程文龍
(山西晉鋼集團(tuán))
摘要:在冶金工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的背景下,降本增效、綠色環(huán)保與智能化升級(jí)已成為行業(yè)轉(zhuǎn)型的核心方向。本文以晉鋼智造科技實(shí)業(yè)有限公司輔助設(shè)備智能運(yùn)行改造為研究對(duì)象,系統(tǒng)闡述了除塵器智能運(yùn)行系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)智能優(yōu)化及智能化改造的技術(shù)路徑與實(shí)踐效果。通過(guò)引入動(dòng)態(tài)平衡算法、數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)技術(shù)與全生命周期管理理念,解決了傳統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行中能耗過(guò)高、效率低下、人員依賴強(qiáng)等問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了輔助設(shè)備的精準(zhǔn)化、無(wú)人化與高效化運(yùn)行。研究表明,智能化改造后除塵效果提升 15% 以上,年節(jié)電超 130 萬(wàn)度,崗位人員減員 60%,為冶金行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型提供了可復(fù)制的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
1 引言
冶金工業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè),其生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性、高效性與環(huán)保性直接影響行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。隨著 “雙碳” 目標(biāo)與智能制造戰(zhàn)略的推進(jìn),傳統(tǒng)冶金企業(yè)面臨著能耗管控趨嚴(yán)、人力成本上升、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)提高等多重壓力。輔助設(shè)備作為冶金生產(chǎn)的 “血管系統(tǒng)”,涵蓋除塵、輸送、篩分等關(guān)鍵環(huán)節(jié),其運(yùn)行效率與能耗水平對(duì)整體生產(chǎn)效益具有決定性影響。
傳統(tǒng)輔助設(shè)備運(yùn)行模式存在顯著痛點(diǎn):除塵器風(fēng)量固定導(dǎo)致能源浪費(fèi)與環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)并存,輸送系統(tǒng)定頻運(yùn)轉(zhuǎn)造成空載率過(guò)高,設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)依賴人工巡檢導(dǎo)致故障響應(yīng)滯后。據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)顯示,冶金企業(yè)輔助設(shè)備能耗占總能耗30%-40%,空載運(yùn)行時(shí)間占比達(dá) 25%-35%,設(shè)備非計(jì)劃停機(jī)中 60% 源于輔助系統(tǒng)故障。因此,推動(dòng)輔助設(shè)備智能化改造成為冶金企業(yè)降本增效、實(shí)現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型的必然選擇。
企業(yè)針對(duì)輔助設(shè)備運(yùn)行痛點(diǎn),開(kāi)展了以 “動(dòng)態(tài)平衡、數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)、無(wú)人值守” 為核心的智能化改造實(shí)踐。本文系統(tǒng)梳理其技術(shù)方案與應(yīng)用效果,旨在為冶金行業(yè)輔助設(shè)備智能化升級(jí)提供參考。
2 除塵器智能運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用
除塵系統(tǒng)是冶金生產(chǎn)環(huán)保達(dá)標(biāo)與作業(yè)環(huán)境改善的核心保障,傳統(tǒng)除塵模式因風(fēng)量調(diào)控僵化導(dǎo)致環(huán)保與能耗難以平衡,晉鋼通過(guò) “檢測(cè) - 運(yùn)算 - 調(diào)節(jié) - 聯(lián)動(dòng)” 四維技術(shù)體系實(shí)現(xiàn)智能化升級(jí)。
2.1 傳統(tǒng)除塵系統(tǒng)的運(yùn)行瓶頸
風(fēng)量匹配失衡
