周冬梅，易錫年，李凌宇

（湖南三一快而居住宅工業(yè)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(zhì)混凝土）行業(yè)面臨著日益趨緊節(jié)能減排的硬約束，節(jié)能和環(huán)保督察在全國各省（區(qū)、市）全面覆蓋，部分企業(yè)的生產(chǎn)受到限制。能耗和環(huán)保達(dá)標(biāo)排放不僅是對企業(yè)的最低經(jīng)營要求，也已經(jīng)成為一項關(guān)乎加氣行業(yè)生死存亡的攻堅戰(zhàn)[1]?！肮I(yè)4.0”時代的來臨，生產(chǎn)過程在自動化的基礎(chǔ)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(chǎn)過程數(shù)據(jù)，通過物聯(lián)網(wǎng)匯聚到云計算數(shù)據(jù)中心，再采用相關(guān)的智能管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)挖掘，挖掘企業(yè)存在的節(jié)能潛力、生產(chǎn)過程優(yōu)化空間等， 使其能夠在無人監(jiān)管的情況下自動、正確地執(zhí)行系統(tǒng)提供的決策，從而提高生產(chǎn)靈活性和資源利用率[2]。

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

能源管理平臺是指采用自動化、信息化技術(shù)和集中管理模式，對企業(yè)能源系統(tǒng)的生產(chǎn)、輸配、消耗和回收環(huán)節(jié)實施集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數(shù)字化管理，改進和優(yōu)化能源平衡，實現(xiàn)系統(tǒng)性節(jié)能降耗的管控一體化系統(tǒng)。就系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言，能源管理平臺充分利用流程工業(yè)的電、氣、水等能源信息，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，分析和挖掘工業(yè)的節(jié)能潛力，優(yōu)化工業(yè)用能，實現(xiàn)能源安全、合理、高效的應(yīng)用[4]。

就設(shè)備而言，傳統(tǒng)的能源管理主要來源于兩個方面：①在保證設(shè)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(shè)備使用效率對整體生產(chǎn)效率的影響，同時也沒有考慮生產(chǎn)成本高的問題；②工業(yè)節(jié)能制度和制造執(zhí)行之間存在著信息不對稱的問題，使得很多企業(yè)的能源管理效果比預(yù)期低很多[5]。

針對傳統(tǒng)ALC工廠能耗不清晰、能耗高的問題，本文提出了一種ALC生產(chǎn)線的能源管理系統(tǒng)及分級節(jié)能措施，能源管理系統(tǒng)在線監(jiān)控、統(tǒng)計及分析工廠各區(qū)域的燃?xì)?、蒸汽和水等能耗情況，分級節(jié)能方案在滿足工廠產(chǎn)能和質(zhì)量的同時幫助ALC工廠降低能源消耗。

2 能源管理系統(tǒng)設(shè)計

2.1 ALC工廠能源管理系統(tǒng)設(shè)計

ALC工廠的能源消耗主要體現(xiàn)為燃?xì)庀?、蒸汽消耗、水耗和電耗?/p>

（1）建立從平臺到MES到控制層的通用化協(xié)議將工廠能源內(nèi)容屬性分為燃?xì)?、蒸汽及水等采集?nèi)容屬性。將工廠能源區(qū)域?qū)傩苑譃殄仩t、蒸壓釜、靜養(yǎng)、編組預(yù)養(yǎng)、澆筑樓及制漿等區(qū)域。建立對應(yīng)的通用化協(xié)議。通用化協(xié)議中建立對應(yīng)的配置屬性。通過云平臺端的能源管理后臺管理系統(tǒng)下發(fā)對應(yīng)的配置。

通過配置的生產(chǎn)線的采集內(nèi)容和采集區(qū)域?qū)傩?，查詢對?yīng)的能源工況，即可讀取生產(chǎn)線能源屬性配置情況下的生產(chǎn)線能耗工況。能耗工況數(shù)據(jù)通用協(xié)議如圖1所示。

圖1 能耗工況數(shù)據(jù)通用協(xié)議

（2）設(shè)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(yù)留采集內(nèi)容屬性和采集區(qū)域?qū)傩缘慕涌凇?/p>

（3）設(shè)計通用化的數(shù)據(jù)采集接口 為統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集模式，采用通用化的485通信模式采集各終端數(shù)據(jù)。涉及采集燃?xì)鈹?shù)據(jù)的燃?xì)獗?，采集蒸汽?shù)據(jù)的流量計，采集水耗的流量計，采集冷凝水?dāng)?shù)據(jù)的流量計及采集電能消耗的智能電表。統(tǒng)一化接口，方便現(xiàn)場硬件布置實施。

