大型企業(yè)能源管理系統的設計與應用

摘要: 通過(guò)對大型化工企業(yè)能耗情況和現有能源管理模式的分析，系統地介紹了能源管理系統的設計，主要包括能源數據集成、能源系統實(shí)時(shí)監控、能源管理軟件開(kāi)發(fā)和能源優(yōu)化調度等，然后介紹了某大型氯堿企業(yè)能源管理系統的實(shí)施與應用情況。通過(guò)系統實(shí)現，在確保生產(chǎn)工藝流程平穩運行的前提下，實(shí)現企業(yè)能源系統的在線(xiàn)監控、集中管理與優(yōu)化調度，從而有效地提高企業(yè)能源管理水平和能源利用效率，為單體設備、各生產(chǎn)裝置和整個(gè)企業(yè)的多方位節能提供充分支撐。

關(guān)鍵詞:能源管理系統；化工企業(yè)；信息系統

作為世界石油和化工生產(chǎn)大國，我國2011年全行業(yè)總產(chǎn)值已突破11萬(wàn)億元，全行業(yè)綜合能源消耗超過(guò)5.2億噸標煤，約占同期全國能源消耗總量的15%。“十二五”期間，要保持一定的發(fā)展速度并實(shí)現能耗下降20%、排放減少10%的目標，十分艱難。如何在提高產(chǎn)品產(chǎn)（收）率和改善產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí)，降低能源與資源消耗，充分回收和有效利用二次能源，提高能源利用效率和管理水平，是面臨的重要課題。 隨著(zhù)“兩化”深度融合的推進(jìn)，國家加大了對節能降耗的支持力度，鼓勵企業(yè)通過(guò)采用信息化、自動(dòng)化技術(shù)，并結合系統優(yōu)化和節能改造更新等措施，實(shí)現提高能源介質(zhì)回收、梯級利用水平和多能源介質(zhì)協(xié)同平衡優(yōu)化水平，降低重要能源介質(zhì)放散[1]。截止2012年底，國家*已經(jīng)批準50多家化工企業(yè)的能源管理中心建設示范項目。 一個(gè)設計合理、功能完備并與生產(chǎn)管理系統緊密結合的化工企業(yè)能源管理系統（中心）正常 使用時(shí)，可實(shí)現多達5%的節能量。 

本文針對化工企業(yè)的用能特點(diǎn)和能源管理現狀與要求，系統地介紹了能源管理系統的設計，主要包括數據集成、能源系統實(shí)時(shí)監控、能源管理軟件開(kāi)發(fā)和能源優(yōu)化調度等。

1 能源管理系統的設計

化工企業(yè)使用的能源種類(lèi)多，品位高低不等，主要的能源介質(zhì)和載體包括燃料、電力、熱能載體、耗能物流以及化學(xué)能輸入和化學(xué)能輸出等。盡管不同類(lèi)型企業(yè)各種能源介質(zhì)的比重不同， 但燃料、蒸汽和電力仍然是化工企業(yè)消耗的主要能源。除了采用新工藝、新設備，減低動(dòng)力能耗、加強保溫除垢之外，建立能源管理體系和建設能源管理系統是實(shí)現管理節能的兩個(gè)重要手段，同時(shí)促進(jìn)系統能量的綜合利用。 例如，實(shí)施熱電聯(lián)產(chǎn)和采用變頻技術(shù)可降低電耗，運用控制（APC）技術(shù)可挖掘裝置生產(chǎn)潛能、降低單位產(chǎn)品能耗。 系統通過(guò)能源計劃、能源監控、能源平衡、統計分析等多種手段，準確掌控企業(yè)能源，使節能工作責任明確，降低能耗，提高效益。

系統的建設目標是：實(shí)現對各種能源介質(zhì)和重點(diǎn)耗能設備的實(shí)時(shí)監控、控制、優(yōu)化調度和綜合管理，及時(shí)了解和掌握各種能源介質(zhì)的生產(chǎn)、使用以及各種能源管網(wǎng)、關(guān)鍵耗能設備的運行工況，做到科學(xué)決策和調度指揮，確保生產(chǎn)與能源系統的安全、可靠、經(jīng)濟和有效運行。主要工作內容包括：完善能源計量?jì)x表、自動(dòng)化系統和網(wǎng)絡(luò )系統，實(shí)現能源數據采集和能源系統實(shí)時(shí)監控；在實(shí)時(shí)數據庫和關(guān)系數據庫的支撐下，綜合集成生產(chǎn)與能源系統各種相關(guān)信息，實(shí)現集能源計劃、實(shí)績(jì)、統計、考核和報表等多方位能源管理并挖掘企業(yè)節能潛力；在準確預測能源系統產(chǎn)耗存變化的基礎上，通過(guò)建立能源系統優(yōu)化調度模型，自動(dòng)給出能源優(yōu)化調度建議和方案，實(shí)現重要能源介質(zhì)的優(yōu)化調度和事前管理，在保證能源管網(wǎng)和設備安全的前提下，提高二次能源的回收率和利用效率，使得能源系統運行達到安全、經(jīng)濟和合理的目標。圖1給出了系統整體功能架構設計。

