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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(zhù)未來(lái)能源的發(fā) 展趨勢，但這僅僅是實(shí)現全球能源供需平衡的一部分。
Tags: 控制軟件 節能 可再生能源 核能 清潔煤
Tags: 控制軟件 節能 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(zhù)未來(lái)能源的發(fā) 展趨勢，但這僅僅是實(shí)現全球能源供需平衡的一部分。增加能源 供應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(lèi)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(zhù)降低生活水平，即低能耗低產(chǎn)出。
更加可行的想法是應用增效節能提高能源利用效率，即低能耗高 產(chǎn)出。一個(gè)著(zhù)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)出現高效設備。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)一步探討了增效節能，指出優(yōu)化現有工業(yè)設備是提高能源 利用效率更好的方案。大多數情況下，生產(chǎn)設備由自動(dòng)化系統控 制，因此采用先進(jìn)的數學(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(chǎng)，只要想一想汽車(chē)如何駕駛 就可以理解了。相同條件下，兩位 司機駕駛的汽車(chē)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營(yíng) 方式和策略，工廠(chǎng)的實(shí)際能耗就會(huì ) 發(fā)生顯著(zhù)變化。
節能工廠(chǎng)的運營(yíng)策略就類(lèi)似于汽車(chē)駕駛所需的高效駕駛技術(shù)：
汽車(chē)遇到紅燈時(shí)必須停車(chē)——產(chǎn)品 必須按規范生產(chǎn)，工廠(chǎng)在生產(chǎn)能力 許可的條件下運行。
早換擋——易于調整。
保持適當的輪胎壓力——工廠(chǎng)應保 持最佳的運行狀態(tài)。
汽車(chē)接近紅燈時(shí)不要加速——工廠(chǎng) 的生產(chǎn)應按照預先的維護情況和生 產(chǎn)計劃運行。
如果這些策略應用得當，就沒(méi)必要 通過(guò)“減速”來(lái)節油。從現代生態(tài) 型駕駛培訓中獲得的經(jīng)驗證明：高 速駕駛的同時(shí)實(shí)現節油是可能的。 在更為復雜的現代化工廠(chǎng)中，同樣 可以通過(guò)優(yōu)化方式運行工廠(chǎng)，實(shí)現 增效節能。
本文將著(zhù)重探討不同層次和不同等 級的自動(dòng)化系統。改進(jìn)自動(dòng)化系統 的各種功能有助于流程控制更為節 能。不管是控制范圍 (從單個(gè)設備到 整個(gè)工廠(chǎng)的設備) 還是控制時(shí)間 (從 幾毫秒的優(yōu)化到工廠(chǎng)的生命周期)， 不同功能都能影響工廠(chǎng)的效率。這 里著(zhù)重探討以下三個(gè)方面的問(wèn)題： 先進(jìn)的控制：當今先進(jìn)的控制有能 力解決每一環(huán)節的優(yōu)化問(wèn)題，并因 此可以將最少的能量作為其中的一 個(gè)目標函數或邊界條件。
生產(chǎn)計劃與調度：適用的工廠(chǎng)計劃 和優(yōu)化調度可減少時(shí)間和材料的 浪費，以同樣的能量獲得更多產(chǎn)出。 監控：為了檢驗一個(gè)工廠(chǎng)是否以最 高效率運行，必須進(jìn)行嚴密監控， 以查明是否出現任何可能導致能耗 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 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，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)化系統中的各種功 能，有助于控制流程實(shí)現增效 節能。