（4）根據(jù)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(chǎn)線設(shè)備在生產(chǎn)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(qū)域：①蒸壓釜。一般一條生產(chǎn)線根據(jù)布局情況配置有7~10條釜，每釜在對生產(chǎn)線坯體進行蒸養(yǎng)過程中需要消耗大量的蒸汽，蒸壓釜是整個ALC生產(chǎn)線設(shè)備中，蒸汽消耗最大的區(qū)域。②靜養(yǎng)區(qū)域。澆筑完成在模具車中的未成型坯體需要在靜養(yǎng)室內(nèi)等待坯體靜養(yǎng)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(yǎng)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(yù)養(yǎng)區(qū)域。切割完成的坯體，在入蒸壓釜前，需要先進行編組預(yù)養(yǎng)，確保入釜前后的溫差不至于過大，此區(qū)域一般也是通過蒸汽管道加熱的方式進行預(yù)養(yǎng)，預(yù)養(yǎng)過程也會消耗一定量的蒸汽。④澆筑區(qū)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(jù)ALC工廠的典型能耗分布點，布置對應(yīng)的采集終端，包括渦街流量計、電磁流量計等對重點能耗區(qū)域進行能耗數(shù)據(jù)采集。用汽消耗監(jiān)測見表1。根據(jù)蒸汽消耗，折算出各區(qū)域的熱量和燃?xì)庀摹?/p>

表1 用汽消耗監(jiān)測

2）工廠水耗采集。ALC工廠設(shè)備在生產(chǎn)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(qū)域：①制漿區(qū)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(qū)域。澆注過程中，對應(yīng)配方都會有一定量的水的需求，因此每模任務(wù)在生產(chǎn)過程中會消耗一定量的水。根據(jù)生產(chǎn)線用水消耗特點，在對應(yīng)位置布置對應(yīng)的流量計對耗水情況進行測量統(tǒng)計。用水消耗監(jiān)測見表2。

表2 用水消耗監(jiān)測

3）工廠燃?xì)庀牟杉?。ALC工廠設(shè)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?xì)?，燃?xì)庀那闆r可通過客戶安裝的燃?xì)獗慝@取，提供485通信接口。用氣消耗監(jiān)測見表3。

表3 用氣消耗監(jiān)測

4）工廠電耗采集。ALC工廠生產(chǎn)線一般根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備配置情況，在整個生產(chǎn)線的對應(yīng)工段配置對應(yīng)的配電柜，在配電柜內(nèi)安裝智能電表，即可在線采集對應(yīng)工段的電能消耗。用電消耗監(jiān)測見表4。

表4 用電消耗監(jiān)測

3 工廠分級節(jié)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(fù)利用，降低工廠蒸汽消耗，蒸養(yǎng)過程中產(chǎn)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(jié)能的思路對余汽和冷凝水的余熱進行回收利用。蒸壓釜內(nèi)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(qū)給鍋爐軟水進行加熱，蒸養(yǎng)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(yǎng)區(qū)及編組區(qū)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(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，但是其自身的能耗相當(dāng)高。一般在蒸壓釜倒出余汽以后，其內(nèi)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(nèi)壓力一致時，余汽就很難再被倒出循環(huán)利用[6]。

從蒸汽能源節(jié)約和生產(chǎn)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(jīng)過長期的生產(chǎn)實踐來摸索一個合理的壓力[7]。

蒸壓釜的自動蒸養(yǎng)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(yǎng)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(jié)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(jié)束恒溫恒壓過程，滿足倒出汽條件，而另一條釜要結(jié)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(jié)合以上蒸養(yǎng)工藝過程，傳統(tǒng)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(huán)利用能量，而且大量余汽直接外排也會污染環(huán)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(dāng)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(nèi)余汽還可以繼續(xù)利用，倒入到一條壓力更低的倒入汽釜中，倒出汽釜內(nèi)的余汽循環(huán)率達(dá)85%以上，降低能源損失。

