水泥工业节能和自动化 点击:393 | 回复:1



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发表于:2007-07-02 22:51:00
楼主



摘要:
一.水泥行业节能的迫切性  

“十一五”规划提出了我国要建设资源节约型社会的构想,并明确了我国经济社会发展今年的预期目标,即要求单位国内生总值能耗降低4%左右。水泥生产是连续性很强的流程工业,它也是耗能大户。由于城市建设、房地产、重点建设项目的需求,我国水泥工业发展在前几年曾经历了一个鼎盛时期,2005年我国水泥产量累计约达9亿吨,2010年我国水泥预期产量为12.5亿吨。我国要建设资源节约型社会,水泥工业面临着如何降低能耗,发展综合利用,最大限度减少污染的艰巨任务。据测算生产每吨水泥熟料,在热耗为3142kj/kg时,需0.13吨标准煤(热值为7000kcal),如按年产7亿吨熟料计算,则每年我国水泥行业约需近9000万吨煤,另水泥行业也是用电的大户,生产每吨水泥需100~110度电,如按年产9亿吨水泥,需为水泥行业提供近上千亿度电。现今水泥行业是国家宏观调控的重点,也是节能的重点行业, 在“十一五”期间国家要求新型干法水泥吨熟料热耗下降到110kg标准煤,水泥单位产品综合能耗下降25%。在当前国内外能源供需矛盾突出的情况下,水泥行业必须通过各种途径降低能耗,以获得最佳的经济效益和最高的劳动生产率。  

二.革新工艺,弃小建大,从物流、设备到管理采用MES   

我国水泥行业要综合性降低能耗,首先要摒弃落后的生产工艺,如耗能大的湿法工艺生产;质量性能差,污染重,效率低的立窑生产线等,应改之采用先进的新型干法工艺。当今在我国已有上百条日产5000吨新型干法水泥熟料生产线分布在祖国各地,日产10000吨水泥熟料特大规模的水泥熟料生产线也有五条正在建设中。在“十一五”期间新型干法水泥比重提高到70%,企业平均生产规模要由2005年的20万吨提高到40万吨,同时淘汰落后的生产能力2.5亿吨。目前水泥大集团如海螺、华新、三狮已经纷纷将原有的湿法工艺生产停产。  

工艺设备选型对稳定生产,提高效率和降低能耗和电耗十分关键,如北京水泥厂在生料输送上原采用气力输送,后改为提升机输送,从原来约5kwh/t电耗降到约1kwh/t,另水泥磨或原料磨用立磨替代球磨,电耗将从约35kwh/t降到约17kwh/t;另外窑尾预热器中每级旋风筒和分解炉设计和制造的好坏,直接影响压力损失和传热效果,也就直接系统的热耗和电耗。水泥熟料生产线规模越大,工艺设备的单机容量大,同比热耗和电耗就越低,“十一五”期间要求有实力的大集团兼并小厂,水泥企业户数将减少到3500家左右。  

我国水泥行业大集团粗略统计已有十几家,如海螺、华新、冀东、三狮、亚泰等,其属下有许多水泥熟料厂和粉磨站,如海螺集团今年水泥产量预计达九千万吨,它的水泥熟料厂主要分布在离资源近的安徽等地,并扩展到两广、浙江、江西;而根据水泥市场的需求,粉磨站分布在离市场近的上海、宁波、温州、南通、张家港等城市附近。“十一五”期间前十位的集团生产规模都将达到3000万吨,为此这些集团必需综合调度其生产订单、物流、生产运行、设备管理、实验室信息和销售等,采用MES制造执行系统,促使生产的稳定、协调,并优化生产过程,保证整个生产的高效运转,在提高产品的质量和数量的前提下,将过程信息和整个公司的管理集成在一个信息管理系统中,将能耗降到最低,只有这样,才能获得最佳的经济效益和最高的劳动生产率,并成为效率高、成本低、产品质量优良的企业.。海螺、华新等集团有的已建成PMIS,有的正在积极筹划MES和ERP系统。  

