今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道 摘 要: 可再生能源、核能、清潔煤——這些流行語(yǔ)代表著未來(lái)能源的發(fā) 展趨勢(shì)，但這僅僅是實(shí)現(xiàn)全球能源供需平衡的一部分。
Tags: 控制軟件 節(jié)能 可再生能源 核能 清潔煤
Tags: 控制軟件 節(jié)能 可再生能源 核能 清潔煤
可再生能源、核能、清潔煤——這些流行語(yǔ)代表著未來(lái)能源的發(fā) 展趨勢(shì)，但這僅僅是實(shí)現(xiàn)全球能源供需平衡的一部分。增加能源 供應(yīng)必然要求提供某種資源，而需求降低則會(huì)減少資源的消耗。 幾十年來(lái)，各類環(huán)保組織一直試圖限制能源的使用量，這在過(guò)去 就意味著降低生活水平，即低能耗低產(chǎn)出。
更加可行的想法是應(yīng)用增效節(jié)能提高能源利用效率，即低能耗高 產(chǎn)出。一個(gè)著名的實(shí)例是采用小巧的熒光燈管或 LED 代替白熾燈 泡。工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)高效設(shè)備。在建筑技術(shù)領(lǐng)域，通過(guò)生產(chǎn)場(chǎng) 地使用更好的隔熱措施，同時(shí)利用生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)生的熱量，都可以 提高效率。
本文進(jìn)一步探討了增效節(jié)能，指出優(yōu)化現(xiàn)有工業(yè)設(shè)備是提高能源 利用效率更好的方案。大多數(shù)情況下，生產(chǎn)設(shè)備由自動(dòng)化系統(tǒng)控 制，因此采用先進(jìn)的數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)和優(yōu)化的流程，改進(jìn)控制軟 件，就可以提高能源效率。
采用優(yōu)化的軟件和流程來(lái)管理工 廠，只要想一想汽車如何駕駛 就可以理解了。相同條件下，兩位 司機(jī)駕駛的汽車能耗不同，這一點(diǎn) 耐人尋味。原因就在于他們的駕駛 技術(shù)不同。由于采用了不同的運(yùn)營(yíng) 方式和策略，工廠的實(shí)際能耗就會(huì) 發(fā)生顯著變化。
節(jié)能工廠的運(yùn)營(yíng)策略就類似于汽車駕駛所需的高效駕駛技術(shù)：
汽車遇到紅燈時(shí)必須停車——產(chǎn)品 必須按規(guī)范生產(chǎn)，工廠在生產(chǎn)能力 許可的條件下運(yùn)行。
早換擋——易于調(diào)整。
保持適當(dāng)?shù)妮喬毫ΑS應(yīng)保 持最佳的運(yùn)行狀態(tài)。
汽車接近紅燈時(shí)不要加速——工廠 的生產(chǎn)應(yīng)按照預(yù)先的維護(hù)情況和生 產(chǎn)計(jì)劃運(yùn)行。
如果這些策略應(yīng)用得當(dāng)，就沒(méi)必要 通過(guò)“減速”來(lái)節(jié)油。從現(xiàn)代生態(tài) 型駕駛培訓(xùn)中獲得的經(jīng)驗(yàn)證明：高 速駕駛的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)油是可能的。 在更為復(fù)雜的現(xiàn)代化工廠中，同樣 可以通過(guò)優(yōu)化方式運(yùn)行工廠，實(shí)現(xiàn) 增效節(jié)能。
本文將著重探討不同層次和不同等 級(jí)的自動(dòng)化系統(tǒng)。改進(jìn)自動(dòng)化系統(tǒng) 的各種功能有助于流程控制更為節(jié) 能。不管是控制范圍 (從單個(gè)設(shè)備到 整個(gè)工廠的設(shè)備) 還是控制時(shí)間 (從 幾毫秒的優(yōu)化到工廠的生命周期)， 不同功能都能影響工廠的效率。這 里著重探討以下三個(gè)方面的問(wèn)題： 先進(jìn)的控制：當(dāng)今先進(jìn)的控制有能 力解決每一環(huán)節(jié)的優(yōu)化問(wèn)題，并因 此可以將最少的能量作為其中的一 個(gè)目標(biāo)函數(shù)或邊界條件。