多釜多階倒汽算法流程：

1）根據(jù)各釜恒壓結(jié)束后倒出汽請求時長和釜內(nèi)壓力動態(tài)建立倒出汽請求棧。

2）根據(jù)各釜抽真空結(jié)束后倒入汽請求時長和釜內(nèi)壓力動態(tài)建立倒入汽請求棧。

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3）根據(jù)倒出汽請求棧和倒入汽請求棧，根據(jù)排隊規(guī)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?；A(chǔ)上按2次順序倒出規(guī)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(zhí)行倒出與倒入汽輸出控制。①判斷優(yōu)先的釜是否已達(dá)到倒出倒入的條件（蒸壓周期和生產(chǎn)周轉(zhuǎn)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(jīng)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(jīng)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(shè)定的升壓曲線進行倒汽PID調(diào)節(jié)，跟隨壓力曲線控制倒汽速度。③當(dāng)?shù)钩龅谷氲膬筛獕毫_(dá)到壓力平衡時，倒出汽的釜關(guān)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(shè)定的升壓曲線進行進汽PID調(diào)節(jié)。④當(dāng)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(dāng)4中二階倒出汽釜和倒入汽新釜間達(dá)到壓力平衡時，倒出汽釜結(jié)束倒汽，倒入汽釜等待下一條滿足倒出汽條件的來繼續(xù)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(zhí)行下一階段。

6）處于倒汽中的釜出現(xiàn)異常報警時，剔除出現(xiàn)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(zhí)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(dāng)蒸壓釜一釜倒汽完成，該釜對應(yīng)的排氣閥打開，尾氣進入排氣分汽缸，排汽分汽缸上對應(yīng)的尾氣排氣閥打開，此時若檢測到尾氣的溫度高于設(shè)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(dāng)溫度低于一定值時，增壓泵關(guān)閉。

當(dāng)1級換熱水箱液位過低或者溫度過低時，換熱循環(huán)泵關(guān)閉，停止1級換熱過程。

蒸養(yǎng)過程中產(chǎn)生的冷凝水進入到2級換熱的保溫水箱，當(dāng)靜養(yǎng)區(qū)域或者編組預(yù)養(yǎng)區(qū)域的溫度達(dá)不到設(shè)定的靜養(yǎng)或者預(yù)養(yǎng)溫度，且2級換熱保溫水箱的溫度和液位高于設(shè)定的換熱溫度和液位時，靜養(yǎng)區(qū)或編組區(qū)對應(yīng)的換熱循環(huán)泵開啟，同時靜養(yǎng)區(qū)和編組區(qū)內(nèi)軸流風(fēng)機開啟，加速散熱，提高靜養(yǎng)區(qū)和編組區(qū)溫度。2級換熱示意圖如圖5所示。

圖5 2級換熱示意圖

當(dāng)2級換熱保溫水箱的液位達(dá)到排污液位時，對應(yīng)的排污泵開啟，熱水給澆注區(qū)域供水，提高澆注區(qū)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(tǒng)及工廠分級節(jié)能數(shù)據(jù)

通過搭建能源管理系統(tǒng)云平臺，對工廠的能耗情況進行監(jiān)測、統(tǒng)計。在云平臺的總覽圖上可直觀看到ALC工廠各能耗區(qū)域的能耗情況。如圖6所示。

圖6 能源管理系統(tǒng)總覽圖

通過云平臺上的趨勢分析圖，可直觀看到各區(qū)域能耗的統(tǒng)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(qū)域耗能排名。

通過分級節(jié)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(tǒng)，ALC工廠靜養(yǎng)區(qū)域和編組預(yù)養(yǎng)區(qū)域由傳統(tǒng)的蒸汽直通加熱變?yōu)槔淠畵Q熱模式，相對傳統(tǒng)蒸汽直通加熱靜養(yǎng)和編組區(qū)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(tǒng)蒸汽直通加熱靜養(yǎng)區(qū)和編組區(qū)的工廠，往往直接被浪費掉。

5 結(jié)論

本文針對裝配式建筑領(lǐng)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(chǎn)線的能源管理系統(tǒng)及分級節(jié)能措施，并完成在ALC生產(chǎn)線的實施部署。通過實施部署數(shù)據(jù)表明，ALC能源管理系統(tǒng)能在線實時監(jiān)測工廠的能源消耗，并能對工廠能耗進行統(tǒng)計分析，給出能耗區(qū)域排名和用能趨勢曲線。分級節(jié)能中的多階倒汽技術(shù)能充分利用釜間余汽，降低能源損耗，分級回收技術(shù)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(yǎng)區(qū)和編組區(qū)加熱，3級給澆注區(qū)供熱，降低了工廠的蒸汽消耗。ALC生產(chǎn)線的能源管理系統(tǒng)及分級節(jié)能措施為打造ALC綠色工廠提供了參考。