应用在线仿真技术使水泥工业实现节能减排的实践

　　一、前言

　　2002年定了十五攻关计划引导项目数字化电厂，通过五年的攻关完成了数字化电厂关键技术攻关，解决了：

　　（1）仿真、控制、信息三位一体平台，和巨大容量的实时数据库、历史数据库

　　（2）在线仿真技术基本功能、 关键技术的开发

　　2006年底国家验收评价达世界领先水平，也实现了发每度电省4~8克煤耗的可喜结果。

　　尽管领导和专家们希望我们进入流程工业，但我们并没启动，我们只是在数字化电厂系统产业化工作上继续努力，又实现了8台600兆瓦，巩固成果。

　　2010年初，工信部选择了武安地区新峰水泥厂，在政府的鼓励下和新峰集团识国家之大体的精神推动下，共同要为流程工业的节能减排干大事的精神鼓励下，形成了共识和动力。

　　1.2010年3月15日项目启动

　　2.2011年8月系统上线

　　3.2011年12月23日国家成果鉴定

　　4.2012年6月12日工信部组织现场推广会

　　5.2012年8月16日专题研讨会

　　水泥项目的在线仿真开发存在很大难点。全物理、全化学过程的在线数学模型，要在保证质量的前提下实现节能减排，找出切实可行的办法降低能耗，同时推进产业升级。

　　在新峰示范项目的整个过程中难点很多，也因此逼出很多创新点（如：应用近70个软测量，直接控制窑的效率、在线配比、在线能源审计、在线决策控制等）

　　二、关于工业节能减排

　　(一) 节能减排是我国重要的战略部署

　　1. 九届全国人大政府工作报告对节能减排提出了明确的要求：

　　贯彻落实节约资源的基本国策

　　强化重点耗能企业节能管理

　　十一五期间实现单位GDP能耗下降16%

　　2. 十一届全国人大五次会议政府工作报告提出：

　　节能减排的关键是节约能源、提高能效、减少污染

　　要抓紧制定出台合理控制能源消费总量工作方案，加快理顺能源价格体系

　　综合运用经济、法律和必要的行政手段，突出抓好工业、交通、建筑、公共机构、居民生活等重点领域和千家重点耗能企业节能减排

　　(二) 工业节能减排技术发展回顾

　　(三) 流程工业节能减排面临的问题

　　1. 政府发布了《千家企业节能行动实施方向》，但如何用技术手段为政府提供真实可靠的能源利用状况

　　2. 流程工业（包括水泥、钢铁、玻璃、焦化主要高耗能产业）共性存在八类问题

　　共性问题1：流程工业大部分企业没有或没有完善的在线能源管控系统来保证节能减排的需要，实现科学用能，提高能源利用效率

　　共性问题2：没有手段和工具不断的研究能耗现状和优化的方法，没有办法在线进行产品能耗的评价和分析，对主要用能系统进行能效分析和评价，对企业进行能耗综合分析；因此也很难实现在线对标和在线能源审计

　　共性问题3：系统的特点几乎都是多参数、多变量及来料（煤、多种类的原材料等）多变化，质量要求高，比如对水泥而言，主要指标近百个，操作指标、操作参数等关系交叉、复杂，其他工业系统也类同，目前调试、试验的手段差

　　共性问题4：仿真、信息、控制技术在各工业系统和应用参差不齐，特别是不在同一平台上，就很难实现数据的挖掘和全面功能实现

　　共性问题5：全系统信息不在同一平台上，可视化的程度差，看不到或根本看不全，很难掌握生产的全面情况，更谈不上生产优化和能效水平提高。特别是管理和生产信息分离，很难实现管控一体化

　　共性问题6： 测量方面共性问题，①重要参数没有测量仪器；②重量测量误差大，影响能耗测定

　　共性问题7：各种化验不能实时，影响在线功能的实现

　　共性问题8：对重要参量的计算、统计各有标准，很多还没有统一的标准，影响可比性，争议多

　　三、解决问题思想的形成

　　(一) 强烈需求形成解决流程工业节能减排的思想动力

　　我国节能减排任务很重，特别是工业系统能耗量占全国73%以上。

　　工业系统节能的任务是十分重要而艰难的，必须在工信部的领导下，站在解决世界共性问题的高度，响应国家战略部署的需要

　　以落实科学发展观为指导思想，依靠科技创新和先进的科学技术、理念和管理方法研制出满足工业节能需要的大型系统工程产品

　　国家发展需要掌握节能技术发展现状，以及流程工业的节能减排面对的共性问题

　　国家的能源战略是节能优先，而节能的核心就是系统节能，推动了解决问题思路的形成

　　(二) 选择科学用能、系统节能作为解决工业系统节能的理论依据

　　1. 全国节能减排的形势，更换设备、关停设备系统以及开发可再生能源等投资规模已形成，但工业系统如何挖掘、提高能源利用效率没有广泛投入研究和实施。目前很多领导、专家学者提到科学用能、系统节能，它是我国能源战略的核心，是节能的升华。掌握科学用能、系统节能的基本概念、理论和方法是搞好节能工作的关键，需要通过理论应用去指导实现节能的企业需求很多，节能潜力很大。

