新型干法水泥生产线节能减排监控技术研究

雷振山，温 平

（1.唐山学院机电工程系，河北唐山063000；2.唐山奥特机电设备有限公司，河北唐山063000）

新型干法水泥生产线节能减排监控技术研究

雷振山1，温 平2

（1.唐山学院机电工程系，河北唐山063000；2.唐山奥特机电设备有限公司，河北唐山063000）

为了实现水泥生产节能减排，研究了根据水泥生产废气成分计算能源消耗和污染物排放数量的理论与方法，建立了指导水泥生产操作的专家知识库，构建了包含多种当代最先进通信技术的大规模监控网络，使企业技术人员和管理人员能够用各种终端装置随时、随地、随身获取能耗与排放的最新信息，便于及时调控生产工艺，保持水泥生产线一直运行在最佳的节能减排状态。

水泥生产；节能减排；智能监控

0 引言

目前我国新型干法水泥生产线已接近两千条，每年消耗标准煤将近5亿t，约占全国煤产量的13%，伴随着能源的巨大消耗还有大约227万t氮氧化物和10亿t二氧化碳排放。2008年6月1日开始实施的国家强制标准GB16780－2007《水泥单位产品能源消耗限额》对新型干法水泥生产线的能耗指标作了详细的要求，GB4915－2004《水泥工业大气污染物排放标准》已经于2006年1月1日开始实施。近年来各级政府对节能减排工作还在不断加大力度，控制新型干法水泥生产线的能源消耗和污染物排放已经成为水泥行业的重要任务。制约能耗和排放降低的一个主要因素是缺乏先进的动态监控技术，目前除了唐山冀东水泥股份有限公司等企业有8条生产线安装了唐山奥特机电设备有限公司和唐山学院联合开发的新型干法水泥生产线节能减排监测系统外，绝大部分生产企业还缺乏能耗与污染物排放连续监测手段，能耗统计采用按月平均的会计学方法，污染物排放采用间断采样的监测方法。为此，本研究构建了基于气体分析的能耗与排放信息网络，通过对数据进行深入挖掘和充分利用，形成了具有更高智能的节能减排监控系统。

1 干法水泥生产线节能减排监控系统整体结构

根据新型干法水泥生产线的工艺流程和节能减排监控需要确定的监控系统整体结构如图1所示。

图1 干法水泥生产节能减排监控系统整体结构

1.1 现场监控系统

现场监控系统由工控机、数据采集器和通讯模块构成。通过安装在窑尾烟室的高温气体分析装置测量分析CO，O2，NO气体成分［1］，主要为计算烧成带温度提供实时的基础数据；通过安装在预热器出口的中温气体分析装置，测量分析CO，CO2，O2，NO，SO2气体成分，为计算公斤水泥熟料热耗、吨水泥熟料燃料成本和过剩空气系数提供实时的基础数据；通过安装在预热器出口的热风流量计测量生产线废气流量，用于测量水泥生产过程的废气排放量。

现场监控系统对原始数据进行初步分析处理、显示报警和短周期存储，并向中控室传输、接收操作指令。

1.2 中控室监测系统

中控室监控系统由计算机、现场通信模块和远程通信模块构成，用于接收现场监测的原始数据，将数据转发给数据中心，显示水泥生产过程的烧成带温度、系统漏风系数、公斤水泥熟料热耗、吨水泥熟料燃料成本和二氧化碳及氮氧化物排放量的实时数据与历史曲线，给出能源消耗和污染物排放各项数据的分时段统计结果。中控室监控系统对现场数据做初步分析，并转发到数据中心，接收数据中心的操作指导。

1.3 厂区数据用户

厂区数据用户通过企业内部网络共享中控室数据。

1.4 数据中心

数据中心用服务器接收和存储各水泥生产企业的节能减排数据，通过互联网和无线移动公网向授权的用户提供数据服务；深入分析能耗和排放状况，将专家系统给出的操作指导意见反馈回中控室。

