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      電解鋁生產(chǎn)全過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

      2014-04-12 06:55:58傅開(kāi)偉唐榮海田應(yīng)甫
      鋁加工 2014年4期
      關(guān)鍵詞:電解鋁電解槽事故

      傅開(kāi)偉,王 勇,唐榮海,田應(yīng)甫

      (中電投重慶天泰鋁業(yè)公司有限公司,重慶 九龍坡 400328)

      電解鋁生產(chǎn)全過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

      傅開(kāi)偉,王 勇,唐榮海,田應(yīng)甫

      (中電投重慶天泰鋁業(yè)公司有限公司,重慶 九龍坡 400328)

      介紹了鋁電解生產(chǎn)全過(guò)程系統(tǒng)的構(gòu)成與功能。通過(guò)應(yīng)用該系統(tǒng),大大提升電解鋁廠生產(chǎn)管理水平,形成了較為規(guī)范的全新的電解鋁生產(chǎn)全過(guò)程控制管理模式。

      電解鋁廠;全過(guò)程控制;管理模式

      0 前言

      中國(guó)的電解鋁生產(chǎn)從20世紀(jì)50年代起,經(jīng)過(guò)60余年的發(fā)展,技術(shù)得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步,大型預(yù)焙陽(yáng)極電解槽設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。但是電解鋁廠各生產(chǎn)環(huán)節(jié)自動(dòng)化水平相對(duì)落后,各系統(tǒng)孤立運(yùn)行,生產(chǎn)運(yùn)行和維護(hù)分離管理,自動(dòng)化處理能力不足,不能充分發(fā)揮設(shè)備能力,管理困難,操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大,效率較低。

      基于電解鋁行業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)狀,天泰鋁業(yè)公司在二期建設(shè)過(guò)程中,借鑒電力行業(yè)和國(guó)際先進(jìn)電解鋁生產(chǎn)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),應(yīng)用中國(guó)電力投資集團(tuán)公司與國(guó)電南瑞科技股份有限公司等單位合作完成的“電解鋁廠生產(chǎn)全過(guò)程控制技術(shù)研究及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)”的研究成果,實(shí)現(xiàn)信息化與工業(yè)化融合,提高電解鋁廠自動(dòng)控制水平和生產(chǎn)管理水平,從根本上解決了電解鋁生產(chǎn)過(guò)程缺乏集中監(jiān)控的弊端,形成了較為規(guī)范的全新的電解鋁生產(chǎn)全過(guò)程控制管理模式。

      1 電解鋁廠生產(chǎn)全過(guò)程控制技術(shù)的任務(wù)

      電解鋁廠生產(chǎn)全過(guò)程綜合監(jiān)控系統(tǒng)是電解鋁廠電解整流、電解槽控、煙氣凈化、空壓站的運(yùn)行與監(jiān)測(cè)中心和調(diào)度控制中心,負(fù)責(zé)電解槽電能、氧化鋁、壓縮空氣的供應(yīng)與傳輸監(jiān)控,電解槽下料間隔、設(shè)定電壓、效應(yīng)等待的調(diào)整,能源計(jì)量與能耗分析。建立起電解鋁廠“生產(chǎn)運(yùn)行、設(shè)備監(jiān)測(cè)、安全保障、能耗管理”體系,對(duì)保障變電整流和電解槽安全性和可靠性具有重要意義和客觀要求。

      2 系統(tǒng)的構(gòu)成

      綜合監(jiān)控系統(tǒng)以控制對(duì)象為基礎(chǔ)、設(shè)備管理為保障、優(yōu)化流程為目標(biāo),秉承“分級(jí)控制、集中監(jiān)控”理念,進(jìn)行整體設(shè)計(jì),在滿足安全性、可靠性、實(shí)用性的基礎(chǔ)上,建立面向?qū)ο?、面向全局、開(kāi)放式、分層分布的電解鋁生產(chǎn)綜合自動(dòng)化。系統(tǒng)采用單元結(jié)構(gòu),分為設(shè)備層、監(jiān)控層二層構(gòu)架(見(jiàn)圖1)。

      (1)設(shè)備層:包括變電整流、電解槽控、煙氣凈化、空壓站、循環(huán)水、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、智能直流電源、視頻監(jiān)控等,通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)、作業(yè)環(huán)境、生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制,為電解系列監(jiān)控系統(tǒng)提供全面的生產(chǎn)實(shí)時(shí)過(guò)程信息和控制。