生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度：適用的工廠計(jì)劃 和優(yōu)化調(diào)度可減少時(shí)間和材料的 浪費(fèi)，以同樣的能量獲得更多產(chǎn)出。 監(jiān)控：為了檢驗(yàn)一個(gè)工廠是否以最 高效率運(yùn)行，必須進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控， 以查明是否出現(xiàn)任何可能導(dǎo)致能耗 增加的不正常情況。
改進(jìn)控制，降低能耗
很多人還不能立即將改進(jìn)控制與節(jié) 能聯(lián)系起來(lái)，而是致力于提高產(chǎn)品 質(zhì)量、增加產(chǎn)量和減少化學(xué)添加 劑。但不論制訂什么控制目標(biāo)，卻 幾乎總能帶來(lái)能耗降低的正面效 果，或者用與過(guò)去等量的能源生產(chǎn) 出更多的產(chǎn)品。
改進(jìn)自動(dòng)化系統(tǒng)中的各種功 能，有助于控制流程實(shí)現(xiàn)增效 節(jié)能。
只要回歸到基本的一級(jí) PID 控制回 路，就可以對(duì)能耗產(chǎn)生較大影響。 雖然單回路節(jié)約的能耗可能很少， 但大量的回路 (一個(gè)大型流程工業(yè)工 廠即使沒(méi)有上千個(gè)回路，至少也有 幾百個(gè)) 節(jié)約的能量就相當(dāng)可觀。 有時(shí)，一種先進(jìn)的控制系統(tǒng)或優(yōu)化 解決方案直接劍指節(jié)能。下面列舉 幾個(gè)節(jié)能的成功案例：
發(fā)電
當(dāng)然，最理想的節(jié)能方式應(yīng)該從能 源生產(chǎn)環(huán)節(jié)這個(gè)源頭開(kāi)始。
蒸汽和電力的聯(lián)產(chǎn)
在波因特康福特 (Point Comfort，位 于美國(guó)得克薩斯州)，美國(guó)鋁業(yè)公司 (Alcoa) 經(jīng)營(yíng)一家大型精煉廠，將鋁 礬土冶煉成氧化鋁 (見(jiàn)圖 1 )。由于這 是一個(gè)非常耗能的加工流程，公司 在波因特康福特建立了自備電廠， 安裝了多臺(tái)鍋爐、汽輪機(jī)和蒸汽匯 集裝置。盡管大部分電力來(lái)源于自 備電廠，但也需要從當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)購(gòu)買 電能。
電力和燃料 (如天然氣) 的價(jià)格不斷 變化，因此首要挑戰(zhàn)就在于確定自 己發(fā)電與購(gòu)電之間的最佳平衡點(diǎn)。 現(xiàn)在采用整體組合線性程序，每隔 15 分鐘從互聯(lián)網(wǎng)下載最新的燃料和 電能價(jià)格，以分析解決這一問(wèn)題。 然后將穩(wěn)定狀態(tài)中獲得的優(yōu)化結(jié)果 輸入到模型預(yù)測(cè)控制器 (MPC) 中，而這個(gè)控制器以一個(gè)極快的周期 (< 10 s) 運(yùn)行。MPC 建立在經(jīng)驗(yàn)線 性動(dòng)態(tài)模型基礎(chǔ)之上，然后發(fā)送給 28 個(gè)操控設(shè)定點(diǎn)。
2005 年，ABB 對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào) 試，流程穩(wěn)定性大幅提高，例如蒸 汽標(biāo)準(zhǔn)壓力偏差降低了 80 %。經(jīng)證 實(shí)，整體能耗費(fèi)用可節(jié)約 1 %，客戶 投資回收期僅為 6 個(gè)月。有關(guān)該系統(tǒng) 更詳細(xì)的情況及解決方案見(jiàn)參考文 獻(xiàn) [1]。
TMP 造紙廠反饋控制新穎技 術(shù)，可測(cè)量勻漿機(jī)內(nèi)的蒸汽 溫度。
發(fā)電：?jiǎn)?dòng)電站鍋爐
