煤礦綜合能耗在線監(jiān)控平臺及能源管理體系建設(shè)應(yīng)用研究

薛必芬，李美生，延春明，牛毓慧，謝立興，張 虎，張 勇，蘇 丹，馬永華

(1.陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000；2.眾禾晟科技(北京)有限公司，北京 100022)

我國經(jīng)過近30 a的改革開放，經(jīng)濟(jì)獲得迅速增長，但是也付出了巨大的資源和環(huán)境代價，能源、資源不足的矛盾越來越突出，節(jié)能減排及環(huán)境壓力也越來越大。煤炭企業(yè)作為能源生產(chǎn)企業(yè)，在用耗能設(shè)備仍有很多是八九十年代的老舊高能耗設(shè)備，替換需較長周期。有些煤礦自身能源管理工作還存在諸如浪費嚴(yán)重、管理較粗放、信息化程度不高等問題。能源是企業(yè)生產(chǎn)成本的重要組成部分，用信息化手段提高能源管理水平，促進(jìn)技術(shù)節(jié)能效果的落實與鞏固，是未來管理節(jié)能方式的發(fā)展趨勢。能源信息化管理符合國家節(jié)能減排、“兩化”融合相關(guān)政策。國內(nèi)各行業(yè)能源管理建設(shè)如火如荼，并形成了各行業(yè)不同的知識產(chǎn)權(quán)和特色。照搬其他行業(yè)的模式，對煤炭行業(yè)并不適用。建設(shè)適合煤炭企業(yè)自身的能源管理系統(tǒng)，并使之與能源管理體系有機(jī)深度融合迫在眉睫。

現(xiàn)代化的綜合能耗在線監(jiān)控平臺及能源管理體系是能源管理、節(jié)能減排工作的基礎(chǔ)和總抓手，具有投入少、效果持久的特點，尤其適合于能源管理水平相對較弱的行業(yè)企業(yè)，通過系統(tǒng)的運行和管理優(yōu)化，綜合節(jié)能效果顯著。能源管理信息化平臺是以幫助企業(yè)安全生產(chǎn)的同時，合理計劃和安排利用能源，降低單位產(chǎn)品能源消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益為目的，為企業(yè)能源管理提供信息化管理手段。

1 建設(shè)目標(biāo)

項目的建設(shè)目標(biāo)是建立符合煤炭企業(yè)的現(xiàn)代化能源管理信息化平臺及能源管理體系，并將兩者有機(jī)深度融合，提升煤礦能源管理信息化水平，提升數(shù)字能效管理水平，滿足國家及地方的政策要求，推動法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)貫徹執(zhí)行。建立能源管理體系和制度，使得節(jié)能工作常態(tài)化，有利于企業(yè)內(nèi)部能源節(jié)約和綜合平衡；作為先行試點，取得良好效果后為集團(tuán)平臺及兄弟單位應(yīng)用、推廣先進(jìn)有效的能源管理方法和技術(shù)提供經(jīng)驗和平臺。

煤礦綜合能耗在線監(jiān)控平臺將為陽煤五礦整個能源系統(tǒng)的合理開發(fā)、高效利用、優(yōu)化配置方面起到重要作用。以能源監(jiān)視、統(tǒng)計以及能效分析為基礎(chǔ)，建立起整個能源管理的信息系統(tǒng)，對工藝中存在的能源不合理消耗及工藝設(shè)備的用能狀態(tài)進(jìn)行綜合分析，用于指導(dǎo)對生產(chǎn)過程和生產(chǎn)設(shè)備的升級、改造；對用能單元能效情況的跟蹤記錄、預(yù)估預(yù)判、預(yù)先調(diào)整的決策指導(dǎo)和方案制定，實現(xiàn)能源資源管理的信息化和現(xiàn)代化，實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運行，提高能源利用率，實現(xiàn)能源管理優(yōu)化，以達(dá)到企業(yè)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

2 設(shè)計思路與要求

在功能上要實現(xiàn)能耗信息快捷采集、流通，每個部門能夠方便收集到所需要的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理，及時發(fā)布到相關(guān)部門，實現(xiàn)扁平化管理，最終實現(xiàn)全廠能耗的信息化和管控一體化。

(1)以企業(yè)能源消耗流程為依據(jù)，體現(xiàn)整個企業(yè)能耗系統(tǒng)之間的業(yè)務(wù)流程順序關(guān)系、信息流向，實現(xiàn)管理信息的傳遞與處理，確保能耗信息一體化的整體性能，避免由于接口規(guī)劃不到位導(dǎo)致系統(tǒng)擴(kuò)充困難、信息傳遞錯誤，不能實現(xiàn)真正的信息共享。

(2)以企業(yè)生產(chǎn)工藝為依據(jù)，對能耗技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析，為提升能源利用效率決策提出有針對性的支持，進(jìn)一步服務(wù)于生產(chǎn)管理，提高管理效率，降低能源成本。

