謝智勇, 李愛東,常睿
(1. 天津渤?;び邢挢?zé)任公司 天津堿廠,天津 300452;2. 北京郵電大學(xué) 國際學(xué)院,北京 100876)
天津堿廠經(jīng)過搬遷改造,由單一的無機化工轉(zhuǎn)變?yōu)榧Q蠡?、石油化工、碳一化工三位一體的大型現(xiàn)代化工企業(yè),擁有煤氣化、合成氨、甲醇、醋酸、丁辛醇、聚甲醛等多套生產(chǎn)裝置。2010年8月,隨著新區(qū)各裝置陸續(xù)開車成功及負(fù)荷逐步提升,新區(qū)能源消耗也在不斷提高。該廠能源消耗情況如圖1所示。
該新區(qū)各化工裝置采用了國內(nèi)外先進(jìn)的工藝技術(shù),能源消耗水平優(yōu)于國內(nèi)同行業(yè)平均水平,但同國際先進(jìn)水平相比還存在著一定差距。同時,該新區(qū)擁有多套化工裝置,所使用的能源不僅數(shù)量龐 大,而且品種繁多,能源的分級綜合利用、余熱余能回收以及整個園區(qū)的節(jié)能控制還有很大的提升空間,為了實現(xiàn)節(jié)能降耗水平的不斷提升,除使用高效節(jié)能的化工設(shè)備、不斷變革工藝技術(shù)之外,研究并建立一套符合自身發(fā)展需要的能源管理體系,對能源使用進(jìn)行科學(xué)、有效的綜合管理至關(guān)重要。能源管理中心系統(tǒng)是指采用自動化、信息化技術(shù)和集中管理模式,對企業(yè)能源系統(tǒng)的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節(jié)實施集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數(shù)字化管理,改進(jìn)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系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對企業(yè)生產(chǎn)、輔助系統(tǒng)用能數(shù)據(jù)的在線采集、儲存處理以及模型優(yōu)化計算,為企業(yè)的優(yōu)化用能提供在線指導(dǎo),同時能夠?qū)ζ髽I(yè)能耗指標(biāo)的變化進(jìn)行在線監(jiān)控、分析和回溯,并對企業(yè)的能耗計劃、能耗需求及供應(yīng)渠道進(jìn)行優(yōu)化,最終實現(xiàn)企業(yè)能源利用效率的持續(xù)提高。
該廠能源管理中心是以現(xiàn)有生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(MES)為基礎(chǔ),進(jìn)行數(shù)據(jù)點擴充而建立的。作為能源管理和優(yōu)化的一體化系統(tǒng),由硬件、軟件及在線優(yōu)化模型組成,包括全廠各個裝置中能源介質(zhì)的計量、控制與管理。能源管理中心分別采集動力(煤、天然氣、柴油、蒸汽等)、電力、水(循環(huán)水、冷凝水、除鹽水、一次水等)、氧氣、壓縮空氣、氮氣、環(huán)保等信息進(jìn)行分析和處理,再將信息傳送到數(shù)據(jù)庫、操作站等,進(jìn)行能源介質(zhì)運行趨勢及主要能源設(shè)備運行狀態(tài)的顯示與報警,通過系統(tǒng)對主要設(shè)備進(jìn)行運行參數(shù)設(shè)定實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和實時調(diào)整。能源管理中心系統(tǒng)通過與PLC,DCS,MES,ERP等進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)完成計劃管理、質(zhì)量管理、成本管理、能耗預(yù)測、優(yōu)化調(diào)度、循環(huán)經(jīng)濟運行等管理功能。能源管理中心的功能架構(gòu)如圖1所示。
圖1 天津堿廠能源管理中心功能整體架構(gòu)示意
該能源管理中心的建設(shè),重點需完善現(xiàn)有能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),建設(shè)內(nèi)容主要包括以下幾項:
1)主工藝單元生產(chǎn)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集。該廠共有7套主工藝生產(chǎn)裝置,各生產(chǎn)工藝裝置都有各自的DCS,且DCS相關(guān)數(shù)據(jù)已經(jīng)上傳至總廠的MES。能源管理中心系統(tǒng)從已有的MES中采集所需數(shù)據(jù),現(xiàn)有系統(tǒng)未囊括的部分采集數(shù)據(jù)作為新增檢測點。
