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案例頻道 摘 要: 可再生能源、核能、清潔煤——這些流行語代表著未來能源的發(fā) 展趨勢，但這僅僅是實現(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——這些流行語代表著未來能源的發(fā) 展趨勢，但這僅僅是實現(xiàn)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，而需求降低則會減少資源的消耗。 幾十年來，各類環(huán)保組織一直試圖限制能源的使用量，這在過去 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用增效節(jié)能提高能源利用效率，即低能耗高 產(chǎn)出。一個著名的實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，通過生產(chǎn)場 地使用更好的隔熱措施，同時利用生產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)生的熱量，都可以 提高效率。
本文進一步探討了增效節(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)備由自動化系統(tǒng)控 制，因此采用先進的數(shù)學優(yōu)化技術(shù)和優(yōu)化的流程，改進控制軟 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 司機駕駛的汽車能耗不同，這一點 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 方式和策略，工廠的實際能耗就會 發(fā)生顯著變化。
節(jié)能工廠的運營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 許可的條件下運行。
早換擋——易于調(diào)整。
保持適當?shù)妮喬毫ΑS應保 持最佳的運行狀態(tài)。
汽車接近紅燈時不要加速——工廠 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，就沒必要 通過“減速”來節(jié)油。從現(xiàn)代生態(tài) 型駕駛培訓中獲得的經(jīng)驗證明：高 速駕駛的同時實現(xiàn)節(jié)油是可能的。 在更為復雜的現(xiàn)代化工廠中，同樣 可以通過優(yōu)化方式運行工廠，實現(xiàn) 增效節(jié)能。
本文將著重探討不同層次和不同等 級的自動化系統(tǒng)。改進自動化系統(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 (從單個設(shè)備到 整個工廠的設(shè)備) 還是控制時間 (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方面的問題： 先進的控制：當今先進的控制有能 力解決每一環(huán)節(jié)的優(yōu)化問題，并因 此可以將最少的能量作為其中的一 個目標函數(shù)或邊界條件。
生產(chǎn)計劃與調(diào)度：適用的工廠計劃 和優(yōu)化調(diào)度可減少時間和材料的 浪費，以同樣的能量獲得更多產(chǎn)出。 監(jiān)控：為了檢驗一個工廠是否以最 高效率運行，必須進行嚴密監(jiān)控， 以查明是否出現(xiàn)任何可能導致能耗 增加的不正常情況。
改進控制，降低能耗
很多人還不能立即將改進控制與節(jié) 能聯(lián)系起來，而是致力于提高產(chǎn)品 質(zhì)量、增加產(chǎn)量和減少化學添加 劑。但不論制訂什么控制目標，卻 幾乎總能帶來能耗降低的正面效 果，或者用與過去等量的能源生產(chǎn) 出更多的產(chǎn)品。
改進自動化系統(tǒng)中的各種功 能，有助于控制流程實現(xiàn)增效 節(jié)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(jié)約的能耗可能很少， 但大量的回路 (一個大型流程工業(yè)工 廠即使沒有上千個回路，至少也有 幾百個) 節(jié)約的能量就相當可觀。 有時，一種先進的控制系統(tǒng)或優(yōu)化 解決方案直接劍指節(jié)能。下面列舉 幾個節(jié)能的成功案例：
發(fā)電
當然，最理想的節(jié)能方式應該從能 源生產(chǎn)環(huán)節(jié)這個源頭開始。
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)營一家大型精煉廠，將鋁 礬土冶煉成氧化鋁 (見圖 1 )。由于這 是一個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， 安裝了多臺鍋爐、汽輪機和蒸汽匯 集裝置。盡管大部分電力來源于自 備電廠，但也需要從當?shù)仉娋W(wǎng)購買 電能。