三.采用全集成自动化TIA,实现水泥熟料生产线监控一体化  

一个大中型水泥厂的工艺线通常以一窑和三磨为主体组成不同的工艺区域,同时还有相应的原料、中间物料储存库及输送设备。对于不同规模的水泥工艺线,电机和用电设备的数量相差不多,但其容量却不相同,规模大,设备容量越大,安全保护的措施越多;辅助生产流程包括电站系统及公用工程系统,如供水供热系统和污水处理等,使其构成为一个庞大的综合系统。干法水泥的工艺过程实际上是物料流、燃料流和气流综合的煅烧和控制过程,在气流中又包括冷风、热风、一次风、二次风、三次风,物料流包括原料流和半成品及成品流等,为此在工艺过程要监控温度、压力、气体成分和浓度、还有储存库的物位、流量、重量、阀门开度等,如包括设备本身需监控的参数,一个典型的5000~5500t/d的单条水泥生产需检测的物理参数约为500~600个, 另外需报警的点约为1000个,它包括模拟量和开关量。水泥生产工艺必须通过计算机控制系统及时地监视,并实时调整工艺参数的扰动;特别是对物料流、气流以及原料和燃料流的实时工况和协调关系,协调关系处理好坏将直接影响节能的效果。同时新型水泥干法生产线的工艺设备的单机容量大,如生料立磨的主机电机功率最大可到5MW,与之配套的附属设备较多,它也必须通过计算机控制系统及时地监视设备的运行状况,使其运行在最佳状态,以促使电能消耗最低。一个大型水泥企业所谓全集成自动化,在横向即包括主流程和所有辅助流程全由自动化系统实现监控,如广州越堡水泥公司,它从石灰石原料破碎,长皮带输送直至水泥包装发运系统的主生产流程线及辅助生产流程包括电站系统及公用工程系统,构成为一个功能庞大的计算机控制网络系统;纵向集成理念是从智能监控仪表、电动执行器、电动机的控制回路开始一直到管理系统,通过工业以太网将管理和控制系统集成为一个整体,并优化生产过程,使过程的电耗和热耗最低。目前华新集团已应用TIA理念控制全集团的生产和管理走出了可喜的一步。  

四.全集成能源管理,采用智能监控仪表和最优化控制软件   
  
 笔者认为水泥行业节能,除设备因素外,还应从以下几点着手:一是实现熟料的最佳煅烧,同时要减少热辐射和系统的漏风;二是实现磨系统的最佳负荷控制;三是交流调速系统的普遍应用:由于干法生产线风机的耗电量约占整个厂用电量30%,另增压水泵和循环水泵的装机容量也不小。如将其换成交流调速系统,把消耗在档板和阀门上的能量节省下来,节能效果是很可观的,据统计平均节能在20%左右;四是综合利用废气,实现低温余热发电等;五要逐渐采用替代燃料如废弃轮胎等;六是实现全集成能源管理如电站综合自动化和燃料流的MIS管理等。  

熟料的最佳煅烧是在生产过程稳定前提下,确保熟料质量的一致性,并实现最高生产率和最低的热耗。我国的极大多数的干法水泥生产线基本实现了生产过程稳定,在保证熟料合格前提下,也有较高的生产率,但是否实现了最低的热耗呢?从自动化角度上,笔者认为多数水泥厂工厂自动化功能已实现了 SCADA功能,但还没有到MES一级,优化控制及专家系统等基本没有。设置的智能监控仪表基本能满足工艺要求,但要满足最佳煅烧还不够完善。如反映窑煅烧时辐射的红外筒体扫瞄仪已广泛应用,但大多数水泥厂仅用于窑筒体温度测定,由于软件的局限,红外筒体扫瞄仪还没有和最佳煅烧连在一起,它应能反映烧成带的窑皮情况、结圈大小,耐火砖的烧蚀程度等,由这些信息又间接反映了窑筒体辐射热的大小和节能的潜力,故还没有充分发挥其在节能的功效。   

窑尾的气体分析是很重要的参数,它测定窑尾烟室气体中含的O2,CO,NOX , 这些参数可间接反映窑煅烧情况,系统漏风情况以及所煅烧的熟料质量,也可作为优化或专家控制的重要参数,目前在国内除少数几个水泥厂外,大多数水泥厂没有设置此装置,主要原因是成套设备较复杂且价格较贵,在操作和分析数据方面也有一定难度,但从节能战略角度来看,应该予以重视,而且已有新推出的便于操作的新型探头和取样分析装置,如西门子公司新研制的CEMAT分析装置等。建议大水泥集团在吸取国内外先进厂使用经验逐步加以推广。  
   
优化或专家控制对窑的煅烧工艺是锦上添花,要用好的确不易,但用好了也能节能。国内水泥厂还没有成功的实例,却有失败的经历。现今IT的技术不断发展,智能监控仪表也越来越完善,笔者认为走在水泥行业前端的大集团,可做试点,借鉴如Optimize IT优化专家系统,使工厂运行在最高生产率。在优化或专家控制实施前,也应把有限的PI控制回路投入,如:窑头罩负压控制回路,分解炉出口温度控制回路,增湿塔出口温度控制回路,冷却机蓖床速度控制回路,高温风机出口压力控制回路等。  

