面向节能降耗的水泥生产优化控制与能效管理系统

　　1 概述

　　水泥行业在我国国民经济中占据重要地位，就行业平均水平而言，虽然生产工艺与装备已大为改观，但整体表现仍大而不强。

　　大表现为：产量高（年产19亿吨，占世界50%以上）；耗能大（年消耗标煤占全国总量约7%）；碳排放多（二氧化碳排放占全国总量10%以上 ）。

　　不强表现为：管理、自动化水平低（信息孤岛、自动化孤岛现象大量存在）；能效低（行业平均每吨水泥熟料烧成耗标煤比国际先进水平高约15%）。

　　近年来，政府对水泥行业宏观调控措施频出。工信部近期发布的《水泥行业准入条件》中，要求严格控制新增产能,加快淘汰落后产能。同时政府方面明确提出,到"十二五"末,全国水泥生产综合能耗应小于93千克标准煤/吨，氮氧化物排放在2009年基础上进一步降低25%,二氧化碳排放强度也需进一步下降。企业基于自身生存需求及经济效益需求，必须继工艺改造（新型干法生产、预热发电）、设备改造（中高压变频、第四代篦冷机）后，在综合自动化系统及先进控制应用方面寻求支持，以达到减员增效目的。

　　本系统旨在提高水泥企业的自动化水平，降低单产能耗使其达到国际先进水平。

　　针对以上需求，济南大学自动化研究所会同山东恒拓科技发展有限公司进行了项目研发，并先后获得国家发改委资助；国家863资助；山东省科技攻关资助；山东省自然基金资助；在此期间，还与中科院沈阳自动化研究所、山水集团、宝山生态建材、德州中联等单位进行了横向合作；最终研发成功贯穿整个水泥生产设备、单元、车间以及企业运营的面向节能降耗的水泥生产优化控制与能效管理系统，实现了先进的可扩展解决方案。

　　水泥生产工艺流程中存在着复杂的串并联关系。从总的工艺流程看，物料是依次通过生料制备、熟料煅烧、水泥粉磨三个串联阶段，最终得到水泥产品。但在这单一的生产流程中，局部环节上又同时存在着物料流和能流的循环、返流现象。水泥企业既有流程工业的共性，又有自身的个性。

　　本课题在深入分析水泥企业和水泥生产运营特点基础上，借鉴已有成果，采用三层（ERP/MES/PCS)结构，构建了整套的新型干法水泥生产过程全流程优化方法体系与系统总体架构，实现了水泥生产运营的综合信息化，提高了水泥企业的核心竞争力。其重点在PCS和MES层次上

　　技术难点：

　　管理扁平化

　　生产运营环节多，功能诉求多，信息子系统异型、异构网多

　　我国水泥行业相对粗放，人员计算机水平不高，且存在"酒瓶装新酒"现象

　　解决方案：

　　构建整套信息化系统解决方案，用三层（ERP/MES/PCS) 结构代替传统五层结构。

　　完善子系统功能，完成设计规范

　　开放性数据接口：OPC，DDE，ODBC

　　流程再造

　　实现了水泥生产运营的综合信息化，提高了水泥企业的核心竞争力。

　　在深入调查并分析用户需求基础上，我们完成了水泥行业控制系统设计规范 ，包括测点和控制回路的设置、控制系统结构、全流程优化调度与协调控制、设备选型和设备清单。

　　由于本课题的重点是研究水泥行业的优化调度与先进控制，因此，我们重点完成了MES的五个模块和PCS 。左图为MES系统架构示意，右图为PCS的基础自动化系统架构示意，由先进DCS集成而得，而PCS的过程优化部分，已在前面部分，不再赘述。

　　计划分解：以单产能耗最低为目标分解生产计划

　　质量管理：建立生料制备、熟料烧成、水泥粉磨过程的双向质量模型

　　能源管理：监测主要设备的能耗数据，建立能源消耗模型并进行统计分析

　　设备运转状况管理：监测设备运行状态，给出故障原因和操作指导

　　作业调度：根据工况和生产计划任务，下达具体的控制指标

　　节能降耗的重点在于PCS的优化控制系统和MES的能效管理系统（能源监控中心）的建设。

　　整体系统投运后，各运营环节内部及彼此之间的信息流动更合理，更流畅，实现了水泥企业整个生产运营的综合信息化，提高了核心竞争力。

　　水泥生产运营优化需要解决以下几个关键问题:

　　关键问题一：进行良好优化控制的前提是需要对生产线现场信息及时准确的把握，而水泥生产过程中部分关键参数难以获取完备信息.(1、部分关键参数（烧成带温度、分解炉分解率磨机负荷等）无法直接或在线测量。2、我国水泥企业测控点普遍配置少，比国外同类规模企业少25%-50%。)

　　关键问题二：水泥生产过程的复杂特性为自动控制与过程优化带来极大难度。（1、水泥生产过程具有多变量、非线性、大时滞的特性，对过程控制与优化带来极大困难。2、与国外同行业相比，我国水泥企业原材料、燃料波动较大，设备稳定性较差，同样对过程控制与优化带来不利因素。）

　　关键问题三：水泥企业用能水平仍然主要人工定期抄表进行统计，这种方式存在数据滞后、时效性差、数据单一等问题，不能为企业管理与调度人员及时、准确的提供生产实时用能信息，同时不能提供科学的决策支持。

　　为了打破国外技术垄断，同时为了能更好服务通过在自动控制及综合优化方面的技术创新进而实现水泥企业进一步的增产、节能、降耗、减排，我们对项目进行了整体设计。

　　首先通过对烧成带温度、磨机负荷等水泥生产过程关键参数的软测量研究，并基于此进行信息融合，对水泥生产过程现场的实时工况进行识别，解决了水泥生产过程控制信息不完备的问题。其次，通过基于工况识别的智能控制及其他先进控制算法的综合利用，消除了水泥生产过程复杂特性，及我国水泥企业原、燃料成分波动带给过程控制的不利影响。再次，我们给出了综合优化的方法体系与系统架构，有效整合了水泥企业生产运营各环节，实现全流程优化。另外，提出水泥企业能效管理系统解决方案，解决目前用能管理系统（人工抄表）的落后，不能及时而科学地为节能降耗指明方向的关键问题。 基于此，构建了具有自主知识产权的适合我国国情的水泥生产运营优化技术体系及运行平台。

　　2 水泥生产优化控制系统

　　水泥生产优化控制系统按过程特性的不同分为两大部分：烧成系统、粉磨过程

　　2.1水泥生产全流程优化控制技术

　　新型干法水泥生产线优化控制系统解决方案：

　　基于现场信息反馈（DCS信息、化验室数据等）

　　采用面向综合能耗最小指标的生产计划优化分解方法

　　实现了各主要生产单元（粉磨过程及烧成过程）生产任务和设备运行的合理安排，达到水泥生产全流程优化的目的。

　　技术难题：

　　水泥生产过程要求物料的成份稳定和热力系统平衡；而粉磨系统和烧成系统内部，及彼此之间又存在复杂串并联关系。

　　解决方案：

　　根据能源消耗模型和操作经验构建的专家系统，对生产过程进行优化调度，在满足生产工艺指标要求的前题下实现能耗最小。

　　生料磨吨产电耗模型：

　　生料吨产电耗=-0.091 x 生料磨台时产量 - 0.031 x 出磨生料细度 + 37.984

　　烧成吨产电耗模型：

　　烧成吨产电耗=-0.223 x 烧成系统每小时产量 +53.449

　　2.2  水泥生产过程关键工艺参数软测量技术

　　创新点一：新型干法水泥生产过程关键工艺参数软测量技术

　　技术难点：烧成带温度、分解炉分解率、磨机负荷等参数无法直接或在线测量。（其中，烧成带温度以及生料分解率直接关系熟料烧成的质量、产量及能耗；磨机负荷则对磨机的优化控制至关重要。）

　　采用最小二乘支持向量机及人工神经网，在水泥行业首先提出并研发了水泥生产过程关键工艺参数软测量技术，实现了上述参数的等无法直接或在线测量参数的在线估计，并基于此进行信息融合，对水泥生产过程现场的实时工况进行识别，提高了水泥生产过程控制的信息完备性。

　　以烧成带温度软测量为例：其是监控水泥熟料烧成情况的重要标志，其高低直接反映了熟料产品质量的好坏。其在高温旋转的水泥回转窑内呈带状分布，且窑内密布粉尘，难以直接测量。