系統的基本功能架構包括： 

（1）“適合實(shí)用”的能源數據采集網(wǎng)絡(luò ) 

在現有基礎上，按可靠性、冗余性和可實(shí)現性要求完善各級能源計量網(wǎng)絡(luò )和化工企業(yè)的一、二級和重要的三級能源測量點(diǎn)及數據采集平臺；借助企業(yè)已有數據采集網(wǎng)絡(luò )基礎，建立“適合實(shí)用”的能源數據采集網(wǎng)絡(luò )系統，適應未來(lái)能流和物流高度集成的需求。 

（2）“高度集成”的能源綜合監控中心 

覆蓋與節能減排息息相關(guān)的各種信息，主要包括：各動(dòng)力介質(zhì)系統信息、固體燃料系統信息、爐窯、耗能設備和耗電設備信息、質(zhì)量安全環(huán)保信息、生產(chǎn)關(guān)鍵信息、能源質(zhì)量信息、能源計量數據等。涉及一、二級能源計量數據、重要的三級計量數據、生產(chǎn)關(guān)鍵數據。 集成實(shí)時(shí)監控、狀態(tài)監視、歷史趨勢查詢(xún)、安全設備質(zhì)量報警、實(shí)時(shí)報表等監控功能，并將集成能源預測、能源管網(wǎng)模擬和能源優(yōu)化調度等功能； 在與生產(chǎn)管理系統集成的基礎上，實(shí)現管控一體化。 

（3）“事前管理、事中監督、事后考核”為主線(xiàn)的能源管理平臺 

系統將實(shí)現從計劃、調度、操作運行到統計、考核整個(gè)事務(wù)流的閉環(huán)管理。 做到“事前管理、事中監督、事后考核”。

事前管理 

與生產(chǎn)管理系統集成，獲取生產(chǎn)相關(guān)信息， 并通過(guò)建立各工序各能源介質(zhì)單耗模型，給出各工序各能源介質(zhì)的生產(chǎn)和消耗計劃， 實(shí)現“事前靜態(tài)管理”；與能源優(yōu)化調度系統集成，獲取實(shí)時(shí)能源產(chǎn)耗預測信息和優(yōu)化調度建議，實(shí)現“事前動(dòng)態(tài)管理”。 

事中監督 

通過(guò)計劃實(shí)績(jì)管理、 調度運行管理、關(guān)鍵耗能設備管理和質(zhì)量環(huán)保管理，實(shí)時(shí)跟蹤計劃執行情況和現場(chǎng)運行狀況，在線(xiàn)動(dòng)態(tài)調整能源平衡，實(shí)現能源管網(wǎng)和能源設備的在線(xiàn)監督；通過(guò)統計分析管理提供的強大數據挖掘和分析工具，對影響系統運行的各個(gè)影響因素進(jìn)行對比關(guān)聯(lián)分析， 準確指導在線(xiàn)能源調整和調度，優(yōu)化能源生產(chǎn)工況。 

事后考核 

通過(guò)能源的統計分析管理、計量結算管理、考核管理和報表管理，及時(shí)獲取能源定額和計劃的執行情況、能源成本的變化情況、能源平衡的具體情況、能源設備的運行情況、能源質(zhì)量環(huán)保和安全情況等， 在系統中嚴格按照公司管理流程和規定，對超額和節能現象進(jìn)行獎懲，通過(guò)考核制度的嚴格執行，督促各相關(guān)單位節能減排的持續改善。

（4）“準確可靠”的能源預測、平衡與優(yōu)化調度 

模型通過(guò)采集、監控和分析基礎能流數據，建立能源預測與優(yōu)化調度模型，對主要能源介質(zhì)的生產(chǎn)和消耗進(jìn)行準確預測，對主要能源介質(zhì)管網(wǎng)進(jìn)行在線(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬計算，給出重點(diǎn)能源介質(zhì)優(yōu)化調度方案，通過(guò)能源介質(zhì)產(chǎn)、存、耗的動(dòng)態(tài)平衡和優(yōu)化調度，提高能源平衡水平和能源介質(zhì)利用效率，實(shí)現節能減排增效目標。

