宋健焜

(銅陵有色設(shè)計(jì)研究院，安徽 銅陵244000)

能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及節(jié)能分析

宋健焜

(銅陵有色設(shè)計(jì)研究院，安徽 銅陵244000)

通過對企業(yè)能源系統(tǒng)的計(jì)量監(jiān)測及節(jié)能分析，采用能源管理應(yīng)用軟件系統(tǒng)、大屏幕監(jiān)控系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)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(luò)化、智能化轉(zhuǎn)變，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。

能源管理系統(tǒng);計(jì)量與監(jiān)測;節(jié)能分析

0 引言

能源管理項(xiàng)目建設(shè)是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、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(wù)，是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。先進(jìn)的能源管理可以實(shí)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(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

能源管理中心建設(shè)項(xiàng)目是以信息、計(jì)算機(jī)、視頻圖像等控制技術(shù)為手段，面向企業(yè)生產(chǎn)過程，實(shí)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(shí)質(zhì)性建設(shè)，主要包括企業(yè)各相關(guān)設(shè)備的改造、儀表的更新、傳輸導(dǎo)線及能管中心計(jì)量與監(jiān)控設(shè)計(jì)、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(diào)試等。

1 能源管理系統(tǒng)EMS

1.1 物理結(jié)構(gòu)

EMS系統(tǒng)采用分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)從功能和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(jí)結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 EMS系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Physical Structure Diagram of Energy Management System(EMS)

1.2 邏輯結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)見圖2，基于多層模式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活、易擴(kuò)展、穩(wěn)定、易維護(hù)。

圖2 EMS系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)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(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的水、電、煤、油計(jì)量儀表數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)的各種信息，進(jìn)行分析處理，指標(biāo)預(yù)警。中心由數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)程序組成，網(wǎng)上運(yùn)行TCP/IP協(xié)議，符合工信部有關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)總體技術(shù)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(jì)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(chǔ)。項(xiàng)目使用成熟的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)在一個(gè)單一的數(shù)據(jù)庫中，可隨時(shí)提供實(shí)時(shí)和歷史的工廠信息數(shù)據(jù)。這些功能可使組織中任一級(jí)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(dòng)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(shí)信息，包括生產(chǎn)過程的仿真系統(tǒng)、流量和組分的校正。項(xiàng)目中將利用數(shù)據(jù)平衡的算法結(jié)合工藝建模和電能管網(wǎng)模型，使用量根節(jié)點(diǎn)和各節(jié)點(diǎn)用量達(dá)到平衡。

(4)能源控制。建立能源控制模型，編制能源供需計(jì)劃。能源數(shù)據(jù)(包括統(tǒng)計(jì)和預(yù)測數(shù)據(jù))被周期性地集中和報(bào)告，實(shí)際能耗與根據(jù)生產(chǎn)參數(shù)計(jì)算出的預(yù)期能耗進(jìn)行比較，對生產(chǎn)經(jīng)營做出能耗及外購計(jì)劃。

(5)能源協(xié)調(diào)。動(dòng)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(shí)際能源平衡表。對重點(diǎn)高能耗設(shè)備加強(qiáng)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(shè)備檢修用量等方面的耗能數(shù)據(jù)。

(6)能源指標(biāo)。根據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的能源計(jì)量數(shù)據(jù)，結(jié)合產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出各產(chǎn)品能耗，在此基礎(chǔ)上給出能源控制指標(biāo)，以便對能源績效進(jìn)行考核管理。能耗數(shù)據(jù)在畫面上實(shí)時(shí)顯示，可了解不同區(qū)域，不同設(shè)備，不同能源的消耗情況，并統(tǒng)計(jì)各種能源消耗的數(shù)據(jù)。

(7)能源預(yù)測。實(shí)時(shí)接收能量流和特征生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過對比前一時(shí)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(yùn)行狀態(tài)，采用能源信息流模型或統(tǒng)計(jì)的方法，預(yù)測能源消耗的發(fā)展趨勢。

(8)分析結(jié)果呈現(xiàn)。項(xiàng)目將提供各種數(shù)據(jù)組合報(bào)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(shí)間段，可以使用Excel配置報(bào)表樣式，隨時(shí)可以根據(jù)需要修改報(bào)表的格式。

2 能源管理中心設(shè)計(jì)

能管中心由包括主站在內(nèi)的監(jiān)控功能分區(qū)、內(nèi)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(jié)構(gòu)圖Fig.3 Function Structure Diagram of Main Station for Energy Management Center

2.1 主站及監(jiān)控設(shè)計(jì)

為了確保能管中心的應(yīng)用安全，采用經(jīng)典防火墻方案，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分為4個(gè)區(qū)域:互聯(lián)網(wǎng)、本企業(yè)局域網(wǎng)和能管中心內(nèi)網(wǎng)。通過能管中心內(nèi)網(wǎng)的緩沖，把對外的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)隔離，從而保證內(nèi)部核心網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)與應(yīng)用安全。

能管中心引入6×4大屏幕，操作員對生產(chǎn)過程進(jìn)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(zhì)進(jìn)行，并覆蓋所有生產(chǎn)工序。按能源介質(zhì)劃分為電、煤、油、水、蒸汽5個(gè)區(qū)域，分別對各能源介質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控，對于各個(gè)環(huán)節(jié)中出現(xiàn)越限情況的，可實(shí)時(shí)通過閃爍、聲音等動(dòng)態(tài)方式報(bào)警。

2.2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)

