雷振山，溫 平

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

新型干法水泥生產(chǎn)線節(jié)能減排監(jiān)控技術(shù)研究

雷振山1，溫 平2

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

為了實(shí)現(xiàn)水泥生產(chǎn)節(jié)能減排，研究了根據(jù)水泥生產(chǎn)廢氣成分計(jì)算能源消耗和污染物排放數(shù)量的理論與方法，建立了指導(dǎo)水泥生產(chǎn)操作的專家知識(shí)庫(kù)，構(gòu)建了包含多種當(dāng)代最先進(jìn)通信技術(shù)的大規(guī)模監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，使企業(yè)技術(shù)人員和管理人員能夠用各種終端裝置隨時(shí)、隨地、隨身獲取能耗與排放的最新信息，便于及時(shí)調(diào)控生產(chǎn)工藝，保持水泥生產(chǎn)線一直運(yùn)行在最佳的節(jié)能減排狀態(tài)。

水泥生產(chǎn)；節(jié)能減排；智能監(jiān)控

0 引言

目前我國(guó)新型干法水泥生產(chǎn)線已接近兩千條，每年消耗標(biāo)準(zhǔn)煤將近5億t，約占全國(guó)煤產(chǎn)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(shí)施的國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)GB16780－2007《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》對(duì)新型干法水泥生產(chǎn)線的能耗指標(biāo)作了詳細(xì)的要求，GB4915－2004《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》已經(jīng)于2006年1月1日開始實(shí)施。近年來各級(jí)政府對(duì)節(jié)能減排工作還在不斷加大力度，控制新型干法水泥生產(chǎn)線的能源消耗和污染物排放已經(jīng)成為水泥行業(yè)的重要任務(wù)。制約能耗和排放降低的一個(gè)主要因素是缺乏先進(jìn)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù)，目前除了唐山冀東水泥股份有限公司等企業(yè)有8條生產(chǎn)線安裝了唐山奧特機(jī)電設(shè)備有限公司和唐山學(xué)院聯(lián)合開發(fā)的新型干法水泥生產(chǎn)線節(jié)能減排監(jiān)測(cè)系統(tǒng)外，絕大部分生產(chǎn)企業(yè)還缺乏能耗與污染物排放連續(xù)監(jiān)測(cè)手段，能耗統(tǒng)計(jì)采用按月平均的會(huì)計(jì)學(xué)方法，污染物排放采用間斷采樣的監(jiān)測(cè)方法。為此，本研究構(gòu)建了基于氣體分析的能耗與排放信息網(wǎng)絡(luò)，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘和充分利用，形成了具有更高智能的節(jié)能減排監(jiān)控系統(tǒng)。

1 干法水泥生產(chǎn)線節(jié)能減排監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)新型干法水泥生產(chǎn)線的工藝流程和節(jié)能減排監(jiān)控需要確定的監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 干法水泥生產(chǎn)節(jié)能減排監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集器和通訊模塊構(gòu)成。通過安裝在窯尾煙室的高溫氣體分析裝置測(cè)量分析CO，O2，NO氣體成分［1］，主要為計(jì)算燒成帶溫度提供實(shí)時(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；通過安裝在預(yù)熱器出口的中溫氣體分析裝置，測(cè)量分析CO，CO2，O2，NO，SO2氣體成分，為計(jì)算公斤水泥熟料熱耗、噸水泥熟料燃料成本和過?？諝庀禂?shù)提供實(shí)時(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；通過安裝在預(yù)熱器出口的熱風(fēng)流量計(jì)測(cè)量生產(chǎn)線廢氣流量，用于測(cè)量水泥生產(chǎn)過程的廢氣排放量。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析處理、顯示報(bào)警和短周期存儲(chǔ)，并向中控室傳輸、接收操作指令。

1.2 中控室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中控室監(jiān)控系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)通信模塊和遠(yuǎn)程通信模塊構(gòu)成，用于接收現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的原始數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)中心，顯示水泥生產(chǎn)過程的燒成帶溫度、系統(tǒng)漏風(fēng)系數(shù)、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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史曲線，給出能源消耗和污染物排放各項(xiàng)數(shù)據(jù)的分時(shí)段統(tǒng)計(jì)結(jié)果。中控室監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)做初步分析，并轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)中心，接收數(shù)據(jù)中心的操作指導(dǎo)。