只要回歸到基本的一級 PID 控制回 路，就可以對能耗產(chǎn)生較大影響。 雖然單回路節約的能耗可能很少， 但大量的回路 (一個(gè)大型流程工業(yè)工 廠(chǎng)即使沒(méi)有上千個(gè)回路，至少也有 幾百個(gè)) 節約的能量就相當可觀(guān)。 有時(shí)，一種先進(jìn)的控制系統或優(yōu)化 解決方案直接劍指節能。下面列舉 幾個(gè)節能的成功案例：
發(fā)電
當然，最理想的節能方式應該從能 源生產(chǎn)環(huán)節這個(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 于美國得克薩斯州)，美國鋁業(yè)公司 (Alcoa) 經(jīng)營(yíng)一家大型精煉廠(chǎng)，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(chǎng)， 安裝了多臺鍋爐、汽輪機和蒸汽匯 集裝置。盡管大部分電力來(lái)源于自 備電廠(chǎng)，但也需要從當地電網(wǎng)購買(mǎi) 電能。
電力和燃料 (如天然氣) 的價(jià)格不斷 變化，因此首要挑戰就在于確定自 己發(fā)電與購電之間的最佳平衡點(diǎn)。 現在采用整體組合線(xiàn)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。 然后將穩定狀態(tài)中獲得的優(yōu)化結果 輸入到模型預測控制器 (MPC) 中，而這個(gè)控制器以一個(gè)極快的周期 (< 10 s) 運行。MPC 建立在經(jīng)驗線(xiàn) 性動(dòng)態(tài)模型基礎之上，然后發(fā)送給 28 個(gè)操控設定點(diǎn)。
2005 年，ABB 對該系統進(jìn)行了調 試，流程穩定性大幅提高，例如蒸 汽標準壓力偏差降低了 80 %。經(jīng)證 實(shí)，整體能耗費用可節約 1 %，客戶(hù) 投資回收期僅為 6 個(gè)月。有關(guān)該系統 更詳細的情況及解決方案見(jiàn)參考文 獻 [1]。
TMP 造紙廠(chǎng)反饋控制新穎技 術(shù)，可測量勻漿機內的蒸汽 溫度。
發(fā)電：?jiǎn)?dòng)電站鍋爐
另一個(gè)節能實(shí)例來(lái)自化石燃料蒸汽 發(fā)電廠(chǎng)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(chǎng)并不只滿(mǎn) 足于基礎負荷，因此會(huì )遇到更多的 停機和啟動(dòng)問(wèn)題。鍋爐的啟動(dòng)時(shí)間 主要受熱應力的限制，也就是說(shuō)， 鍋爐和汽輪機厚壁部分的溫度梯度 過(guò)大可能會(huì )導致材料的爆裂。 根據模型和在線(xiàn)測量，可以計算出 實(shí)際的熱應力。因此可以開(kāi)發(fā)出一種 鍋爐模型 ( 不允許突破熱應力限 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(chǎng)中安裝了這種技 術(shù)，還有三個(gè)以上項目正在進(jìn)行之 中 (見(jiàn)圖 2 )。一般情況下，單次啟 動(dòng)約可節約 10 % 至 20 % 的燃料。按 照每年 50 次至 150 次的啟動(dòng)計算， 每套裝置所節約的能量相當于 80 至 800 萬(wàn)千瓦時(shí)。如欲了解詳情，請參 見(jiàn)參考文獻 [2]。
TMP 勻漿機的控制
當然，更為典型的控制問(wèn)題集中在 用戶(hù)方面。舉例來(lái)說(shuō)， 熱機械制 漿 (TMP) 生產(chǎn)是一個(gè)能源密集型 流程。不管是一個(gè)圓盤(pán)旋轉或兩個(gè) 圓盤(pán)都旋轉， 木屑與水的混合物 都需要在兩個(gè)圓盤(pán)間很小的縫隙 (< 1 mm) 中研磨。轉子由大型電力 機械驅動(dòng)；一個(gè)現代化的 TMP 勻漿 機常常采用 30 MW 電機。 在勻漿區，大部分電力用于生產(chǎn)蒸 汽，少部分用于木材的機械加工。 現在，TMP 造紙廠(chǎng)反饋控制新穎技 術(shù)，可測量勻漿機內的蒸汽溫度 (見(jiàn) 圖 3 )。