傳統(tǒng)除塵器采用 “一刀切” 的固定風(fēng)量模式,各除塵點(diǎn)位無(wú)論實(shí)際粉塵濃度均以最大風(fēng)量運(yùn)行。例如,燒結(jié)車(chē)間配料環(huán)節(jié)與成品轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)粉塵產(chǎn)出差異達(dá) 3 倍以上,但風(fēng)量分配相同,導(dǎo)致配料環(huán)節(jié)風(fēng)量不足引發(fā)揚(yáng)塵,成品環(huán)節(jié)風(fēng)量過(guò)剩浪費(fèi)電能。數(shù)據(jù)顯示,固定風(fēng)量模式下風(fēng)機(jī)無(wú)效能耗占比達(dá) 40%,同時(shí)存在 15% 的環(huán)保超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。
調(diào)節(jié)響應(yīng)滯后
依賴崗位人員每 2 小時(shí)巡檢一次的人工調(diào)節(jié)模式,無(wú)法應(yīng)對(duì)瞬時(shí)粉塵波動(dòng)。例如高爐出鐵時(shí)粉塵濃度在 5 分鐘內(nèi)可從 50mg/m³ 驟升至 500mg/m³,人工調(diào)節(jié)需 30 分鐘以上,期間易引發(fā)局部粉塵超標(biāo)。而不調(diào)整的話出現(xiàn)除塵系統(tǒng)空轉(zhuǎn)等現(xiàn)象、
數(shù)據(jù)孤島嚴(yán)重
粉塵濃度、風(fēng)機(jī)參數(shù)、生產(chǎn)負(fù)荷等數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ),未建立關(guān)聯(lián)分析機(jī)制。例如,燒結(jié)礦產(chǎn)量提升 20% 時(shí),破碎環(huán)節(jié)粉塵量同步增加 15%,但除塵系統(tǒng)無(wú)法自動(dòng)預(yù)判調(diào)整,仍維持原有風(fēng)量。
設(shè)備損耗加速
風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行(50Hz)導(dǎo)致軸承溫度升高 10-15℃,電機(jī)絕緣老化速度加快 30%,平均檢修周期僅 3 個(gè)月,年維護(hù)成本超 50 萬(wàn)元。
2.2 除塵智能化技術(shù)方案
粉塵實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建
在各除塵點(diǎn)位安裝激光散射式粉塵傳感器(檢測(cè)精度 0.1mg/m³,響應(yīng)時(shí)間<1 秒),覆蓋燒結(jié)、煉鐵、煉鋼等 12 個(gè)關(guān)鍵區(qū)域,形成每 1 分鐘一次的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。傳感器采用防高溫、抗振動(dòng)設(shè)計(jì),適應(yīng)冶金車(chē)間 - 20℃至 80℃的極端環(huán)境,數(shù)據(jù)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸至中央控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)粉塵濃度可視化監(jiān)控。
動(dòng)態(tài)風(fēng)量分配算法設(shè)計(jì)
構(gòu)建以 “粉塵濃度 - 風(fēng)量” 動(dòng)態(tài)匹配為核心的算法模型,公式如下:
單一下料口理論風(fēng)量 =(單點(diǎn)位粉塵量 / 總粉塵量)%× 除塵器總風(fēng)量
算法設(shè)置雙重邏輯:優(yōu)先保障環(huán)保達(dá)標(biāo),當(dāng)任意點(diǎn)位粉塵濃度>10mg/m³ 時(shí),自動(dòng)關(guān)閉其他達(dá)標(biāo)點(diǎn)位 30% 風(fēng)量,集中供給超標(biāo)區(qū)域;當(dāng)所有點(diǎn)位達(dá)標(biāo)(<10mg/m³)時(shí),對(duì)比實(shí)時(shí)粉塵總量與月峰值,每降低 10% 峰值下調(diào)風(fēng)機(jī)頻率 5Hz,最低至 5Hz,實(shí)現(xiàn) “按需供風(fēng)”。
生產(chǎn)參數(shù)聯(lián)動(dòng)機(jī)制
通過(guò)大數(shù)據(jù)分析建立粉塵量與生產(chǎn)參數(shù)的映射關(guān)系,減少傳感器投入。
例如:
· 燒結(jié)系統(tǒng):上料量每增加 10t/h,破碎環(huán)節(jié)粉塵量上升 8%,系統(tǒng)直接通過(guò)上料量數(shù)據(jù)調(diào)整風(fēng)量;
· 煉鐵系統(tǒng):鐵口溫度>1500℃時(shí),出鐵粉塵量激增,自動(dòng)提升除塵風(fēng)機(jī)頻率至 45Hz。
該機(jī)制使粉塵傳感器安裝量減少 40%,改造成本降低 35%。