1.3 廠區(qū)數(shù)據(jù)用戶

廠區(qū)數(shù)據(jù)用戶通過企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)共享中控室數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心用服務(wù)器接收和存儲(chǔ)各水泥生產(chǎn)企業(yè)的節(jié)能減排數(shù)據(jù)，通過互聯(lián)網(wǎng)和無線移動(dòng)公網(wǎng)向授權(quán)的用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)；深入分析能耗和排放狀況，將專家系統(tǒng)給出的操作指導(dǎo)意見反饋回中控室。

1.5 廠外數(shù)據(jù)用戶

廠外數(shù)據(jù)用戶通過互聯(lián)網(wǎng)訪問數(shù)據(jù)中心。

1.6 移動(dòng)數(shù)據(jù)用戶

移動(dòng)中的用戶通過無線公用網(wǎng)絡(luò)訪問數(shù)據(jù)中心。

環(huán)境管理部門、企業(yè)管理人員和技術(shù)人員根據(jù)各自權(quán)限訪問數(shù)據(jù)中心，隨時(shí)查詢實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、歷史趨勢(shì)變化曲線和監(jiān)控計(jì)算機(jī)畫面等各種信息；取得信息的形式包括數(shù)據(jù)、網(wǎng)頁(yè)、短信、彩信等。根據(jù)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(huán)節(jié)，將自己的指導(dǎo)意見反饋回?cái)?shù)據(jù)中心。

2 節(jié)能減排監(jiān)控系統(tǒng)的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了使企業(yè)的各級(jí)管理人員和各個(gè)職能部門都能及時(shí)、有效地利用能耗與排放數(shù)據(jù)對(duì)企業(yè)節(jié)能減排情況進(jìn)行監(jiān)控，在水泥生產(chǎn)節(jié)能減排監(jiān)控系統(tǒng)中建立了分級(jí)傳輸、集中管理的通信子系統(tǒng)。整個(gè)通信系統(tǒng)服務(wù)于n個(gè)水泥生產(chǎn)企業(yè)，每個(gè)企業(yè)各條生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)使用遠(yuǎn)程終端裝置（Remote Terminal Unit，RTU）傳輸?shù)皆撈髽I(yè)的中控室，各企業(yè)中控室通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)上的通信設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心由專業(yè)的數(shù)據(jù)服務(wù)提供商管理，所有用戶根據(jù)自己的權(quán)限從數(shù)據(jù)服務(wù)器獲取所需信息。采用這種專業(yè)化的數(shù)據(jù)管理模式后，水泥生產(chǎn)企業(yè)可以將更多精力投入到自己熟悉的專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，隨時(shí)隨地放心地使用自己需要的各種信息。而數(shù)據(jù)服務(wù)的提供商擁有專業(yè)的系統(tǒng)維護(hù)人員、豐富的網(wǎng)絡(luò)資源和設(shè)備，可以及時(shí)了解自己提供服務(wù)的各個(gè)企業(yè)節(jié)能減排監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決，為用戶提供從生產(chǎn)線到用戶終端的不間斷全程數(shù)據(jù)服務(wù)。

通信系統(tǒng)既要延伸到環(huán)境條件惡劣的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，又要實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，還要滿足移動(dòng)中通信的需求；同時(shí)為了集中專家的智能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝實(shí)時(shí)調(diào)控，必須進(jìn)行雙向通信。為此，水泥生產(chǎn)節(jié)能減排監(jiān)控系統(tǒng)集成了多項(xiàng)目前最先進(jìn)的通信技術(shù)。

