宋健焜

(銅陵有色設計研究院，安徽 銅陵244000)

能源管理系統(tǒng)設計及節(jié)能分析

宋健焜

(銅陵有色設計研究院，安徽 銅陵244000)

通過對企業(yè)能源系統(tǒng)的計量監(jiān)測及節(jié)能分析，采用能源管理應用軟件系統(tǒng)、大屏幕監(jiān)控系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)的建設，實現(xiàn)對企業(yè)能源的集中與區(qū)域管控，使企業(yè)的能源管理由傳統(tǒng)方式向可視化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化轉變，從而達到節(jié)約能源的目的。

能源管理系統(tǒng);計量與監(jiān)測;節(jié)能分析

0 引言

能源管理項目建設是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、節(jié)能、環(huán)保和減少碳排放緩解氣候異常變化的需要，是國家的重大戰(zhàn)略任務，是建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。先進的能源管理可以實現(xiàn)以盡可能小的資源消耗和環(huán)境成本，獲得盡可能大的社會和經(jīng)濟效益。

能源管理中心建設項目是以信息、計算機、視頻圖像等控制技術為手段，面向企業(yè)生產(chǎn)過程，實現(xiàn)能源信息數(shù)字化、能耗過程可視化、決策處理集成化的綜合性系統(tǒng)工程。

能源管理中心的實質性建設，主要包括企業(yè)各相關設備的改造、儀表的更新、傳輸導線及能管中心計量與監(jiān)控設計、各功能軟件的開發(fā)、DCS系統(tǒng)控制的修改、系統(tǒng)聯(lián)合調試等。

1 能源管理系統(tǒng)EMS

1.1 物理結構

EMS系統(tǒng)采用分布式計算機控制系統(tǒng)結構，整個系統(tǒng)從功能和網(wǎng)絡結構上可分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和信息數(shù)據(jù)管理層3級結構，見圖1。

圖1 EMS系統(tǒng)物理結構圖Fig.1 Physical Structure Diagram of Energy Management System(EMS)

1.2 邏輯結構

系統(tǒng)的邏輯結構見圖2，基于多層模式的系統(tǒng)結構靈活、易擴展、穩(wěn)定、易維護。

圖2 EMS系統(tǒng)邏輯結構圖Fig.2 Logic Structure Diagram of Energy Management System(EMS)

1.3 EMS功能

能管中心主要功能為實時監(jiān)控各個監(jiān)控點的水、電、煤、油計量儀表數(shù)據(jù)及設備狀態(tài)的各種信息，進行分析處理，指標預警。中心由數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)庫存儲程序組成，網(wǎng)上運行TCP/IP協(xié)議，符合工信部有關監(jiān)控系統(tǒng)總體技術要求。

(1)能源數(shù)據(jù)采集。目前在銅陵海螺的各生產(chǎn)線上，涉及能源數(shù)據(jù)如水、電、原煤、油計量已接入DCS系統(tǒng)中。能管中心需要將各模擬量和數(shù)字量及DCS數(shù)據(jù)采集到EMS中。

(2)數(shù)據(jù)存儲。項目使用成熟的實時數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲要求，數(shù)據(jù)庫以完整的分辨率和高速的數(shù)據(jù)速率來采集能源數(shù)據(jù)。來自現(xiàn)場的信息數(shù)據(jù)都能夠被采集并存儲在一個單一的數(shù)據(jù)庫中，可隨時提供實時和歷史的工廠信息數(shù)據(jù)。這些功能可使組織中任一級別的決策者獲得他們所需要的數(shù)據(jù)從而擁有提高工廠生產(chǎn)率的推動力。

(3)數(shù)據(jù)平衡。數(shù)據(jù)平衡解決了儀表測量誤差的問題，提供生產(chǎn)過程的真實信息，包括生產(chǎn)過程的仿真系統(tǒng)、流量和組分的校正。項目中將利用數(shù)據(jù)平衡的算法結合工藝建模和電能管網(wǎng)模型，使用量根節(jié)點和各節(jié)點用量達到平衡。

(4)能源控制。建立能源控制模型，編制能源供需計劃。能源數(shù)據(jù)(包括統(tǒng)計和預測數(shù)據(jù))被周期性地集中和報告，實際能耗與根據(jù)生產(chǎn)參數(shù)計算出的預期能耗進行比較，對生產(chǎn)經(jīng)營做出能耗及外購計劃。

(5)能源協(xié)調。動態(tài)收集各種產(chǎn)品能耗量及工序能耗，建立能耗數(shù)據(jù)庫，制作實際能源平衡表。對重點高能耗設備加強管理，收集主、副產(chǎn)品生產(chǎn)用量、非生產(chǎn)用量、生活用量、設備檢修用量等方面的耗能數(shù)據(jù)。

