减少能源消耗:水泥生产

如何进行制造能源评估可以帮助确定广泛的变化，以帮助减少消耗。计量、电能质量、减负荷、电机管理、功率因数和能源优化都可以帮助固井作业和其他工厂。

通过穆雷 2011年8月25日

根据2009年水泥厂运营手册，随着干法窑的引入，水泥生产商面临着能源成本的大幅上升，每吨水泥的平均消耗达到了创纪录的100-200千瓦时。这一复杂的挑战，加上燃料和能源成本的上涨，促使水泥制造商实施能源管理计划，以帮助降低成本，同时保持竞争力和增加利润。

许多水泥生产商通过采用全面的工业能源管理方法，将能源成本降低了20%。这一战略过程有助于客户确定成本节约措施，并评估最适合特定工厂需求的工具，包括:

电源和能源管理系统
变频驱动器
模型预测控制系统
能源评估。

这些工具可以帮助水泥制造商:

发现并消除运营效率低下
修改设备和工艺
在产品设计中提高能源效率
扩大工厂运营，包括全面的能源管理计划，将迅速提供可衡量的结果和显著的成本节约。

对于水泥生产商来说，这是一个前所未有的复杂时期。在平衡供应、定价、需求、流程效率、法规遵从和其他需求的同时管理生产可能很困难。与此同时，包括水、空气、天然气、电力和蒸汽(工资)资源在内的能源成本不断上涨，加剧了这些挑战。

正如美国能源部工业技术项目技术经理Paul Scheihing所解释的那样，“工业设施生产所需能源的购买成本被视为管理投入，通常受到极大关注，而一旦能源进入工厂，它的使用通常被视为简单的商业成本。虽然并非所有工业设施都是如此，但经验表明，除非设施积极管理能源使用，并为此制定有文件记录的计划，否则这些设施的能源效率会大大低于它们可能达到的水平。如果没有将能源消耗与生产产出联系起来的绩效指标，就很难衡量或记录能源强度的改善。”

在工业应用中，克服这一能源挑战所必需的自动化控制、优化和信息解决方案首次到位或随时可用，可立即应用以实现可衡量的结果。

能源评估

在开始任何能源管理计划之前，进行能源评估可以帮助公司确定他们可以做出的广泛改变，以帮助减少消耗。这些工作可以很简单，比如浏览建筑物或设施以确定快速出击的机会，或者更详细的工作。评估可以帮助确定节能工作的范围，定义关键指标，并将资源放在适当的位置，以全面地看待整个组织的能源。

评估产生的建议可能包括低投资或无投资的行为修改，例如将维护操作转移到非高峰时段，或者可能更复杂，例如对设备进行编程更改。资本改善机会的评估和优先排序也可以包括在分析中。

能源监测

评估后，管理能源消耗的第一步是了解整个设施的能源使用模式和趋势。建筑管理人员可以利用设施的计量基础设施，包括电力监控设备、历史公用事业账单和先前的能源或过程评估，以收集有关设备使用和环境条件的所有能源资源的数据。这一过程应包括从工业过程到关键建筑系统的所有能源使用点。

然后，这些数据被记录在能源历史软件程序中，并标明时间，以确定能源质量和消耗的趋势或差异，并为未来的改进建立基准。有了这个设施整体工资使用的大图视图，建筑管理人员可以识别并进行操作更改，以帮助降低能源消耗和相关成本，例如在设施接近高峰使用时减少负载或暂时降低功率水平。

能源计量

第一步是计量主要的输入公用事业，并将工厂划分为能源分配中心(EAC)。

对于电力，生产商可能会在以下地方安装主要的入水表:

发电机
工厂变电站
窑(s)
超过200马力的马达
每个EAC的主要用电量。

对于化石燃料，生产商可能使用下列计量方案:

主要进气表
窑
主要的天然气消费国。

生产设备监测还提供有关特定资产如何消耗能源的知识。在设备和流程中识别有用的数据收集点，并对信息系统进行编程，以存储和分析这些数据。

负荷分析

负载分析通过测量和记录能源使用情况来绘制能源消耗模式，以确定需求高峰时期，将消耗与设施活动和生产实时关联起来，并预测能源需求。

电能质量监测

收集和审查电能质量信息可以帮助识别电力系统异常和计算停电成本等。

电能质量监控对电能质量参数进行测量、显示、记录、趋势和告警，例如:

谐波
电压远足
分发系统事件。

通过记录历史数据，建筑物管理人员可以识别电能质量问题，例如电压下降或谐波，这些问题可能导致工厂内部设备损坏，并导致能源电网的功率因数问题。通过了解这些风险，制造商可以更好地保护他们的设备，避免招致公用事业公司的罚款。

提高效率

接下来，水泥生产商可以实施紧急减负荷、成本分配和需求管理等控制策略，以帮助提高整个工厂的能源效率。

应急用电限制

为了证明紧急减负荷系统的成本，只需使用之前进行的评估期间收集的数据，确定停电在生产损失方面的成本。大多数水泥生产商发现，紧急减负荷解决方案在一次或两次停产后就能收回成本。

紧急减载适用于有发电或多个公用事业源的站点，并帮助生产者:

保护发电机免受危险的，破坏性的过载
在停机期间保持关键负载
优化资源和关键负载
消除与设备损坏和停机时间相关的成本。

能源消耗，成本分配，影子计费

通过回顾之前收集的能源使用数据，水泥生产商可以揭示能源美元在哪里消耗，以及消耗的比例。这可以帮助按部门、流程或设施分配成本;通过“影子计费”核实水电费的准确性;评估替代能源价格和合同。

需求管理

需求管理系统通过减负荷和调峰策略来限制能源需求。它有助于减少需求费用和管理实时电力购买，或最大限度地减少限电期间的负荷。

例如，一家钢铁厂每月使用90,000 MWh的电能，每年的成本为270万美元。通过更换设施不可靠的需求管理系统，更新其控制算法，以更有效地减轻负载，提高功率因数，减少电压下降，这个价值30万美元的系统在5个月内获得了完全的回报。此外，由于损坏程度降低，该公司每月可节省7万美元。

汽车管理

工业中近70%的电力是由某种类型的电机驱动系统消耗的。在10年的生命周期中，电机积累的能源成本可能达到其原始购买价值的100倍。

然而，水泥生产商可以通过实施智能电机控制解决方案，如变频驱动器(vfd)，显著降低电机能耗。

在水泥厂，vfd用于节省能源和控制工艺参数，并在具有可变扭矩特性的应用(如气体流动和流体流动)或恒扭矩应用(如物料搬运和研磨设备)中保持时间。驱动器也用于动力辊磨机研磨不同的矿渣水泥，并启动和运行多个辊磨机，球磨机，和陆上输送机。

中国一家水泥厂使用vfd大大降低了干法窑的能源消耗，每年生产140万吨水泥。传统的风门控制系统使用的能量是固定的，因此即使在设备不生产产品的情况下，工厂的风扇也总是满负荷运行，这浪费了能源，并对设备造成了不必要的磨损。通过使用变频驱动器自动控制窑头排风机、窑主电风扇、高温风机、煤机排风机和窑尾排风机的速度，该系统现在只使用产生所需气流所需的能量。结果，该公司减少了10%的能耗，每年节省124,000美元。

VFD在水泥厂的典型应用包括:

诱导选秀/强迫选秀的球迷
窑驱动
机驱动
物料搬运系统
离心泵及风机
压缩机控制。

功率因数

功率因数(PF)衡量水泥生产商如何利用从电网中获取的电力。PF为1相当于100%的效率;换句话说，所有的电力都被使用了。PF为零意味着完全是无功功率流。

为了提高功率因数，公司可以实现vfd，使用同步电机(这种电机固有的PF为1)，或安装功率因数校正电容器。功率因数校正电容器用于改善异步电动机功率因数差的问题。

优化效率

一旦水泥生产商找到了提高效率的机会，下一步就是研究优化整个过程的机会。实际上，有效地控制一个主要的工艺单元通常意味着要处理多变量系统，但是独立处理每个控制回路就能提供最优控制是极不可能的，因为在大多数情况下，一个回路的控制动作会影响其他回路。模型预测控制(MPC)技术是一种多变量控制算法，可以提供:

一种受工艺约束的工艺内部动态模型，它基于固定的频率周期
过去控制动作的历史，以确定偏差
在预测范围内计算最优控制动作和控制未来行为的优化成本函数。

MPC技术允许控制器接收有关流程当前操作条件的信息，然后使用模型来预测流程对特定时间轴或“预测范围”内操作输入的一系列未来移动的响应。接下来，在线求解最优控制问题，确定多个操纵变量的最佳未来移动顺序，以在遵守各种过程约束的情况下最小化特定目标函数。然后将得到的控制轨迹的一部分应用于工艺，并获得反映修改后的操作条件的新工艺测量值，允许将工艺输出与所需的参考轨迹进行比较。利用这些新信息，系统重复优化和控制移动过程。

MPC系统可以通过原料制备的应用，包括火加工、水泥研磨和材料混合，在生产过程的关键领域提供优化。节能可以通过优化燃烧过程、控制温度分布、优化热回收过程等来实现。平均而言，MPC系统可使水泥厂减少3%至5%的能源消耗，并提供更好的产品质量和产能改进。

能源管理利润

有了优化的生产信息，制造商就可以提前预测类似的负荷或批次需要多少能源。然后，水泥生产商可以在资源规划和调度决策中包括能源需求，就像他们在材料清单中考虑原材料或其他投入的可用性一样。

从经验上讲，将工资消耗要求与材料清单联系起来，可以让工厂经理或生产调度经理做出积极的生产决策，并以一种能够产生更大回报的方式更好地管理能源投资。例如，通过了解某些水泥批次需要更多的自然资源，管理人员可以将这些批次移到峰值窗口之外。

在工业能源管理过程的这一点上，能源及其相关的温室气体排放不再是固定的分配，只是不可避免的开销的一部分。将WAGES资源添加到物料清单的制造商可以积极地将其作为投入进行管理，以实现更高的盈利能力。此外，这种单位层面的能源消耗信息成为可持续性记分卡和其他报告机制的宝贵输入，使公司能够更好地优化其整个供应链，以增强可持续性和能源项目。

例如，在未来的水泥厂中，制造商可能希望增强操作以支持理想的“可持续性得分”。公司可能会根据浆料的价格，以及将原材料运输到工厂的潜在碳足迹或能源足迹来选择生产设施。此外，可以优化出站产品的运输路线，以考虑可能影响储存产品所需能量的天气因素。

整体能源管理

采用这种整体能源管理方法的制造商已经能够通过利用现有的自动化和电力系统投资来实现更多的WAGES资源。使用智能自动化解决方案来获得水泥厂能源使用的总体情况，有助于确定可以在哪些操作上进行更改，以降低能源消耗和成本。

关键概念:亲和定律——速度少一点，能量就少很多

vfd采用亲和定律，通过使用电机应用所需的最小量来减少能源使用。例如，在风机和泵等离心应用中，速度的降低转化为流量的成比例减少(扬程压力随速度的平方变化)。速度的降低也转化为能量的减少(功率随速度的立方而变化)。因此，50%的流量相当于仅12.5%的功率需求。换句话说，风扇转速为80%，相当于减少了50%的能量。

典型的审计范围和时间表

	评估	审计
大概完成时间	2 - 3天	2 - 3周
节能项目认定	x	x
公用事业使用情况检讨	x	x
详细的工具分析		x
可持续发展项目的详细报价		x
项目投资回报率计算		x
项目的优先级		x