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

SHDSL是在雙絞線上傳輸雙向?qū)ΨQ寬帶數(shù)據(jù)的一種技術(shù)，符合國(guó)際電聯(lián)G.991.2推薦標(biāo)準(zhǔn)，具有長(zhǎng)距數(shù)據(jù)傳輸能力和高帶寬［2］。典型的SHDSL線路每對(duì)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(dá)4.6M的帶寬。只要現(xiàn)場(chǎng)可以提供一對(duì)雙絞線或容易布置一對(duì)雙絞線，就能實(shí)現(xiàn)這種理想的數(shù)據(jù)傳輸方式。根據(jù)試驗(yàn)，用一對(duì)0.51mm2的雙絞線，當(dāng)傳輸帶寬設(shè)定為2Mbps時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸距離可以達(dá)到3.7km左右。本系統(tǒng)中SHDSL主要用在現(xiàn)場(chǎng)沒有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施時(shí)向中控室傳輸數(shù)據(jù)。

2.2 ZigBee技術(shù)

在無線數(shù)傳模塊、數(shù)傳電臺(tái)、ZigBee等無線通信方式中，ZigBee是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本和可靠性高的雙向無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。ZigBee使用2.4G的免費(fèi)頻段，理論上傳輸速率可以達(dá)到240kbps，無遮擋通信距離大約100m，超過100m可以在中間加中繼設(shè)備。ZigBee的自動(dòng)組網(wǎng)功能可以為通信系統(tǒng)建設(shè)帶來極大的便利。本系統(tǒng)中Zig－Bee主要用在現(xiàn)場(chǎng)沒有布線條件時(shí)向中控室傳輸數(shù)據(jù)。

2.3 局域網(wǎng)通信技術(shù)

目前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在企業(yè)中已經(jīng)非常普及，特別是企業(yè)內(nèi)部的局域網(wǎng)一般比較通暢，所以在水泥企業(yè)內(nèi)部相關(guān)部門與中控室之間可以通過局域網(wǎng)共享節(jié)能減排監(jiān)控信息。數(shù)據(jù)傳輸采用美國(guó)國(guó)家儀器公司的DataSocket協(xié)議，這是一種虛擬儀器環(huán)境下的高效率通信協(xié)議。［3］

2.4 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

覆蓋全球的互聯(lián)網(wǎng)為水泥生產(chǎn)節(jié)能減排監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)提供了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚偻ǖ?，用戶在企業(yè)之外需要獲取現(xiàn)場(chǎng)信息時(shí)，可以隨時(shí)上網(wǎng)與數(shù)據(jù)中心建立連接。

當(dāng)水泥生產(chǎn)企業(yè)開放對(duì)外互聯(lián)網(wǎng)接口時(shí)，中控室與數(shù)據(jù)中心的信息也可通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行交換。各企業(yè)的數(shù)據(jù)達(dá)到數(shù)據(jù)服務(wù)器時(shí)都帶有自己的標(biāo)記，數(shù)據(jù)服務(wù)器根據(jù)標(biāo)記將其分別傳遞到相應(yīng)的數(shù)據(jù)管理程序進(jìn)行存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)服務(wù)器為每個(gè)企業(yè)設(shè)置單獨(dú)的用戶名和密碼，保證數(shù)據(jù)的正確性和安全性。

2.5 3G通信技術(shù)

用戶在移動(dòng)中訪問數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的理想方式是通過3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。3G不僅實(shí)現(xiàn)了全球漫游，還有高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)。2.5G移動(dòng)通信的最高速率為156kbit/s，而3G在室內(nèi)、室外和行車的環(huán)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(dá)到7.2 Mbps，它的主導(dǎo)業(yè)務(wù)就是數(shù)據(jù)通信。使用3G手機(jī)或3G上網(wǎng)的其它終端設(shè)備用戶幾乎可以同步瀏覽監(jiān)控計(jì)算機(jī)的界面。

如果企業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)沒有可用的對(duì)外開放端口，從中控室到數(shù)據(jù)中心的通信也可以通過無線公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。

3 水泥生產(chǎn)企業(yè)節(jié)能減排控制策略

水泥生產(chǎn)的控制目標(biāo)是在保證產(chǎn)品質(zhì)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(jù)水泥生產(chǎn)工藝流程，采集水泥生產(chǎn)線的預(yù)熱器出口和旋轉(zhuǎn)窯窯尾等關(guān)鍵部位氣體成分，得到燒成帶溫度、過?？諝庀禂?shù)等反映旋轉(zhuǎn)窯燃燒狀態(tài)的參數(shù)和熟料熱耗；根據(jù)燒成帶溫度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行分析；根據(jù)熟料熱耗和過?？諝庀禂?shù)計(jì)算能源消耗；根據(jù)氣體成分和預(yù)熱器出口氣體流量計(jì)算氮氧化物和二氧化碳排放量。［4］監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)熟料質(zhì)量的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、污染物排放的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和能源消耗的當(dāng)前國(guó)內(nèi)最好水平對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行判斷，如果其中一項(xiàng)或幾項(xiàng)指標(biāo)偏離理想值，則需要調(diào)整喂煤量、送風(fēng)量和送料量等生產(chǎn)工藝參數(shù)。