另一個(gè)節(jié)能實(shí)例來(lái)自化石燃料蒸汽 發(fā)電廠的優(yōu)化啟動(dòng)。在解除管制的 電力市場(chǎng)中，這些發(fā)電廠并不只滿 足于基礎(chǔ)負(fù)荷，因此會(huì)遇到更多的 停機(jī)和啟動(dòng)問(wèn)題。鍋爐的啟動(dòng)時(shí)間 主要受熱應(yīng)力的限制，也就是說(shuō)， 鍋爐和汽輪機(jī)厚壁部分的溫度梯度 過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致材料的爆裂。 根據(jù)模型和在線測(cè)量，可以計(jì)算出 實(shí)際的熱應(yīng)力。因此可以開(kāi)發(fā)出一種 鍋爐模型 ( 不允許突破熱應(yīng)力限 值)，并使用這種模型優(yōu)化控制燃料 流速和高壓 (HP) 旁通閥的位置。 ABB 已經(jīng)在 7 個(gè)電廠中安裝了這種技 術(shù)，還有三個(gè)以上項(xiàng)目正在進(jìn)行之 中 (見(jiàn)圖 2 )。一般情況下，單次啟 動(dòng)約可節(jié)約 10 % 至 20 % 的燃料。按 照每年 50 次至 150 次的啟動(dòng)計(jì)算， 每套裝置所節(jié)約的能量相當(dāng)于 80 至 800 萬(wàn)千瓦時(shí)。如欲了解詳情，請(qǐng)參 見(jiàn)參考文獻(xiàn) [2]。
TMP 勻漿機(jī)的控制
當(dāng)然，更為典型的控制問(wèn)題集中在 用戶方面。舉例來(lái)說(shuō)， 熱機(jī)械制 漿 (TMP) 生產(chǎn)是一個(gè)能源密集型 流程。不管是一個(gè)圓盤旋轉(zhuǎn)或兩個(gè) 圓盤都旋轉(zhuǎn)， 木屑與水的混合物 都需要在兩個(gè)圓盤間很小的縫隙 (< 1 mm) 中研磨。轉(zhuǎn)子由大型電力 機(jī)械驅(qū)動(dòng)；一個(gè)現(xiàn)代化的 TMP 勻漿 機(jī)常常采用 30 MW 電機(jī)。 在勻漿區(qū)，大部分電力用于生產(chǎn)蒸 汽，少部分用于木材的機(jī)械加工。 現(xiàn)在，TMP 造紙廠反饋控制新穎技 術(shù)，可測(cè)量勻漿機(jī)內(nèi)的蒸汽溫度 (見(jiàn) 圖 3 )。
瑞典 Holmen 紙業(yè)公司所屬的 Hallsta 造紙廠的生產(chǎn)實(shí)踐表明，每生產(chǎn) 1 噸 紙漿可直接節(jié)能 7 至 13 美元，而且 紙漿的質(zhì)量也有所提高。如果 TMP 生產(chǎn)線的年產(chǎn)量達(dá) 10 萬(wàn)噸，那么每 年將節(jié)約 70 萬(wàn)至 130 萬(wàn)美元 (請(qǐng)注 意，造紙廠一般開(kāi)工的生產(chǎn)線不止 一條)。加之 TMP 生產(chǎn)線停機(jī)次數(shù)減 少和造紙機(jī)斷紙機(jī)率降低，一條生 產(chǎn)線每年節(jié)約的總費(fèi)用將超過(guò) 200 萬(wàn) 美元。
提高產(chǎn)量，降低耗能
任何工廠的運(yùn)行如果不能按設(shè)計(jì)要 求進(jìn)行生產(chǎn)， 顯然就是在浪費(fèi)能 源。因此，設(shè)備的啟動(dòng)次數(shù)、質(zhì)量 的變化和設(shè)備不穩(wěn)定的持續(xù)時(shí)間必 須減少到最低限度。雖然這不是新 問(wèn)題，但也很難加以控制。現(xiàn)在采 用先進(jìn)的優(yōu)化方法，可實(shí)現(xiàn)真正的 最佳運(yùn)行。
創(chuàng)新的 ABB 軟件方案——基 于高質(zhì)量的切割優(yōu)化——可以 根據(jù)實(shí)際質(zhì)量數(shù)據(jù)，計(jì)算出最 佳切割模式。
工廠的運(yùn)行和調(diào)度策略往往建立 在直觀的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上。這本身并不是缺點(diǎn)，但就優(yōu)化和調(diào)度這兩 方面來(lái)說(shuō)，它妨礙了生產(chǎn)走向真正 的優(yōu)化。
優(yōu)化管理工廠資產(chǎn)意味著這些資產(chǎn)處于最佳的生產(chǎn)條件。非優(yōu)化生產(chǎn) 往往由非優(yōu)化工作資產(chǎn)造成，從而導(dǎo)致質(zhì)量或產(chǎn)量的下降。
生產(chǎn)調(diào)度是增效節(jié)能的關(guān)鍵。生產(chǎn)設(shè)備的合理和優(yōu)化使用可有效防止 某段時(shí)間使用太多的能源，而在其他時(shí)間浪費(fèi)節(jié)約下來(lái)的能源。例如，工廠的驅(qū)動(dòng)裝置 (如泵、加熱和 冷卻系統(tǒng)) 需要能源。在這些流程變量中，如果可以避免發(fā)生任何改 變，則意味著不必改變驅(qū)動(dòng)裝置的 狀態(tài)。
紙張的切割優(yōu)化