2 能源管理系統的實(shí)現

2.1 能源計量?jì)x表、自動(dòng)化系統和數據采集的完善

為滿(mǎn)足系統的建設要求，需要采集的數據包括一二級能源數據、重要三級能源數據、固體原燃料三級計量數據、重點(diǎn)耗能設備的運行數據、質(zhì)量環(huán)保安全數據以及與能源系統相關(guān)的生產(chǎn)數據等。在系統建設期間，需要根據企業(yè)的實(shí)際情況，新增必要的能源計量?jì)x表，并對缺少通訊接口的計量?jì)x表進(jìn)行改造，這樣不僅能提高能源計量?jì)x表的配備率，而且為實(shí)現能源系統的實(shí)時(shí)監控與管理提供了保障。

為實(shí)現數據采集，系統需要根據企業(yè)現有網(wǎng)絡(luò )架構情況，在廠(chǎng)區內構建千兆以太環(huán)網(wǎng)作為主干網(wǎng)，并利用三層交換技術(shù)實(shí)現大型局域網(wǎng)的VLAN劃分，各分廠(chǎng)匯聚點(diǎn)與控制系統或下級單位（車(chē)間）采用百兆光纖收發(fā)器接入主干環(huán)網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò )主干拓撲設計為環(huán)形結構和樹(shù)形結構相結合，其中核心層采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)設計，各分廠(chǎng)匯聚層接入能源主干網(wǎng)采用樹(shù)形結構。 圖2給出了數據采集網(wǎng)絡(luò )示意圖。

生產(chǎn)管理系統等也可共網(wǎng)接入，但又可與系統產(chǎn)生相互隔離的效果，達到數據傳輸互不干擾，網(wǎng)絡(luò )安全穩定的目的。系統可通過(guò)硬件防火墻和公司辦公網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行連接，確保能源數據網(wǎng)絡(luò )和辦公網(wǎng)絡(luò )的物理隔離。 

2.2  能源系統的綜合監控與管理

系統采用中控的實(shí)時(shí)數據庫ESP-iSYS和綜合集成平臺，建立“高度集成”的能源綜合監控系統。覆蓋各動(dòng)力介質(zhì)系統信息、重點(diǎn)耗能設備和耗電設備信息、質(zhì)量安全環(huán)保信息、與系統相關(guān)的關(guān)鍵生產(chǎn)信息等?；谙到y平臺集中監控一二三級能源數據、與關(guān)鍵能耗設備有關(guān)的運行數據、質(zhì)量環(huán)保數據以及與系統相關(guān)的生產(chǎn)數據，在系統實(shí)現上述數據的綜合集成、監視和管理。

能源綜合監控系統集成能源數據診斷與校正、各能源介質(zhì)系統和耗能設備實(shí)時(shí)監視、歷史數據歸檔、事件記錄和查詢(xún)、報警、故障診斷與應急聯(lián)動(dòng)、系統監控診斷等功能，并結合能源優(yōu)化調度系統所具有的能源預測、能源管網(wǎng)模擬和能源優(yōu)化調度等功能模塊，實(shí)現能源管控一體化。

基礎能源管理系統涵蓋能源計劃與實(shí)績(jì)管理、能源調度運行管理、能源計量結算管理、能源質(zhì)量環(huán)保管理、能源設備管理、能源統計分析、能源考核管理、能源報表管理等功能，實(shí)現從計劃、調度、操作運行到統計、考核整個(gè)事務(wù)流的閉環(huán)管理，基于強大的數據挖掘工具和規范化的管理流程，提供準確有效的分析數據、有價(jià)值的節能建議以及強有力的考核措施。

2.3 能源系統的平衡與優(yōu)化調度

在本系統中，能源系統的平衡與優(yōu)化調度是在基礎數據的采集、監控和分析的基礎上，通過(guò)建立能源預測與優(yōu)化調度模型，實(shí)現對能源介質(zhì)的生產(chǎn)和消耗進(jìn)行準確預測，對能源介質(zhì)管網(wǎng)進(jìn)行在線(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬計算， 并在能源預測和管網(wǎng)模擬的基礎上，以未來(lái)一段時(shí)間內能源消耗成本較低和能源放散少為目標，給出各能源介質(zhì)優(yōu)化的調度建議和方案，通過(guò)能源介質(zhì)產(chǎn)、存、耗的動(dòng)態(tài)平衡和優(yōu)化調度，提高能源平衡水平和能源介質(zhì)利用效率，實(shí)現節能減排增效目標。

