嚴(yán)潔

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司第二能源總廠，安徽馬鞍山 243000）

鋼鐵工業(yè)屬于能源密集型行業(yè)，也是溫室氣體和煙塵排放大戶。步入21世紀(jì)以后，鋼鐵工業(yè)的發(fā)展進一步受到資源、能源和環(huán)境壓力的制約。我國鋼鐵企業(yè)要在激烈的國際競爭中生存，就必須拋棄“高投入、高能耗、低產(chǎn)出、重污染”的傳統(tǒng)模式，建立一種以“低投入、低能耗、高產(chǎn)出、輕污染”為特點的循環(huán)經(jīng)濟模式。我國已將發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟作為國家發(fā)展戰(zhàn)略之一，而作為國民經(jīng)濟基礎(chǔ)的鋼鐵工業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟是緩解資源約束矛盾的根本出路。能源中心是鋼鐵企業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的一個有效平臺，能在節(jié)能減排中發(fā)揮巨大的作用。

1 循環(huán)經(jīng)濟理論及鋼鐵工業(yè)能耗、污染現(xiàn)狀

循環(huán)經(jīng)濟是以資源的高效利用和循環(huán)利用為核心[1]，以低消耗、低排放、高效率為特征，符合可持續(xù)發(fā)展理念的經(jīng)濟增長模式。循環(huán)經(jīng)濟要求以“3R原則”，即減量化(reduce)、再利用(reuse)、再循環(huán) (recycle)，為經(jīng)濟活動的行為準(zhǔn)則，每一個原則對循環(huán)經(jīng)濟的成功實施都是必不可少的。其中，減量化原則屬于輸入端方法，旨在減少進入生產(chǎn)和消費流程的物質(zhì)量；再利用原則屬于過程性方法，目的是延長產(chǎn)品和服務(wù)的使用時間；再循環(huán)原則是輸出端方法，通過把廢棄物再次變成資源以減少最終處理量。21世紀(jì)我國經(jīng)濟仍將處于高速增長期，社會房地產(chǎn)、制造業(yè)、汽車工業(yè)的需求很大，將拉動鋼鐵工業(yè)的繼續(xù)發(fā)展。我國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展與資源、能源不足和生態(tài)環(huán)境惡化的矛盾日益突出，而循環(huán)經(jīng)濟的顯著特征是自然資源的低投入、高利用和廢物的低排放甚至零排放，從根本上消解環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展之間的沖突，是實現(xiàn)環(huán)境與經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的重要手段，鋼鐵工業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟是緩解資源約束矛盾的根本出路。

2011年我國鋼產(chǎn)量達到68326.5萬t，占世界鋼產(chǎn)量的44.94%。由于中國鋼鐵行業(yè)一直走的是高能耗、高污染的粗放型發(fā)展路線，增加了成本、降低國際競爭力的同時，也給資源和環(huán)境帶來了嚴(yán)重負面影響?？紤]國內(nèi)外軋鋼系統(tǒng)在加工深度、工序能耗和成材率等方面的差異[2]，現(xiàn)階段我國大中型鋼鐵企業(yè)的噸鋼可比能耗至少要比先進產(chǎn)鋼國家高出17.2%。鋼鐵工業(yè)能源消耗約占全國總能耗的15% 左右[3]，廢水排放占工業(yè)廢水總排放量的8.53%，粉塵排放總量占我國工業(yè)粉塵排放總量的15.18%，CO2排放量占全國9.2%，固體廢棄物排放占全國工業(yè)總排放量的17%，SO2排放占全國總排放量的3.7%。究其原因：一方面，普遍采用的是依靠鐵礦石、煤為主要原料的高爐－轉(zhuǎn)爐－連鑄長流程工藝[4]，鋼鐵工業(yè)的主要排放物CO2中的90% 是由高爐及鐵前工序排放。另一方面，我國鋼鐵工業(yè)能源介質(zhì)中煤炭占70%左右且煤質(zhì)差，而石油類能源和天然氣所占比例比美國、德國、日本低15%至25%，由此造成中國鋼鐵業(yè)每噸鋼要比這些國家多耗15 kg～20 kg標(biāo)準(zhǔn)煤。此外，廢鋼資源短缺，電爐冶煉廢鋼的比例只有10%，而美國電爐鋼比約為55%，德國約為30%，日本為25%，這又造成中國噸鋼綜合能耗比一些發(fā)達國家高80 kg標(biāo)準(zhǔn)煤。