　　2. 科学用能、系统节能是研究如何高效、安全使用能源，针对不同的复杂系统寻找系统节能的思想方法和分析手段。科学用能是深入研究用能系统的合理配置和用能过程中物质转化与能量转化的基本规律与它们的工程应用。科学用能是从整个系统的角度来研究如何用好能，同时，要对用能的全过程和各个环节进行在线的分析，综合得出结论并应用于工程实践中。

　　3. 解决流程工业面对的节能问题，选择了科学用能、系统节能作为实现节能的理论依据，并与采用先进的创新技术路线相结合。由于仿真技术是解决系统问题的重要技术手段，在线仿真就是解决运行设备在线复杂系统问题的重要工具。

　　(三) 选择在线仿真技术作为解决水泥工业节能问题的核心技术

　　1. 应用高精度、全物理过程的数学模型形成了数字化了的水泥厂作为系统节能减排的试验床

　　2. 进行了仿真、控制、信息、通讯四位一体平台等相关的技术的开发

　　3. 以多项创新技术配合，形成以仿真技术为核心的水泥工业节能减排整体解决方案

　　四、水泥工业节能减排全范围数字化管控技术研发的目标与任务

　　(一) 水泥工业现状

　　1. 行业在设计、制造、产能提高等方面有了快速进步和科技创新，形成水泥大国，也有大量总结，比如：

　　《水泥新型干法生产精细操作与管理》（谢平克老师），十分精辟总结了运行的经验

　　《水泥工业粉磨系统节能增产技术百例》（乔彬老师）， 反应出行业为节能减排做出的努力

　　《新型干法水泥技术原理与应用》一书中，陈全德老师指出："新型干法水泥技术，涵盖了许多丰富的理论和科研成果，指导水泥工业设计、研发、生产等工作不断完善、优化和提升。……要知其然，并且知其所以然，方可切实做好各项工作"

　　2. 从为实现水泥工业的科学用能和系统节能的角度看，还存在一些具体现象和问题

　　仿真、信息、控制技术在各个水泥厂应用的情况参差不齐，特别是都不在同一平台上

　　多参数、多变量及来料（煤、多种类的原材料、工业垃圾等）多变化、质量要求高，主要指标100多个

　　操作指标、操作参数等关系交叉、复杂

　　目前调试、试验的手段差

　　信息不在一个平台，可观察到信息量很少，力量不足，看不到或根本就看不全，很难掌握生产的全面情况

　　测量量少，个别偏差大，设备运行的病态时常出现

　　管理和生产信息分离，很难实现管控一体化

　　各种化验不能实时，影响在线功能的实现

　　计算、统计各有标准，没有统一的标准，争议多

　　(二) 研发的目标

　　鉴于以上状态，为了实现总目标，形成项目研发思想指导下的目标：

　　1. 用数字化实现全厂信息共享：大容量实时数据库、充足容量和速度的网络、大容量历史数据库

　　2. 实现在线诊断、在线分析和控制、在线对标、在线能源审计

　　3. 实现全过程的信息化、科学理念、方法和管理融合

　　4. "科学用能、系统节能"的工具

　　5. 寻求节能最好的效果，力争能耗达国际先进水平

　　(三) 研发措施与功能

　　1. 行综合应用仿真、控制、信息、通讯、网络技术。比如：MOD中的统一门户系统等

　　2. 提高可视化程度。比如：化验的结果全厂共享，窑内的热效率、温度示意图，在线对标结果等

　　3. 基于在线仿真技术支撑各项在线功能的实现，形成节能技术研究、验证的试验床

　　4. 大量采用软测量技术，补充信号少、测不到、不能实时等各种问题

　　5. 采用在线决策控制，实现三磨一窑的智能化控制，维持在线寻优下运行

　　(四) 研发技术路线小结

　　(五) 研发功能的结构图

　　在线仿真系统的建立反映水泥厂运行机理的全范围、全物理过程、高精度仿真动态数学模型，其中数学模型遵循现代化学工程及"三传一反"（传热、传质、动量传递及化学反应）工程原理，特征参数能够正确揭示设备中系统或设备的内在机理