水泥厂的电耗集中在三磨,它约占全部电耗的70~80%,降低磨运行的电耗又是节能的重点,其关键是磨运行在最佳的负荷状态,负荷控制回路若能可靠投入运行,即能降低磨运行的电耗。对球磨而言,被控过程变量是磨机和提升机的功率,磨音的频率等;在立磨被控过程变量则是进出口的压差,调节参量是定量给料机的喂料量。 目前国内用PID回路投入的几乎没有,因为它是多变量、非线性、纯滞后的回路,可通过组态为PI的串级回路或开发专家系统、模糊系统、神经单元或建模预估的方法来实现磨机的负荷控制,国外已有较成熟的软件,如CEMAT等。   

五.综合利用废气,实现低温余热发电&nb



李鲁川

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发表于:2009-09-18 00:42:50
1楼

垃圾填埋场CH4气发电工程CDM监测系统总体设计

监测系统总体设计

(该方案已经成功应用于深圳下坪垃圾填埋场,南昌麦园垃圾填埋场,武汉陈家冲垃圾填埋场等的沼气发电项目)


深圳圳电 李鲁川总经理 13902469170


垃圾填埋场填埋气发电工程CDM监测系统采用集散控制技术,总线结构。系统由上位机工作站、数据采集站、现场仪表等组成。根据技术要求,现场测量仪表系统实时采集沼气的体积流量、压力、温度、甲烷浓度等信号并发送给数据采集站。数据采集站对原始采集数据做初步处理,采用工业以太网方式将所有数据高速发送至上位机工作站。上位机工作站通过CDM有关方法学计算出混合气标态流量、纯甲烷标态流量、纯甲烷质量流量等。上位机工作站实时将计算后的数据存入数据库内保存。现场测量仪表、数据采集站、上位机工作站有机的结合为一个整体,构成了CDM项目监测系统。

上位机工作站---是本监测系统的核心, 是系统的信息总汇和命令发布者, 担负着数据计算、记录、统计的重要任务。所有原始数据发送到上位机工作站后,监测系统采用CDM方法学对原始数据进行计算处理,得到用户需要的CDM计量数据,并定时记录到数据库中。 本系统采用双机冗余系统,每套监测系统均配备工程师/操作员站与操作员站,两台机器可同时监控现场设备运行情况,由工程师/操作员站负责数据计算累加,两台机器同时进行数据记录。

数据采集站---是本监测系统数据交换的中心,是连接上位机工作站与现场测量仪表的桥梁。数据采集站通过工业以太网总线将原始测量数据发送至上位机工作站做进一步处理。同时,可以采集现场设备的运行、故障信号并发送至上位机工作站,使操作员在控制室内能了解现场所有设备运行情况。

2、监测系统硬件配置

2.1 上位系统配置如下:

监测系统采用工控机作为上位机,CPU:Intel 奔腾双核,内存:2G,硬盘:160G,网卡:工业以太网卡。

2.2 流量传感器配置如下:

流量传感器采用原装进口智能涡街流量计,共两套,表头有液晶显示瞬时流量及累计流量,瞬时流量按量程输出4-20MA电流信号给流量积算仪表, 精度0.5%。

2.3流量积算仪配置如下:

流量积算仪表采用原装进口WP系列积算仪,其可采集温度,压力及流量信号,瞬时流量及累计流量为经过温度压力补偿后的标况流量,EXCEL报表无须再进行换算。流量积算仪带MODBUS通讯协议,通过VB语言编写的DDE驱动可实现远程监控采集。

2.4 远程通讯模块

采用工业以太网100兆通讯模块与上位机通讯。

2.5发电机组信号采集配置

发电机组的瞬时电量及累计电量,运行状态,报警信号的采集根据发电机组PLC的IP地址及寄存器地址,通过MODICON公司的专用协议进行采集,该数据只作为填埋厂CDM中心现代化可视化管理的一部分,不参与CDM报表系统。

2.6火炬系统信号采集配置

火炬系统信号采集燃烧温度及火炬状态信号,通过西门子PLC的PPI通讯协议采集。

2.7信号的线性及滤波配置

所有信号的线性及滤波都通过专用的信号处理器进行软硬件处理。消除通讯系统干扰。

2.8气体分析仪三地采集时序控制系统配置

气体分析仪三地采集时序控制系统可以实现一套气体分析仪采集三地气体CH4浓度,节省CDM投资成本,该系统采用西门子S7系列PLC进行控制,其采集的一号二号总管;发电管道;火炬管道的CH4浓度信号通过对零压电磁阀的时序控制实现连续测量,其中发电管道的CH4浓度信号通过信号配电分配器输出给发电机组用于机组控制。