3 應用案例

某大型氯堿企業(yè)（含熱電、電石、化工、水泥四大產(chǎn)業(yè)13家生產(chǎn)企業(yè)，構成大型循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園區）的能源管理系統已通過(guò)上述設計與實(shí)現，形成能流、物流、信息流高度集成統一的能源管控一體化系統，保證了能源系統的安全穩定和經(jīng)濟有效運行。 應用效果如下： 

1）成功建設了工業(yè)園區級能源管理中心，使集團總調實(shí)現整個(gè)工業(yè)園區多家企業(yè)的能源集中管控和優(yōu)化調度； 

2）成立了以董事長(cháng)為組長(cháng)的*小組和以總經(jīng)理為組長(cháng)的聯(lián)合實(shí)施小組，優(yōu)化了集團能源管控流程和組織架構，完善了能源計量設施和能源管理體系；

3）建立了能源預測與優(yōu)化調度模型，實(shí)現了臺鍋爐、發(fā)電機組與后續電石、乙炔、燒堿、PVC、水泥各生產(chǎn)裝置產(chǎn)用蒸汽、電的優(yōu)化匹配和調度，實(shí)現綜合能耗降低3%，實(shí)現節煤量9萬(wàn)噸標煤，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。圖3給出了蒸汽與電力系統調度優(yōu)化界面示意圖。

4）建立了蒸汽和電石爐氣管網(wǎng)在線(xiàn)模擬模型，可以準確計算管網(wǎng)內部詳細信息，及時(shí)發(fā)現能源跑冒滴漏問(wèn)題，發(fā)現管網(wǎng)設計缺陷，實(shí)現管網(wǎng)準確調度，減少蒸汽和電石爐氣損失； 

5）建立了涵蓋能源計劃實(shí)績(jì)、計量結算、統計分析、考核監察、調度運行等功能模塊的完整的能源閉環(huán)管理平臺， 形成完整的能源管理在線(xiàn)流程，實(shí)現了向管理要節能的目標； 

6） 實(shí)現了能源管理中心系統和ERP系統的集成，建立能源數據、生產(chǎn)數據和財務(wù)數據的雙向共享機制，提高了兩套系統的利用效率。能源管理中心建成后： 

①實(shí)現了能源管理粗放管理到精細化管理的轉變。例如：能源監控和管理范圍擴展到各分廠(chǎng)，實(shí)現了重要的三級計量數據全公司分享；能源監控和管理細化到耗能設備和耗電設備。

②實(shí)現能源管理由事后管理向事前管理轉變。例如：可編制能源計劃并通過(guò)電石爐氣、蒸汽、電力的合理生產(chǎn)與使用，實(shí)現能源優(yōu)化利用；在線(xiàn)預測未來(lái)時(shí)段能源生產(chǎn)、消耗和存儲，并提前給出能源優(yōu)化調度方案。 

③實(shí)現能源管理由經(jīng)驗化管理向科學(xué)化定量管理轉變。例如：實(shí)時(shí)監控到從全公司到耗能設備各個(gè)層面的數據和信息；調度指令基于統計分析預測數據和優(yōu)化調度建議。

4 安科瑞工業(yè)能耗系統介紹

安科瑞企業(yè)能源管理平臺采用自動(dòng)化、信息化技術(shù)和集中管理模式，對企業(yè)的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節實(shí)行集中扁平化的動(dòng)態(tài)監控和數據化管理，監測企業(yè)電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類(lèi)能源的消耗情況，通過(guò)數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業(yè)針對各種能源需求及用能情況、能源質(zhì)量、產(chǎn)品能源單耗、各工序能耗、重大能耗設備的能源利用情況等進(jìn)行能耗統計、同環(huán)比分析、能源成本分析、用能預測、碳排分析，為企業(yè)加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節能潛力、節能評估提供基礎數據和支持。

4.1 系統結構

4.2 應用場(chǎng)所

鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫藥、水泥、煤炭、物流、鐵路、航空工業(yè)、木材、化學(xué)原料以及機電設備、電器產(chǎn)品、工器具制造等。

4.3 系統功能

4.3.1 可視化展示

展示企業(yè)各類(lèi)能耗總量、折標值、能源成本、能源消耗趨勢、分項能耗占比、區域能源消耗對比,以及當前天氣情況、污染情況，并三維展示企業(yè)重要工藝或工段的能源消耗動(dòng)態(tài)。