　　由于无法获取烧成带温度的准确测量值来实施模型校准，采用f-CaO含量为中间变量进行两阶段建模，通过SVM实现在线软测量。

　　（文献证明：在1100℃～1400℃之间，烧成带温度与f-CaO含量近似成线性关系。）

　　2.3熟料烧成自动控制与过程优化

　　孰料烧成系统优化目标：使熟料烧成的综合能耗达到最小 ；质好产高。

　　孰料烧成主要单元控制目标：分解炉温度稳定；烧成带温度稳定（指导）；篦下压力稳定；其他（小仓仓重、入窑生料、窑头负压）……；多过程协调控制。

　　控制难点：

　　关键参数不能直接测量；时变、非线性、强耦合、大滞后；人工操作时被控量波动大、工艺设定裕度大。

　　创新点二：烧成系统燃烧优化控制：熟料烧成系统是水泥生产的核心，也是消耗燃煤主要部分。

　　主要过程变量如图所示：

　　基于工况识别技术，开发了水泥孰料烧成的智能控制系统，实现了烧成燃烧的优化控制，有效降低了水泥熟料烧成 能耗。

　　其中部分变量为软测量量,不再赘述．该过程控制集成应用了多种算法：软测量、神经网络、预测控制、布尔逻辑、模糊算法、PID。

　　水泥熟料烧成过程的自动控制与过程优化采用先稳定后优化的方针。

　　基于工况识别的过程控制

　　系统综合运用PID、模糊、及预测控制算法，主要对分解炉温度、烧成带温度、篦下压力实现了基于工况的智能控制。系统首先进行工况识别，实现对不同窑况的判断，然后针对不同波动类型，采取相应控制方法进行控制。其中工况辨识包括幅值大小的判断、趋势类型的判断以及综合的判定。

　　熟料烧成过程控制以仿人辨识与控制为基础，因此控制系统按递阶控制系统进行架构设计。在当前的理论及技术条件下，智能系统的组织级尚难以很完整的实现，尚需人工设定与干预。软件的设计与开发现重点在基础执行级与中间协调级。其中，执行级实现对具体单元回路进行辨识与控制。辨识时，各单元负责对各子环节影响因素进行实时值及趋势辨识，并将初判的风、煤、料变化状态上传协调级；控制时，执行级各基本单元接受协调级传来的工况号，确定各单元执行参数，对相应子环节的控制量输出进行计算，并上传协调级，根据协调级传回指令进行控制（注：因各单元只在某一稳态工况下工作，原则上，在此工况下，该环节应处于单输入单输出状态，可由基础控制算法，如PID等实现）。协调级实现对基础执行级单元信息进行综合协调与冲突协调。辨识时，协调程序需对各基础单元上报的风、煤、料状态进行综合，若各单元间预判状态又冲突，则由仿人规则进行消解，得出工况状态号，最后上传组织级；控制时，协调程序根据组织级传送的烧成工况，以及各基础执行级单元上报的控制量计算值，生成控制量输出值，并下发执行级，期间通过仿人规则，消解各执行单元计算值的冲突 。

　　熟料烧成自动控制与过程优化-工况识别界面

　　2.4生料、熟料粉磨自动控制与过程优化(立磨）

　　生料粉磨优化控制系统实质上是一个在专家系统监督指导下的多变量控制系统。

　　专家系统主要是根据实时参数和操作经验识别磨况，并协调粗、细粉仓的负荷，实现负荷优化

　　生料、熟料粉磨自动控制与过程优化（球磨）

　　2.5水泥生产优化控制软件介绍

　　熟料烧成过程控制软件由三部分组成：数据采集；前台操作界面；后台控制程序

　　数据采集功能模块，即通过数据采集功能模块采集现场DCS的实时数据，并储存于SQL数据库中，水泥烧成优化软件实时调用SQL数据库的数据进行优化计算，并将优化控制量输出到SQL数据库，再通过数据采集功能模块写入到DCS现场，实现优化控制。

　　分解炉单元优化子系统具体实现如下：将水泥生产分解炉环节优化控制系统分为两部分进行设计，即分解炉温度优化设定系统和分解炉温度自动控制系统：分解炉温度优化设定系统根据由生料三率值KH、n、p和生料细度建立起的基于LS-SVM的分解炉温度预设定模型得出分解炉出口温度的预设定值，然后经基于专家系统的温度设定补偿模型和基于Fuzzy系统的温度设定校正模型对分解炉温度预设定值进行补偿校正，得出当前工况下分解炉出口温度的最优设定值。