能源成本占我國鋼鐵工業(yè)總成本的20%～30%，降低能源消耗和提高能源效率對降低鋼鐵企業(yè)成本、保護環(huán)境、節(jié)約能源都有重要的意義。我國鋼鐵工業(yè)節(jié)能進程經(jīng)歷了從單體設(shè)備節(jié)能（工序節(jié)能）發(fā)展為系統(tǒng)節(jié)能。

單體設(shè)備節(jié)能是指采取節(jié)能技術(shù)、節(jié)能措施提高設(shè)備和工序能源效率，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)現(xiàn)已普遍采用的技術(shù)有：高爐爐頂余壓發(fā)電（TRT）、干熄焦（CDQ）、高爐噴煤、蓄熱式燃燒、轉(zhuǎn)爐煤氣回收綜合利用等。

系統(tǒng)節(jié)能是指采用系統(tǒng)的觀點，綜合考慮能源和物料的節(jié)約，從全流程的角度研究能量的最佳利用，通過對能源和二次能源的動態(tài)管理和平衡優(yōu)化實現(xiàn)節(jié)能。鋼鐵生產(chǎn)過程中消耗一次能源的同時，又產(chǎn)生了如煤氣、蒸汽等豐富的二次能源，這部分余熱余能的有效利用可以降低一次能源的使用和污染物的排放。同時能源介質(zhì)可以相互轉(zhuǎn)換，各種能源介質(zhì)的生產(chǎn)和使用相互制約。

國內(nèi)許多鋼鐵企業(yè)一直致力于優(yōu)化能源調(diào)度和能源平衡方面,提高能源管理水平提高能源利用率。由于鋼鐵生產(chǎn)工藝復(fù)雜和流程長，有必要實時監(jiān)視各種能源系統(tǒng)運行情況，進行科學(xué)管理和優(yōu)化調(diào)度；此外鋼鐵生產(chǎn)過程中還有一些如設(shè)備故障和生產(chǎn)計劃臨時變更等不確定因素，導(dǎo)致能源產(chǎn)、用不協(xié)調(diào)，降低了能源使用效率。能源的整體平衡是實現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)節(jié)能的有效手段，能源中心將節(jié)能、平衡和優(yōu)化有機結(jié)合起來，對企業(yè)節(jié)能和發(fā)展都有重要意義。

2 能源中心的發(fā)展歷史和國內(nèi)外應(yīng)用情況

能源中心通過自動化技術(shù)、信息化技術(shù)和集中管理的模式，對能源系統(tǒng)的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節(jié)實施集中動態(tài)數(shù)字化監(jiān)控和扁平化管理，改進和優(yōu)化能源平衡，實現(xiàn)系統(tǒng)性節(jié)能降耗的管控一體化目標(biāo)。

20世紀(jì)60年代，日本八蟠制鐵所設(shè)計了世界上第一個能源中心，實現(xiàn)了對使用能源的統(tǒng)一管理[5]；1976年，京洪鋼鐵公司扇島廠建立的能源中心，可對該廠的動力和電氣設(shè)備進行集中監(jiān)視；美國的Allnco東部鋼鐵分公司建立的的能源中心，具有能源系統(tǒng)計算機管理的能力，通過優(yōu)化能源及資源分配，實現(xiàn)二次能源的再分配、能源消耗自動計量和制定合理的能源外購方案；印度的Bhilai鋼鐵公司能源中心的能源管理系統(tǒng)融合了能源的監(jiān)視、能源的建模與優(yōu)化功能，實現(xiàn)了以外購能源最小化為優(yōu)化目標(biāo)的煤氣介質(zhì)的優(yōu)化利用；奧鋼聯(lián)的VASL鋼鐵廠于1996年9月建成了能源中心，通過隨后幾年的逐步完善，能源中心系統(tǒng)除了基本的監(jiān)視功能外，還具有能源預(yù)測、能源負荷均衡的功能。

