水泥熟料生产能耗评价中的应用

摘要：水泥作为“建筑工业的粮食”，作为整个国民经济的一部分，主体企业的集团化、规模化程度越来越高，对生产能耗管理中的各个环节要求越来越细化，生产能耗对企业成本、利润的影响较大，然而基本没有形成科学的评价体系。我国水泥工业的发展迅速，但在快速发展的过程中也出现了许多的问题，水泥生产企业的能耗比较大、资源的浪费现象严重、环境污染大，落后的工艺导致能耗比较高，且热量不能得到很好地利用，造成我国水泥工业整体能耗比较高。因此，加强水泥工业能耗管理评价以优化能源结构迫在眉睫。为了对水泥生产能耗进行更好的评价，有必要加强对相关评价方法的研究。本文通过灰色聚类分析对某集团下属企业水泥熟料生产能耗进行优劣评价，这样对所属企业能耗做出相对客观的评价，为水泥企业的发展提供帮助。

关键词：灰色聚类分析;水泥熟料生产能耗评价;应用研究;

水泥作为大宗原材料，是建筑工业三大基本材料之一，素有“建筑工业的粮食”之称，与宏观经济的周期与固定资产的投资波动密切相关。上游是石灰石、硅质、原煤等原材料;下游以商砼混凝土形式为基础设施建设、地产及水利建设、新农村建设等下游终端需求服务。近年来，水泥企业兼并重组步伐加快，形成了较多的大企业集团，也产生了一些“组织麻痹病”或者“大企业病”，影响了集团整体绩效的发挥，导致了管理效率的低下。

1 水泥熟料生产能耗管理的研究现状

刘娜[1]以整条水泥生产线为研究对象，研究水泥生产能耗的分析方法，通过OPC技术实现DCS控制系统与所开发的统计分析软件的连接，采用VS2005开发了水泥生产能耗统计与分析系统，分别实现了数据采集、实时监控和能源管理三大功能，解决的仅是单条生产线的能耗管控分析;于兴涛[2]通过对某水泥企业4500t/d熟料水泥生产线的能源审计，摸清了能源消耗的主要环节和耗能状况，分析差距，挖掘节能潜力;庄幸和姜克隽[3]运用生命周期评价(LCA)方法对水泥进行能源和原材料消耗及废物排放做量化评估;吴孟辉[4]阐述了某水泥企业单位产品能耗的能源计量监测点和在线监测系统,并将能耗在线监测值，计算指标与企业统计结果进行对比,充分验证能耗数据在线监测系统的可应用性;龚先政、周丽玮和李承洋[5]从节能减排角度,对水泥能耗限额标准实施效果进行研究与评价。

本文结合水泥熟料生产过程中的能源消耗实际情况，选取某集团下属12家同规模子公司的2020年常用原燃料指标情况，进行灰色聚类分析，形成星座图，计算出综合指标值，最终确定出12家子公司的能耗水平优劣情况，为水泥大型集团做能效评定提供参考依据，为进一步提升水泥集团化企业管理水平起到了一定作用。

2 灰色聚类分析在水泥熟料生产能耗管理中的应用

2.1 灰色聚类分析算法概述

星座聚类在灰色聚类中是一种比较简单易行的聚类方法，其基本原理为：将每个样点按一定的数量关系，点在一个上半圆之中，一个样点用一颗“星点”来表示，同样的样点便组成一个“星座”，然后勾画出区分不同星座的界线，这样就可以进行分类。实质上，它是将一个样本中的大量信息(或指标值)，经过原始数据的变换(极差变换)等手段转化成为无量纲，并成为一个简单的空间坐标比较的问题。

本文将灰色聚类分析用于水泥熟料生产能耗管理中评价，是将水泥熟料生产中的能耗指标进行分类，根据所用能源的实际原始数据进行数据变换(极差变换)转化成为无量纲，计算出各个样本公司的指标值，根据大小情况进行各样本公司能耗管理优劣评价，并在绘制出星座图以及最终的综合指标值，确定所属企业的优、良、中、差比较。

2.2 灰色星座聚类在水泥熟料生产能耗管理中的具体应用

文中选择生产硅酸盐水泥用的原料，主要是石灰石等钙质原料(主要提供氧化钙)、砂岩等硅质原料(主要提供氧化硅)、硫酸渣(铁粉)等铁质原料、粉煤灰等铝质原料(氧化铝和少量氧化铁)以及原煤和电力等7项熟料生产指标和熟料消耗、石膏类原料、混合材及电力4项水泥生产指标。同时结合某集团下属同规模的12家熟料水泥基地子公司2020年这些指标的情况进行聚类分析。