(6)能源指標。根據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)計的能源計量數(shù)據(jù)，結合產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，計算出各產(chǎn)品能耗，在此基礎上給出能源控制指標，以便對能源績效進行考核管理。能耗數(shù)據(jù)在畫面上實時顯示，可了解不同區(qū)域，不同設備，不同能源的消耗情況，并統(tǒng)計各種能源消耗的數(shù)據(jù)。

(7)能源預測。實時接收能量流和特征生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進行處理，通過對比前一時刻的數(shù)據(jù)，并查詢數(shù)據(jù)庫中已有的歷史數(shù)據(jù)，對于各工序能源用戶，針對不同的生產(chǎn)和運行狀態(tài)，采用能源信息流模型或統(tǒng)計的方法，預測能源消耗的發(fā)展趨勢。

(8)分析結果呈現(xiàn)。項目將提供各種數(shù)據(jù)組合報表(消耗分析，KPI分析、能源比較等)，查詢范圍根據(jù)需要定義數(shù)據(jù)分析時間段，可以使用Excel配置報表樣式，隨時可以根據(jù)需要修改報表的格式。

2 能源管理中心設計

能管中心由包括主站在內的監(jiān)控功能分區(qū)、內局域網(wǎng)、顯示監(jiān)控系統(tǒng)及由各功能軟件組成，見圖3。

圖3 能源管理中心主站功能結構圖Fig.3 Function Structure Diagram of Main Station for Energy Management Center

2.1 主站及監(jiān)控設計

為了確保能管中心的應用安全，采用經(jīng)典防火墻方案，整個網(wǎng)絡分為4個區(qū)域:互聯(lián)網(wǎng)、本企業(yè)局域網(wǎng)和能管中心內網(wǎng)。通過能管中心內網(wǎng)的緩沖，把對外的網(wǎng)絡服務隔離，從而保證內部核心網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)與應用安全。

能管中心引入6×4大屏幕，操作員對生產(chǎn)過程進行全流程監(jiān)控。監(jiān)控方式按生產(chǎn)工序的用能狀況和能源介質進行，并覆蓋所有生產(chǎn)工序。按能源介質劃分為電、煤、油、水、蒸汽5個區(qū)域，分別對各能源介質進行監(jiān)控，對于各個環(huán)節(jié)中出現(xiàn)越限情況的，可實時通過閃爍、聲音等動態(tài)方式報警。

2.2 系統(tǒng)硬件平臺

根據(jù)項目建設需要，服務器包括數(shù)據(jù)庫、應用、備份、Web等。服務器根據(jù)應用系統(tǒng)的特征，結合處理速度、存儲容量、可靠性等因素配置。

數(shù)據(jù)庫服務器作為業(yè)務系統(tǒng)的核心，業(yè)務量多、存儲量大。為保證系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定地運行，須保證服務器數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)有較高的可靠性、擴展性和災難恢復能力。數(shù)據(jù)庫為滿足應用功能要求，采用企業(yè)級小型機設計，見表1。

表1 能源管理中心軟硬件配置Tab.1 Configuration of Software and Hardware for Energy Management Center

2.3 系統(tǒng)軟件平臺

項目平臺應用軟件主要組成有:圖像處理、操作系統(tǒng)(Windows 2003企業(yè)版/Linux)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(Oracle 10g Cluster)、能管中心平臺(系統(tǒng)管理、生產(chǎn)過程檢測、數(shù)據(jù)檢索、報表展現(xiàn)、人機操作、生產(chǎn)過程控制、數(shù)據(jù)共享)、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)(二級單位上傳數(shù)據(jù)的接收與入庫)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(數(shù)據(jù)統(tǒng)計、報表生成)、優(yōu)化控制系統(tǒng)(指令產(chǎn)生、指令分解與驗證、指令下發(fā))、能量管理系統(tǒng)等。

2.4 防火墻設計

采用防火墻作為能源中心網(wǎng)與管理網(wǎng)的邊界安全設備，制定相應安全政策控制(允許、拒絕、監(jiān)測)出入網(wǎng)絡的信息流。

2.5 能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

能源數(shù)據(jù)信息的采集系統(tǒng)主要依托現(xiàn)場儀表、傳感器和現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)，見圖1(EMS系統(tǒng)物理結構圖)。