2)物流系統(tǒng)改造。將全廠一級、二級及部分三級物資計量信號采集到能源管理中心系統(tǒng)中,對物料(煤)計量、軌道衡、汽車衡、皮帶秤等信號進(jìn)行整合。通信方面實現(xiàn)各計量器具的信號互通。
3)電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集。能源管理中心的建設(shè)需對現(xiàn)場的變、配電所進(jìn)行改造,并按照負(fù)荷與地理位置情況分區(qū)域劃分,通過增加遠(yuǎn)動通信單元等方式將電力信號接入能源管理中心網(wǎng)絡(luò)。改造完成后,擬對1座110kV變電站和7座35kV變電站都實現(xiàn)信號監(jiān)控,并對其余工藝系統(tǒng)的低壓配電室實現(xiàn)裝置級(重點設(shè)備)的用電量數(shù)據(jù)采集。
4)能源計量數(shù)據(jù)的采集。能源計量主要需將全廠的一級和二級及部分三級計量信號集中采集到能源管理系統(tǒng)中,在計量點相對集中的位置設(shè)置計量數(shù)據(jù)采集站(PLC系統(tǒng)),以RS-485接口,Modbus等通信協(xié)議或者無線通信的方式采集計量數(shù)據(jù),采集的數(shù)據(jù)由現(xiàn)場儀表進(jìn)行累計或者數(shù)據(jù)補正等,并通過通信協(xié)議傳輸至計量數(shù)據(jù)采集站,再通過以太網(wǎng)協(xié)議將數(shù)據(jù)送至能源管理中心服務(wù)器中。
該能源管理中心的建設(shè)是從現(xiàn)場實際情況出發(fā),綜合考慮了生產(chǎn)連續(xù)性強、用能單位較多等特點,具有以下技術(shù)特點:
1)以節(jié)能減排為核心目標(biāo)。無論從底層的儀表計量、數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)改造,還是上層的綜合監(jiān)控和優(yōu)化調(diào)度,均以節(jié)能減排為指導(dǎo)思想,凡是明顯利于節(jié)能減排的,優(yōu)先考慮。
2)符合該廠實際現(xiàn)狀和需求。充分吸收和利用該廠已有的自動化與信息化建設(shè)成果,如DCS,實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),MES,ERP系統(tǒng)以及已有工業(yè)和信息網(wǎng)絡(luò)等,使其在未來的能源管控系統(tǒng)中發(fā)揮應(yīng)有的作用。
3)與生產(chǎn)系統(tǒng)緊密結(jié)合。能源管理以服務(wù)于生產(chǎn)為最終目的,很多能源介質(zhì)產(chǎn)自于主流程和生產(chǎn)設(shè)備,同時又供主流程和生產(chǎn)設(shè)備消耗。未來能源管理中心需要監(jiān)控生產(chǎn)情況和關(guān)鍵設(shè)備的運行狀況,需要了解生產(chǎn)計劃和維修計劃。同時,能源管理中心也要將能源計劃和實績、能源統(tǒng)計分析、能源預(yù)測調(diào)度等信息以及有利于節(jié)能減排的優(yōu)化生產(chǎn)方式反饋給生產(chǎn)系統(tǒng)。
4)強調(diào)重點耗能設(shè)備的監(jiān)控。重點耗能設(shè)備的能耗占系統(tǒng)總能耗的絕大部分,實時監(jiān)控重點耗能設(shè)備的運行狀況和能源利用效率是提高能源管理水平,促進(jìn)節(jié)能減排的關(guān)鍵。
5)實現(xiàn)重點能源介質(zhì)的事前管理和優(yōu)化調(diào)度。蒸汽、電力、循環(huán)水、冷凝水、氮氣是該廠能源消耗和損耗較大的二次能源介質(zhì),針對此類介質(zhì),建立能源負(fù)荷預(yù)測與優(yōu)化調(diào)度模型,實現(xiàn)基于模型的“事前調(diào)度”和“定量調(diào)度”,可以明顯地提高能源系統(tǒng)的平衡水平和能源介質(zhì)的綜合利用水平。
6)加強事后統(tǒng)計和考核。基于能源管理中心,對各項能耗指標(biāo)(包括總廠、各分廠、各裝置、各產(chǎn)品的能耗指標(biāo))和定額指標(biāo)進(jìn)行細(xì)化,并通過閉環(huán)管理措施,嚴(yán)格執(zhí)行定額加價、整改懲罰、執(zhí)法監(jiān)督制度,基于嚴(yán)格分層次考核管理提高能源利用水平。
該能源管理中心的建設(shè)是一項系統(tǒng)工程,旨在優(yōu)化該廠能源利用率,根據(jù)能源管理中心各個系統(tǒng)的作用建立的層次目標(biāo)如圖2所示。
