水泥行業能效管理方案及應用研究

王振岳 孫虎云 楊澤原 孫燕明

摘要：為了改善目前水泥行業能耗高、節能效果不佳以及能效管理信息化、智能化融合不夠深入，能效管理系統達不到預期的管理及節能效果的現狀，文章提出了融合物聯網、大數據分析技術的能效監控及分析平臺，最終達到了水泥行業能效管理層面的自動化、信息化、智能化，節能降耗層面的高效性、多樣性和可持續性。

關鍵詞：水泥行業;節能降耗;能效管理;物聯網;大數據分析技術 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之一，占全國能源消耗總量的7%。在水泥企業中能耗成本占生產成本近40%～70%，與國際先進水平相比，主要單位產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、節能改造沒有達到預期效果，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的、能夠涵蓋能效管理全方位的能效管理系統解決方案。

1 能效管理方案綜述

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

2 能效管理方案實現

該方案的整體功能由數據采集及控制層、能效監控層、能效數據分析層三部分來實現。

2.1 數據采集及控制層

2.1.1 數據采集部分。用于對能效管理相關的基礎數據的采集，包括原料破碎、生料制備、熟料鍛燒、水泥制成等生產工序類的相關工藝參數以及包括生活區、廠房等耗能對象的能源類相關參數。概括為以下三類：

工藝參數類：包括各主要工序環節的溫度、壓力、濕度、含塵濃度、氣體成分等，如窯尾預熱器一級旋風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測、回轉窯溫度在線監測、水泥磨內溫度和濕度在線監測、磨輥溫度在線監測等。

質量參數類：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最重要的采集內容，范圍覆蓋廠區、水泥生產線、各工序和重點能耗設備的四級能耗計量。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的計量內容：

第一，供配電系統。包括總降站及各生產線電力室的進線、重要出線、饋線且含低壓側損耗部分，實現區域用電、產品線用電、工序用電及設備端用電的四級監控。從原料破碎、“兩磨一燒”到包裝發運的每一個工藝環節以及從石灰石破碎機，循環風機、磨主電機到熟料皮帶機等每一個高耗能生產設備，都做到逐級有序的計量與監測。主要監測數據包括電度量、三相電壓、三相電流、功率、頻率、功率因數等參數。對于重要負荷會添加電能質量監測儀進行電能質量監視，可以及時發現電能質量問題，并對供電設備遙信信號、報警信號進行采集，實現設備運行的透明化。

第二，空調系統。對水泥廠空調站的鍋爐、泵、冷卻塔、空調等高耗能設備進行電度量及設備運行狀態的采集，做到實時監控，并采集電機的電流、電壓、功率、諧波等數據，分析電機的運行情況是否正常，及時改善電機的運行狀態。

第三，壓縮空氣。采集空壓機設備的電度量、報警信息及設備運行狀態，對空壓機進行遠程實時監控，能夠控制電機的啟停，采集電機的電流、電壓、功率、諧波等數據，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。

2.1.2 智能控制及能效優化部分。增加智能總控單元、就地顯示單元、變頻調速單元、電能質量提升單元、余熱利用等成套設備，并與上層能效監控及分析系統相結合，通過對影響用能負荷參數的自動采集、傳輸、存儲、匯總和分析，及時調整和優化供能系統的運行，實現智能起停機、負荷分配、按需供能、提升供能質量、設備運行調節、余熱發電等功能，并最終達到用能優化、降低能耗。主要包括以下三個實現模塊：

第一，供配電系統。對于負載變化較大的高壓電機，比如原料磨的循環風機、磨主電機等，根據設備的負荷變化及運行工況進行變頻改造，提升用電效率，并關注低壓側的電機的負載情況，低壓變頻改造價格低、投資回收期短且節能效果明顯，應優先考慮。