      (2)監(jiān)控層:建設(shè)一體化監(jiān)控平臺(tái),全面接入上述設(shè)備層子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集匯總和信息共享,實(shí)現(xiàn)電解、整流的集中監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)各類事故預(yù)警和故障快速處理指導(dǎo),實(shí)現(xiàn)WEB遠(yuǎn)程管理維護(hù)等功能。

      為了防止系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_,設(shè)備層子系統(tǒng)獨(dú)立組網(wǎng),與其他子系統(tǒng)物理隔離。監(jiān)控層采用開(kāi)放式、雙機(jī)雙網(wǎng)絡(luò)分層分布式結(jié)構(gòu),保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

      圖1 系統(tǒng)構(gòu)架

      3 系統(tǒng)的總體功能

      天泰鋁業(yè)公司綜合自動(dòng)化系統(tǒng)按照“生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、設(shè)備在線監(jiān)測(cè)和壽命管理、生產(chǎn)安全保障、以及能耗測(cè)量和節(jié)能管理”功能體系進(jìn)行規(guī)劃和實(shí)施,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的“可監(jiān)視、可控制、可展示、可維護(hù)、可互動(dòng)、可管理”等功能。其中生產(chǎn)運(yùn)行自動(dòng)化包括以下幾個(gè)方面。

      3.1 生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化與控制

      設(shè)計(jì)合理的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架,優(yōu)化生產(chǎn)網(wǎng)與信息網(wǎng)的運(yùn)行效率與穩(wěn)定,在網(wǎng)絡(luò)安全可靠的前提下,綜合自動(dòng)化系統(tǒng)將整流所自動(dòng)化、電解槽控、廠用電、智能直流電源、視頻監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)、鋁電解槽三維數(shù)據(jù)可視化及多維分析內(nèi)容、以及系統(tǒng)自動(dòng)防護(hù)、事故預(yù)測(cè)與告警、培訓(xùn)仿真體系等融為一體,建立信息共享與關(guān)聯(lián),實(shí)行生產(chǎn)過(guò)程控制,信息監(jiān)測(cè)、展示與分析。

      生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化與控制系統(tǒng)的建設(shè)圍繞電解和整流兩個(gè)核心展開(kāi),建設(shè)范圍覆蓋電解系列變電整理及操控系統(tǒng)、以及各生產(chǎn)子系統(tǒng)。

      3.2 設(shè)備在線監(jiān)測(cè)和壽命管理

      在電解鋁廠中,需要對(duì)重要設(shè)備如整流變、GIS開(kāi)關(guān)站、蓄電池、電解槽、煙氣凈化、空壓機(jī)等加強(qiáng)管理,并將其納入在線設(shè)備監(jiān)測(cè)和壽命管理的范疇。設(shè)備的非正常停運(yùn)或突發(fā)性事故,往往造成很大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡,對(duì)鋁廠重要設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)可以避免原有預(yù)防性維修體系的局限性,系統(tǒng)通過(guò)建設(shè)完善的設(shè)備在線監(jiān)測(cè)、智能蓄電池維護(hù)等,對(duì)設(shè)備相關(guān)信息量進(jìn)行采集、統(tǒng)計(jì)、分析,實(shí)現(xiàn)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)和壽命管理功能,實(shí)現(xiàn)設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

      3.3 生產(chǎn)安全保障體系

      提高生產(chǎn)運(yùn)行的安全性與可靠性是綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的基本要求,系統(tǒng)不僅需要對(duì)生產(chǎn)設(shè)備提供監(jiān)視、控制及管理功能,還需要以生產(chǎn)運(yùn)行設(shè)備為對(duì)象,提供全面可靠的安全保障措施。生產(chǎn)安全保障體系統(tǒng)包括運(yùn)行系統(tǒng)自動(dòng)防護(hù)體系、事故前預(yù)測(cè)與告警體系、事故的追述和反演體系、運(yùn)行操作的培訓(xùn)仿真四大體系,通過(guò)正常操作冗錯(cuò)、采集數(shù)據(jù)冗錯(cuò)、綜自系統(tǒng)自身冗錯(cuò)的三層冗錯(cuò)手段和核心控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全防護(hù)導(dǎo)向機(jī)制和能力。