2.2.1 指标选取前提

(1)生料工序原料为石灰石、粘土、硫酸渣，其中石灰石、粘土由自备矿山供应，硫酸渣外购进厂。煅烧工序燃料为煤粉，原煤外购进厂。水泥磨工序原料天然石膏(块状)和粉煤灰均外购进厂。外购物料运至厂区生产前不发生电耗。

(2)各工序严格按照规定工序划分，分别单独计量电量。为简化计算，各工序生产基本电量和辅助电量在本工序分配和归集完毕。

(3)生产32.5级复合和42.5级普通两个水泥品种。

(4)以连续年度产量和消耗量为一个计算周期，即年底各工序自产物料库存量为零。

(5)物料配比和工序产品均符合质量要求，下道工序耗用上道工序产品及归集在该产品上的相应电量在定额基础上有所波动。

(6)为使计算结果精确，原始数据结果值小数点保留6位。

2.2.2 各指标的具体解释

(1)石灰石等钙质原料。凡是以碳酸钙为主要成分的原料都称为石灰质原料。常用的天然石灰质原料有石灰石、泥灰岩、白垩、贝壳等，在选择石灰石过程中,应考虑其Ca O含量能否满足配料需求。

(2)硅质原料。天然硅铝质原料的种类很多，有粘土、黄土、页岩、砂岩、粉砂岩等。选择硅铝质原料除关注氧化硅和氧化铝外，还需关注Mg O、SO3、R2O等有害成分含量。

(3)铁质校正原料。用以补充配合生料中氧化铁不足的原料，一般情况下Fe2O3≥40%，目前使用较多的是硫酸渣，其次是铁尾渣、铁矿石、铜矿渣等工业废渣。

(4)粉煤灰等铝质原料。粉煤灰是一种极细极轻的粉状物料，干料入磨前的运输收尘不易解决，湿粉煤灰水分太大,一般在20%以上,干法生产烘干煤耗大.而现在随着新型干法窑即预分解窑的出现,粉煤灰作为原料就有了新途径。

(5)原煤消耗。煤作为水泥熟料烧成的燃料，供给熟料烧成所需的热量。但是其中所含的灰分，绝大部分落入水泥熟料中，而影响水泥熟料的成份和性质，从这一点讲，煤又是生产水泥的一种“原料”。因此对于水泥厂用煤的质量有一定的要求。

(6)熟料综合电耗。生产水泥熟料从原燃材料破碎烘干，生料制备熟料煅烧所有电耗。

(7)余热自发电耗。水泥纯低温余热发电技术是指在新型干法水泥熟料生产线生产过程中，通过余热回收装置——余热锅炉将水泥窑窑头、窑尾排出大量的低品位废气余热进行热交换回收，产生过热蒸汽推动汽轮机实现热能向机械能的转换，从而带动发电机发出电能，所发电能供水泥生产过程中使用。

(8)自制熟料消耗。对生产的熟料进行内部配比，生产各种品质水泥，以供不同客户的需求。

(9)石膏类原料。在水泥生产过程中加入石膏，主要为调节水泥的凝结时间、改善水泥性能，石膏的品种有：硬石膏(Ca SO4)、二水石膏(Ca SO4·2H2O)、半水石膏(Ca SO4·1/2H2O)以及它们的混合物或工业副产石膏。

(10)混合材。在水泥生产过程中，为改善水泥性能、调节强度等级而加到水泥中的矿物质材料，不仅可以调节强度等级与品种，增加水泥产量，降低生产成本，而且改善水泥的某些性能，满足建筑工程中对水泥的特殊技术要求。此外，还可以综合利用大量工业废渣，具有环保和节能的意义。分为活性混合材和非活性混合材，水泥中的混合材与石灰或者与石灰和石膏拌在一起，在常温下，能生成具有胶凝性的水化产物，既能在水中，又能在空气中硬化的。

2.2.3 具体应用

现有某集团下属A、B、……、L等12家子公司，每个子公司选取石灰石等钙质原料X0、砂岩等硅质原料X1、硫酸渣、铁粉等铁质原料X2、粉煤灰等铝质原料X3、实物煤X4、熟料电耗X5、预热自发电耗X6、自制熟料消耗X7、石膏类原料X8、混合材X9、水泥电耗X10共11个指标。利用星座聚类方法对12个样本进行分类。