1. 執(zhí)行系統(tǒng)升級(jí)
采用變頻風(fēng)機(jī)(調(diào)節(jié)范圍 5-50Hz)與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)(開(kāi)度精度 ±1%)組合,響應(yīng)延遲控制在 3 秒內(nèi)。例如,當(dāng)燒結(jié)配料倉(cāng)粉塵濃度從 20mg/m³ 升至 200mg/m³ 時(shí),閥門(mén)開(kāi)度從 10% 自動(dòng)增至 80%,風(fēng)機(jī)頻率從 30Hz 提至 45Hz,1 分鐘內(nèi)將濃度控制在 8mg/m³ 以下。
2.3 應(yīng)用效果分析
環(huán)保效能提升
改造后除塵效果提升 15%,粉塵濃度穩(wěn)定在 5-8mg/m³,優(yōu)于國(guó)家超低排放標(biāo)準(zhǔn)(<10mg/m³),全年無(wú)環(huán)保超標(biāo)事件。風(fēng)機(jī)平均運(yùn)行頻率從 45Hz 降至 30Hz,噪音從 90dB 降至 72dB,作業(yè)環(huán)境舒適度顯著改善。
能耗與成本優(yōu)化
單系統(tǒng)年節(jié)電 32 萬(wàn)度,折合標(biāo)準(zhǔn)煤 40 噸,12 套系統(tǒng)年總節(jié)電 384 萬(wàn)度。設(shè)備檢修周期延長(zhǎng)至 6 個(gè)月,維護(hù)成本下降 35%,年節(jié)約費(fèi)用 17.5 萬(wàn)元。
人力資源重構(gòu)
崗位人員從 “12 人 / 班定點(diǎn)值守” 優(yōu)化為 “5 人 / 班巡回巡檢”,減員率 60%。通過(guò)數(shù)據(jù)平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控,故障響應(yīng)時(shí)間從 30 分鐘縮短至 8 分鐘,設(shè)備有效作業(yè)率提升 8%。
3 輸送系統(tǒng)智能運(yùn)行優(yōu)化
輸送系統(tǒng)是冶金物料流轉(zhuǎn)的核心,傳統(tǒng)運(yùn)行模式因空載率高、能耗大等問(wèn)題制約生產(chǎn)效率,晉鋼通過(guò) “變頻調(diào)控、動(dòng)態(tài)匹配、智能監(jiān)測(cè)” 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性優(yōu)化。
3.1 傳統(tǒng)輸送系統(tǒng)的突出問(wèn)題
空載率居高不下
主線設(shè)備開(kāi)機(jī)前,輔助輸送設(shè)備需提前 30 分鐘運(yùn)轉(zhuǎn)等待;主線故障時(shí),因信息傳遞滯后,輔助設(shè)備平均空轉(zhuǎn) 45 分鐘 / 次。2021 年統(tǒng)計(jì)顯示,230 燒結(jié)系統(tǒng)輔助設(shè)備空載時(shí)間占比達(dá) 32%,年空轉(zhuǎn)耗電超 12 萬(wàn)度。
定頻運(yùn)行能耗浪費(fèi)
設(shè)備采用 50Hz 定頻運(yùn)轉(zhuǎn),運(yùn)載量波動(dòng)時(shí)無(wú)法調(diào)節(jié)。以 c2 皮帶為例:長(zhǎng)度 500m,滿負(fù)荷運(yùn)載量 35t(每米 70kg),但實(shí)際運(yùn)載量低于 18t 時(shí)仍保持 1.6m/s 滿速,電能浪費(fèi)率達(dá) 40%。
數(shù)據(jù)管理分散
運(yùn)載量、帶速、設(shè)備溫度等參數(shù)依賴人工記錄,數(shù)據(jù)誤差率 15%,故障發(fā)現(xiàn)平均滯后 1.2 小時(shí)。2021 年因數(shù)據(jù)滯后導(dǎo)致的非計(jì)劃停機(jī)達(dá) 12 次,影響產(chǎn)量 3800 噸。
設(shè)備壽命縮短
長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致皮帶磨損速率加快 25%,電機(jī)平均溫升超 40℃,設(shè)備壽命較設(shè)計(jì)值縮短 20%,年更換皮帶成本增加 12 萬(wàn)元。
3.2 智能化優(yōu)化技術(shù)路徑
集中變頻調(diào)控體系
搭建中央控制系統(tǒng),通過(guò) PROFINET 工業(yè)總線連接 18 條皮帶機(jī)、6 套篩分系統(tǒng)的變頻模塊,實(shí)現(xiàn) “主線 - 輔助設(shè)備” 聯(lián)動(dòng)啟停。當(dāng)主線開(kāi)機(jī)信號(hào)觸發(fā)后,輔助設(shè)備根據(jù)物料傳輸時(shí)間差(如皮帶傳輸延遲 2 分鐘)精準(zhǔn)啟動(dòng);主線停機(jī)時(shí),輔助設(shè)備在物料輸送完畢后自動(dòng)關(guān)停,避免無(wú)效空轉(zhuǎn)。
運(yùn)載量 - 頻率動(dòng)態(tài)匹配模型