      3.3.1 運(yùn)行系統(tǒng)自動(dòng)防護(hù)體系

      電解鋁的生產(chǎn)過(guò)程涉及諸多專業(yè)方向,綜合自動(dòng)化系統(tǒng)將各專業(yè)融合在統(tǒng)一平臺(tái)上運(yùn)用。自動(dòng)防護(hù)體系使生產(chǎn)設(shè)備具有自動(dòng)防護(hù)功能,通過(guò)設(shè)立自動(dòng)化系統(tǒng)的安全防護(hù)等級(jí),有效地避免運(yùn)行檢修人員在日常各類操作中可能出現(xiàn)或者存在的不當(dāng)行為,通過(guò)運(yùn)用自動(dòng)化系統(tǒng)自身的安全防護(hù)措施,有效防范由于運(yùn)行檢修人員的技術(shù)能力不足進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)工作的失誤。

      3.3.2 事故預(yù)測(cè)與告警體系

      (1)對(duì)事故前的預(yù)測(cè)和告警。根據(jù)故障類別層層推理,結(jié)合故障類型結(jié)構(gòu)樹(shù)最終查找出將要有異常的設(shè)備或隱患。

      (2)電解鋁智能告警系統(tǒng)。綜合處理告警信息,對(duì)異常信息預(yù)警,避免事故的發(fā)生和擴(kuò)大;事故發(fā)生時(shí)保證準(zhǔn)確、快速處理異常事故,提高監(jiān)控人員工作效率。

      (3)事故的追溯和反演體系。根據(jù)事故中出現(xiàn)的狀況事后模擬反演,幫助用戶更快更準(zhǔn)確地分析出事故原因,為事故進(jìn)行迅速、正確的處理積累經(jīng)驗(yàn)。

      3.3.3 電解槽三維展示與多維數(shù)據(jù)分析

      在傳統(tǒng)監(jiān)控中,電解槽采用二維框圖或者符號(hào)來(lái)模擬,其功能和直觀性都有很大的局限性。電解槽虛擬樣機(jī)利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬裝置的功能。系統(tǒng)采用虛擬樣機(jī)、虛擬儀器技術(shù),將電解槽按照物理特性分別生成虛擬設(shè)備,再利用組件技術(shù)層層包裝,最后形成整個(gè)虛擬裝置。

      電解鋁廠生產(chǎn)全過(guò)程控制系統(tǒng)在三維監(jiān)控和設(shè)備巡視人機(jī)界面上,在實(shí)時(shí)顯示電解槽工藝參數(shù)的同時(shí),綜合采用虛擬現(xiàn)實(shí)、分布式通信等先進(jìn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)設(shè)備三維交互式虛擬場(chǎng)景系統(tǒng),形象地反映電解槽的正常、異常、事故狀態(tài)及其動(dòng)作過(guò)程(如打殼、下料、極距等),且可以進(jìn)行虛擬操作,提高系統(tǒng)的真實(shí)感、現(xiàn)場(chǎng)感。

      3.4 能耗測(cè)量和節(jié)能管理系統(tǒng)

      量化的、可度量的能量測(cè)量是能耗管理的基礎(chǔ)。通過(guò)系統(tǒng)布局和監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置,全面掌握生產(chǎn)過(guò)程能量損耗的每個(gè)具體環(huán)節(jié)。從而掌握電解鋁各系列、各時(shí)間段、各工區(qū)間、各槽間能量和產(chǎn)量的關(guān)系,以及各輔助系統(tǒng)及重要能源設(shè)備的用能情況。能耗測(cè)量和節(jié)能管理系統(tǒng)包含能耗監(jiān)測(cè)、能耗分析與計(jì)算。各生產(chǎn)車(chē)間可根據(jù)能耗測(cè)量和節(jié)能管理系統(tǒng)中的能耗比較,使生產(chǎn)更合理,能耗更節(jié)省,為增加電解鋁的收益起到促進(jìn)作用。

      4 技術(shù)指標(biāo)