4.3.2 實(shí)時(shí)監控

對企業(yè)各點(diǎn)位的能源使用、報警等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監控。以便企業(yè)用戶(hù)能夠實(shí)時(shí)的監測各個(gè)點(diǎn)位的運作情況，同時(shí)能更快速有效的掌握點(diǎn)位的報警。

4.3.3 變壓器監控

展示各電壓器的負載情況，從而可以為變壓器配備情況進(jìn)行科學(xué)合理的規劃。通過(guò)各種運行參數狀態(tài)下用電效能的對比分析，找出較佳運行模式。根據較佳運行模式調整負載，從而降低用電單耗，使電能損失降低。

4.3.4 用能統計

從能源使用種類(lèi)、監測區域、生產(chǎn)工藝/工段時(shí)間、分項等維度，采用曲線(xiàn)、餅圖、直方圖、累積圖、數字表等方式對企業(yè)用能統計、同比、環(huán)比分析、實(shí)績(jì)分析，折標對比、單位產(chǎn)品能耗、單位產(chǎn)值能耗統計，找出能源使用過(guò)程中的漏洞和不合理地方，從而調整能源分配策略，減少能源使用過(guò)程中的浪費。

4.3.5 產(chǎn)品/產(chǎn)值單耗

與企業(yè)MES系統對接，通過(guò)產(chǎn)品產(chǎn)量以及系統采集的能耗數據，在產(chǎn)品單耗中生成產(chǎn)品單耗趨勢圖，并進(jìn)行同比和環(huán)比分析。以便企業(yè)能夠根據產(chǎn)品單耗情況來(lái)調整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

4.3.6 績(jì)效分析

對各類(lèi)能源使用、消耗、轉換，按班組、區域、產(chǎn)線(xiàn)、工段等進(jìn)行日、周、月、年、時(shí)段績(jì)效統計按照能源計劃或定額制定的績(jì)效指標進(jìn)行KPI比較考核，幫助企業(yè)了解內部能效水平和節能潛力。

4.3.7 能耗預測

通過(guò)對企業(yè)生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設備等的能耗使用情況進(jìn)行分析，建立能耗計算模型，根據人工智能算法對數據和模型進(jìn)行修正，對未來(lái)企業(yè)能耗趨勢進(jìn)行預測分析，為節能提供有效的決策依據。

4.3.8 運行監測

系統對區域、工段、設備能源消耗進(jìn)行數據采集，監測設備及工藝運行狀態(tài)，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，并支持變配電系統一次運行監視?？芍苯訌膭?dòng)態(tài)監測平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數據，支持按能源種類(lèi)、車(chē)間、工段、時(shí)間等維度查詢(xún)相關(guān)能源用量。

4.3.9 分析報告

以年、月、日對企業(yè)的能源利用情況、線(xiàn)路損耗情況、設備運行情況、運維情況等進(jìn)行多方面的統計分析，讓用戶(hù)多方面了解系統的運行情況，并為用戶(hù)提供數據基礎，方便用戶(hù)發(fā)現設備異常，從而找出改善點(diǎn)，以及針對用能情況挖掘節能潛力。

4.3.10 事件報警

持續監測設備和系統運行，對通訊失敗、數據異常、定額超限、工藝參數異常越限、設備異?；蚬收线M(jìn)行報警，提醒企業(yè)注意和查找問(wèn)題，并形成報警日志。

4.3.11 移動(dòng)端支持

APP支持Android、iOS操作系統，方便用戶(hù)按能源分類(lèi)、區域、車(chē)間、工序、班組、設備等不同維度掌握企業(yè)能源消耗、效率分析、同環(huán)比分析、能耗折標、用能預測、運行監視、異常報警等。

4.4 現場(chǎng)設備選型

5 結語(yǔ)

目前，能源管理系統正逐步在大型化工企業(yè)推廣應用，是化工行業(yè)通過(guò)“兩化”深度融合促進(jìn)節能減排的具體體現。盡管各家企業(yè)的基礎條件不同，生產(chǎn)與經(jīng)營(yíng)管理存在差異，在系統的建設廣度和深度上可能存在差異，但是國家*對于工業(yè)企業(yè)能源管理中心建設項目的基本目標和功能已做了明確的要求。 因此，本文在總結浙江中控軟件技術(shù)有限公司在實(shí)施能源管理中心項目經(jīng)驗的基礎上，結合化工企業(yè)的特點(diǎn)，按系統建設目標和功能要求，設計了能源管理系統的功能架構，并給出應用案例，希望能對化工行業(yè)能源管理中心建設起到推動(dòng)作用。

參考文獻

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