置主要为：

　　窑头采用余热锅炉（或热交换器），简称为AQC炉；

　　窑尾采用余热锅炉（或热交换器），简称为SP炉；

　　汽轮机，国内采用补汽凝汽式汽轮机；

　　发电机，国内采用空冷式发电机；

　　水处理设备和循环冷却设备。

　　DCS控制系统：其控制点数：DI：200~300，DO: 150~200 ，AI,AO: 150~200，

　　常用系统有西门子公司的PCS7，ABB的INFI-90，浙大中控Web-Field ECS系统以及和利时LED系统，但国产系统的成套性还比较差。

6.2 纯低温余热发电项目仪表需求的台数

　　在各部位如余热锅炉、水处理设备和循环冷却设备等需要监控温度、压力、液位、流量、阀门开度等，约80台，全可采用国内仪表，目前对还没有测量入余热锅炉的流量，因测量还有一定的难度，难度在于新型干法水泥生产线中，热风管道的口径大多是大于1000毫米；另被测的气流是变化的，还带有一定的粉尘，所测的介质是包含气固二相。现有二种方案，一是采用热式流量计，一是采用差压式均速管流量计，拟在海螺集团的纯低温余热发电项目试用。