(3)以企業(yè)管理模式和組織機(jī)構(gòu)為依據(jù)，設(shè)計信息化系統(tǒng)的架構(gòu)和功能及各分系統(tǒng)的功能設(shè)置、系統(tǒng)配置和各分系統(tǒng)間的接口，依據(jù)組織機(jī)構(gòu)抽象出應(yīng)用系統(tǒng)功能、權(quán)限規(guī)劃策略、對業(yè)務(wù)管理信息進(jìn)行分類等。

3 設(shè)計建設(shè)內(nèi)容

綜合能耗在線監(jiān)控平臺的硬件平臺主要包括能耗計量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與通訊系統(tǒng)、服務(wù)器系統(tǒng)、計算機(jī)系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)等。對于硬件產(chǎn)品的選型采用當(dāng)前主流廠商的產(chǎn)品，質(zhì)量可靠，對于安裝的服務(wù)器、終端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、控制設(shè)備，必須能適應(yīng)嚴(yán)格的工作環(huán)境。系統(tǒng)具備反應(yīng)快速、滿足行業(yè)要求的性能，最終確保能源中心的高效、穩(wěn)定、實時運行。

能源管理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析手段，對能源計劃、能源耗用、能源過程、能源質(zhì)量、能源設(shè)備以及環(huán)保系統(tǒng)等進(jìn)行管理，為能源調(diào)度人員、能源管理人員以及公司級領(lǐng)導(dǎo)提供信息查詢界面，實現(xiàn)能源綜合監(jiān)控和管理。

陽煤五礦綜合能耗在線監(jiān)控平臺為全礦整個能源系統(tǒng)的合理開發(fā)、高效利用、優(yōu)化配置起到重要作用。以能源監(jiān)視、統(tǒng)計以及能效分析為基礎(chǔ)，建立起整個能源管理的信息系統(tǒng)，對工藝中存在的能源不合理消耗及工藝設(shè)備的用能狀態(tài)進(jìn)行綜合分析，用于指導(dǎo)對生產(chǎn)過程和生產(chǎn)設(shè)備的升級、改造；對用能單元能效情況的跟蹤記錄、預(yù)估預(yù)判、預(yù)先調(diào)整的決策指導(dǎo)和方案制定，實現(xiàn)能源資源管理的信息化和現(xiàn)代化，實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運行，提高能源利用率，實現(xiàn)能源管理優(yōu)化，以達(dá)到企業(yè)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

4 煤礦能源管理體系建設(shè)與認(rèn)證

本項目技術(shù)路線方案主要分為兩部分：能源管理體系建設(shè)及綜合能耗在線管控平臺建設(shè)。兩者互相促進(jìn)、互相融合。能源管控平臺建設(shè)遵循了管理體系的要求并將之融入系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用中;能源管理體系借助管控平臺使得體系得以信息化、系統(tǒng)化和便利化。能源管理體系是指用以建立能源方針，確立能源目標(biāo)，制定過程和程序，以實現(xiàn)能源目標(biāo)的體系。認(rèn)證機(jī)構(gòu)根據(jù)試點礦能源管理體系的運行效果進(jìn)行能源管理體系認(rèn)證審核。能源管理體系建設(shè)目標(biāo)與步驟：① 成立工作組；② 開展能源管理體系培訓(xùn)；③ 實施初始能源評審；④ 策劃能源管理體系；⑤ 編制體系文件；⑥ 文件發(fā)布實施，體系試運行；⑦ 實施內(nèi)部審核和管理評審；⑧ 體系文件優(yōu)化，正式運行。

5 陽煤五礦綜合能耗在線監(jiān)管平臺方案

綜合能耗在線監(jiān)控平臺的硬件平臺主要包括能耗計量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與通訊系統(tǒng)、服務(wù)器系統(tǒng)、計算機(jī)系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)等。對于硬件產(chǎn)品的選型采用當(dāng)前主流廠商的產(chǎn)品，質(zhì)量可靠；對于安裝的服務(wù)器、終端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、控制設(shè)備，必須能適應(yīng)嚴(yán)格的工作環(huán)境。系統(tǒng)具備反應(yīng)快速、滿足行業(yè)要求的性能，最終確保能源中心的高效、穩(wěn)定、實時運行。

能源管理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析手段，對能源計劃、能源耗用、能源過程、能源質(zhì)量、能源設(shè)備以及環(huán)保系統(tǒng)等進(jìn)行管理，為能源調(diào)度人員、能源管理人員以及公司級領(lǐng)導(dǎo)提供信息查詢界面，實現(xiàn)能源綜合監(jiān)控和管理。系統(tǒng)主要功能：① 能耗實時監(jiān)控；② 設(shè)備能效分析；③ 能源計量統(tǒng)計；④ 綜合能耗分析；⑤ 能效對標(biāo)管理；⑥ 能源平衡分析；⑦ 能耗設(shè)備與計量器具管理。

