水泥工艺生产过程及设备状态监测与故障诊断意义
水泥工艺生产过程及设备状态监测与故障诊断意义
一、行业背景
针对水泥生产设备故障频发、停机率高、维修不及时的现状，研发用于大型关键部件实时在线监测与故障诊断的系统，为水泥企业提供生产过程监测、分析、诊断与管理的整套解决方案。
二、设备状态监测目的
水泥作为重要的建筑材料，在楼宇、道路、水利、港口等基础设施的建设中广泛应用，水泥年产量是衡量国民经济和社会发展的重要指标。国家统计局统计数字显示，“十一五”期间，水泥工业规模持续快速发展，年均增长率为11.9%。在长期的生产线过度投产和大型工程建设减少的双重作用下，水泥市场呈现出供过于求的情况。为了应对利润降低、市场恶化、竞争加剧的问题，水泥企业需要在生产设施、管理方式和经营模式等多方面进行升级改造。
水泥生产的核心是煅烧技术，经历了立窑、中空窑、湿法窑、预热器窑和窑外分解的发展过程。新型干法水泥生产是目前最先进的水泥生产技术，采用悬浮预热和窑外分解的新工艺，硅酸盐分解的过程在窑外完成，使反应更充分、窑吞吐率更高。干法生产工艺中生料的含水量低于1%，降低了由于水分蒸发造成的热量损耗，并有利于缩短煅烧时间[1]。目前，我国新型干法水泥生产线的比重超过80%，实现了优质、高效、低耗、环保生产。
新型干法水泥生产线可分为四部分：生料制备系统、煤粉制备系统、熟料煅烧系统和水泥粉磨系统。生料制备系统将石灰质原料、硅铝质原料、硅质原料和少量校正原料破碎后，经过预均化处理形成粒度合适、成分合理、混合均匀的生料。煤粉制备系统将原煤制备成煤粉，达到充分燃烧需要的粒度大小，以满足燃烧反应能力的要求。熟料煅烧系统将生料煅烧至部分熔融状态，得到硅酸盐矿物为主要成分的水泥熟料。水泥粉磨系统向熟料中加入适量石膏和添加剂，再磨细为水泥并包装出厂。
图1-1 所示为水泥工艺生产过程图。
水泥生产车间中具有数以百计的旋转类机械设备，例如，破碎机、风机、提升机、立磨、篦冷机等，当然还包括最为关键的回转窑[2]。水泥生产过程类似于石化、冶金行业，属于流程性生产，各个生产环节紧密依存，生产线上某一设备发生故障，将造成生产整体中断，轻则影响到企业的经济效益，重则导致严重的安全事件。
目前，水泥生产线的维修维护主要采用人工巡检和制定维修章程相结合的方式。人工巡检方式下，巡检人员定期按照预定线路排检设备，完全依靠感官或使用简易工具，凭借经验做出判断；制定维修章程方式下，根据设备使用记录安排维修计划，维修的形式以整机拆卸为主。在这种情况下，设备无法长时间运行在最佳工作状态，既影响到产能的发挥，又难以保证产品质量。综合分析，水泥生产设备管理中存在以下几个方面的问题。
（1）技术手段方面 维修技术手段落后，以人工方式为主，缺少现代化的监测和维护系统；维修人员能力不足，不能判断自动化设备故障。
（2）维修体制方面 制订了计划维修和临停抢修的维修章程，故障不能通过密集的定期维修得到解决，却会因为频繁的拆装产生更多故障。
（3）生产运营方面 现有运营模式重视生产工艺控制、轻视设备管理，以榨取利润为最终目标，违背了设备性能调控的规律，找不到利润平衡点，反而造成效益损失。
三、设备状态在线诊断监控系统意义
机械设备的各零部件之间刚性连接，故障具有传导性、蔓延性，如果发现的不及时，容易造成小故障引发大故障，原发性故障衍生成为继发性故障。例如，减速机轴承内圈滚道发生点蚀，早期发现不仅维修费用低，停机造成的成本损失也较低。故障晚期，轴承点蚀扩散到轴、齿轮及前后级上的动力装置和执行装置，由此引发的维修成本是一般企业不能承受的。由于机械设备的性能衰减是一个缓慢变化的过程，性能状况不佳时常常表现为状态参数的超调，而不会造成突然停机，为基于状态的故障诊断技术提供了可能。
状态监测与故障诊断技术，通过监测设备运行参数，分析设备当前的状态，预测出设备的剩余寿命，以视情维修的方式，提高设备维修维护的精确化程度，防止过度维修或欠维修现象发生。有利于提高生产系统的效率、质量、成本、服务和环境等几方面的目标[3]。
（1）效率
水泥行业属于大宗商品制造业，产品附加值偏低，提高设备的台时台效对企业至关重要。设备三率（完好率、停机率、故障率）水平代表设备的稳定运行时间，是衡量经营状况的重要指标。
（2）质量
对于流程性生产，开机阶段和停机阶段设备不能空运行，在这种情况下生产的产品性状不稳定。监测与诊断技术能减少停机次数、稳定设备状态、提高产品质量。
（3）成本
采用在线监测系统能够使设备维持在稳定的运行状态下，提高产出率，降低单位产品成本。此外，设备故障早期发现，破损零部件简易、更换成本低、订货周期短，造成的经济损失少。
（4）服务
对于设备供应商而言，采用状态监测技术可以预测出设备的剩余寿命，有助于做好备品备件生产和实施售后服务应急计划。
（5）环境
水泥工业“十二五”规划中明确规定，单位工业增加值二氧化碳排放量降低17%，氮氧化物排放总量降低10%，二氧化硫排放总量降低8%。设备运行状态不佳的情况下，消耗的能源以及排放的废弃物远远超过正常情况。采用状态监测技术，能够降低对环境的破坏。
综上所述，设备在线监测的意义是减少生产线故障临停次数和累计停机时间，实现设备巡检、维护的智能化，保证设备良好的运行状态，从而保证产品质量，提高生产效率，降低生产成本，减少能耗和排放，提高企业的综合竞争力，是制造业实现可持续发展的重要课题。
参考文献
[1] 刘志江. 新型干法水泥技术[M]. 北京: 中国建材工业出版社, 2005: 46-71.
[2] Prince J T. Vibration Analysis Methods for Preventative Maintenance of Cement[C]//Cement Industry Technical Conference, IEEE-IAS/PCA 2001: 333-341.
[3] 郑力, 江平宇等. 制造系统研究的挑战和前言[J].机械工程学报, 2010, 46(21):124-136.