　　熟料烧成过程控制程序：

　　水泥烧成过程控制程序，主要功能，煤热值、分解率、烧成带温度的软测量，分解炉、篦冷机、高温风机、窑系统的工况识别，分解炉、篦冷机、高温风机、生料下料、窑系统的优化控制。

　　生料、水泥粉磨过程控制软件：

　　水泥烧成优化系统软件总体可分为两个子模块组成，自动配料、磨机负荷控制。

　　生料粉磨优化控制系统实质上是一个在专家系统监督指导下的多变量控制系统。

　　专家系统主要是根据实时参数和操作经验识别磨况，并协调粗、细粉仓的负荷，实现负荷优化

　　3 水泥企业能源监控中心

　　水泥企业能源监控中心：

　　水泥企业能效管理系统从整体看，相对复杂而庞大，针对国内多数水泥企业现状，该系统的具体实施可分为两步走，第一步可先实现"能耗数据采集与监控子系统"，包括："电量采集与管理系统"、"煤耗采集与管理系统"的应用，并进行初步的能效管理与分析。第二步则完整实现"能效管理与分析子系统"，实现水泥运营过程的能效科学管理。

　　3.1 水泥能源监控中心系统架构和分布

　　此图为能效管理系统图，在能效管理中，我们可以对水泥厂电耗和煤耗进行统计，使水泥厂的电耗和煤耗透明化，更好的指导生产。一般水泥厂的电耗可以分为几下部分：原材料破碎电耗，原材料预均化电耗，生料粉磨电耗，生料均化电耗，燃料制备电耗，孰料烧成电耗，水泥粉磨电耗，水泥包装电耗，水泥输送电耗。孰料烧成电耗，在有的水泥厂分为，窑电耗，煤磨电耗；有的将生料磨电耗也包括其中。 煤耗一般分为以下几部分：原料烘干煤耗，燃料烘干煤耗，孰料烧成煤耗，混合材料烘干煤耗。

　　3.2 水泥能源监控中心系统实施方案

　　（1）方案一：单独组网，环网采用光纤收发器。系统架构图如下所示：

　　对电量采集网络进行单独组网，通过光纤收发器和串口设备联网服务器实现。对煤耗采集网络还是使用原厂的工控环网。

　　（2）方案二：利用原有DCS环网,系统架构图如下所示

　　电量采集、煤耗采集均沿用原厂工控环网。对于有光纤收发器的电力室可直接接到工控环网上，对于没有光纤收发器的电力室要使用光电转换器将该电力室的串口设备联网服务器连接到最近的含有光纤收发器的电力室，这样就可以连到工控环网上。

　　3.3 水泥能源监控中心系统-电效管理：

　　此图显示了水泥企业能效管理软件的一部分功能。

　　此系统具备的功能有：第一，电耗采集功能：（1）各个电力室的电能和功率实时显示。（2）水泥厂总电量的统计。（3）单个电机和系统的电量查询。第二，电耗管理功能：（1）生料磨、窑、煤磨、矿山破碎、整条熟料线，吨电耗的统计和显示。（2）水泥厂峰谷平电量、产量、吨电耗的查询（3）各个电机实时功率和历史功率曲线的查询。（4）各个电机，各主要环节，整条熟料线月份电量的柱状现实。（5）各主要环节能耗的实际曲线，与国标，省标，行业内部标准对比，进行分析。

　　3.3 水泥企业能效管理软件-煤效管理：

　　煤效管理包括了煤耗的热量收入和热量支出的统计。

　　3.4 水泥能源监控中心系统-能效分析

　　上图为各主要环节能耗的实际曲线，与国标，省标，行业内部标准对比。通过此图我们可以很清楚的发现什么时间段内吨电耗超标，然后我们就可以针对这时的情况进行数据分析。从而有利于节能降耗。