2.6 能源監(jiān)測數(shù)據(jù)流程

能源監(jiān)測數(shù)據(jù)來源主要是通過安裝在總降所、各相關工序的能源采集儀表、傳感器按照一定的數(shù)據(jù)格式進入能管中心。進入能管中心的DCS系統(tǒng)能源數(shù)據(jù)，通過對DCS系統(tǒng)軟件的修改和若干硬件的添加，按照能管中心的數(shù)據(jù)采集通訊協(xié)議，傳送至能管中心主服務器。對于距離較遠的能源數(shù)據(jù)，需通過光纜傳輸至能源管理中心。

2.7 能源計量儀表狀況及添加

能管中心實時監(jiān)測與管理系統(tǒng)的核心是能源信息，能源計量是節(jié)能減排量化數(shù)據(jù)的體現(xiàn)，是能源管控和節(jié)能減排的基礎性工作，合理正確地配備和使用計量器具，確保計量數(shù)據(jù)的準確，對于企業(yè)的能源核算具有重要意義。

3 節(jié)能分析及措施

銅陵海螺公司主要消耗能源為:原煤、電力，少量柴油。

3.1 生產(chǎn)工藝過程及能耗分析

(1)熟料生產(chǎn)工藝及能耗分析。熟料生產(chǎn)將礦山采集的石灰石及砂巖經(jīng)破碎后由膠帶輸送機輸送到均化堆場均化，均化后的石灰石由膠帶輸送機輸送到原料配料站;外購鐵質原料由汽車運輸進廠，卸入堆棚內儲存，再經(jīng)裝載機、膠帶輸送機送至原料配料站。原料配料站3種原料按比例搭配后由膠帶輸送機送入生料磨進行粉磨，粉磨后的生料粉送入生料均化庫儲存、均化。外購原煤經(jīng)火車和輪船運輸進廠，經(jīng)膠帶輸送機輸送到堆場儲存、均化，均化后的原煤經(jīng)煤磨粉磨成煤粉，煤粉經(jīng)管道分別送至窯頭燃燒器和窯尾分解爐內燃燒。均化后的生料經(jīng)斗提送入窯尾預熱器，經(jīng)預熱器及分解爐后的物料進入回轉窯，高溫煅燒后形成熟料，自窯頭卸入篦式冷卻機冷卻后由裙板機送入熟料庫。

根據(jù)生產(chǎn)工藝特點，熟料的原材料石灰石、砂巖輔材均是由礦山開采、短距離礦車輸送，能源消耗形式為燃油消耗，約占公司總能源消耗的0.43%;石灰石破碎、由長皮帶輸送入堆場，主要是電能消耗，占公司電力消耗的2.18%;由石灰石、輔材至生料粉磨到原料庫也主要是電能消耗，約占公司電力消耗的45.08%;由原料庫至預熱器和回轉窯煅燒到熟料庫，能源消耗主要包括煤、電消耗，公司幾乎全部的煤炭消耗均來自熟料燒成系統(tǒng);煤消耗占總能源消耗的76.85%，電力消耗占總電力消耗的36.63%。

熟料生產(chǎn)所用能源占公司總能源消耗的95%以上，是能管中心的重點監(jiān)控對象。雖然公司設備、工藝較為先進，但由于缺少對能源的在線監(jiān)測，不能及時分析調整，存在一定的能源損耗，通過適時監(jiān)控，可以降低能源消耗。

(2)水泥粉磨生產(chǎn)工藝及能耗分析。水泥粉磨生產(chǎn)中，石膏、煤矸石均為外購，由汽車運輸進廠，經(jīng)破碎后送到磨頭倉;外購粉煤灰運輸進廠后直接泵入粉煤灰?guī)?石灰石由公司自采，由礦車送到堆場儲存。4種物料與熟料按比例調配后由膠帶輸送機輸送到水泥磨，經(jīng)粉磨形成水泥后送入水泥庫。

水泥粉磨過程中主要消耗電力，約占公司總用電的14.04%。通過電氣方面改造及工藝優(yōu)化，可以降低系統(tǒng)電力消耗。

(3)熟料及水泥輸送。從熟料庫、水泥庫輸送至碼頭和袋裝水泥發(fā)運銷售，能源消耗為皮帶輸送、裝船電力消耗，約占公司總用電量的1.9%。

3.2 節(jié)能措施和途徑

采集獲取各種能源介質(電、油、水、汽、煤等)計量的實時數(shù)據(jù)，通過進行能源數(shù)據(jù)處理和分析，結合生產(chǎn)過程實時監(jiān)測和管控，實現(xiàn)能源消耗過程的穩(wěn)定供應與實時平衡、優(yōu)化調度能源利用效率，以期節(jié)能降耗。

