ALC生產線的能源管理系統及分級節能措施

周冬梅，易錫年，李凌宇

（湖南三一快而居住宅工業有限公司裝備研究院，湖南 長沙 410199）

1 引言

ALC（Autoclaved Lightweigh Concrete，蒸壓輕質混凝土）行業面臨著日益趨緊節能減排的硬約束，節能和環保督察在全國各省（區、市）全面覆蓋，部分企業的生產受到限制。能耗和環保達標排放不僅是對企業的最低經營要求，也已經成為一項關乎加氣行業生死存亡的攻堅戰[1]。“工業4.0”時代的來臨，生產過程在自動化的基礎上變得更加智能化。傳感器、自動化儀表等采集了大量的生產過程數據，通過物聯網匯聚到云計算數據中心，再采用相關的智能管理系統進行數據挖掘，挖掘企業存在的節能潛力、生產過程優化空間等， 使其能夠在無人監管的情況下自動、正確地執行系統提供的決策，從而提高生產靈活性和資源利用率[2]。

智能工廠是制造業未來發展趨勢，部分工業制造業企業也在逐步嘗試智能工廠建設，能源監控系統是智能工廠的重要組成部分之一，其主要目的是為企業提供實時電、氣、水等能源資源用量監測。更進一步的目的是進行節能智控，未來智能工廠的能源監控需要針對高耗能和成本敏感型企業，定制設計出符合工廠日常運行安全的節能控制方案[3]。

能源管理平臺是指采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業能源系統的生產、輸配、消耗和回收環節實施集中扁平化的動態監控和數字化管理，改進和優化能源平衡，實現系統性節能降耗的管控一體化系統。就系統結構而言，能源管理平臺充分利用流程工業的電、氣、水等能源信息，利用大數據技術，分析和挖掘工業的節能潛力，優化工業用能，實現能源安全、合理、高效的應用[4]。

就設備而言，傳統的能源管理主要來源于兩個方面：①在保證設備正常運行的情況下對能源進行管理。該能耗管理并沒有考慮設備使用效率對整體生產效率的影響，同時也沒有考慮生產成本高的問題；②工業節能制度和制造執行之間存在著信息不對稱的問題，使得很多企業的能源管理效果比預期低很多[5]。

針對傳統ALC工廠能耗不清晰、能耗高的問題，本文提出了一種ALC生產線的能源管理系統及分級節能措施，能源管理系統在線監控、統計及分析工廠各區域的燃氣、蒸汽和水等能耗情況，分級節能方案在滿足工廠產能和質量的同時幫助ALC工廠降低能源消耗。

2 能源管理系統設計

2.1 ALC工廠能源管理系統設計

ALC工廠的能源消耗主要體現為燃氣消耗、蒸汽消耗、水耗和電耗。

（1）建立從平臺到MES到控制層的通用化協議將工廠能源內容屬性分為燃氣、蒸汽及水等采集內容屬性。將工廠能源區域屬性分為鍋爐、蒸壓釜、靜養、編組預養、澆筑樓及制漿等區域。建立對應的通用化協議。通用化協議中建立對應的配置屬性。通過云平臺端的能源管理后臺管理系統下發對應的配置。

通過配置的生產線的采集內容和采集區域屬性，查詢對應的能源工況，即可讀取生產線能源屬性配置情況下的生產線能耗工況。能耗工況數據通用協議如圖1所示。

圖1 能耗工況數據通用協議

（2）設計通用化的控制程序 控制程序的通信部分按通用化程序配置，即通信部分配置好所有預留采集內容屬性和采集區域屬性的接口。

（3）設計通用化的數據采集接口 為統一數據采集模式，采用通用化的485通信模式采集各終端數據。涉及采集燃氣數據的燃氣表，采集蒸汽數據的流量計，采集水耗的流量計，采集冷凝水數據的流量計及采集電能消耗的智能電表。統一化接口，方便現場硬件布置實施。

（4）根據工廠具體能耗情況布置能耗采集終端 1）蒸汽消耗采集。ALC工廠生產線設備在生產過程中，會消耗大量的蒸汽，這些蒸汽消耗點主要集中在下列幾個區域：①蒸壓釜。一般一條生產線根據布局情況配置有7~10條釜，每釜在對生產線坯體進行蒸養過程中需要消耗大量的蒸汽，蒸壓釜是整個ALC生產線設備中，蒸汽消耗最大的區域。②靜養區域。澆筑完成在模具車中的未成型坯體需要在靜養室內等待坯體靜養成型，為加速成型，一般通過蒸汽管道加熱的方式以維持靜養室在一定的溫度。在這過程中也會消耗大量的蒸汽。③編組預養區域。切割完成的坯體，在入蒸壓釜前，需要先進行編組預養，確保入釜前后的溫差不至于過大，此區域一般也是通過蒸汽管道加熱的方式進行預養，預養過程也會消耗一定量的蒸汽。④澆筑區域。在配料澆筑過程中，工藝上需要對原漿進行加熱，加熱過程需要耗費蒸汽。