第二，電能質量提升。部分10kV高壓設備如水泥磨、破碎機的沖擊負荷高，電壓波動范圍大，應采用響應時間較快的無功補償裝置，做到無功補償動態響應，改善廠內電能質量，提高功率因數。并覆蓋低壓側變壓器與用電設備的無功補償，盡量做到就地補償，做好功率因數和無功補償實時監控工作，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，根據用戶實際情況自動設置設備開機時間，并進行動態調節動力設備的輸出，保證空調系統等隨時處于最佳運行狀態，減少設備機械損耗，減少維護量，延長系統壽命。

2.2 能效監控層

能效監控中心作為整個方案成果的重要展示平臺，由能源流監控工作站、生產工藝流監控工作站、供配電監控工作站、動力系統監控工作站、建筑能耗監控工作站等多個分項分類的能源監控工作站以及工業庫、服務器、大屏幕系統等基礎設施組成。通過對生產運行各個環節的能源介質（包括電、煤、水、汽等）的采集、存儲、統計，能夠在線監測整個企業的生產能耗動態過程，實現能源消耗過程的透明化、可視化，并通過總控單元和監控系統的邏輯控制功能對工藝和設備進行優化調節和過程控制，最終實現能源監控運行的信息化、智能化。

2.3 能效數據分析層

能效數據分析層是在能效監控層之上，根據水泥行業的業務特點和應用場景，為了滿足該行業不同用戶的客制化需求，采用了分層組件式軟件架構模式，專門服務于能效大數據分析和能效管理的Portal平臺。

能效分析系統用于對能效監控系統所采集的各種能效數據進行全面的更深層次的多維度分析，掌握能源消耗的數量與構成、分布與流向，通過多種類比找出企業用能中存在的問題與不足，查清企業節能潛力。通過制定能源計劃、能源實績管理、產品單耗管理、能源成本管理、對標管理、能效分析等功能，建立企業的用能考核管理體系，并服務于能源審計和節能改造項目，為企業相關的節能項目提供數據及理論支撐，形成一個閉環的能效管理體系，最終達到持續改善企業用能環境，為企業提供更好的產品附加值。

3 能效管理方案應用

四川某大型水泥廠擁有三條日產5000噸的熟料新型干法生產線，年產水泥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，沒有形成有效的能耗監控和數據分析，不能為企業的節能改造和實施方案提供科學合理的技術支撐，因此該企業所具備的節能空間和技改方案并沒有最終的確認和執行。

基于此，采用上述的水泥行業能效管理方案，首先建立一個完善的涵蓋能源采集、控制、監控及能效分析于一體的能效監控分析平臺，滿足該企業能效管理的可視化、信息化、智能化，能夠實現多維度的能效分析及能效閉環管理功能。然后通過能效管理系統提供的精細化的數據支撐和能效分析結果，再與其他能源診斷技術相結合，確認該企業主要的能耗問題表現在變壓器負載率不高、窯尾高溫風機和窯頭排風機負載率較低、磨機風機未處于經濟運行狀態、部分高壓風機（如原料磨的循環風機）未進行變頻改造、電能質量低、低壓側損耗高等情況。

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、建立平衡與優化分析系統、優化相關水泥生產控制系統、添加無功補償系統等一系列節能改造措施，為企業帶來較大的節能效果。表1為其中的第3號生產線經過節能改造措施后一年所帶來的經濟及社會效益：

4 結語

由表1可見，一個合理的能效管理方案確實能夠為企業帶來較大價值，因此在制定能效管理方案時應以能夠實現節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控的SCADA系統，因此只有把管理的信息化、智能化與實實在在的節能技術融合在一起且能夠形成良性的互動，才能夠真正發揮能效管理系統的價值，才能在水泥行業進行有效的推廣，進而為該行業的節能減排帶來更大的效果，同時也為社會創造更大的價值。

作者簡介：王振岳，男，河南平頂山人，許繼集團有限公司系統研發經理，高級工程師，研究方向：電力系統繼電保護、自動化及節能技術。

（責任編輯：秦遜玉）