安裝皮帶秤(精度 ±0.5%)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)載量,通過(guò)公式計(jì)算最優(yōu)頻率:
單一設(shè)備實(shí)際運(yùn)載頻率 =(理論運(yùn)載力 / 滿負(fù)荷能力)%× 實(shí)際運(yùn)載量 × 基準(zhǔn)頻率
以 c2 皮帶為例:滿負(fù)荷 35t 對(duì)應(yīng) 50Hz,當(dāng)運(yùn)載量 28t(80% 滿負(fù)荷)時(shí)保持 50Hz;18t(51%)時(shí)降至 30Hz;<5t 時(shí)降至 5Hz,3 分鐘后停機(jī)。該模型使運(yùn)載量與能耗精準(zhǔn)匹配,空載率下降至 3% 以下。
全狀態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)
部署測(cè)速輪(精度 ±0.1m/s)、紅外溫度傳感器(監(jiān)測(cè)范圍 - 50℃至 300℃)、防撕裂開(kāi)關(guān)等設(shè)備,每 1 分鐘采集 1 次數(shù)據(jù),構(gòu)建 “參數(shù)異常 - 預(yù)警 - 停機(jī)” 三級(jí)響應(yīng)機(jī)制:
· 一級(jí)預(yù)警:帶速波動(dòng) ±5%、電機(jī)溫度>60℃,系統(tǒng)自動(dòng)提示巡檢;
· 二級(jí)預(yù)警:帶速波動(dòng) ±10%、溫度>70℃,遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)頻率并報(bào)警;
· 緊急停機(jī):帶速驟降>20%、撕裂信號(hào)觸發(fā),1 秒內(nèi)切斷電源。
1. 設(shè)備全生命周期適配
根據(jù)設(shè)備使用年限動(dòng)態(tài)調(diào)整基準(zhǔn)參數(shù):新設(shè)備以 80% 滿負(fù)荷為基準(zhǔn);使用 2 年后上調(diào) 5%(即 85% 滿負(fù)荷),補(bǔ)償性能衰減;檢修前 1 個(gè)月再上調(diào) 3%,確保輸送效率穩(wěn)定。
3.3 應(yīng)用成效
能耗大幅降低
2022 年燒結(jié)系統(tǒng)因故障停機(jī) 14190 分鐘,通過(guò)智能調(diào)節(jié)節(jié)電 71186.5kw/h;全系統(tǒng)年總節(jié)電 132 萬(wàn)度,折合成本 79.2 萬(wàn)元。皮帶機(jī)平均運(yùn)行頻率從 50Hz 降至 32Hz,電機(jī)溫升控制在 30℃以內(nèi)。
設(shè)備效能提升
空載率從 32% 降至 2.8%,非計(jì)劃停機(jī)次數(shù)從 12 次 / 年降至 3 次 / 年,設(shè)備有效作業(yè)率提升 10%。皮帶磨損速率下降 20%,使用壽命延長(zhǎng)至設(shè)計(jì)值的 1.3 倍,年節(jié)約更換成本 9.6 萬(wàn)元。
適用范圍擴(kuò)展
該方案成功應(yīng)用于料場(chǎng)堆取料機(jī)、船運(yùn)吊機(jī)、貨運(yùn)翻車(chē)機(jī)等設(shè)備,料場(chǎng)卸貨能耗下降 12%,翻車(chē)機(jī)作業(yè)效率提升 15%,驗(yàn)證了技術(shù)的通用性。
管理模式革新
數(shù)據(jù)集中監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)實(shí)時(shí)可視化,故障處理時(shí)間縮短至 25 分鐘,崗位人員從 “8 人 / 班” 減至 “1 人 / 班”,減員率 87.5%,剩余人員轉(zhuǎn)型為 “數(shù)據(jù)分析師 + 巡檢工”,綜合業(yè)務(wù)能力顯著提升。
4 智能化改造的創(chuàng)新價(jià)值與行業(yè)啟示
輔助設(shè)備智能化改造突破傳統(tǒng)運(yùn)行模式,形成可復(fù)制的技術(shù)與管理經(jīng)驗(yàn),其創(chuàng)新價(jià)值與行業(yè)意義值得深入探討。
4.1 核心技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)
動(dòng)態(tài)平衡技術(shù)體系
打破 “固定參數(shù)” 運(yùn)行慣性,構(gòu)建 “檢測(cè) - 運(yùn)算 - 調(diào)節(jié)” 閉環(huán):除塵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) “粉塵量 - 風(fēng)量” 動(dòng)態(tài)平衡,輸送系統(tǒng)達(dá)成 “運(yùn)載量 - 能耗” 精準(zhǔn)匹配,使設(shè)備運(yùn)行始終處于最優(yōu)狀態(tài)。該體系較傳統(tǒng)模式平均節(jié)能 25%,效率提升 18%。
數(shù)據(jù)替代與聯(lián)動(dòng)技術(shù)
