水泥行業(yè)能效管理方案及應(yīng)用研究

王振岳 孫虎云 楊澤原 孫燕明

摘要：為了改善目前水泥行業(yè)能耗高、節(jié)能效果不佳以及能效管理信息化、智能化融合不夠深入，能效管理系統(tǒng)達不到預(yù)期的管理及節(jié)能效果的現(xiàn)狀，文章提出了融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的能效監(jiān)控及分析平臺，最終達到了水泥行業(yè)能效管理層面的自動化、信息化、智能化，節(jié)能降耗層面的高效性、多樣性和可持續(xù)性。

關(guān)鍵詞：水泥行業(yè);節(jié)能降耗;能效管理;物聯(lián)網(wǎng);大數(shù)據(jù)分析技術(shù) 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2016）04-0076-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.04.039

水泥是我國主要高耗能行業(yè)之一，占全國能源消耗總量的7%。在水泥企業(yè)中能耗成本占生產(chǎn)成本近40%～70%，與國際先進水平相比，主要單位產(chǎn)品能耗指標目前仍普遍高15%～20%。主要存在的問題為能源利用效率低、節(jié)能改造沒有達到預(yù)期效果，能效管理信息化、智能化等“兩化”水平低，能效分析手段不夠豐富，能效管理平臺與節(jié)能改造沒有形成一個有效的融合。因此需要一個能夠針對水泥行業(yè)的、能夠涵蓋能效管理全方位的能效管理系統(tǒng)解決方案。

1 能效管理方案綜述

本方案立足于水泥行業(yè)能效管理現(xiàn)狀，通過添加或優(yōu)化煤、電、油的能源數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控子系統(tǒng)，實現(xiàn)從廠區(qū)、水泥生產(chǎn)線、生產(chǎn)工藝到磨主電機等高能耗設(shè)備的四級能耗監(jiān)控，達到能耗過程的透明化、可視化;在監(jiān)控系統(tǒng)之上添加專業(yè)的基于大數(shù)據(jù)的能效管理及分析平臺，用于實現(xiàn)能效大數(shù)據(jù)的全面分析與管理，建立能夠反映具體能效水平的能耗指標評價體系，旨在解決目前企業(yè)能效管理方面存在數(shù)據(jù)實時性不高、能源管控不到位、能源優(yōu)化調(diào)度不完善、能效管理與分析不深入、系統(tǒng)功能單一等問題，提高企業(yè)節(jié)能降耗的技術(shù)水平和創(chuàng)新能力，提升企業(yè)管理的信息化、智能化水平;根據(jù)能效管理系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)分析做支撐進行有效的能源優(yōu)化及更切合實際的節(jié)能改造，最終形成一個如良性且閉環(huán)的能效管理體系，使企業(yè)達到節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本、提高競爭力的目的。

2 能效管理方案實現(xiàn)

該方案的整體功能由數(shù)據(jù)采集及控制層、能效監(jiān)控層、能效數(shù)據(jù)分析層三部分來實現(xiàn)。

2.1 數(shù)據(jù)采集及控制層

2.1.1 數(shù)據(jù)采集部分。用于對能效管理相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集，包括原料破碎、生料制備、熟料鍛燒、水泥制成等生產(chǎn)工序類的相關(guān)工藝參數(shù)以及包括生活區(qū)、廠房等耗能對象的能源類相關(guān)參數(shù)。概括為以下三類：

工藝參數(shù)類：包括各主要工序環(huán)節(jié)的溫度、壓力、濕度、含塵濃度、氣體成分等，如窯尾預(yù)熱器一級旋風(fēng)筒出口含塵濃度和氣體成分在線檢測、窯頭窯尾余熱利用溫度和氣體流量在線監(jiān)測、回轉(zhuǎn)窯溫度在線監(jiān)測、水泥磨內(nèi)溫度和濕度在線監(jiān)測、磨輥溫度在線監(jiān)測等。

質(zhì)量參數(shù)類：包括各類原燃料成分、生料成分的檢測。石灰石等各主要原料的成分檢測、生料分析、煤質(zhì)分析等。

能源使用類：包括煤、電、水、氣的計量，此部分作為能效管理系統(tǒng)最重要的采集內(nèi)容，范圍覆蓋廠區(qū)、水泥生產(chǎn)線、各工序和重點能耗設(shè)備的四級能耗計量。其中電量的采集在能源類占的比重最大，計量點分布廣泛，主要包括以下三個子系統(tǒng)的計量內(nèi)容：

