新型干法水泥生產線節能減排監控技術研究

雷振山，溫 平

（1.唐山學院機電工程系，河北唐山063000；2.唐山奧特機電設備有限公司，河北唐山063000）

新型干法水泥生產線節能減排監控技術研究

雷振山1，溫 平2

（1.唐山學院機電工程系，河北唐山063000；2.唐山奧特機電設備有限公司，河北唐山063000）

為了實現水泥生產節能減排，研究了根據水泥生產廢氣成分計算能源消耗和污染物排放數量的理論與方法，建立了指導水泥生產操作的專家知識庫，構建了包含多種當代最先進通信技術的大規模監控網絡，使企業技術人員和管理人員能夠用各種終端裝置隨時、隨地、隨身獲取能耗與排放的最新信息，便于及時調控生產工藝，保持水泥生產線一直運行在最佳的節能減排狀態。

水泥生產；節能減排；智能監控

0 引言

目前我國新型干法水泥生產線已接近兩千條，每年消耗標準煤將近5億t，約占全國煤產量的13%，伴隨著能源的巨大消耗還有大約227萬t氮氧化物和10億t二氧化碳排放。2008年6月1日開始實施的國家強制標準GB16780－2007《水泥單位產品能源消耗限額》對新型干法水泥生產線的能耗指標作了詳細的要求，GB4915－2004《水泥工業大氣污染物排放標準》已經于2006年1月1日開始實施。近年來各級政府對節能減排工作還在不斷加大力度，控制新型干法水泥生產線的能源消耗和污染物排放已經成為水泥行業的重要任務。制約能耗和排放降低的一個主要因素是缺乏先進的動態監控技術，目前除了唐山冀東水泥股份有限公司等企業有8條生產線安裝了唐山奧特機電設備有限公司和唐山學院聯合開發的新型干法水泥生產線節能減排監測系統外，絕大部分生產企業還缺乏能耗與污染物排放連續監測手段，能耗統計采用按月平均的會計學方法，污染物排放采用間斷采樣的監測方法。為此，本研究構建了基于氣體分析的能耗與排放信息網絡，通過對數據進行深入挖掘和充分利用，形成了具有更高智能的節能減排監控系統。

1 干法水泥生產線節能減排監控系統整體結構

根據新型干法水泥生產線的工藝流程和節能減排監控需要確定的監控系統整體結構如圖1所示。

圖1 干法水泥生產節能減排監控系統整體結構

1.1 現場監控系統

現場監控系統由工控機、數據采集器和通訊模塊構成。通過安裝在窯尾煙室的高溫氣體分析裝置測量分析CO，O2，NO氣體成分［1］，主要為計算燒成帶溫度提供實時的基礎數據；通過安裝在預熱器出口的中溫氣體分析裝置，測量分析CO，CO2，O2，NO，SO2氣體成分，為計算公斤水泥熟料熱耗、噸水泥熟料燃料成本和過剩空氣系數提供實時的基礎數據；通過安裝在預熱器出口的熱風流量計測量生產線廢氣流量，用于測量水泥生產過程的廢氣排放量。

現場監控系統對原始數據進行初步分析處理、顯示報警和短周期存儲，并向中控室傳輸、接收操作指令。

1.2 中控室監測系統

中控室監控系統由計算機、現場通信模塊和遠程通信模塊構成，用于接收現場監測的原始數據，將數據轉發給數據中心，顯示水泥生產過程的燒成帶溫度、系統漏風系數、公斤水泥熟料熱耗、噸水泥熟料燃料成本和二氧化碳及氮氧化物排放量的實時數據與歷史曲線，給出能源消耗和污染物排放各項數據的分時段統計結果。中控室監控系統對現場數據做初步分析，并轉發到數據中心，接收數據中心的操作指導。

1.3 廠區數據用戶

廠區數據用戶通過企業內部網絡共享中控室數據。

1.4 數據中心

數據中心用服務器接收和存儲各水泥生產企業的節能減排數據，通過互聯網和無線移動公網向授權的用戶提供數據服務；深入分析能耗和排放狀況，將專家系統給出的操作指導意見反饋回中控室。

1.5 廠外數據用戶

廠外數據用戶通過互聯網訪問數據中心。

1.6 移動數據用戶

移動中的用戶通過無線公用網絡訪問數據中心。

環境管理部門、企業管理人員和技術人員根據各自權限訪問數據中心，隨時查詢實時監測數據、歷史趨勢變化曲線和監控計算機畫面等各種信息；取得信息的形式包括數據、網頁、短信、彩信等。根據這些信息分析判斷能耗與排放是否處于合理的水平以及存在問題的主要環節，將自己的指導意見反饋回數據中心。