通過(guò)生產(chǎn)參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)的映射分析(如 “上料量 - 粉塵量”“產(chǎn)量 - 運(yùn)載量”),減少 40% 傳感器投入,降低改造成本的同時(shí),擴(kuò)展數(shù)據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景。例如,利用燒結(jié)產(chǎn)量數(shù)據(jù)預(yù)判破碎粉塵量,提前 5 分鐘調(diào)整風(fēng)量,響應(yīng)速度提升 60%。
全生命周期精準(zhǔn)運(yùn)維
將設(shè)備性能衰減納入調(diào)控模型,通過(guò)參數(shù)動(dòng)態(tài)適配(如檢修后期頻率上調(diào) 5%)延長(zhǎng)壽命 20%,體現(xiàn) “預(yù)測(cè)性維護(hù)” 理念。該思維突破傳統(tǒng) “故障維修” 模式,使非計(jì)劃停機(jī)率下降 70%。
4.2 對(duì)冶金行業(yè)的實(shí)踐啟示
智能化轉(zhuǎn)型路徑:從 “局部?jī)?yōu)化” 到 “系統(tǒng)升級(jí)”以除塵、輸送等輔助設(shè)備為切入點(diǎn),通過(guò)小范圍試點(diǎn)驗(yàn)證技術(shù)可行性,再逐步推廣至全流程,避免 “大而全” 的盲目投入。數(shù)據(jù)顯示,該路徑使改造投資回收期縮短至 1.5 年,較整體改造模式減少成本 30%。多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化:環(huán)保優(yōu)先,效益并重在目標(biāo)排序上,除塵系統(tǒng)優(yōu)先保障環(huán)保達(dá)標(biāo),輸送系統(tǒng)以能耗控制為核心,通過(guò)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)多重目標(biāo)平衡。例如,除塵系統(tǒng)在環(huán)保達(dá)標(biāo)的前提下節(jié)能 40%,印證了 “綠色發(fā)展與降本增效可協(xié)同推進(jìn)”。
人員轉(zhuǎn)型:從 “操作者” 到 “決策者”
智能化并非簡(jiǎn)單 “減員”,而是通過(guò)崗位重構(gòu)提升人員價(jià)值:80% 的操作崗轉(zhuǎn)化為 “技術(shù)崗 + 管理崗”,要求員工掌握數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)運(yùn)維等技能。通過(guò) “理論培訓(xùn) + 實(shí)操演練”,使轉(zhuǎn)型人員合格率達(dá) 95%,為行業(yè)人才升級(jí)提供范本。
5 結(jié)論與展望
企業(yè)輔助設(shè)備智能化改造通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新與管理革新,實(shí)現(xiàn)了顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保與社會(huì)效益:除塵效果提升 15%,年節(jié)電超 500 萬(wàn)度,崗位減員率 90%,年綜合效益超 300 萬(wàn)元,驗(yàn)證了智能化技術(shù)在冶金輔助設(shè)備中的應(yīng)用價(jià)值。
未來(lái),可從三方面深化改造:一是引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法,通過(guò)歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練預(yù)測(cè)模型,實(shí)現(xiàn) “風(fēng)量 - 運(yùn)載量” 提前 10 分鐘預(yù)判;二是構(gòu)建數(shù)字孿生系統(tǒng),虛擬仿真設(shè)備全生命周期狀態(tài),優(yōu)化維護(hù)策略;三是拓展應(yīng)用至料場(chǎng)、碼頭等場(chǎng)景,打造全鏈條智能物流體系。
冶金行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型是大勢(shì)所趨,輔助設(shè)備作為 “薄弱環(huán)節(jié)” 與 “潛力點(diǎn)”,其改造成效直接影響企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。晉鋼的實(shí)踐表明,通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新與模式革新,輔助設(shè)備完全可成為 “降本增效、綠色發(fā)展” 的核心抓手,為行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)支撐。
專利內(nèi)容,仿造者慎重
參考文獻(xiàn)
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