根據ALC工廠的典型能耗分布點，布置對應的采集終端，包括渦街流量計、電磁流量計等對重點能耗區域進行能耗數據采集。用汽消耗監測見表1。根據蒸汽消耗，折算出各區域的熱量和燃氣消耗。

表1 用汽消耗監測

2）工廠水耗采集。ALC工廠設備在生產運行過程中需要消耗大量的水，從工廠的用水情況來看，主要集中在以下兩區域：①制漿區域。在制漿過程中，砂子、石膏和一定比例的水進入球磨機進行研磨，1h耗水大約15~20t。②澆注區域。澆注過程中，對應配方都會有一定量的水的需求，因此每模任務在生產過程中會消耗一定量的水。根據生產線用水消耗特點，在對應位置布置對應的流量計對耗水情況進行測量統計。用水消耗監測見表2。

表2 用水消耗監測

3）工廠燃氣消耗采集。ALC工廠設備消耗的蒸汽一般由鍋爐提供，鍋爐運行過程中會消耗一定量的燃氣，燃氣消耗情況可通過客戶安裝的燃氣表獲取，提供485通信接口。用氣消耗監測見表3。

表3 用氣消耗監測

4）工廠電耗采集。ALC工廠生產線一般根據生產設備配置情況，在整個生產線的對應工段配置對應的配電柜，在配電柜內安裝智能電表，即可在線采集對應工段的電能消耗。用電消耗監測見表4。

表4 用電消耗監測

3 工廠分級節能舉措

ALC工廠蒸壓釜的工作過程中的余汽可以通過倒汽措施重復利用，降低工廠蒸汽消耗，蒸養過程中產生的大量冷凝水的熱能可以進行換熱回收利用。這樣可以充分降低工廠的能源消耗。

本文采取分級節能的思路對余汽和冷凝水的余熱進行回收利用。蒸壓釜內0.3MPa以上余汽，在蒸壓釜間進行多階倒汽利用，提高利用率。蒸壓釜0.3MPa以下余汽的熱能，通過熱能回收的1級換熱區給鍋爐軟水進行加熱，蒸養過程中形成大量冷凝水的熱能，通過熱能回收的2級換熱給靜養區及編組區加熱。2級換熱后的水通過3級換熱裝置給澆注用水供熱，如圖2所示。

圖2 多級回收方案

3.1 蒸壓釜的余汽多階利用

蒸壓釜是加汽混凝土生產的關鍵設備，但是其自身的能耗相當高。一般在蒸壓釜倒出余汽以后，其內部的壓力就會逐漸降低，在壓力值降到0.5MPa左右后或倒出蒸汽壓力的大小與受汽蒸壓釜的釜內壓力一致時，余汽就很難再被倒出循環利用[6]。

從蒸汽能源節約和生產效率平衡角度綜合考慮，目前蒸壓釜排汽壓力的確定需要經過長期的生產實踐來摸索一個合理的壓力[7]。

蒸壓釜的自動蒸養工藝過程如圖3所示，分為4個階段：抽真空、倒入汽進汽升壓、恒溫恒壓及倒汽降壓。

圖3 蒸壓釜自動蒸養工藝過程

一條釜在抽完真空后，進入倒入汽升壓前才滿足倒入汽條件，在恒溫恒壓結束后，才能滿足倒出汽條件。所以一對釜要滿足倒汽條件的話，必須是有一條釜要結束恒溫恒壓過程，滿足倒出汽條件，而另一條釜要結束抽真空過程，滿足倒入汽條件。這樣兩釜才能匹配進行倒汽動作。

結合以上蒸養工藝過程，傳統的倒汽方式為一釜向另一釜倒汽到兩釜壓力平衡后，倒出汽釜的余汽直接排放掉，未充分循環利用能量，而且大量余汽直接外排也會污染環境。針對這種情況，本文提出了一種多釜多階自動倒汽方法：當一條倒出汽的釜在倒出余汽到一條需要倒入汽的釜后，倒出汽的釜內余汽還可以繼續利用，倒入到一條壓力更低的倒入汽釜中，倒出汽釜內的余汽循環率達85%以上，降低能源損失。

多釜多階倒汽算法流程：

1）根據各釜恒壓結束后倒出汽請求時長和釜內壓力動態建立倒出汽請求棧。

2）根據各釜抽真空結束后倒入汽請求時長和釜內壓力動態建立倒入汽請求棧。

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3）根據倒出汽請求棧和倒入汽請求棧，根據排隊規則匹配生成倒出倒入汽一階排隊索引棧。