圖2 能源管理中心層次目標(biāo)
能源管理中心建成后,將以此為平臺,實現(xiàn)集管理、生產(chǎn)組織、工藝調(diào)整為一體的集中管理方式。與傳統(tǒng)管理模式相比,能源管理中心的作用效果更加明顯,具體作用效果見表1所列。
1)整合利用現(xiàn)有資源,減少投資。該廠新區(qū)建設(shè)建立了較完善的DCS、生產(chǎn)實時監(jiān)控系統(tǒng)、MES、調(diào)度系統(tǒng)、企業(yè)局域網(wǎng)系統(tǒng),部分生產(chǎn)裝置實施了先進(jìn)控制,并且正在建設(shè)ERP系統(tǒng),這都為建立企業(yè)能源管理系統(tǒng)打下了良好的基礎(chǔ)。隨著能源管理系統(tǒng)項目建設(shè)的啟動,整合好此類資源可以較大程度地減少投資,縮短建設(shè)周期。
2)針對能源管理的薄弱環(huán)節(jié),以能源管理中心的建設(shè)為契機,持續(xù)改進(jìn)。新區(qū)各化工裝置相互依賴性較強,上下游裝置受生產(chǎn)負(fù)荷波動影響較大,由于管控及調(diào)節(jié)手段有限,造成部分裝置的蒸汽、循環(huán)水、除鹽水、電力等能源介質(zhì)的消耗較設(shè)計值有一定的差距。以蒸汽為例,該廠新區(qū)擁有高壓、中壓、次中壓、低壓、次低壓5個等級的蒸汽管網(wǎng)及相應(yīng)的減溫減壓裝置,由于減溫減壓裝置及重點用能(蒸汽)設(shè)備分散在各個裝置區(qū),使蒸汽的分級綜合利用及余熱、冷凝水的回收利用都受到限制,通過能源管理中心的建設(shè)及運行,可以在能源管理中心實現(xiàn)對上述能源介質(zhì)的集中管控,從而降低消耗。
3)完善的計量體系、統(tǒng)計體系、核算體系是能源管理中心有效運行的前提條件。能源管理中心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于各個生產(chǎn)裝置,全廠各個裝置計量設(shè)施采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確與否對能源管理中心的有效運行至關(guān)重要,同時為更好地發(fā)揮能源管理中心對生產(chǎn)經(jīng)營的指導(dǎo)作用,因此在能源管理中心建設(shè)期間,需要對計量體系、統(tǒng)計體系和核算體系進(jìn)行完善,以滿足能源管理中心運行的需要。
4)培養(yǎng)高素質(zhì)人才,真正發(fā)揮能源管理中心系統(tǒng)的作用。能源管理中心是融合化工生產(chǎn)專業(yè)知識和自動化、信息化、數(shù)字化為一體的現(xiàn)代化管理體系,其運行的成功與否,管理人員的職業(yè)素質(zhì)是關(guān)鍵。在建設(shè)及運行期間應(yīng)實時加強員工的培訓(xùn)工作,使管理人員理解并熟練掌握操作要點。為充分發(fā)揮能源管理中心能源管理的作用,實現(xiàn)全廠能耗的最優(yōu)控制,建議建立首席能源專家管理制度,根據(jù)能源管理中心系統(tǒng)的功能架構(gòu),可分別設(shè)立動力、電力、水系統(tǒng)等專業(yè)首席專家,專家分別對能源介質(zhì)進(jìn)行全方位、權(quán)威管控。
5)堅持產(chǎn)、學(xué)、研合作進(jìn)行能源管理中心項目建設(shè),積極引進(jìn)先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)。能源管理中心項目的建設(shè)其實質(zhì)就是通過對先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)的集成和應(yīng)用,從而使企業(yè)達(dá)到節(jié)能減排、提高經(jīng)濟效益的目標(biāo),因而在能源管理中心的建設(shè)過程中,要注重產(chǎn)、學(xué)、研合作,引進(jìn)、吸收國內(nèi)外先進(jìn)的節(jié)能技術(shù),使能源管理中心所發(fā)揮的作用更加明顯。
表1 能源管理中心作用效果對比
“十二五”期間,國家節(jié)能政策環(huán)境和政策力度不斷加強,“安全、環(huán)保、節(jié)能”已成為化工企業(yè)不斷發(fā)展的根本宗旨。天津堿廠新區(qū)的能源管理中心的建設(shè)已進(jìn)入實施階段,作為重點示范,項目已獲得工業(yè)和信息化部專項資金的支持。筆者相信通過能源管理中心的建設(shè)及有效運行,將為該廠降低能源消耗,完成節(jié)能減排目標(biāo)提供有力的保障。
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