第一，供配電系統(tǒng)。包括總降站及各生產(chǎn)線電力室的進線、重要出線、饋線且含低壓側(cè)損耗部分，實現(xiàn)區(qū)域用電、產(chǎn)品線用電、工序用電及設(shè)備端用電的四級監(jiān)控。從原料破碎、“兩磨一燒”到包裝發(fā)運的每一個工藝環(huán)節(jié)以及從石灰石破碎機，循環(huán)風(fēng)機、磨主電機到熟料皮帶機等每一個高耗能生產(chǎn)設(shè)備，都做到逐級有序的計量與監(jiān)測。主要監(jiān)測數(shù)據(jù)包括電度量、三相電壓、三相電流、功率、頻率、功率因數(shù)等參數(shù)。對于重要負荷會添加電能質(zhì)量監(jiān)測儀進行電能質(zhì)量監(jiān)視，可以及時發(fā)現(xiàn)電能質(zhì)量問題，并對供電設(shè)備遙信信號、報警信號進行采集，實現(xiàn)設(shè)備運行的透明化。

第二，空調(diào)系統(tǒng)。對水泥廠空調(diào)站的鍋爐、泵、冷卻塔、空調(diào)等高耗能設(shè)備進行電度量及設(shè)備運行狀態(tài)的采集，做到實時監(jiān)控，并采集電機的電流、電壓、功率、諧波等數(shù)據(jù)，分析電機的運行情況是否正常，及時改善電機的運行狀態(tài)。

第三，壓縮空氣。采集空壓機設(shè)備的電度量、報警信息及設(shè)備運行狀態(tài)，對空壓機進行遠程實時監(jiān)控，能夠控制電機的啟停，采集電機的電流、電壓、功率、諧波等數(shù)據(jù)，分析電機的運行的情況是否正常，及時改善電機的運行狀態(tài)。

2.1.2 智能控制及能效優(yōu)化部分。增加智能總控單元、就地顯示單元、變頻調(diào)速單元、電能質(zhì)量提升單元、余熱利用等成套設(shè)備，并與上層能效監(jiān)控及分析系統(tǒng)相結(jié)合，通過對影響用能負荷參數(shù)的自動采集、傳輸、存儲、匯總和分析，及時調(diào)整和優(yōu)化供能系統(tǒng)的運行，實現(xiàn)智能起停機、負荷分配、按需供能、提升供能質(zhì)量、設(shè)備運行調(diào)節(jié)、余熱發(fā)電等功能，并最終達到用能優(yōu)化、降低能耗。主要包括以下三個實現(xiàn)模塊：

第一，供配電系統(tǒng)。對于負載變化較大的高壓電機，比如原料磨的循環(huán)風(fēng)機、磨主電機等，根據(jù)設(shè)備的負荷變化及運行工況進行變頻改造，提升用電效率，并關(guān)注低壓側(cè)的電機的負載情況，低壓變頻改造價格低、投資回收期短且節(jié)能效果明顯，應(yīng)優(yōu)先考慮。

第二，電能質(zhì)量提升。部分10kV高壓設(shè)備如水泥磨、破碎機的沖擊負荷高，電壓波動范圍大，應(yīng)采用響應(yīng)時間較快的無功補償裝置，做到無功補償動態(tài)響應(yīng)，改善廠內(nèi)電能質(zhì)量，提高功率因數(shù)。并覆蓋低壓側(cè)變壓器與用電設(shè)備的無功補償，盡量做到就地補償，做好功率因數(shù)和無功補償實時監(jiān)控工作，減少電能損耗。

第三，智能控制。采用智能控制單元PLC+人機界面的控制技術(shù)，根據(jù)用戶實際情況自動設(shè)置設(shè)備開機時間，并進行動態(tài)調(diào)節(jié)動力設(shè)備的輸出，保證空調(diào)系統(tǒng)等隨時處于最佳運行狀態(tài)，減少設(shè)備機械損耗，減少維護量，延長系統(tǒng)壽命。

2.2 能效監(jiān)控層

能效監(jiān)控中心作為整個方案成果的重要展示平臺，由能源流監(jiān)控工作站、生產(chǎn)工藝流監(jiān)控工作站、供配電監(jiān)控工作站、動力系統(tǒng)監(jiān)控工作站、建筑能耗監(jiān)控工作站等多個分項分類的能源監(jiān)控工作站以及工業(yè)庫、服務(wù)器、大屏幕系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施組成。通過對生產(chǎn)運行各個環(huán)節(jié)的能源介質(zhì)（包括電、煤、水、汽等）的采集、存儲、統(tǒng)計，能夠在線監(jiān)測整個企業(yè)的生產(chǎn)能耗動態(tài)過程，實現(xiàn)能源消耗過程的透明化、可視化，并通過總控單元和監(jiān)控系統(tǒng)的邏輯控制功能對工藝和設(shè)備進行優(yōu)化調(diào)節(jié)和過程控制，最終實現(xiàn)能源監(jiān)控運行的信息化、智能化。