4）在一階排隊索引棧基礎上按2次順序倒出規則插入2階倒汽順序，形成多階倒汽排隊順序棧。

5）多階倒汽排隊順序棧完成后，按棧的順序執行倒出與倒入汽輸出控制。①判斷優先的釜是否已達到倒出倒入的條件（蒸壓周期和生產周轉原因，不能如理想情況下，確保一條釜滿足倒出汽條件時，另一條釜剛好滿足進汽條件）。在一釜滿足倒出汽的條件時，若接受余汽的釜均未滿足倒入汽條件，則倒出汽釜進入倒出等待階段。若此時多條釜經過恒壓階段進入倒出汽階段，則進行倒出汽排隊。在一釜滿足倒入汽的條件時，若倒出汽的釜暫未滿足倒出汽條件，則倒入汽釜進入倒入等待階段。若此時多條釜經過抽真空階段進入倒入汽階段，則進行倒入汽排隊。②在組好隊的倒出汽與倒入汽的釜均滿足條件時，兩釜間進入倒汽階段。倒出汽釜的倒汽閥全開，倒入汽釜的倒汽閥按設定的升壓曲線進行倒汽PID調節，跟隨壓力曲線控制倒汽速度。③當倒出倒入的兩釜壓力達到壓力平衡時，倒出汽的釜關閉倒汽閥進入2階倒出等待階段，倒入汽的釜由倒汽閥切換為進汽閥，按之前設定的升壓曲線進行進汽PID調節。④當3中進入倒出汽等待的釜匹配到有滿足倒入汽條件的釜時，進入2階倒出汽階段，將1階倒出后剩余的余汽倒入到一條暫未進汽的新釜中。⑤當4中二階倒出汽釜和倒入汽新釜間達到壓力平衡時，倒出汽釜結束倒汽，倒入汽釜等待下一條滿足倒出汽條件的來繼續倒汽到該釜中，進入2階倒入汽。⑥按倒出倒入多階排隊索引棧執行下一階段。

6）處于倒汽中的釜出現異常報警時，剔除出現故障的釜，生成新的多階倒汽排隊索引棧。按新的多階倒汽排隊索引棧執行倒汽流程。

3.2 余汽與冷凝水余熱多級回收

蒸壓釜的0.3MPa以下的余汽，通過1級換熱裝置進行換熱，對鍋爐的軟水加熱，如圖4所示。

圖4 1級換熱示意圖

當蒸壓釜一釜倒汽完成，該釜對應的排氣閥打開，尾氣進入排氣分汽缸，排汽分汽缸上對應的尾氣排氣閥打開，此時若檢測到尾氣的溫度高于設定的增壓泵開啟溫度時，連接1級換熱水箱的增壓泵開啟，加速進行從蒸壓釜排出的高溫尾氣的回收。當溫度低于一定值時，增壓泵關閉。

當1級換熱水箱液位過低或者溫度過低時，換熱循環泵關閉，停止1級換熱過程。

蒸養過程中產生的冷凝水進入到2級換熱的保溫水箱，當靜養區域或者編組預養區域的溫度達不到設定的靜養或者預養溫度，且2級換熱保溫水箱的溫度和液位高于設定的換熱溫度和液位時，靜養區或編組區對應的換熱循環泵開啟，同時靜養區和編組區內軸流風機開啟，加速散熱，提高靜養區和編組區溫度。2級換熱示意圖如圖5所示。

圖5 2級換熱示意圖

當2級換熱保溫水箱的液位達到排污液位時，對應的排污泵開啟，熱水給澆注區域供水，提高澆注區域原漿的溫度，減少澆注攪拌機原漿加熱時的蒸汽耗量。

4 能源管理系統及工廠分級節能數據

通過搭建能源管理系統云平臺，對工廠的能耗情況進行監測、統計。在云平臺的總覽圖上可直觀看到ALC工廠各能耗區域的能耗情況。如圖6所示。

圖6 能源管理系統總覽圖

通過云平臺上的趨勢分析圖，可直觀看到各區域能耗的統計信息和趨勢情況，在趨勢圖中可直觀看到每天、每月及每年的能耗情況，并給出各區域耗能排名。

通過分級節能中的多釜多階倒汽功能，蒸壓釜的余汽進一步利用，一釜余汽倒汽到一條需要進氣的釜后，再倒入另一條需要進氣的低壓的釜，充分利用了余汽，降低蒸汽消耗。

通過多級熱能回收系統，ALC工廠靜養區域和編組預養區域由傳統的蒸汽直通加熱變為冷凝水換熱模式，相對傳統蒸汽直通加熱靜養和編組區域的模式消耗大量的蒸汽。利用冷凝水熱能換熱的模式充分利用了冷凝水的熱能，降低了工廠的蒸汽消耗，而這些熱能在傳統蒸汽直通加熱靜養區和編組區的工廠，往往直接被浪費掉。

5 結論

本文針對裝配式建筑領域ALC工廠普遍存在能源消耗情況不直觀的問題和工廠汽耗過大，熱量損失和能量浪費的問題，提出了一種ALC生產線的能源管理系統及分級節能措施，并完成在ALC生產線的實施部署。通過實施部署數據表明，ALC能源管理系統能在線實時監測工廠的能源消耗，并能對工廠能耗進行統計分析，給出能耗區域排名和用能趨勢曲線。分級節能中的多階倒汽技術能充分利用釜間余汽，降低能源損耗，分級回收技術利用尾汽和冷凝水的熱能，1級給鍋爐軟水加熱，2級給靜養區和編組區加熱，3級給澆注區供熱，降低了工廠的蒸汽消耗。ALC生產線的能源管理系統及分級節能措施為打造ALC綠色工廠提供了參考。