瑞典 Holmen 紙業(yè)公司所屬的 Hallsta 造紙廠(chǎng)的生產(chǎn)實(shí)踐表明，每生產(chǎn) 1 噸 紙漿可直接節能 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(xiàn)的年產(chǎn)量達 10 萬(wàn)噸，那么每 年將節約 70 萬(wàn)至 130 萬(wàn)美元 (請注 意，造紙廠(chǎng)一般開(kāi)工的生產(chǎn)線(xiàn)不止 一條)。加之 TMP 生產(chǎn)線(xiàn)停機次數減 少和造紙機斷紙機率降低，一條生 產(chǎn)線(xiàn)每年節約的總費用將超過(guò) 200 萬(wàn) 美元。
提高產(chǎn)量，降低耗能
任何工廠(chǎng)的運行如果不能按設計要 求進(jìn)行生產(chǎn)， 顯然就是在浪費能 源。因此，設備的啟動(dòng)次數、質(zhì)量 的變化和設備不穩定的持續時(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?，F在采 用先進(jìn)的優(yōu)化方法，可實(shí)現真正的 最佳運行。
創(chuàng )新的 ABB 軟件方案——基 于高質(zhì)量的切割優(yōu)化——可以 根據實(shí)際質(zhì)量數據，計算出最 佳切割模式。
工廠(chǎng)的運行和調度策略往往建立 在直觀(guān)的經(jīng)驗基礎上。這本身并不是缺點(diǎn)，但就優(yōu)化和調度這兩 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(chǎng)資產(chǎn)意味著(zhù)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，從而導致質(zhì)量或產(chǎn)量的下降。
生產(chǎn)調度是增效節能的關(guān)鍵。生產(chǎn)設備的合理和優(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)間浪費節約下來(lái)的能源。例如，工廠(chǎng)的驅動(dòng)裝置 (如泵、加熱和 冷卻系統) 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(zhù)不必改變驅動(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，預定 的切割模式需要根據客戶(hù)的指令進(jìn) 行優(yōu)化計算。由于實(shí)際生產(chǎn)中所發(fā) 生的變化，預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 )導致可再生廢紙 的增加，而且會(huì )造成利潤下滑。 創(chuàng )新的 ABB 軟件方案——基于高質(zhì)量 的切割優(yōu)化——可以根據實(shí)際質(zhì)量 數據，計算出最佳切割模式 (見(jiàn)圖 4 )。專(zhuān)利方法能夠在幾秒內解決極 其復雜的優(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， 一部分的可再生廢紙節約的能源就 十分可觀(guān)。假設每年生產(chǎn) 40 萬(wàn)噸 紙，只要減少 1 % 的可再生廢紙， 每年就可以節約 10,000 MWh 的能源 (包括電力和煤氣)。
生產(chǎn)計劃的協(xié)調
在鋼鐵生產(chǎn)中，由于不同的原料和 訂單種類(lèi)繁多，因此熔煉車(chē)間的計 劃調度非常困難。ABB 開(kāi)發(fā)了一個(gè) 解決方案，能夠以最佳方式，簡(jiǎn)化 和解決這一復雜的問(wèn)題。 今天的自動(dòng)化系統已經(jīng)采集到 大量的數據，這些數據可以反 映工廠(chǎng)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)的計劃調度不像熔煉車(chē)間 那么復雜， 但仍然面臨著(zhù)很大的 挑戰。