(1)對回轉窯系統(tǒng)煅燒系統(tǒng)運行參數(shù)的分析、調整，合理調整煤炭能源購入和庫存管理，減少能源購入資金占有，降低成本。同時，細化分析能源購入及消耗指標，發(fā)現(xiàn)不合理的能源供應與平衡環(huán)節(jié)，提高實時平衡的能源精細管理水平，降低能耗。

(2)通過對能耗實時平衡分析，找到能源輸配和消耗過程中存在的問題，減少不合理的消耗和浪費，提高能源的優(yōu)化配置，發(fā)揮能源的高效回收、梯級利用和優(yōu)化平衡。特別針對5條干法熟料生產(chǎn)線及其他設備的用能協(xié)調管理，通過對窯系統(tǒng)能量工藝參數(shù)的分析、調整，做好窯用熱量與余熱發(fā)電回收熱能的優(yōu)化平衡，以達到節(jié)約能源的效能，做到回收與利用的統(tǒng)一，提高能源利用效率。

(3)進行能源輸配的實時監(jiān)測和管控，分析輸配環(huán)節(jié)損耗率的合理性，對不合理的環(huán)節(jié)更新改造，降低能耗。特別是通過對電力系統(tǒng)的線變損率的管控，減少變壓器和供配電線路的損耗，降低線路壓降，改善供電質量，提高電能利用效率。

(4)通過對用能設備和系統(tǒng)的實時監(jiān)測和調度控制，結合生產(chǎn)管控系統(tǒng)，控制各種用能設備和生產(chǎn)系統(tǒng)的開、停車時間，減少用能設備的非計劃時間，結合電力需求管理，減少用能設備不合理運行，精細過程分析，結合節(jié)能考核，提高用能設備和系統(tǒng)的能源利用效率。

根據(jù)上述分析，據(jù)測算，通過能管中心系統(tǒng)性的實時監(jiān)測、管控以及能源協(xié)調輸配，項目實施后，預計將節(jié)省標煤12 000 t，見表2。

表2 節(jié)能預測表Tab.2 Forecasted Statement for Energy Saving

說明:本案例各種能源的標準煤折算系數(shù)為:①煤根據(jù)平均熱值，按0.686 4 kgce/kg折算;②電根據(jù)綜合能耗計算通則，按0.122 9 kgce/(kW·h)折算;③燃油根據(jù)綜合能耗計算通則，按1.457 1 kgce/kg折算。

通過能源管理中心的建設，規(guī)范實時監(jiān)控、分析，優(yōu)化煤炭、電力、燃油的使用效能，以達到節(jié)約能源的目的，據(jù)估算能夠節(jié)約能源占總能源消耗的0.74%，節(jié)能效果顯著。

4 結語

通過對銅陵海螺水泥有限公司能源管理中心建設示范項目的系統(tǒng)設計，改變企業(yè)原來能源管理的傳統(tǒng)方式，向可視化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化轉變，從而達到節(jié)約能源的效果。

[1]國家標準局.GB/T 2589－2008綜合能耗計算通則[S].北京:中國標準出版社，2008.

[2]全國能源基礎與管理標準化技術委員會.GB/T 15587－1995工業(yè)企業(yè)能源管理導則[S].北京:中國標準出版社，2009.

[3]國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局、國家標準化管委會.GB/T 3484－2009企業(yè)能量平衡通則[S].北京:中國標準出版社，2009.

[4]國家計委.GB/T 16615－1996企業(yè)能量平衡表編制方法[S].北京:中國計劃出版社，1996.

[5]中國有色金屬工業(yè)協(xié)會.GB 50595－2010有色金屬礦山節(jié)能設計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社，2011.

[6]國家建設部、國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50443－2007水泥工廠節(jié)能設計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社，2007.

Design of Energy Management System and Analysis on Its Energy Saving

SONG Jian－kun
(Tongling Design and Research Institute for Nonferrous Metals，Tongling，Anhui 244000，China)

Through measurement and monitoring of the energy system in an enterprise and its analysis of energy saving，energy concentration and its regional control in an enterprise were achieved by using an energy management software system，large－ screen monitor system and building computer network system.Thereby，the enterprise's energy management ways has been changed from traditional ways to visualization，digitization，networked and intellectualization so as to reach the energy－saving goal.

energy management system;measurement and monitoring;analysis of energy saving

TP315

A

1004－2660(2012)02－0038－05

2012－03－28.

宋建焜(1954－)，男，安徽人，高級工程師，注冊電氣工程師.主要研究方向:采礦、選礦電氣工程設計.E－mail:jks206@163.com