水泥是世界上使用最广泛的产品之一。但需求在中国尤其旺盛，中国在水泥生产方面处于世界领先地位。水泥是基础设施和住房开发的关键成分，支持着该国日益增长的城市人口和不断发展的特大城市。
虽然需求的持续增长对中国生产商来说是个好消息，但水泥行业是一个能源密集型行业，严重依赖煤炭作为燃料。
“煤炭是温室气体的主要来源，”罗克韦尔自动化经理 Alessandro Masiello 说。“中国水泥生产商正在寻找不仅可以降低燃料成本，而且可以满足环境法规的解决方案。”
最近，该国领先的水泥生产商转向罗克韦尔自动化，寻求更好的方法来优化其过程、降低燃料消耗并控制成本。
复变量
水泥生产是一个复杂的过程，从原料粉磨机开始，在这里对石灰石和其他材料进行粉碎和混合。在窑中，原材料经受高温处理并转化为熟料。熟料被输送到精磨机，在那里进行研磨并与石膏混合以生产最终产品。
水泥生产的每个环节都需要消耗能源，而窑是其中最难优化的环节之一。
现代水泥厂通常使用带有预热器的干法回转窑。预热器将原材料预热至约 900°C (1650°F)。煅烧过程在窑内完成，窑将材料加热至约 1200°C (2200°F)。为了达到这些温度，燃料被添加到窑的主燃烧器和预热器级别。
“由于原材料质量和煤炭热值的变化，窑内的工艺条件也在不断变化，”Rockwell Automation 水泥行业顾问 Tiger Xiaohu He 表示。
此外，风扇在熟料离开窑后对其进行冷却，系统将产生的热空气循环回分解炉。虽然循环空气提高了能效，但它也为过程增加了另一个变量。
此外，为了保持产品质量，定期对材料进行测试，以确保游离氧化钙含量保持在 1-2% 的范围内。游离氧化钙的含量与窑炉的能量输入直接相关。
传统控制方式的问题
“水泥公司使用标准 PID 回路来控制有限数量的变量，”He Xiaohu 解释道。“但鉴于水泥厂中变量的数量很大，PID 回路无法真正优化过程。”
水泥生产商在其广泛的工厂网络中面临着类似的挑战，他们选择首先关注益阳工厂。
益阳工厂每天生产 5000 吨熟料，消耗约 500 吨煤炭。每年，工厂消耗约 165,000 吨煤炭，成本高达 1650 万美元。为了减少煤炭消耗，公司知道必须更好地控制窑炉的能源使用。
“窑炉内的温度波动很大，”何小虎说。“为了控制温度，操作员需要监控整个过程，并手动应对任何波动。”
例如，在主燃烧器中，操作员监控热成像摄像头，然后调整燃料流量以升高或降低温度。在煅烧炉中，操作员更改 PID 回路温度设定值，以根据需要触发燃料添加。
“操作员将 50-70% 的时间花在监控和调整温度以及燃料添加上，”He Tiger Xiaohu 说。“但尽管他们尽了最大努力，仍无法提高系统的热效率。”
使用 MPC 提高窑的稳定性
为了实现更稳定的窑炉运行，罗克韦尔自动化推荐了一种基于 FactoryTalk Analytics PavilionX（一种模型预测控制 (MPC) 软件平台）的解决方案。
罗克韦尔自动化 Pavilion 业务开发经理唐景坤表示：“FactoryTalk Analytics PavilionX MPC 可以与任何现有的控制系统集成。它通过预测工厂产出并对过程输入变量和干扰做出响应来改进过程。”
FactoryTalk Analytics PavilionX MPC 利用监督式机器学习技术构建多变量过程的强大动态模型。它分析历史数据和生产趋势以及当前的过程和实验室数据，并采取控制措施来优化性能。
例如，软件可以对循环热空气对煅烧炉温度的影响进行建模和预测，然后自动调整煤炭添加量，以使用理想的燃料量生产高质量产品。
“在这样的应用中，一切都是相互关联的，”Alessandro Masiello 说。“FactoryTalk Analytics PavilionX MPC 让您能够更好地控制质量，从而降低能耗，最终提高产能。”
将收益扩展到磨机运营乃至整个企业
关注窑炉性能是益阳工厂优化煤炭消耗的一种方式。但工厂还希望降低另一种高耗能工艺——磨机应用的能耗。
通过在原料和成品磨机中应用 FactoryTalk Analytics PavilionX MPC，工厂能够更好地控制原材料不一致性和熟料可磨性等变量，并优化能源使用。
“总的来说，该解决方案有助于稳定窑和磨机的运行，”唐景坤说。“更稳定的系统显著降低了操作员的工作量，并带来了令人印象深刻的节能效果。”
通过 FactoryTalk Analytics PavilionX MPC，益阳工厂将窑炉的煤炭和能源消耗减少了多达 2%，并在磨机中实现了额外的节约。煤炭消耗的减少每年可节省高达 33 万美元，并使工厂能够减少煤炭消耗的两种副产品 - 二氧化碳 (CO2) 和氮氧化物 (NOx) 排放。
“益阳工厂的试点项目非常成功，”唐景坤说。“公司已经将 FactoryTalk Analytics PavilionX MPC 解决方案扩展到另外五个工厂，至少还有五个工厂正在筹备中。”