解決這兩個(gè)調度計劃方案， 通過(guò) 協(xié)調進(jìn)一步優(yōu)化兩個(gè)車(chē)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)現大幅節 能。因為在鋼坯進(jìn)入熱軋機軋制之 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 (這樣不必再次加熱)， 那么一臺典型的熱軋機每年可減少 21,000 噸的 CO2 或節約 390 萬(wàn)美元。 這些調度計劃問(wèn)題無(wú)法通過(guò)人工解 決，但采用現代的優(yōu)化軟件可以實(shí) 現。而且，操作人員和計劃人員可 以進(jìn)行監控，如果需要的話(huà)，還可 以進(jìn)一步改變計劃。
監控能源浪費的設備
即使工廠(chǎng)控制系統、計劃和調度非 常完美，但隨著(zhù)時(shí)間的推移，由于 設備老化和流程出現故障，其生產(chǎn) 性能將會(huì )逐步退化。有時(shí)很容易發(fā) 現設備損壞，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(xiàn)和報警表等傳統操作工 具，不能輕易發(fā)現故障。即使是一 個(gè)技術(shù)熟練的操作人員，也無(wú)法從工廠(chǎng)內采集的測量數據中辨認出曾 經(jīng)發(fā)生過(guò)的不正常流程狀態(tài)。
采用先進(jìn)的信號分析運算法深入地 觀(guān)察這些測量值，可以更清楚地揭 示其狀態(tài)特性。通過(guò)分散控制系統 (DCS) 所采集到的測量值，很容易計 算出一些關(guān)鍵性能指標 (KPIs)。在 某些情況下，通過(guò)溫差以及流量測 定值可很好地提供能耗情況。當設 備的實(shí)際運行情況接近設計標準值 時(shí) (即在早期的運行或大修之后)， 就可以獲取“衰退前的”測量值， 然后通過(guò)計算機進(jìn)行比較，就可以 很容易地檢測出設備效率的衰退情 況。但要診斷衰減的原因，不但需 要一名經(jīng)驗豐富的維修工程師，而 且還需要另外一套運算方法。
更復雜的監控系統不但可進(jìn)行簡(jiǎn)單 的計算，以檢查是否符合性能指標 要求，而且也可應用于更先進(jìn)的設 備模型，以識別各種參數，這樣可 使該模型與正在衰退的設備性能相 匹配。相比于從 DCS 中所獲得的測 量值，這些參數可以更為全面了解 系統的內在性能。
通過(guò)電力驅動(dòng)數據監控流程設備 在引進(jìn)先進(jìn)的監控技術(shù)時(shí)，大家總 認為需要引進(jìn)更為靈敏的設備，畢 竟，要獲得更多的流程信息需要更 多的數據。然而，人們常常忘掉這 樣一個(gè)事實(shí)：今天的自動(dòng)化系統已 經(jīng)采集到大量的數據，這些數據可 以反映工廠(chǎng)的許多情況。即使在那 些不太明顯的地方，也可以不斷地 采集與分析這些數據。
即使是一個(gè)技術(shù)熟練的操作人 員，也無(wú)法從工廠(chǎng)內采集的數 據中辨認出曾經(jīng)發(fā)生過(guò)不正常 的流程狀態(tài)。
現列舉驅動(dòng)系統的一個(gè)實(shí)例。除了 控制系統的算法之外，還包含數據 采集器，通常用于診斷驅動(dòng)系統的 性能。然而，這些數據還可以告訴 你很多關(guān)于最終由電機控制的流程 信息。把驅動(dòng)系統的信號模式與所 觀(guān)測的流程性能相匹配，或者調整 流程模型與觀(guān)測的信號相對應，這 時(shí)就可以通過(guò)系統中已有的信號， 在不需要引入新的 (和費用高昂的) 測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)對驅動(dòng) 系統的信號分析，可以對壓縮機進(jìn) 行診斷。
全面的觀(guān)點(diǎn)
通過(guò)優(yōu)化方式實(shí)現節能，除了技術(shù) 上的復雜性以外，還存在操作上的 復雜性?，F代化的優(yōu)化解算器能夠 提供快速而可靠的方法解決復雜的 技術(shù)問(wèn)題。人們所面臨的另一個(gè)大 挑戰是：要把以計算機為基礎的生 產(chǎn)調度和工廠(chǎng)運行融入到工廠(chǎng)的工 作流程中。
為了使現代化工廠(chǎng)的優(yōu)化獲得成功， 組建生產(chǎn)計劃和工廠(chǎng)運行的團隊十 分必要。對于經(jīng)銷(xiāo)商和用戶(hù)而言， 實(shí)用性、可維護性、模塊化和適當 的培訓非常重要。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：11010802023656號