3、控制柜

本测控系统的控制柜完全按照IEC国际标准选型,结构设计考虑到合理、美观。达到标准性、通用性、可维修性。

控制柜配备有机架、开关电源、输入输出模块和输出继电器,输出继电器采用原装进口产品、电缆线架和端子排等。


2 垃圾填埋场填埋气发电工程CDM监测系统总体设计

为保证系统信号隔离,配备一台24V直流电源。为仪表和监测系统提供电源。

4、CDM监测系统功能

4.1 系统功能

系统具有监测二套预处理,发电机及CDM相关数据,CDM存档数据可保存十年以上。

4.2、CDM数据的计算及保存

⑴ 原始数据计算的高精确度

本系统采用了先进的现场测量仪表,保证了原始数据的高精确度;采集模块的高精确度A/D转换保证了计量数据采集的高精确度,从流量积算仪读取的现场原始数据均送到上位机工作站。

本CDM监测系统采用了流量积算仪采集—高速工业以太网传输协议传输—KINGSOFT组态的高速采集系统,本CDM监测系统所有现场数据的采样率达到每秒采样一次,保证了气流量累计的精确度。

⑵ 双重数据库数据保存的高可靠性

由于本CDM监测系统采用了KINGSOFT组态软件包Industrial Data Bridge(工业数据桥)配选件包的数据记录方式,系统可以实现双重数据库的高可靠性保存方式。

在KINGSOFT系统每小时将CDM计量数据记录到SQL Server数据库的同时,通过Industrial Data Bridge,程序自动将CDM计量数据转存到另一存储路径的MS Access数据库中。这种双重数据库自动备份方式大大提高了数据记录的可靠性和安全性,也免去了以往所有数据必须人工备份的烦琐操作。

⑶ 系统间数据通信的高扩展性

随着IT技术的发展,现今的工业自动化控制领域信息化、集成化程度大大提高。单独的现场层控制系统已不能满足企业发展的需求,工业自动化控制领域新兴的企业管理层可直接接收所有现场数据信息,各现场数据报表、生产数据趋势图等为企业领导者的对生产管理的掌控及统筹规划提供了极大的便利。

采用了KINGSOFT/Industrial Data Bridge选件包的本CDM监测系统具有数据通信的高扩展性,可随时与其他监测系统进行高性能的数据交换。工业自动化现场的数据可被传送到高层次的IT领域,满足了企业未来发展对数据通信的需求。

4.4、系统运行状况的监控

本监测系统可采集所有现场设备的运行、故障状态,所有的压力、温度、流量值等在屏幕上也有显示,操作员可实时在显示屏上了解系统当前运行状态。如遇设备发生故障或系统发生报警,操作员可立即通过报警信息找出系统的故障点和故障原因,及时采取措施防止故障进一步扩大。

⑴ 本系统应用软件的操作界面友好,具备一般计算机控制系统的常规功能、特性:

l 垃圾填埋气预处理装置运行状态显示;工艺流程动态参数显示;控制方式显示;顺序运行状况显示;有关参数趋势显示,历史数据显示,记录等功能。

l 过程控制回路参数设定值的打印;事故报告打印;班报,月报打印等功能。

l 回路控制和优化软件。

l 过程通讯软件。

l 具有报警优先权,可在当前画面显示任何报警提示。

l 编程、组态、调试和修改等由工程师站完成(授权权限口令)。工程师站配备丰富的相关软件,组态、编程方便,无需另设专用编程器。

l 可完成在线/离线组态或修改等;系统有自诊断等功能。

l 可在线模拟仿真。

⑵ 本系统应用软件除了具备一般计算机控制系统的常规功能、特性和标书的要求外有以下的独特之处:

l 系统界面汉化,包括各种显示画面、报警、记录和生产报表,并有中文操作提示和帮助。

l 操作简易、方便、可靠且易于掌握,对操作人员的要求不高。

l 设备表查询功能,可以在操作界面上,随时查看主要设备的档案和运行状态。

l 专家意见指导功能,一旦发生报警情况,中央操作站将发出报警信息,并用画面方式给出专家指导处理意见。

l 严格的管理功能

如何查清问题,分清责任。计算机控制系统对所有设备发生的故障以及操作过程都有详细的记录。该记录不可更改,并有四级权限口令保护功能。



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