根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)需要，服務(wù)器包括數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用、備份、Web等。服務(wù)器根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的特征，結(jié)合處理速度、存儲(chǔ)容量、可靠性等因素配置。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器作為業(yè)務(wù)系統(tǒng)的核心，業(yè)務(wù)量多、存儲(chǔ)量大。為保證系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行，須保證服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)有較高的可靠性、擴(kuò)展性和災(zāi)難恢復(fù)能力。數(shù)據(jù)庫為滿足應(yīng)用功能要求，采用企業(yè)級(jí)小型機(jī)設(shè)計(jì)，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(tái)

項(xiàng)目平臺(tái)應(yīng)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(tái)(系統(tǒng)管理、生產(chǎn)過程檢測、數(shù)據(jù)檢索、報(bào)表展現(xiàn)、人機(jī)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(jí)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(jì)、報(bào)表生成)、優(yōu)化控制系統(tǒng)(指令產(chǎn)生、指令分解與驗(yàn)證、指令下發(fā))、能量管理系統(tǒng)等。

2.4 防火墻設(shè)計(jì)

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

2.5 能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jié)構(gòu)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(guān)工序的能源采集儀表、傳感器按照一定的數(shù)據(jù)格式進(jìn)入能管中心。進(jìn)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(wù)器。對于距離較遠(yuǎn)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(jì)量儀表狀況及添加

能管中心實(shí)時(shí)監(jiān)測與管理系統(tǒng)的核心是能源信息，能源計(jì)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(chǔ)性工作，合理正確地配備和使用計(jì)量器具，確保計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(jī)輸送到均化堆場均化，均化后的石灰石由膠帶輸送機(jī)輸送到原料配料站;外購鐵質(zhì)原料由汽車運(yùn)輸進(jìn)廠，卸入堆棚內(nèi)儲(chǔ)存，再經(jīng)裝載機(jī)、膠帶輸送機(jī)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(jī)送入生料磨進(jìn)行粉磨，粉磨后的生料粉送入生料均化庫儲(chǔ)存、均化。外購原煤經(jīng)火車和輪船運(yùn)輸進(jìn)廠，經(jīng)膠帶輸送機(jī)輸送到堆場儲(chǔ)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(nèi)燃燒。均化后的生料經(jīng)斗提送入窯尾預(yù)熱器，經(jīng)預(yù)熱器及分解爐后的物料進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯，高溫煅燒后形成熟料，自窯頭卸入篦式冷卻機(jī)冷卻后由裙板機(jī)送入熟料庫。

根據(jù)生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，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(yù)熱器和回轉(zhuǎn)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(diǎn)監(jiān)控對象。雖然公司設(shè)備、工藝較為先進(jìn)，但由于缺少對能源的在線監(jiān)測，不能及時(shí)分析調(diào)整，存在一定的能源損耗，通過適時(shí)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(yùn)輸進(jìn)廠，經(jīng)破碎后送到磨頭倉;外購粉煤灰運(yùn)輸進(jìn)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(chǔ)存。4種物料與熟料按比例調(diào)配后由膠帶輸送機(jī)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(yùn)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(zhì)(電、油、水、汽、煤等)計(jì)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過進(jìn)行能源數(shù)據(jù)處理和分析，結(jié)合生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)測和管控，實(shí)現(xiàn)能源消耗過程的穩(wěn)定供應(yīng)與實(shí)時(shí)平衡、優(yōu)化調(diào)度能源利用效率，以期節(jié)能降耗。

(1)對回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)煅燒系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的分析、調(diào)整，合理調(diào)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(shí)，細(xì)化分析能源購入及消耗指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)不合理的能源供應(yīng)與平衡環(huán)節(jié)，提高實(shí)時(shí)平衡的能源精細(xì)管理水平，降低能耗。

(2)通過對能耗實(shí)時(shí)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(fèi)，提高能源的優(yōu)化配置，發(fā)揮能源的高效回收、梯級(jí)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(shè)備的用能協(xié)調(diào)管理，通過對窯系統(tǒng)能量工藝參數(shù)的分析、調(diào)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(dá)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(jìn)行能源輸配的實(shí)時(shí)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(zhì)量，提高電能利用效率。

(4)通過對用能設(shè)備和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)度控制，結(jié)合生產(chǎn)管控系統(tǒng)，控制各種用能設(shè)備和生產(chǎn)系統(tǒng)的開、停車時(shí)間，減少用能設(shè)備的非計(jì)劃時(shí)間，結(jié)合電力需求管理，減少用能設(shè)備不合理運(yùn)行，精細(xì)過程分析，結(jié)合節(jié)能考核，提高用能設(shè)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(shí)時(shí)監(jiān)測、管控以及能源協(xié)調(diào)輸配，項(xiàng)目實(shí)施后，預(yù)計(jì)將節(jié)省標(biāo)煤12 000 t，見表2。

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

說明:本案例各種能源的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算通則，按0.122 9 kgce/(kW·h)折算;③燃油根據(jù)綜合能耗計(jì)算通則，按1.457 1 kgce/kg折算。

通過能源管理中心的建設(shè)，規(guī)范實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析，優(yōu)化煤炭、電力、燃油的使用效能，以達(dá)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(jié)語

通過對銅陵海螺水泥有限公司能源管理中心建設(shè)示范項(xiàng)目的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(luò)化、智能化轉(zhuǎn)變，從而達(dá)到節(jié)約能源的效果。

[1]國家標(biāo)準(zhǔn)局.GB/T 2589－2008綜合能耗計(jì)算通則[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[2]全國能源基礎(chǔ)與管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 15587－1995工業(yè)企業(yè)能源管理導(dǎo)則[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[3]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、國家標(biāo)準(zhǔn)化管委會(huì).GB/T 3484－2009企業(yè)能量平衡通則[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

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

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

[6]國家建設(shè)部、國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 50443－2007水泥工廠節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)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(jí)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(shè)計(jì).E－mail:jks206@163.com