2.3 能效數(shù)據(jù)分析層

能效數(shù)據(jù)分析層是在能效監(jiān)控層之上，根據(jù)水泥行業(yè)的業(yè)務(wù)特點和應(yīng)用場景，為了滿足該行業(yè)不同用戶的客制化需求，采用了分層組件式軟件架構(gòu)模式，專門服務(wù)于能效大數(shù)據(jù)分析和能效管理的Portal平臺。

能效分析系統(tǒng)用于對能效監(jiān)控系統(tǒng)所采集的各種能效數(shù)據(jù)進行全面的更深層次的多維度分析，掌握能源消耗的數(shù)量與構(gòu)成、分布與流向，通過多種類比找出企業(yè)用能中存在的問題與不足，查清企業(yè)節(jié)能潛力。通過制定能源計劃、能源實績管理、產(chǎn)品單耗管理、能源成本管理、對標管理、能效分析等功能，建立企業(yè)的用能考核管理體系，并服務(wù)于能源審計和節(jié)能改造項目，為企業(yè)相關(guān)的節(jié)能項目提供數(shù)據(jù)及理論支撐，形成一個閉環(huán)的能效管理體系，最終達到持續(xù)改善企業(yè)用能環(huán)境，為企業(yè)提供更好的產(chǎn)品附加值。

3 能效管理方案應(yīng)用

四川某大型水泥廠擁有三條日產(chǎn)5000噸的熟料新型干法生產(chǎn)線，年產(chǎn)水泥600萬噸，該廠是典型的用能大戶，煤、電、水的費用合計占總成本的70%，能效管理很粗放，只具備較完善的一級計量，二級和三級計量都有很大的補充空間，且沒有專門的能效管理系統(tǒng)，沒有形成有效的能耗監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，不能為企業(yè)的節(jié)能改造和實施方案提供科學(xué)合理的技術(shù)支撐，因此該企業(yè)所具備的節(jié)能空間和技改方案并沒有最終的確認和執(zhí)行。

基于此，采用上述的水泥行業(yè)能效管理方案，首先建立一個完善的涵蓋能源采集、控制、監(jiān)控及能效分析于一體的能效監(jiān)控分析平臺，滿足該企業(yè)能效管理的可視化、信息化、智能化，能夠?qū)崿F(xiàn)多維度的能效分析及能效閉環(huán)管理功能。然后通過能效管理系統(tǒng)提供的精細化的數(shù)據(jù)支撐和能效分析結(jié)果，再與其他能源診斷技術(shù)相結(jié)合，確認該企業(yè)主要的能耗問題表現(xiàn)在變壓器負載率不高、窯尾高溫風(fēng)機和窯頭排風(fēng)機負載率較低、磨機風(fēng)機未處于經(jīng)濟運行狀態(tài)、部分高壓風(fēng)機（如原料磨的循環(huán)風(fēng)機）未進行變頻改造、電能質(zhì)量低、低壓側(cè)損耗高等情況。

針對上述問題采取了配電變壓器的淘汰更新、高效電動機的更換、電動機變頻改造、建立平衡與優(yōu)化分析系統(tǒng)、優(yōu)化相關(guān)水泥生產(chǎn)控制系統(tǒng)、添加無功補償系統(tǒng)等一系列節(jié)能改造措施，為企業(yè)帶來較大的節(jié)能效果。表1為其中的第3號生產(chǎn)線經(jīng)過節(jié)能改造措施后一年所帶來的經(jīng)濟及社會效益：

4 結(jié)語

由表1可見，一個合理的能效管理方案確實能夠為企業(yè)帶來較大價值，因此在制定能效管理方案時應(yīng)以能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能為實施的最終目標，并不能簡單地作為一個能夠進行能源監(jiān)控的SCADA系統(tǒng)，因此只有把管理的信息化、智能化與實實在在的節(jié)能技術(shù)融合在一起且能夠形成良性的互動，才能夠真正發(fā)揮能效管理系統(tǒng)的價值，才能在水泥行業(yè)進行有效的推廣，進而為該行業(yè)的節(jié)能減排帶來更大的效果，同時也為社會創(chuàng)造更大的價值。

作者簡介：王振岳，男，河南平頂山人，許繼集團有限公司系統(tǒng)研發(fā)經(jīng)理，高級工程師，研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護、自動化及節(jié)能技術(shù)。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）