5.1 能耗計量系統(tǒng)設(shè)計邊界

五礦能源系統(tǒng)的管網(wǎng)模型及計量點根據(jù)實際工藝系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，主要包含以下幾項內(nèi)容。

5.1.1 電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

35 kV及6 kV變電站供電統(tǒng)計及各區(qū)域及能源管理體系所要求重點耗能設(shè)備用電統(tǒng)計等。

(1)一、二級計量及主要耗能設(shè)備(對礦井主要工序單元采掘、通風(fēng)、運輸、提升、壓風(fēng)、選煤等計量，主要機(jī)電設(shè)備包括采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、通風(fēng)機(jī)、運輸機(jī)、提升機(jī)、排水泵、空壓機(jī)等)。

(2)設(shè)計更換智能電力計量表148塊(備用2塊)，鏈接原有智能電表(具備鏈接條件的實施鏈接)124塊。

(3)主要用能設(shè)備如不能覆蓋單機(jī)，將覆蓋單元，如壓風(fēng)工序等。

5.1.2 特征量計量

結(jié)合現(xiàn)場實際考慮輸入方案，比如壓風(fēng)量、通風(fēng)量等。

5.1.3 水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

包括全廠總耗水統(tǒng)計、各區(qū)域用水，礦井水統(tǒng)計及能源管理體系所要求重點耗水設(shè)備等。

(1)市政用水更換智能表記數(shù)量31塊。

(2)礦井水新增智能水表3塊，分別表示總量、處理量、新水用量。

5.1.4 蒸汽系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

熱力公司供汽統(tǒng)計，各區(qū)域耗汽統(tǒng)計，生產(chǎn)線耗氣統(tǒng)計及能源管理體系所要求重點耗能設(shè)備等。

(1)蒸汽網(wǎng)絡(luò)及儀表部分，設(shè)計新增8臺流量計。

(2)熱水網(wǎng)絡(luò)及儀表部分，設(shè)計新增3臺熱水表。

5.1.5 燃料氣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

設(shè)計新增3臺流量計。

(1)包括煤層氣入廠統(tǒng)計、選煤廠用量等。

(2)考慮小南莊低濃度瓦斯氧化通風(fēng)用量。

5.1.6 原料柴油系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

包括原料油入廠統(tǒng)計、使用消耗統(tǒng)計及能源管理體系所要求重點耗能設(shè)備等。

主要是建立人工交互輸入選項。

5.1.7 原料汽油系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

包括原料油入廠統(tǒng)計、使用消耗統(tǒng)計及能源管理體系所要求重點耗能設(shè)備等

主要是建立人工交互輸入選項。

5.1.8 煤炭產(chǎn)量及自用燃煤

包括五礦生產(chǎn)煤統(tǒng)計及自用煤統(tǒng)計。

(1)重點考慮建立自動采集或者人工交互輸入選項。

(2)考慮熱風(fēng)爐用煤統(tǒng)計方法。

5.2 數(shù)據(jù)采集通訊

借助于全廠分布于各變電站、配電室的既有局域網(wǎng)絡(luò)接口，考慮部分偏遠(yuǎn)位置的水表、煤氣表等，數(shù)據(jù)采集及網(wǎng)絡(luò)通訊采用有線與無線相結(jié)合的方式，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集及網(wǎng)絡(luò)通訊示意

5.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

5.3.1 能耗實時監(jiān)控

以企業(yè)生產(chǎn)過程設(shè)備為監(jiān)控對象，對各能源介質(zhì)進(jìn)行分類，對每個能源介質(zhì)的生產(chǎn)情況進(jìn)行采集與實時監(jiān)控，采用能源介質(zhì)分類流向畫面，方便直觀地顯示各能源節(jié)點的實時數(shù)據(jù)，并可對能源數(shù)據(jù)的歷史趨勢曲線進(jìn)行瀏覽查詢。實現(xiàn)企業(yè)對主要能源網(wǎng)絡(luò)及生產(chǎn)流程畫面的顯示、對關(guān)鍵能源數(shù)據(jù)的監(jiān)控以及關(guān)鍵產(chǎn)品和關(guān)鍵工序能源數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，使得操作人員能夠快速準(zhǔn)確地掌握生產(chǎn)情況，及時做出正確決策。

能源數(shù)據(jù)監(jiān)控管理采用圖形化能量監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)自由組態(tài)，監(jiān)控數(shù)據(jù)來源更加豐富和自由，除可以監(jiān)視過程數(shù)據(jù)之外，還可將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，直接與實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫和能源管理數(shù)據(jù)庫相連接，為其他功能模塊提供監(jiān)視和控制依據(jù)。