2 節能減排監控系統的通信系統設計

為了使企業的各級管理人員和各個職能部門都能及時、有效地利用能耗與排放數據對企業節能減排情況進行監控，在水泥生產節能減排監控系統中建立了分級傳輸、集中管理的通信子系統。整個通信系統服務于n個水泥生產企業，每個企業各條生產線的數據使用遠程終端裝置（Remote Terminal Unit，RTU）傳輸到該企業的中控室，各企業中控室通過監控計算機上的通信設備將數據傳輸到數據中心，數據中心由專業的數據服務提供商管理，所有用戶根據自己的權限從數據服務器獲取所需信息。采用這種專業化的數據管理模式后，水泥生產企業可以將更多精力投入到自己熟悉的專業技術領域，隨時隨地放心地使用自己需要的各種信息。而數據服務的提供商擁有專業的系統維護人員、豐富的網絡資源和設備，可以及時了解自己提供服務的各個企業節能減排監控系統的運行情況，發現問題及時解決，為用戶提供從生產線到用戶終端的不間斷全程數據服務。

通信系統既要延伸到環境條件惡劣的生產現場，又要實現全國范圍的遠距離數據傳輸，還要滿足移動中通信的需求；同時為了集中專家的智能對現場工藝實時調控，必須進行雙向通信。為此，水泥生產節能減排監控系統集成了多項目前最先進的通信技術。

2.1 SHDSL（Symmetric High－speed Digital Subscriber Line——對稱高速數字用戶線路）技術

SHDSL是在雙絞線上傳輸雙向對稱寬帶數據的一種技術，符合國際電聯G.991.2推薦標準，具有長距數據傳輸能力和高帶寬［2］。典型的SHDSL線路每對線的上下行帶寬最大可至2.3M，而以4線傳輸模式提供最高達4.6M的帶寬。只要現場可以提供一對雙絞線或容易布置一對雙絞線，就能實現這種理想的數據傳輸方式。根據試驗，用一對0.51mm2的雙絞線，當傳輸帶寬設定為2Mbps時，數據傳輸距離可以達到3.7km左右。本系統中SHDSL主要用在現場沒有計算機網絡設施時向中控室傳輸數據。

2.2 ZigBee技術

在無線數傳模塊、數傳電臺、ZigBee等無線通信方式中，ZigBee是一種結構簡單、低功耗、低數據速率、低成本和可靠性高的雙向無線網絡通信技術。ZigBee使用2.4G的免費頻段，理論上傳輸速率可以達到240kbps，無遮擋通信距離大約100m，超過100m可以在中間加中繼設備。ZigBee的自動組網功能可以為通信系統建設帶來極大的便利。本系統中Zig－Bee主要用在現場沒有布線條件時向中控室傳輸數據。

2.3 局域網通信技術

目前計算機網絡在企業中已經非常普及，特別是企業內部的局域網一般比較通暢，所以在水泥企業內部相關部門與中控室之間可以通過局域網共享節能減排監控信息。數據傳輸采用美國國家儀器公司的DataSocket協議，這是一種虛擬儀器環境下的高效率通信協議。［3］

2.4 互聯網技術

覆蓋全球的互聯網為水泥生產節能減排監控網絡提供了數據傳輸的高速通道，用戶在企業之外需要獲取現場信息時，可以隨時上網與數據中心建立連接。

當水泥生產企業開放對外互聯網接口時，中控室與數據中心的信息也可通過互聯網進行交換。各企業的數據達到數據服務器時都帶有自己的標記，數據服務器根據標記將其分別傳遞到相應的數據管理程序進行存儲。數據服務器為每個企業設置單獨的用戶名和密碼，保證數據的正確性和安全性。

2.5 3G通信技術

用戶在移動中訪問數據中心服務器的理想方式是通過3G移動通信網絡。3G不僅實現了全球漫游，還有高速數據傳輸的優勢。2.5G移動通信的最高速率為156kbit/s，而3G在室內、室外和行車的環境中能夠分別支持至少2Mbps，384kbps以及144kbps的傳輸速度，最高可以達到7.2 Mbps，它的主導業務就是數據通信。使用3G手機或3G上網的其它終端設備用戶幾乎可以同步瀏覽監控計算機的界面。