關(guān)于水泥生產(chǎn)中氣體成分與燃燒狀態(tài)、排放情況和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)系，在現(xiàn)有水泥生產(chǎn)工藝技術(shù)理論中有大量論述［5］，對(duì)這些理論在不同生產(chǎn)條件下進(jìn)行驗(yàn)證并加以修正，形成了節(jié)能減排監(jiān)控系統(tǒng)的知識(shí)基礎(chǔ)和推理規(guī)則。通過調(diào)整喂煤量、送風(fēng)量、送料量等參數(shù)，使水泥生產(chǎn)處于節(jié)能減排的最佳狀態(tài)，這是監(jiān)控系統(tǒng)的最終目標(biāo)，也是技術(shù)難度最大的環(huán)節(jié)。由于不同生產(chǎn)線的生產(chǎn)條件不同，控制策略也有差異。監(jiān)控系統(tǒng)在專家指導(dǎo)下通過小步長(zhǎng)調(diào)節(jié)受控量，逐步趨近控制目標(biāo)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，通過自學(xué)習(xí)逐步代替人工對(duì)操作進(jìn)行指導(dǎo)。

水泥生產(chǎn)節(jié)能減排監(jiān)控流程如圖2所示。

圖2 水泥生產(chǎn)節(jié)能減排監(jiān)控流程示意圖

4 結(jié)論

新型干法水泥生產(chǎn)線節(jié)能減排智能監(jiān)控技術(shù)首次采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分析判斷窯爐燃燒狀態(tài)，以數(shù)值和曲線等形式實(shí)時(shí)顯示水泥熟料生產(chǎn)過程中的熟料熱耗、燒成帶溫度、漏風(fēng)系數(shù)等各項(xiàng)能耗參數(shù)，以及氮氧化物、二氧化碳等污染物排放參數(shù)；構(gòu)建了大規(guī)模的水泥生產(chǎn)節(jié)能減排監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，集成了多種當(dāng)代最先進(jìn)的通信技術(shù)，可將網(wǎng)絡(luò)覆蓋達(dá)到全球范圍；利用專家智能主動(dòng)指導(dǎo)操作，保持水泥生產(chǎn)線一直運(yùn)行在節(jié)能減排最佳狀態(tài)。本監(jiān)控系統(tǒng)先后在唐山冀東水泥股份有限公司等企業(yè)8條日常4 000t以上熟料的生產(chǎn)線上投入使用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，目前正由中國(guó)水泥協(xié)會(huì)組織向全國(guó)水泥生產(chǎn)企業(yè)推廣。

［1］ 陶從喜，趙林，俞為民.水泥工業(yè)節(jié)能減排技術(shù)及裝備的研究進(jìn)展［J］.硅酸鹽通報(bào)，2009（5）：980－985.

［2］ 葉宇煦，肖鵬，楊遠(yuǎn)君.SHDSL接入技術(shù)及其應(yīng)用［J］.電信科學(xué)，2004（3）：36－38.

［3］ 雷振山.LabVIEW高級(jí)編程與虛擬儀器工程應(yīng)用［M］.第2版.北京：中國(guó)鐵道出版社，2012：297－298.

［4］ 雷振山，溫平.水泥生產(chǎn)節(jié)能減排監(jiān)控系統(tǒng)通信技術(shù)［J］.通信技術(shù)，2010（10）：145－147.

［5］ 趙應(yīng)武.預(yù)分解窯水泥生產(chǎn)技術(shù)與操作［M］.北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2008：89－90.

（責(zé)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(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事先進(jìn)測(cè)控技術(shù)研究。