考慮到造紙生產(chǎn)的具體情況，預(yù)定 的切割模式需要根據(jù)客戶的指令進(jìn) 行優(yōu)化計(jì)算。由于實(shí)際生產(chǎn)中所發(fā) 生的變化，預(yù)定的切割模式往往并不理想，與巨型卷筒紙的實(shí)際質(zhì)量有差距。這不僅會(huì)導(dǎo)致可再生廢紙 的增加，而且會(huì)造成利潤(rùn)下滑。 創(chuàng)新的 ABB 軟件方案——基于高質(zhì)量 的切割優(yōu)化——可以根據(jù)實(shí)際質(zhì)量 數(shù)據(jù)，計(jì)算出最佳切割模式 (見(jiàn)圖 4 )。專利方法能夠在幾秒內(nèi)解決極 其復(fù)雜的優(yōu)化問(wèn)題。通過(guò)這樣的方 法，可以進(jìn)一步提高每一巨型卷筒 紙的質(zhì)量，減少了必須回收的廢紙 量。以每噸紙的生產(chǎn)能耗為基準(zhǔn)， 一部分的可再生廢紙節(jié)約的能源就 十分可觀。假設(shè)每年生產(chǎn) 40 萬(wàn)噸 紙，只要減少 1 % 的可再生廢紙， 每年就可以節(jié)約 10,000 MWh 的能源 (包括電力和煤氣)。
生產(chǎn)計(jì)劃的協(xié)調(diào)
在鋼鐵生產(chǎn)中，由于不同的原料和 訂單種類繁多，因此熔煉車間的計(jì) 劃調(diào)度非常困難。ABB 開(kāi)發(fā)了一個(gè) 解決方案，能夠以最佳方式，簡(jiǎn)化 和解決這一復(fù)雜的問(wèn)題。 今天的自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)采集到 大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以反 映工廠的許多情況。
同樣的解決方案也適用于鋼鐵的下 一道工序——熱軋生產(chǎn) (見(jiàn)圖 5 )。 熱軋生產(chǎn)的計(jì)劃調(diào)度不像熔煉車間 那么復(fù)雜， 但仍然面臨著很大的 挑戰(zhàn)。
解決這兩個(gè)調(diào)度計(jì)劃方案， 通過(guò) 協(xié)調(diào)進(jìn)一步優(yōu)化兩個(gè)車間的生產(chǎn) 作業(yè)，盡可能減少新鋼坯在堆料場(chǎng) 的停留時(shí)間， 就可以實(shí)現(xiàn)大幅節(jié) 能。因?yàn)樵阡撆鬟M(jìn)入熱軋機(jī)軋制之 前，需要保持灼熱狀態(tài)。加熱每錠 1,000 m3 的鋼坯大約需要 10,000 kW 的能量。如果 10 錠鋼坯中有 1 錠可 以在灼熱的狀態(tài)下，從鑄鋼爐直接 送入熱軋機(jī) (這樣不必再次加熱)， 那么一臺(tái)典型的熱軋機(jī)每年可減少 21,000 噸的 CO2 或節(jié)約 390 萬(wàn)美元。 這些調(diào)度計(jì)劃問(wèn)題無(wú)法通過(guò)人工解 決，但采用現(xiàn)代的優(yōu)化軟件可以實(shí) 現(xiàn)。而且，操作人員和計(jì)劃人員可 以進(jìn)行監(jiān)控，如果需要的話，還可 以進(jìn)一步改變計(jì)劃。
監(jiān)控能源浪費(fèi)的設(shè)備
即使工廠控制系統(tǒng)、計(jì)劃和調(diào)度非 常完美，但隨著時(shí)間的推移，由于 設(shè)備老化和流程出現(xiàn)故障，其生產(chǎn) 性能將會(huì)逐步退化。有時(shí)很容易發(fā) 現(xiàn)設(shè)備損壞，然而在許多情況下， 退化是漸進(jìn)的，依靠流程顯示器、 動(dòng)態(tài)曲線和報(bào)警表等傳統(tǒng)操作工 具，不能輕易發(fā)現(xiàn)故障。即使是一 個(gè)技術(shù)熟練的操作人員，也無(wú)法從工廠內(nèi)采集的測(cè)量數(shù)據(jù)中辨認(rèn)出曾 經(jīng)發(fā)生過(guò)的不正常流程狀態(tài)。
采用先進(jìn)的信號(hào)分析運(yùn)算法深入地 觀察這些測(cè)量值，可以更清楚地揭 示其狀態(tài)特性。通過(guò)分散控制系統(tǒng) (DCS) 所采集到的測(cè)量值，很容易計(jì) 算出一些關(guān)鍵性能指標(biāo) (KPIs)。在 某些情況下，通過(guò)溫差以及流量測(cè) 定值可很好地提供能耗情況。當(dāng)設(shè) 備的實(shí)際運(yùn)行情況接近設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值 時(shí) (即在早期的運(yùn)行或大修之后)， 就可以獲取“衰退前的”測(cè)量值， 然后通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行比較，就可以 很容易地檢測(cè)出設(shè)備效率的衰退情 況。但要診斷衰減的原因，不但需 要一名經(jīng)驗(yàn)豐富的維修工程師，而 且還需要另外一套運(yùn)算方法。