電力和燃料 (如天然氣) 的價格不斷 變化，因此首要挑戰(zhàn)就在于確定自 己發(fā)電與購電之間的最佳平衡點。 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 電能價格，以分析解決這一問題。 然后將穩(wěn)定狀態(tài)中獲得的優(yōu)化結(jié)果 輸入到模型預測控制器 (MPC) 中，而這個控制器以一個極快的周期 (< 10 s) 運行。MPC 建立在經(jīng)驗線 性動態(tài)模型基礎(chǔ)之上，然后發(fā)送給 28 個操控設(shè)定點。
2005 年，ABB 對該系統(tǒng)進行了調(diào) 試，流程穩(wěn)定性大幅提高，例如蒸 汽標準壓力偏差降低了 80 %。經(jīng)證 實，整體能耗費用可節(jié)約 1 %，客戶 投資回收期僅為 6 個月。有關(guān)該系統(tǒng) 更詳細的情況及解決方案見參考文 獻 [1]。
TMP 造紙廠反饋控制新穎技 術(shù)，可測量勻漿機內(nèi)的蒸汽 溫度。
發(fā)電：啟動電站鍋爐
另一個節(jié)能實例來自化石燃料蒸汽 發(fā)電廠的優(yōu)化啟動。在解除管制的 電力市場中，這些發(fā)電廠并不只滿 足于基礎(chǔ)負荷，因此會遇到更多的 停機和啟動問題。鍋爐的啟動時間 主要受熱應力的限制，也就是說， 鍋爐和汽輪機厚壁部分的溫度梯度 過大可能會導致材料的爆裂。 根據(jù)模型和在線測量，可以計算出 實際的熱應力。因此可以開發(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 個電廠中安裝了這種技 術(shù)，還有三個以上項目正在進行之 中 (見圖 2 )。一般情況下，單次啟 動約可節(jié)約 10 % 至 20 % 的燃料。按 照每年 50 次至 150 次的啟動計算， 每套裝置所節(jié)約的能量相當于 80 至 800 萬千瓦時。如欲了解詳情，請參 見參考文獻 [2]。
TMP 勻漿機的控制
當然，更為典型的控制問題集中在 用戶方面。舉例來說， 熱機械制 漿 (TMP) 生產(chǎn)是一個能源密集型 流程。不管是一個圓盤旋轉(zhuǎn)或兩個 圓盤都旋轉(zhuǎn)， 木屑與水的混合物 都需要在兩個圓盤間很小的縫隙 (< 1 mm) 中研磨。轉(zhuǎn)子由大型電力 機械驅(qū)動；一個現(xiàn)代化的 TMP 勻漿 機常常采用 30 MW 電機。 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械加工。 現(xiàn)在，TMP 造紙廠反饋控制新穎技 術(shù)，可測量勻漿機內(nèi)的蒸汽溫度 (見 圖 3 )。
瑞典 Holmen 紙業(yè)公司所屬的 Hallsta 造紙廠的生產(chǎn)實踐表明，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 10 萬噸，那么每 年將節(jié)約 70 萬至 130 萬美元 (請注 意，造紙廠一般開工的生產(chǎn)線不止 一條)。加之 TMP 生產(chǎn)線停機次數(shù)減 少和造紙機斷紙機率降低，一條生 產(chǎn)線每年節(jié)約的總費用將超過 200 萬 美元。
提高產(chǎn)量，降低耗能
任何工廠的運行如果不能按設(shè)計要 求進行生產(chǎn)， 顯然就是在浪費能 源。因此，設(shè)備的啟動次數(shù)、質(zhì)量 的變化和設(shè)備不穩(wěn)定的持續(xù)時間必 須減少到最低限度。雖然這不是新 問題，但也很難加以控制。現(xiàn)在采 用先進的優(yōu)化方法，可實現(xiàn)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(jù)實際質(zhì)量數(shù)據(jù)，計算出最 佳切割模式。
工廠的運行和調(diào)度策略往往建立 在直觀的經(jīng)驗基礎(chǔ)上。這本身并不是缺點，但就優(yōu)化和調(diào)度這兩 方面來說，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 某段時間使用太多的能源，而在其他時間浪費節(jié)約下來的能源。例如，工廠的驅(qū)動裝置 (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(jù)客戶的指令進 行優(yōu)化計算。由于實際生產(chǎn)中所發(fā) 生的變化，預定的切割模式往往并不理想，與巨型卷筒紙的實際質(zhì)量有差距。這不僅會導致可再生廢紙 的增加，而且會造成利潤下滑。 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(jù)實際質(zhì)量 數(shù)據(jù)，計算出最佳切割模式 (見圖 4 )。專利方法能夠在幾秒內(nèi)解決極 其復雜的優(yōu)化問題。通過這樣的方 法，可以進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(jié)約的能源就 十分可觀。假設(shè)每年生產(chǎn) 40 萬噸 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 劃調(diào)度非常困難。ABB 開發(fā)了一個 解決方案，能夠以最佳方式，簡化 和解決這一復雜的問題。 今天的自動化系統(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) (見圖 5 )。 熱軋生產(chǎn)的計劃調(diào)度不像熔煉車間 那么復雜， 但仍然面臨著很大的 挑戰(zhàn)。