　　当能耗高出国标，省标或者其公司内部能耗标志后，进行分析：

　　首先，可以根据电流或者功率，分析出电机是否出现大牛拉小车的现象。判断回转窑正常运行时，电流的平均值，进而根据功率计算公式，算出此时对应的功率。

　　其次，根据电流的影响因素，建立数学模型或者专家系统，分析出能耗高的原因，给出指导，进而有利于企业的节能降耗。

　　4 应用与推广

　　已完成

　　山水集团世纪创新水泥有限公司2008

　　山水集团平阴水泥有限公司2009

　　枣庄中联水泥有限公司2012

　　。。。。。。

　　正在进行中

　　山水集团微山山水水泥有限公司

　　大同冀东水泥有限公司

　　浙江金元

　　桐乡南方水泥

　　日照中联

　　。。。。。。

　　水泥生产线能耗指标对比

 

实际软测量效果（烧成带温度）：

　　实践证明，通过模糊聚类方法获得样本数据，并通过LS-SVM训练的烧成带温度软测量方法取得更好结果。完全达到指导自动控制与过程优化的目的。

　　实际控制效果（篦冷机篦压）：

　　篦冷机篦速投入使用自动控制之前，手动控制的篦下压力正常状况下上下波动700Pa；用上篦速自动控制后，正常状况下篦冷机篦下压力上下波动小于400Pa。随着篦速自动控制的稳定使用。稳定的篦冷机篦下压力给窑系统的工艺稳定提供了保障。

　　左图是自动控制前篦冷机篦下压力变化，从上图可以看出，手动操作时反应相对滞后，调整的步长较大，压力的波动范围较大。

　　右图是是自动控制篦冷机篦速后篦冷机篦下压力变化，由上图可以看出，篦下压力曲线波动范围较小，篦压较稳定。

　　实际控制效果（分解炉温度）

　　通过60小时的试运行，控制效果能达到并超过人工，满足工艺要求，基本不需要人工控制。

　　最后达到较好的优化效果，一天中80%时间都能控制在正负6度以内，而人工的话偏差在15度左右。

　　DCS程序中，对温度的采集时间设定太长，造成进入优化软件的数据不能实时跟踪现场变化，使优化效果大打折扣，鉴于这种情况，联系相关人员改变了其采样时间

　　主要技术指标：

　　实现回转窑、分解炉控制在线优化, 烧成系统能耗降低，最大可节煤1-5%

　　实现生料磨负荷优化控制，最大可节电5%

　　实现水泥企业综合能效监控，最大可使企业综合能耗降低1.5%

　　工艺和质量状况

　　稳定的分解炉出口温度，减少了系统温度忽高忽低的波动，减缓了框架系统的结皮现象。稳定的篦冷机篦下压力，减少了对二次风温的影响。两者均保证了工艺的顺畅；工艺的顺畅，窑况的稳定，防止了因窑况波动引起的掉窑皮等现象，提高了熟料质量的合格率。

　　煤耗

　　分解炉出口温度的稳定控制，既降低了窑系统的煤耗，又稳定了窑系统的工艺状况，使窑工艺状况更加稳定。通过统计数据对比：投运前粉煤灰用量0.4%时的实物煤耗151.3Kg/t,窑尾喂煤自动控制后粉煤灰用量0.4%时的实物煤耗149.2Kg/t，实物煤耗降低2.1 Kg/t。

　　劳动强度

　　窑尾喂煤自动控制前，中控员需要时时调整分解炉出口温度，中控员劳动强度大，并且其控制的分解炉出口温度控制的波动范围较大。窑尾喂煤自动控制后，分解炉出口温度既不用中控员时时调整，而且自动控制的温度波动变小，这样不但保证了窑系统的稳定，又大大减轻了中控员和现场巡检工的劳动强度。同时，中控员在宽松环境下，可进一步关注系统的整体工况与操作优化。

　　示范应用单位经济效益：

　　济南世纪创新水泥有限公司：直接节煤节电效益：362.37万元

　　平阴山水水泥有限公司：直接节煤效益：1085万元

　　项目部分成果推广多家水泥企业

　　社会效益：

　　低碳减排

　　降低工人劳动强度

　　清洁生产

　　行业促进

　　提高水泥企业核心竞争力：不仅可以大幅提高我国水泥行业的自动化、信息化水平，实现节能降耗，使我国水泥单产能耗接近国际先进水平。

　　示范作用：而且研究成果可在其它行业推广应用，对工业锅炉、窑炉等行业也具有很强的示范带动作用。

　　提高水泥行业经济效益：

　　若在全国推广应用，年可节约原煤： 718.2 万吨。

　　年增加经济效益44.5亿元。

　　年减少二氧化碳排放1745.2万吨。