      4.1 電解鋁生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

      (1)系統(tǒng)可集成但不僅限于以下子系統(tǒng):供電整流系統(tǒng)、電解槽控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、空壓站系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)等等;(2)支持主流廠家的軟、硬件平臺(tái);(3)具有強(qiáng)大的顯示統(tǒng)計(jì)功能和圖形組態(tài)功能,可以顯示各子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖形;(4)監(jiān)控管理功能,包括:數(shù)據(jù)庫(kù)管理、權(quán)限管理、報(bào)警等;(5)豐富的軟件接口,支持目前所有流行的通訊規(guī)約,如OPC、Modbus、IEC-104、IEC-101;(6)可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸,集控層監(jiān)控網(wǎng)采用雙以太網(wǎng)布局,支持100/1000M速率傳輸。

      4.2 系統(tǒng)總體技術(shù)指標(biāo)

      (1)系統(tǒng)規(guī)模:可處理數(shù)據(jù)點(diǎn)容量:≥20萬(wàn)點(diǎn);同時(shí)登錄用戶數(shù):150;歷史數(shù)據(jù)保存時(shí)間:≥1年;畫(huà)面容量:不小于5000幅,支持大屏幕滿分辨率顯示。

      (2)系統(tǒng)可用性:系統(tǒng)可利用率:≥99.99%;冗余服務(wù)器切換時(shí)間:≤30s;局域網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)間:≤ 2s ;雙網(wǎng)發(fā)生切換時(shí),實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中斷≤ 20s,不丟失任何歷史數(shù)據(jù)。

      (3)系統(tǒng)可靠性:系統(tǒng)平均無(wú)故障工作時(shí)間:≥ 45000h ;系統(tǒng)平均修復(fù)時(shí)間:≤ lh ;局域網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)時(shí)間:≤ 20s ;數(shù)據(jù)傳輸比特差錯(cuò)率:光纖信道≤10~9,數(shù)字通道≤10~6。

      (4)設(shè)備負(fù)載指標(biāo):服務(wù)器CPU負(fù)載:≤30%(5min平均值);工作站CPU負(fù)載:≤30%(1min平均值);局域網(wǎng)負(fù)載:≤20%。

      5 系統(tǒng)的效果和意義

      系統(tǒng)的建設(shè)以實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控為核心,進(jìn)而優(yōu)化生產(chǎn)管理、保障生產(chǎn)安全及提升能源效率,推動(dòng)電解鋁行業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展。目前,天泰鋁業(yè)公司采用本系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)并成功投運(yùn),在電解鋁行業(yè)樹(shù)立了良好的標(biāo)桿示范作用。

      建立了鋁電一體化整體解決方案。以生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化為核心,自頂向下構(gòu)建了完整的系統(tǒng)架構(gòu)和有效的應(yīng)用解決方案。天泰公司綜自項(xiàng)目通過(guò)對(duì)170kA系列和300kA系列電解生產(chǎn)的重要監(jiān)控信息進(jìn)行充分融合,實(shí)現(xiàn)了一二期兩個(gè)系列變電整流、電解槽控、煙氣凈化、空壓站、廠區(qū)安防、生產(chǎn)調(diào)度的集中控制,各生產(chǎn)環(huán)節(jié)和流程間重要信息充分進(jìn)行共享與關(guān)聯(lián)、分類與展示、互動(dòng)與分析,為能效、物料、生產(chǎn)的全過(guò)程管控及生產(chǎn)和財(cái)務(wù)指標(biāo)的優(yōu)化提供了整體的解決方案。

      完善了設(shè)備監(jiān)測(cè)管理機(jī)制。變壓器、GIS、蓄電池、電解槽等設(shè)備已納入在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和全壽命管理體系,并通過(guò)電解工區(qū)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、電解槽況紅外巡檢測(cè)溫分析等技術(shù)的研究驗(yàn)證,充分發(fā)揮了視頻系統(tǒng)在生產(chǎn)領(lǐng)域的監(jiān)視督導(dǎo)功能,實(shí)現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)的動(dòng)態(tài)展示、分析處理、統(tǒng)計(jì)優(yōu)化與發(fā)布,以及系統(tǒng)的靈活調(diào)度、故障診斷與推理等,提升全廠的運(yùn)行維護(hù)水平,提高生產(chǎn)工作效率。

      健全了生產(chǎn)安全保障體系。通過(guò)故障樹(shù)指導(dǎo)分析、PID冗錯(cuò)和閉環(huán)控制的應(yīng)用,運(yùn)行維護(hù)人員可以直接獲得故障根源,自動(dòng)分析目前設(shè)備的運(yùn)行情況,除有效地進(jìn)行電流控制和有載開(kāi)關(guān)的調(diào)節(jié)外,還可自動(dòng)切除故障機(jī)組,避免機(jī)組帶病工作,為運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)了真正意義上的便捷,提高安全生產(chǎn)可靠性和勞動(dòng)效率。