　　实时数据库--数据点个数为1,300,000多个

　　历史数据库--数据点个数为130,000多个

　　数学模型--程序行数总计为234,800多行

　　软测量--点个数为70个

　　五、在线仿真技术简述

　　(一) 仿真技术是重要的战略技术

　　真正发挥仿真技术是重要战略技术的作用，因为仿真技术提供了一个在可控条件下对客观对象进行模拟的虚拟实验室，具有经济、安全、可重复和不受气候、场地、时间限制的优势，被认为是继理论研究和实验研究之后的第三种认识世界和改造世界的重要手段。

　　仿真技术是落实科学发展观的重要手段

　　仿真技术是实现有效社会管理的支撑技术

　　仿真技术在水泥工业发展、提升的应用：

　　1. 提升系统操作、运行水平--培训仿真机

　　2. 支撑设计系统研究--设计研究仿真系统

　　3. 支撑设备制造研究--设备研究仿真机

　　4. 支撑科学用能、系统节能实现节能减排--基于在线仿真的水泥工业数字化管控系统

　　(二) 在线仿真技术的概念

　　在线仿真是指根据运行设备、系统的设计参数和特性参数建立全物理过程的精细数学模型并建立了在线仿真系统，再通过真实运行系统DCS、辅机和需要的实时数据通过数据库进入模型，从而使仿真系统直接取得现场运行状态和操作动作，实时地对当前状态进行仿真计算并跟踪生产线实际运行。

　　(三) 在线仿真技术的主要功能

　　数据采集分析

　　运行状态初始化

　　在线实时运行

　　在线经济性计算

　　异常事件预测

　　节能减排实验床

　　在线信息显示

　　全物理过程的仿真

　　特征参数的在线计算

　　控制系统研究

　　自学习功能

　　DCS系统组态转换

　　在线仿真控制站控制

　　(四) 在线仿真技术的几个要点

　　在线仿真系统介入生产第一线为节能减排的实现提供基础，不是简单的信息组合，是揭示能效如何高效利用的虚拟实验室，是信息技术在工业系统的革命性变化，要点如下：

　　1.建立全范围、全物理过程的精细数学模型

　　2.建立初始化条件

　　3.高精度跟踪机组运行

　　4.机组运行中在线仿真模型可操作

　　5.能实现不同速度运行，快速运行（预警预报）

　　6.多套在线模型在运行，实现特性分析、软测量和特殊需求

　　7.所用的数据是真实运行数据，不仅仅是设计数据

　　8.是实现智能化的基础

　　(五) 在线仿真与离线仿真的关系及区别

　　六、如何应用在线仿真技术解决节能减排

　　(一)基于在线仿真的节能减排系统要达到的主要目标、主要措施与功能

　　1. 主要目标：

　　用数字化实现全厂的信息共享（大容量实时数据库，充足容量和速度的网络，大容量历史数据库）

　　建立高精度、全物理过程的数学模型

　　实现在线状态下用能状态诊断，分析在线对标、在线能源审计、在线控制

　　能实现科学用能、系统节能的研究工具，寻求节能最佳的效果

　　能实现生产优化与管理优化的结合

　　2. 主要措施与功能：

　　综合应用仿真、控制、信息、通讯和网络技术

　　提高可视化程度（如：化验结果、生料配比全厂共享，窑内热效率、磨煤机出力等软测量信号可以作为监控主信号等）

　　基于在线仿真技术支撑各项在线功能的实现，形成节能技术研究、验证的试验床

　　大量采用软测量技术，补充信号少、测不到、不能实时等各类问题

　　采用在线决策控制系统，自动实现智能化控制，维持在线寻优下运行

　　(二)  基于在线仿真技术实现节能减排，需要相关的关键技术开发和高新技术综合应用

　　1. 关键技术开发

　　四位一体的支撑平台（仿真、控制、信息和通讯），支撑整个系统：设计、分调、联调、安装、运行、维修

　　大容量实时数据库和历史数据库

　　一系列工具软件和符合不同行业的算法

　　2. 相关的技术开发

　　研发在线决策控制理论与技术

　　研发软测量技术

　　研发实时质量分析技术

　　大量的分析工具和信息管理技术

应用在线仿真技术实现节能减排任务中在线仿真的地位

　　在线仿真技术在水泥工业节能减排中的重要作用

 