第一步：计算各变量的极值。

第二步：极差变换。

由公式可得：

以下类推。

第三步：取权重，并对各指标进行直角坐标转换。

假定各个指标的权重均等，即都为1/11。

αA=(cos0+cos52.6+…+cos180)/11=0.12βA=(sin0+sin52.6+…+sin180)/11=0.46

同理可得：

αB=0.05βB=0.8;αC=0.35βC=0.51;αD=0.12βD=0.62;αE=0.07βE=0.62;

αF=0.17βF=0.6;αG=0.2βG=0.76;αH=-0.35βH=0.42;αI=0.1βI=0.55;

αJ=0.24βJ=0.54;αK=0.03βK=0.71;αL=-0.01βL=0.42。

第四步：绘制星座图(见下图)

第五步：计算综合指标值

ZA=82.63 ZB=83.41 ZC=61.16 ZD=76.67

ZE=83.25 ZF=64.55 ZG=71.55 ZH=116.81

ZI=75.58 ZJ=71.56 ZK=71 ZL=87.49

第六步：聚类分析

根据综合指标值及星座图的聚类情况，我们认为这12家公司水泥熟料生产能耗管理水平可分为三类：H公司和L公司为一类;I公司、D公司、A公司、E公司和B公司为一类;C公司、F公司、K公司、G公司和J公司为一类。其综合评价值分别为102.15、80.31和67.96，由此可见三类之间的差异极为显著。

3 结论

从综合指标值的大小可以看出，该集团12个水泥熟料生产基地企业的能耗管理水平不一致，根据其指标值的不同和聚类分析的结果，管理水平从优到劣的依次顺序分别为C公司、F公司、K公司、G公司、J公司、I公司、D公司、A公司、E公司、B公司、L公司、H公司。大致可以分为三个管理档次，能耗管理水平好的为C公司、F公司、K公司、G公司和J公司，较好的有I公司、D公司、A公司、E公司和B公司，较差的为H公司和L公司。

C公司是能耗指标最低，能耗管理水平最高。2020年吨熟料实物煤耗0.120712吨/吨和吨熟料电耗49.44527吨/k Wh，均居全集团低能耗首位;其次是F公司，各项指标较为均衡，整体能耗水平较为适中，没有高低的大幅变化;其他公司能耗管理水平好的公司都会一项指标是最优指标。

I公司、D公司、A公司、E公司和B公司能耗管理水平较好，是该集团发展的主要技改对象，在利用新技术和新材料方面有一定的潜力，整体的管理水平有待进一步提高，查找差距，争取赶超同规模兄弟单位。

H公司和L公司处在集团中等和中等偏下能耗水平，由于属于兼并重组企业，技术装备相对落后，电耗、煤耗较高，原料浪费严重，整体管理水平也跟不上，需要加强人员培训，提升管理人员水平和能力，加强技术投入。

加大水泥行业技术创新，建立和完善整体的自主创新体系，积极引进先进的人才与技术，密切的关注世界科技发展的动向和市场的需求，注重优质水泥的生产，采用优质的水泥减少资源的使用量，采用较低品质的原材料来代替粘土和石灰石的配料，采用绿色能源和可燃废弃物燃料，在节约能源和资源、减少环境污染等方面降低能耗。

通过聚类结果和上述分析，我们可以清楚地认识到目前该集团各子公司能耗管理水平所处的地位、存在的问题及潜力。因此，各子公司必须根据各自的区位条件和自身管理水平，针对性地制定技改措施，为全集团的可持续发展提供保障。

参考文献

[1] 刘娜.水泥生产能耗统计与分析系统的研究与开发[D].济南大学.2013.

[2] 于兴涛.水泥行业能耗和节能潜力分析[J].河南建材,2013(05):108-109.

[3] 庄幸,姜克隽.关于北京水泥厂水泥产品全能耗分析的调研[J].宏观经济研究,2008(02):18-22+28.

[4] 吴孟辉.基于能源计量的水泥能耗监测系统研究与应用[D].计量与测试技术，2018(3),55-57.

[5] 龚先政,周丽玮,李承洋.水泥单位产品能耗限额标准实施效果评价研究[J].中国水泥,2019(08):116-121.