國內(nèi)能源中心起步晚、發(fā)展慢。20世紀(jì)80年代，國內(nèi)第一套能源管理中心在寶鋼建成。作為鋼鐵企業(yè)以信息自動化技術(shù)促進能源管理及工藝技術(shù)創(chuàng)新、實現(xiàn)清潔生產(chǎn)、提高企業(yè)經(jīng)濟效益的的手段，能源管理中心在國內(nèi)鋼鐵企業(yè)中越來越受重視。馬鞍山鋼鐵公司、武漢鋼鐵公司、沙鋼集團、濟南鋼鐵公司、鞍山鋼鐵公司、首鋼京唐鋼鐵公司等鋼鐵企業(yè)已建成能源中心，本溪鋼鐵集團有限公司、萊蕪鋼鐵集團有限公司等企業(yè)也正在建設(shè)能源中心。

3 馬鋼能源中心

3.1 概述

馬鋼能源中心是為配合馬鋼新區(qū)“十一五”技術(shù)改造和結(jié)構(gòu)調(diào)整而建設(shè)的一個集過程監(jiān)控、能源管理、能源調(diào)度為一體的、以計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的監(jiān)控一體化系統(tǒng)。整個新區(qū)的產(chǎn)能、調(diào)度、用能均由二能源總廠通過能源中心來統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一平衡。從系統(tǒng)的角度對能源系統(tǒng)的生產(chǎn)、輸配、調(diào)度管理、運行操作、信息分析、人力資源利用、異常處理等全方位管理[6]，以最少的人力、先進的手段、高效的體制、完備的信息實現(xiàn)安全穩(wěn)定、經(jīng)濟平衡、優(yōu)質(zhì)環(huán)保的能源生產(chǎn)。

能源中心分為動力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)三個部分。監(jiān)控畫面包括高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、高爐鼓風(fēng)、壓縮空氣、氧氣、氮氣、氬氣、氫氣、蒸汽、電、生產(chǎn)水、生活水等能源介質(zhì)。見圖1。

3.2 能源中心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

能源中心從功能層次上通常具有三層結(jié)構(gòu)（見圖2）：信息采集層、實時數(shù)據(jù)處理層和應(yīng)用管理層。信息采集層主要由RTU、DCS、PLC等信息采集設(shè)備組成。遠程終端設(shè)備（RTU）是安裝在遠程現(xiàn)場的電子設(shè)備，用來監(jiān)視和測量安裝在遠程現(xiàn)場的傳感器和設(shè)備。RTU將測得的狀態(tài)或信號轉(zhuǎn)換成可在通信媒體上發(fā)送的數(shù)據(jù)格式。它還將從中央計算機發(fā)送來得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成命令，實現(xiàn)對設(shè)備的功能控制。PLC、DCS是各能源廠的現(xiàn)場控制設(shè)備，通過工業(yè)以態(tài)網(wǎng)將過程信號傳至能源中心。實時數(shù)據(jù)處理層通常使用實時數(shù)據(jù)庫，利用相關(guān)組態(tài)軟件完成實時數(shù)據(jù)的處理和歸檔。將I/O服務(wù)器連接，所有的現(xiàn)場信號經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)后均進入I/O服務(wù)器。實時數(shù)據(jù)服務(wù)器、備份服務(wù)器、報警趨勢服務(wù)器等均從此服務(wù)器中取得數(shù)據(jù)。同時，各操作站、工程師站等亦經(jīng)過此服務(wù)器向下位機（RTU、綜合保護I/O服務(wù)器、PLC、DCS等）下達操作控制命令。應(yīng)用管理層主要由應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、報警趨勢服務(wù)器、各操作員站、工程師站等組成。負責(zé)數(shù)據(jù)分析、趨勢形成、報表生成打印、計劃生成、調(diào)度命令下達等。

圖1 馬鋼能源管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

圖2 能控中心系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.3 能源中心主要功能

數(shù)據(jù)采集：能源數(shù)據(jù)參數(shù)如溫度、壓力、流量由監(jiān)控點采集后，經(jīng)PLC通過網(wǎng)絡(luò)直接傳入EMS或先由現(xiàn)場子站采集再通過網(wǎng)絡(luò)傳入EMS。