1.5 厂外数据用户

厂外数据用户通过互联网访问数据中心。

1.6 移动数据用户

移动中的用户通过无线公用网络访问数据中心。

环境管理部门、企业管理人员和技术人员根据各自权限访问数据中心，随时查询实时监测数据、历史趋势变化曲线和监控计算机画面等各种信息；取得信息的形式包括数据、网页、短信、彩信等。根据这些信息分析判断能耗与排放是否处于合理的水平以及存在问题的主要环节，将自己的指导意见反馈回数据中心。

2 节能减排监控系统的通信系统设计

为了使企业的各级管理人员和各个职能部门都能及时、有效地利用能耗与排放数据对企业节能减排情况进行监控，在水泥生产节能减排监控系统中建立了分级传输、集中管理的通信子系统。整个通信系统服务于n个水泥生产企业，每个企业各条生产线的数据使用远程终端装置（Remote Terminal Unit，RTU）传输到该企业的中控室，各企业中控室通过监控计算机上的通信设备将数据传输到数据中心，数据中心由专业的数据服务提供商管理，所有用户根据自己的权限从数据服务器获取所需信息。采用这种专业化的数据管理模式后，水泥生产企业可以将更多精力投入到自己熟悉的专业技术领域，随时随地放心地使用自己需要的各种信息。而数据服务的提供商拥有专业的系统维护人员、丰富的网络资源和设备，可以及时了解自己提供服务的各个企业节能减排监控系统的运行情况，发现问题及时解决，为用户提供从生产线到用户终端的不间断全程数据服务。

通信系统既要延伸到环境条件恶劣的生产现场，又要实现全国范围的远距离数据传输，还要满足移动中通信的需求；同时为了集中专家的智能对现场工艺实时调控，必须进行双向通信。为此，水泥生产节能减排监控系统集成了多项目前最先进的通信技术。

2.1 SHDSL（Symmetric High－speed Digital Subscriber Line——对称高速数字用户线路）技术

SHDSL是在双绞线上传输双向对称宽带数据的一种技术，符合国际电联G.991.2推荐标准，具有长距数据传输能力和高带宽［2］。典型的SHDSL线路每对线的上下行带宽最大可至2.3M，而以4线传输模式提供最高达4.6M的带宽。只要现场可以提供一对双绞线或容易布置一对双绞线，就能实现这种理想的数据传输方式。根据试验，用一对0.51mm2的双绞线，当传输带宽设定为2Mbps时，数据传输距离可以达到3.7km左右。本系统中SHDSL主要用在现场没有计算机网络设施时向中控室传输数据。

2.2 ZigBee技术

在无线数传模块、数传电台、ZigBee等无线通信方式中，ZigBee是一种结构简单、低功耗、低数据速率、低成本和可靠性高的双向无线网络通信技术。ZigBee使用2.4G的免费频段，理论上传输速率可以达到240kbps，无遮挡通信距离大约100m，超过100m可以在中间加中继设备。ZigBee的自动组网功能可以为通信系统建设带来极大的便利。本系统中Zig－Bee主要用在现场没有布线条件时向中控室传输数据。

2.3 局域网通信技术

目前计算机网络在企业中已经非常普及，特别是企业内部的局域网一般比较通畅，所以在水泥企业内部相关部门与中控室之间可以通过局域网共享节能减排监控信息。数据传输采用美国国家仪器公司的DataSocket协议，这是一种虚拟仪器环境下的高效率通信协议。［3］

2.4 互联网技术

覆盖全球的互联网为水泥生产节能减排监控网络提供了数据传输的高速通道，用户在企业之外需要获取现场信息时，可以随时上网与数据中心建立连接。

当水泥生产企业开放对外互联网接口时，中控室与数据中心的信息也可通过互联网进行交换。各企业的数据达到数据服务器时都带有自己的标记，数据服务器根据标记将其分别传递到相应的数据管理程序进行存储。数据服务器为每个企业设置单独的用户名和密码，保证数据的正确性和安全性。