解決這兩個調(diào)度計劃方案， 通過 協(xié)調(diào)進一步優(yōu)化兩個車間的生產(chǎn) 作業(yè)，盡可能減少新鋼坯在堆料場 的停留時間， 就可以實現(xiàn)大幅節(jié) 能。因為在鋼坯進入熱軋機軋制之 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(jié)約 390 萬美元。 這些調(diào)度計劃問題無法通過人工解 決，但采用現(xiàn)代的優(yōu)化軟件可以實 現(xiàn)。而且，操作人員和計劃人員可 以進行監(jiān)控，如果需要的話，還可 以進一步改變計劃。
監(jiān)控能源浪費的設(shè)備
即使工廠控制系統(tǒng)、計劃和調(diào)度非 常完美，但隨著時間的推移，由于 設(shè)備老化和流程出現(xiàn)故障，其生產(chǎn) 性能將會逐步退化。有時很容易發(fā) 現(xiàn)設(shè)備損壞，然而在許多情況下， 退化是漸進的，依靠流程顯示器、 動態(tài)曲線和報警表等傳統(tǒng)操作工 具，不能輕易發(fā)現(xiàn)故障。即使是一 個技術(shù)熟練的操作人員，也無法從工廠內(nèi)采集的測量數(shù)據(jù)中辨認出曾 經(jīng)發(fā)生過的不正常流程狀態(tài)。
采用先進的信號分析運算法深入地 觀察這些測量值，可以更清楚地揭 示其狀態(tài)特性。通過分散控制系統(tǒng) (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，通過溫差以及流量測 定值可很好地提供能耗情況。當設(shè) 備的實際運行情況接近設(shè)計標準值 時 (即在早期的運行或大修之后)， 就可以獲取“衰退前的”測量值， 然后通過計算機進行比較，就可以 很容易地檢測出設(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(jiān)控系統(tǒng)不但可進行簡單 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的設(shè) 備模型，以識別各種參數(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 量值，這些參數(shù)可以更為全面了解 系統(tǒng)的內(nèi)在性能。
通過電力驅(qū)動數(shù)據(jù)監(jiān)控流程設(shè)備 在引進先進的監(jiān)控技術(shù)時，大家總 認為需要引進更為靈敏的設(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 樣一個事實：今天的自動化系統(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)。
即使是一個技術(shù)熟練的操作人 員，也無法從工廠內(nèi)采集的數(shù) 據(jù)中辨認出曾經(jīng)發(fā)生過不正常 的流程狀態(tài)。
現(xiàn)列舉驅(qū)動系統(tǒng)的一個實例。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)于最終由電機控制的流程 信息。把驅(qū)動系統(tǒng)的信號模式與所 觀測的流程性能相匹配，或者調(diào)整 流程模型與觀測的信號相對應，這 時就可以通過系統(tǒng)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，通過對驅(qū)動 系統(tǒng)的信號分析，可以對壓縮機進 行診斷。
全面的觀點
通過優(yōu)化方式實現(xiàn)節(jié)能，除了技術(shù) 上的復雜性以外，還存在操作上的 復雜性?，F(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雜的 技術(shù)問題。人們所面臨的另一個大 挑戰(zhàn)是：要把以計算機為基礎(chǔ)的生 產(chǎn)調(diào)度和工廠運行融入到工廠的工 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)計劃和工廠運行的團隊十 分必要。對于經(jīng)銷商和用戶而言， 實用性、可維護性、模塊化和適當 的培訓非常重要。如果這些問題能 夠得到全面的解決，那么成功生產(chǎn) 和節(jié)能之間將不會產(chǎn)生任何矛盾。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號