      通過(guò)完善設(shè)備監(jiān)測(cè)管理機(jī)制、健全生產(chǎn)安全保障體系實(shí)現(xiàn)電解整流綜合自動(dòng)化,可以最大限度地提高供電質(zhì)量,適時(shí)調(diào)控電解工藝參數(shù),滿足鋁電解生產(chǎn)的需要,實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化可提高供電的可靠性,并為恢復(fù)供電、快速分析、診斷、報(bào)告事故原因提供有效的依據(jù),減少故障次數(shù),縮小事故范圍,縮短事故時(shí)間。2004~2012年期間,天泰鋁業(yè)公司因綜合監(jiān)控不完善導(dǎo)致的系列平均每年全停電約2次3h,故障搶修壓負(fù)荷30kA運(yùn)行8h。假設(shè)采用綜合自動(dòng)化后,此類事故次數(shù)大大減少,設(shè)備在發(fā)生故障前隱患即可被發(fā)現(xiàn),生產(chǎn)設(shè)備可以做到不停機(jī)不壓負(fù)荷,每年170kA系列可減少停電損失300萬(wàn)元、壓負(fù)荷損失45萬(wàn)元,300kA系列每年可減少停電損失320萬(wàn)元、壓負(fù)荷損失50萬(wàn)元,公司每年可減少損失約700萬(wàn)元。

      實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)管理模式創(chuàng)新。通過(guò)細(xì)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置以及優(yōu)化運(yùn)行管理責(zé)權(quán),使得生產(chǎn)、運(yùn)行與管理的結(jié)合更加緊密,實(shí)現(xiàn)變故障檢修為狀態(tài)檢修、變?nèi)斯ぱ矙z為自動(dòng)故障保修。同時(shí),變運(yùn)維分離為運(yùn)行一體,提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。

      綜合自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)后,天泰鋁業(yè)公司將一二期整流控制、槽控、煙氣凈化、空壓站等合為一體,并兼具廠區(qū)安防、生產(chǎn)調(diào)度等功能,對(duì)綜合控制系統(tǒng)的運(yùn)行組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新規(guī)劃和設(shè)計(jì),取消動(dòng)力車(chē)間,增設(shè)調(diào)度控制中心,調(diào)度控制中心配置綜自運(yùn)維人員55人,和傳統(tǒng)意義上分散控制需要的運(yùn)維人數(shù)96人比較,減少運(yùn)行維護(hù)人員約41人。

      (編輯:楊毅)

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      香港科大研發(fā)出建筑用新型復(fù)合鋁材

      近日,香港科技大學(xué)(科大)土木及環(huán)境工程學(xué)院成功將鋁及碳纖維混合,研發(fā)出全新的復(fù)合鋁,配合他們自主研發(fā)的隔熱物料,可用于大廈外墻。初步預(yù)計(jì)最快明年年中可推出。

      新研發(fā)的建筑復(fù)合鋁,通過(guò)納米技術(shù)使鋁及碳纖維結(jié)合,其硬度比一般的鋁提高30%,而導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能也有所提升,有助散熱,從而達(dá)到節(jié)能的目的。而將這種復(fù)合鋁與他們研發(fā)的隔熱物料一同使用,可制造出更節(jié)能的建筑物外墻。

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      Development and Applicaiton of Monitoring System for Whole Production Process for Electrolytic Aluminum

      FU Kai-wei, WANG Yong, TANG Rong-hai, TIAN Ying-fu
      (Chongqing Tiantai Aluminum Co., Ltd., China Power Investment Corporation, Jiulongpo 400328, China)

      Structures and functions of the overall process monitoring system for aluminum electrolystic production process are introduced in the paper. The management level has improved with the application of the system, and a more standard and brand new management mode is formed.

      electrolytic aluminum plant; whole process control; management mode

      TF821,F(xiàn)273

      A

      1005-4898(2014)04-0052-05

      10.3969/j.issn.1005-4898.2014.04.13

      傅開(kāi)偉(1971-),男,重慶萬(wàn)州人,研究生,工程師,主要從事鋁業(yè)、電力企業(yè)管理工作。

      2014-05-10

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