更復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)不但可進(jìn)行簡(jiǎn)單 的計(jì)算，以檢查是否符合性能指標(biāo) 要求，而且也可應(yīng)用于更先進(jìn)的設(shè) 備模型，以識(shí)別各種參數(shù)，這樣可 使該模型與正在衰退的設(shè)備性能相 匹配。相比于從 DCS 中所獲得的測(cè) 量值，這些參數(shù)可以更為全面了解 系統(tǒng)的內(nèi)在性能。
通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)監(jiān)控流程設(shè)備 在引進(jìn)先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)時(shí)，大家總 認(rèn)為需要引進(jìn)更為靈敏的設(shè)備，畢 竟，要獲得更多的流程信息需要更 多的數(shù)據(jù)。然而，人們常常忘掉這 樣一個(gè)事實(shí)：今天的自動(dòng)化系統(tǒng)已 經(jīng)采集到大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可 以反映工廠的許多情況。即使在那 些不太明顯的地方，也可以不斷地 采集與分析這些數(shù)據(jù)。
即使是一個(gè)技術(shù)熟練的操作人 員，也無(wú)法從工廠內(nèi)采集的數(shù) 據(jù)中辨認(rèn)出曾經(jīng)發(fā)生過(guò)不正常 的流程狀態(tài)。
現(xiàn)列舉驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例。除了 控制系統(tǒng)的算法之外，還包含數(shù)據(jù) 采集器，通常用于診斷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的 性能。然而，這些數(shù)據(jù)還可以告訴 你很多關(guān)于最終由電機(jī)控制的流程 信息。把驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的信號(hào)模式與所 觀測(cè)的流程性能相匹配，或者調(diào)整 流程模型與觀測(cè)的信號(hào)相對(duì)應(yīng)，這 時(shí)就可以通過(guò)系統(tǒng)中已有的信號(hào)， 在不需要引入新的 (和費(fèi)用高昂的) 測(cè)量值的情況下檢索控制流程的相 關(guān)信息。圖 6 中顯示，通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)的信號(hào)分析，可以對(duì)壓縮機(jī)進(jìn) 行診斷。
全面的觀點(diǎn)
通過(guò)優(yōu)化方式實(shí)現(xiàn)節(jié)能，除了技術(shù) 上的復(fù)雜性以外，還存在操作上的 復(fù)雜性。現(xiàn)代化的優(yōu)化解算器能夠 提供快速而可靠的方法解決復(fù)雜的 技術(shù)問(wèn)題。人們所面臨的另一個(gè)大 挑戰(zhàn)是：要把以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生 產(chǎn)調(diào)度和工廠運(yùn)行融入到工廠的工 作流程中。
為了使現(xiàn)代化工廠的優(yōu)化獲得成功， 組建生產(chǎn)計(jì)劃和工廠運(yùn)行的團(tuán)隊(duì)十 分必要。對(duì)于經(jīng)銷商和用戶而言， 實(shí)用性、可維護(hù)性、模塊化和適當(dāng) 的培訓(xùn)非常重要。如果這些問(wèn)題能 夠得到全面的解決，那么成功生產(chǎn) 和節(jié)能之間將不會(huì)產(chǎn)生任何矛盾。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)