實時監(jiān)控：能控員在能源中心對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行全面監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)包括：過程畫面、曲線趨勢、報警信息、語音提示、大屏幕顯示等。

質(zhì)量管理：通過人工化驗結(jié)果或在線檢測儀器測量,對能源介質(zhì)的質(zhì)量進行實時跟蹤，避免不合格的能源介質(zhì)供應(yīng),確保整個能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

供需實績：按不同能源介質(zhì)自動生成供需日報和月報，顯示能源介質(zhì)如供入量、用戶使用量、放散量等數(shù)據(jù)，以及計算工序單耗。

運行管理[7]：包括電子值班日志、停復(fù)役審批、查詢以及運行方式安排等。

3.4 能源中心特點和優(yōu)勢

分散控制和集中化管理相結(jié)合提高管理效率。分散控制集中調(diào)度的優(yōu)點是針對性強、信息傳遞效率高單、系統(tǒng)適應(yīng)性強，簡化了管理流程，能最大程度提高能源使用效率。

實時數(shù)據(jù)采集、在線監(jiān)控的功能和無人值守管理模式的應(yīng)用提高工作效率、優(yōu)化了能源管理流程[7]、降低人力資源成本，實現(xiàn)單體節(jié)能向系統(tǒng)節(jié)能的轉(zhuǎn)變。

實現(xiàn)能源管理的事后管理向事前管理轉(zhuǎn)變。能源介質(zhì)供需情況在線監(jiān)控、調(diào)整為管理人員提供了有效手段，編制能源供需計劃、按計劃安排生產(chǎn)運行、設(shè)備檢修；預(yù)測能耗，制定節(jié)能管理方案。

4 能源中心的發(fā)展趨勢

當(dāng)今，能源和資源局勢日益緊張，鋼鐵行業(yè)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟有重要的戰(zhàn)略意義。能源中心的特點和優(yōu)勢，在鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排中的作用已為越來越多企業(yè)所重視，隨著計算機技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等發(fā)展和管理經(jīng)驗不斷積累，能源中心今后的發(fā)展趨勢如下：

（1）能源管理中心自身功能進一步開發(fā)。在目前已有的數(shù)據(jù)采集、遠程監(jiān)控、運行支持、供需實績和工序能耗功能的基礎(chǔ)上。根據(jù)企業(yè)的需要繼續(xù)完善、挖掘自身功能。

（2）作為管控一體化的系統(tǒng)，能源管理的體制和方法對能源管理中心效果的發(fā)揮有很大影響。目前扁平化集中管理方式的已發(fā)揮出其優(yōu)勢，結(jié)合能源管理中心的職能對其繼續(xù)優(yōu)化和調(diào)整。

（3）能源中心將進一步與ERP（Enterprise Resource Planning，企業(yè)資源計劃）深入結(jié)合。把物流、人流、資金流、信息流統(tǒng)一起來進行管理，為企業(yè)決策層提供以系統(tǒng)化思想解決降低成本、提高生產(chǎn)效率和優(yōu)化管理的平臺。

[1]殷瑞鈺，張春霞.鋼鐵企業(yè)功能拓展是實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟的有效途徑[J].鋼鐵，2005，40（7）.

[2]劉文超，蔡九菊.鋼鐵企業(yè)能耗分析及節(jié)能對策研究[J].工業(yè)爐，2011，33（3）：8－11.

[3]王維興.科學(xué)評價中國鋼鐵工業(yè)能耗與國際先進水平的差距[EB/OL].中國鋼鐵企業(yè)網(wǎng)，2009.

[4]徐匡迪.低碳經(jīng)濟與鋼鐵工業(yè)[J].鋼鐵，2011，45（3）：1－11.

[5]聶秋平.鋼鐵企業(yè)能源平衡與過程優(yōu)化調(diào)度策略及應(yīng)用[C].中南大學(xué)博士論文，2011.

[6]馬殿同.馬鋼公司能源管理系統(tǒng)[J].冶金自動化，2008，S1：172－175.

[7]王海風(fēng)，張春霞.能源中心在鋼鐵企業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展趨勢[J].中國冶金，2009，19（2）：6－9.