　　在水泥数字化项目中，在线仿真系统涉及的主要内容有：

　　应用仿真技术建立了全范围数学模型

　　采用初始化等技术支持数学模型运行，形成追踪、快退、试验、离线分析、软测量等五种运行方式

　　模型精度采用重要参数工业测量标定

　　基于在线仿真系统形成77项功能

　　数学模型的程序行总行数为235,000多行

　　支撑在线仿真运行及实现各项功能的实施数据库，数据点为1,300,000多个，历史数据库数据点个数为130,000多个

　　七、在线仿真技术在水泥工业系统的节能减排作用

　　(一) 科学用能、系统节能需要研究的内容

　　1.研究系统节能的方向和途径

　　2.生产工序之间的协调配合

　　3.研究平行作业的各设备的负荷分配和优化运行

　　4.研究系统的能源效率和寻找最优煤耗

　　5.生产过程的操作指标、工艺参数及各参数之间的关系

　　6.生产优化与控制参数的配合

　　7.物料配比与产品质量的关系

　　8.企业能耗、利润、成本等多目标间的相互关系，制定年度、季度生产计划

　　9.企业的物质流、能量流的分析及其对总能耗的影响

　　10.研究能源管控中心得供需优化、决策

　　11. 研究智能控制方案的参数验证

　　12.自动维持最优参数和维持优化的智能控制

　　应用在线仿真系统实现水泥生产线节能减排的范围

　　水泥工业节能减排实现的要点：

　　1. 稳：系统稳定、高负荷运行效果将会更好

　　2. 优化参数配合：针对多变量的系统必须在线不断优化

　　3. 在线进行诊断、分析、审计、对标：随时进行校正

　　4. 斤斤计较：系统节能潜力大，要有斤斤计较精神，才能不断提升能耗水平

　　5. 安全：更加注意维护设备、系统运行安全，进而降低能耗成本

　　(二) 解决水泥工业节能减排问题的有力工具

　　1.系统节能需要研究的内容很多，现场也不可能反复试验，因此在线仿真系统就是必需的、不可缺少的研究系统节能的试验床

　　2.在线仿真系统精细的数学模型支撑了大量软测量功能之实现，其软测量和模型运行的中间变量支撑了在线分析、在线对标和在线能源审计等功能

　　3.在线仿真技术支撑了测量信号误差纠正

　　4.借助模型快速计算，变换已知条件计算预测参数的变化

　　5.通过精细的数学模型研究设备特性研究和掌握关键技术

　　6.研究控制方案、控制参数和在线决策控制的理论与技术，以使控制系统能维护能耗最低

　　7.在线仿真系统提供了管理人员和运行人员实现节能的能力和水平，不断挖掘节能潜力

　　8.如何充分应用全范围、全物理过程的在线仿真系统实现水泥工业节能减排：

　　(1)数据核对：利用测试单位的实测数据标定在线仿真系统的数据和校核DCS的数据（检查现场测量）

　　(2)检查在线仿真系统跟踪现场运行参数的精度，校对关键参数和软测量值

　　(3)建立在线仿真系统实验工况对现场能效进行诊断、优化、研制（可进行几十次实验）

　　(4)现场验证系统优化的结果，在实际生产线运行并监测能效变化，节能减排的效果，不断挖潜

　　(5)控制和维持优化运行，各种在线分析结果，指导运行

　　(6)反复优化，不断提升节能减排的效果

　　(7)现场运行结果与仿真系统操作结果比对

　　(8)设定目标寻找方案，提高节能水平

　　八、工业系统应用仿真技术实现节能减排是工业系统重大变革

工业信息化过程中应用的发展

 

　　九、通过实践得到几点认识

　　（一）实现节能减排，领导是关键、技术是助力：

　　节能减排工作是涉及社会、经济、技术等系统工程 。

　　（二）实施工业化与信息化两化融合，可有效推动节能减排的实施：

　　依靠科技创新和科技进步推动流程工业节能减排，有利于生产系统领导、科技人员、操作人员的技术水平和管理水平的提高。

　　（三）实施科学用能、系统节能是核心：

　　多方面的研究和工程实施可加强培养懂工艺和了解仿真技术的人才，加强交叉培训，加快建模技术提升。

　　（四）加强验证队伍的建设，有利于节能减排的实施：

　　全国实施水泥工业系统节能减排的关键环节是要加强节能效果测试。因为，无论是能耗审核，还是在线仿真的验证等都带来工作量。加快验证队伍建设是必要的、是急需的。

　　（五）加强测量技术的研究与开发很重要：

　　有利于在线计量分析，特别对计算方法、修正方法、比较方法等共性问题，加强标准化措施。

　　（六） 政府重视、金融机构、实施单位、技术单位需要紧密结合：

　　政府持续重视以实现水泥工业系统节能减排，实施单位的意愿和资金配套是重要环节，应立即开始进行各种交流，推进各有关单位相结合。