能源管理系統設計及節能分析

宋健焜

(銅陵有色設計研究院，安徽 銅陵244000)

能源管理系統設計及節能分析

宋健焜

(銅陵有色設計研究院，安徽 銅陵244000)

通過對企業能源系統的計量監測及節能分析，采用能源管理應用軟件系統、大屏幕監控系統和計算機網絡系統的建設，實現對企業能源的集中與區域管控，使企業的能源管理由傳統方式向可視化、數字化、網絡化、智能化轉變，從而達到節約能源的目的。

能源管理系統;計量與監測;節能分析

0 引言

能源管理項目建設是發展循環經濟、節能、環保和減少碳排放緩解氣候異常變化的需要，是國家的重大戰略任務，是建設資源節約型、環境友好型社會和實現可持續發展的重要途徑。先進的能源管理可以實現以盡可能小的資源消耗和環境成本，獲得盡可能大的社會和經濟效益。

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，面向企業生產過程，實現能源信息數字化、能耗過程可視化、決策處理集成化的綜合性系統工程。

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

1 能源管理系統EMS

1.1 物理結構

EMS系統采用分布式計算機控制系統結構，整個系統從功能和網絡結構上可分為數據采集層、數據傳輸層和信息數據管理層3級結構，見圖1。

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

1.2 邏輯結構

系統的邏輯結構見圖2，基于多層模式的系統結構靈活、易擴展、穩定、易維護。

圖2 EMS系統邏輯結構圖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控各個監控點的水、電、煤、油計量儀表數據及設備狀態的各種信息，進行分析處理，指標預警。中心由數據庫及數據庫存儲程序組成，網上運行TCP/IP協議，符合工信部有關監控系統總體技術要求。

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

(2)數據存儲。項目使用成熟的實時數據庫產品滿足系統數據存儲要求，數據庫以完整的分辨率和高速的數據速率來采集能源數據。來自現場的信息數據都能夠被采集并存儲在一個單一的數據庫中，可隨時提供實時和歷史的工廠信息數據。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據從而擁有提高工廠生產率的推動力。

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

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

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

(6)能源指標。根據系統統計的能源計量數據，結合產品的生產數據，計算出各產品能耗，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。能耗數據在畫面上實時顯示，可了解不同區域，不同設備，不同能源的消耗情況，并統計各種能源消耗的數據。

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

(8)分析結果呈現。項目將提供各種數據組合報表(消耗分析，KPI分析、能源比較等)，查詢范圍根據需要定義數據分析時間段，可以使用Excel配置報表樣式，隨時可以根據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控功能分區、內局域網、顯示監控系統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 主站及監控設計

為了確保能管中心的應用安全，采用經典防火墻方案，整個網絡分為4個區域:互聯網、本企業局域網和能管中心內網。通過能管中心內網的緩沖，把對外的網絡服務隔離，從而保證內部核心網絡的數據與應用安全。

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

2.2 系統硬件平臺

根據項目建設需要，服務器包括數據庫、應用、備份、Web等。服務器根據應用系統的特征，結合處理速度、存儲容量、可靠性等因素配置。

數據庫服務器作為業務系統的核心，業務量多、存儲量大。為保證系統持續穩定地運行，須保證服務器數據存儲系統有較高的可靠性、擴展性和災難恢復能力。數據庫為滿足應用功能要求，采用企業級小型機設計，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(Windows 2003企業版/Linux)、數據庫系統(Oracle 10g Cluster)、能管中心平臺(系統管理、生產過程檢測、數據檢索、報表展現、人機操作、生產過程控制、數據共享)、數據收集系統(二級單位上傳數據的接收與入庫)、數據處理系統(數據統計、報表生成)、優化控制系統(指令產生、指令分解與驗證、指令下發)、能量管理系統等。

2.4 防火墻設計

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

2.5 能源數據采集系統設計

能源數據信息的采集系統主要依托現場儀表、傳感器和現有的DCS系統，見圖1(EMS系統物理結構圖)。

2.6 能源監測數據流程

能源監測數據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據格式進入能管中心。進入能管中心的DCS系統能源數據，通過對DCS系統軟件的修改和若干硬件的添加，按照能管中心的數據采集通訊協議，傳送至能管中心主服務器。對于距離較遠的能源數據，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

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

3 節能分析及措施

銅陵海螺公司主要消耗能源為:原煤、電力，少量柴油。

3.1 生產工藝過程及能耗分析

(1)熟料生產工藝及能耗分析。熟料生產將礦山采集的石灰石及砂巖經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。外購原煤經火車和輪船運輸進廠，經膠帶輸送機輸送到堆場儲存、均化，均化后的原煤經煤磨粉磨成煤粉，煤粉經管道分別送至窯頭燃燒器和窯尾分解爐內燃燒。均化后的生料經斗提送入窯尾預熱器，經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。

根據生產工藝特點，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;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測，不能及時分析調整，存在一定的能源損耗，通過適時監控，可以降低能源消耗。

(2)水泥粉磨生產工藝及能耗分析。水泥粉磨生產中，石膏、煤矸石均為外購，由汽車運輸進廠，經破碎后送到磨頭倉;外購粉煤灰運輸進廠后直接泵入粉煤灰庫;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化，可以降低系統電力消耗。

(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)計量的實時數據，通過進行能源數據處理和分析，結合生產過程實時監測和管控，實現能源消耗過程的穩定供應與實時平衡、優化調度能源利用效率，以期節能降耗。

(1)對回轉窯系統煅燒系統運行參數的分析、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，發現不合理的能源供應與平衡環節，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，提高能源的優化配置，發揮能源的高效回收、梯級利用和優化平衡。特別針對5條干法熟料生產線及其他設備的用能協調管理，通過對窯系統能量工藝參數的分析、調整，做好窯用熱量與余熱發電回收熱能的優化平衡，以達到節約能源的效能，做到回收與利用的統一，提高能源利用效率。

(3)進行能源輸配的實時監測和管控，分析輸配環節損耗率的合理性，對不合理的環節更新改造，降低能耗。特別是通過對電力系統的線變損率的管控，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的實時監測和調度控制，結合生產管控系統，控制各種用能設備和生產系統的開、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，結合節能考核，提高用能設備和系統的能源利用效率。

根據上述分析，據測算，通過能管中心系統性的實時監測、管控以及能源協調輸配，項目實施后，預計將節省標煤12 000 t，見表2。

表2 節能預測表Tab.2 Forecasted Statement for Energy Saving

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

通過能源管理中心的建設，規范實時監控、分析，優化煤炭、電力、燃油的使用效能，以達到節約能源的目的，據估算能夠節約能源占總能源消耗的0.74%，節能效果顯著。

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設計，改變企業原來能源管理的傳統方式，向可視化、數字化、網絡化、智能化轉變，從而達到節約能源的效果。

[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工業企業能源管理導則[S].北京:中國標準出版社，2009.

[3]國家質量監督檢驗檢疫總局、國家標準化管委會.GB/T 3484－2009企業能量平衡通則[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]中國有色金屬工業協會.GB 50595－2010有色金屬礦山節能設計規范[S].北京:中國計劃出版社，2011.

[6]國家建設部、國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 50443－2007水泥工廠節能設計規范[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