2.5 3G通信技术

用户在移动中访问数据中心服务器的理想方式是通过3G移动通信网络。3G不仅实现了全球漫游，还有高速数据传输的优势。2.5G移动通信的最高速率为156kbit/s，而3G在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps，384kbps以及144kbps的传输速度，最高可以达到7.2 Mbps，它的主导业务就是数据通信。使用3G手机或3G上网的其它终端设备用户几乎可以同步浏览监控计算机的界面。

如果企业计算机网络没有可用的对外开放端口，从中控室到数据中心的通信也可以通过无线公网实现。

3 水泥生产企业节能减排控制策略

水泥生产的控制目标是在保证产品质量的前提下，最大限度地降低能源消耗，减少污染物排放。为此，根据水泥生产工艺流程，采集水泥生产线的预热器出口和旋转窑窑尾等关键部位气体成分，得到烧成带温度、过剩空气系数等反映旋转窑燃烧状态的参数和熟料热耗；根据烧成带温度对产品质量进行分析；根据熟料热耗和过剩空气系数计算能源消耗；根据气体成分和预热器出口气体流量计算氮氧化物和二氧化碳排放量。［4］监控系统根据熟料质量的国家标准、污染物排放的国家标准和能源消耗的当前国内最好水平对生产状态进行判断，如果其中一项或几项指标偏离理想值，则需要调整喂煤量、送风量和送料量等生产工艺参数。

关于水泥生产中气体成分与燃烧状态、排放情况和产品质量的关系，在现有水泥生产工艺技术理论中有大量论述［5］，对这些理论在不同生产条件下进行验证并加以修正，形成了节能减排监控系统的知识基础和推理规则。通过调整喂煤量、送风量、送料量等参数，使水泥生产处于节能减排的最佳状态，这是监控系统的最终目标，也是技术难度最大的环节。由于不同生产线的生产条件不同，控制策略也有差异。监控系统在专家指导下通过小步长调节受控量，逐步趋近控制目标，计算机系统对调节参数进行存储，通过自学习逐步代替人工对操作进行指导。

水泥生产节能减排监控流程如图2所示。

图2 水泥生产节能减排监控流程示意图

4 结论

新型干法水泥生产线节能减排智能监控技术首次采用计算机系统分析判断窑炉燃烧状态，以数值和曲线等形式实时显示水泥熟料生产过程中的熟料热耗、烧成带温度、漏风系数等各项能耗参数，以及氮氧化物、二氧化碳等污染物排放参数；构建了大规模的水泥生产节能减排监控网络，集成了多种当代最先进的通信技术，可将网络覆盖达到全球范围；利用专家智能主动指导操作，保持水泥生产线一直运行在节能减排最佳状态。本监控系统先后在唐山冀东水泥股份有限公司等企业8条日常4 000t以上熟料的生产线上投入使用，取得了良好的经济和社会效益，目前正由中国水泥协会组织向全国水泥生产企业推广。

［1］ 陶从喜，赵林，俞为民.水泥工业节能减排技术及装备的研究进展［J］.硅酸盐通报，2009（5）：980－985.

［2］ 叶宇煦，肖鹏，杨远君.SHDSL接入技术及其应用［J］.电信科学，2004（3）：36－38.

［3］ 雷振山.LabVIEW高级编程与虚拟仪器工程应用［M］.第2版.北京：中国铁道出版社，2012：297－298.

［4］ 雷振山，温平.水泥生产节能减排监控系统通信技术［J］.通信技术，2010（10）：145－147.

［5］ 赵应武.预分解窑水泥生产技术与操作［M］.北京：中国建材工业出版社，2008：89－90.

（责任编校：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，高级实验师，主要从事先进测控技术研究。