如果企業計算機網絡沒有可用的對外開放端口，從中控室到數據中心的通信也可以通過無線公網實現。

3 水泥生產企業節能減排控制策略

水泥生產的控制目標是在保證產品質量的前提下，最大限度地降低能源消耗，減少污染物排放。為此，根據水泥生產工藝流程，采集水泥生產線的預熱器出口和旋轉窯窯尾等關鍵部位氣體成分，得到燒成帶溫度、過剩空氣系數等反映旋轉窯燃燒狀態的參數和熟料熱耗；根據燒成帶溫度對產品質量進行分析；根據熟料熱耗和過剩空氣系數計算能源消耗；根據氣體成分和預熱器出口氣體流量計算氮氧化物和二氧化碳排放量。［4］監控系統根據熟料質量的國家標準、污染物排放的國家標準和能源消耗的當前國內最好水平對生產狀態進行判斷，如果其中一項或幾項指標偏離理想值，則需要調整喂煤量、送風量和送料量等生產工藝參數。

關于水泥生產中氣體成分與燃燒狀態、排放情況和產品質量的關系，在現有水泥生產工藝技術理論中有大量論述［5］，對這些理論在不同生產條件下進行驗證并加以修正，形成了節能減排監控系統的知識基礎和推理規則。通過調整喂煤量、送風量、送料量等參數，使水泥生產處于節能減排的最佳狀態，這是監控系統的最終目標，也是技術難度最大的環節。由于不同生產線的生產條件不同，控制策略也有差異。監控系統在專家指導下通過小步長調節受控量，逐步趨近控制目標，計算機系統對調節參數進行存儲，通過自學習逐步代替人工對操作進行指導。

水泥生產節能減排監控流程如圖2所示。

圖2 水泥生產節能減排監控流程示意圖

4 結論

新型干法水泥生產線節能減排智能監控技術首次采用計算機系統分析判斷窯爐燃燒狀態，以數值和曲線等形式實時顯示水泥熟料生產過程中的熟料熱耗、燒成帶溫度、漏風系數等各項能耗參數，以及氮氧化物、二氧化碳等污染物排放參數；構建了大規模的水泥生產節能減排監控網絡，集成了多種當代最先進的通信技術，可將網絡覆蓋達到全球范圍；利用專家智能主動指導操作，保持水泥生產線一直運行在節能減排最佳狀態。本監控系統先后在唐山冀東水泥股份有限公司等企業8條日常4 000t以上熟料的生產線上投入使用，取得了良好的經濟和社會效益，目前正由中國水泥協會組織向全國水泥生產企業推廣。

［1］ 陶從喜，趙林，俞為民.水泥工業節能減排技術及裝備的研究進展［J］.硅酸鹽通報，2009（5）：980－985.

［2］ 葉宇煦，肖鵬，楊遠君.SHDSL接入技術及其應用［J］.電信科學，2004（3）：36－38.

［3］ 雷振山.LabVIEW高級編程與虛擬儀器工程應用［M］.第2版.北京：中國鐵道出版社，2012：297－298.

［4］ 雷振山，溫平.水泥生產節能減排監控系統通信技術［J］.通信技術，2010（10）：145－147.

［5］ 趙應武.預分解窯水泥生產技術與操作［M］.北京：中國建材工業出版社，2008：89－90.

（責任編校：夏玉玲）

Research on New Dry Process Cement Production Line Energy Saving and Emission Reduction Intelligence Monitoring Technique

LEI Zhen－shan1，WEN Ping2

（1.Department of Electromechanical Engineering，Tangshan College，Tangshan 063000，China；2.Tangshan AOTE Mechanic Electrical Equipment Co.Ltd，Tangshan 063000，China）

In order to realize the energy saving and emission reduction in cement production，the theory and method of calculation of energy consumption and pollutant emission quantity in cement production according to exhaust gas constituents has been researched.A cement production operation guiding expert knowledge base has been built.A large scale monitoring network which contains a variety of most advanced communications technology has been constructed.The technical staff and managers of cement plant can use a variety of terminal device access to the latest information of energy consumption and pollutant emission at any time and anywhere.The production process can be controlled timely to maintain cement production line running in the best condition of energy saving and emission reduction.

cement production；energy saving and emission reduction；Intelligent monitoring

book=8,ebook=8

X781.5；TN929.5

：A

：1672－349X（2012）03－0068－03

2012－04－01

雷振山（1953－），男，河北唐山人，高級實驗師，主要從事先進測控技術研究。