5.3.2 設(shè)備能效分析

分析能源設(shè)備與情景，實現(xiàn)對企業(yè)單一設(shè)備或同類型設(shè)備的能效進(jìn)行監(jiān)測、分析與計算。對比同類型設(shè)備的能效差別，并識別出潛在問題，分析設(shè)備在相同或不同情景下的作業(yè)效率和能效。并根據(jù)能效狀況，提前合理安排設(shè)備維修，調(diào)整基準(zhǔn)負(fù)荷與變動負(fù)荷。

(1)監(jiān)測、分析單一設(shè)備單耗能效，做出同類型設(shè)備能效分析對比報告。

(2)對各種工序及設(shè)備的能效進(jìn)行模型運算，將能源使用情況直接顯示給用戶。

(3)為企業(yè)開展用能診斷、用能分析等其他能源管理工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

5.3.3 能源計量統(tǒng)計

能源計量統(tǒng)計模塊實現(xiàn)企業(yè)能源流程中各環(huán)節(jié)計量統(tǒng)計信息的搜集匯總和計算分析，通過準(zhǔn)確、及時、系統(tǒng)地統(tǒng)計企業(yè)能源購進(jìn)、貯存、加工、轉(zhuǎn)換、輸送分配、使用消耗等環(huán)節(jié)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如實反映企業(yè)能源系統(tǒng)流程的數(shù)量關(guān)系和平衡狀況，揭示能源形成、能源使用方向及變化狀況，為用能企業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營管理者提供能源統(tǒng)計信息和有效的能源管理決策依據(jù)。

5.3.4 綜合能耗分析

企業(yè)能源最終使用統(tǒng)計分兩部分。一部分是企業(yè)在生產(chǎn)中消耗的各種能源和耗能工質(zhì)，另一部分是非生產(chǎn)單位、職工生活和外供的各種能源和耗能工質(zhì)。綜合能耗計算、綜合平衡統(tǒng)計和數(shù)據(jù)分析完全建立在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，這三節(jié)之間的層次關(guān)系可以概括為匯總—計算—分析。

(1)綜合能耗統(tǒng)計計算。綜合能耗分為四種，即總綜合能耗、單位產(chǎn)值綜合能耗、產(chǎn)品單位產(chǎn)量綜合能耗(又叫單位產(chǎn)品綜合能耗)、產(chǎn)品單位產(chǎn)量可比綜合能耗。

(2)能源綜合平衡統(tǒng)計。能源綜合平衡統(tǒng)計以整個企業(yè)為平衡統(tǒng)計范圍，根據(jù)企業(yè)對能源管理的需要和實際情況，在能源收支與庫存、產(chǎn)品生產(chǎn)、能源消耗、能源加工轉(zhuǎn)換等統(tǒng)計表格的基礎(chǔ)上，編制能源實物量平衡表并進(jìn)行必要的計算。 能源綜合平衡統(tǒng)計反映了企業(yè)各種能源的來蹤去跡和能源消費構(gòu)成、投入產(chǎn)出情況，能體現(xiàn)出企業(yè)能量的平衡關(guān)系。

(3)數(shù)據(jù)分析。統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析指通過餅圖、柱狀圖和趨勢圖的方式，對企業(yè)能源消費構(gòu)成、某種能源消耗所占比例、能耗歷史趨勢圖對比等完成統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，直觀地顯示出來。用戶可定義不同時段、不同數(shù)據(jù)源的歷史趨勢曲線、餅圖或柱狀圖，分析能耗變化及生產(chǎn)加工在不同時期的能源消耗狀態(tài)，為企業(yè)管理者提供有效的能源管理決策信息。

5.3.5 能效對標(biāo)管理

能源績效與對標(biāo)管理模塊是能源管理系統(tǒng)的重要組成部分，主要通過系統(tǒng)接口收集產(chǎn)量信息、原料量信息等實績能源數(shù)據(jù)，統(tǒng)計計算后編制各種能源介質(zhì)的結(jié)算報表。能源實績是衡量企業(yè)能源生產(chǎn)運行、技術(shù)管理水平的主要依據(jù)，同時也可作為企業(yè)經(jīng)營管理的重要內(nèi)容。

模塊提供能源供需計劃與實績的比較功能，例如能源月供需計劃與實績的對比數(shù)據(jù)比較，幫助分析考核能源計劃的執(zhí)行情況，系統(tǒng)還可提供通過對自身不同時段的縱向指標(biāo)對比和其他企業(yè)同期橫向指標(biāo)對比，找出能源使用的差距，了解企業(yè)用能的總體情況，以此為依據(jù)提出完善與提升的目標(biāo)。

(1)能源實績統(tǒng)計，即獲取電、水、蒸汽等各個能源介質(zhì)的購入量、消耗量、發(fā)生量等計量數(shù)據(jù)，按工序計算出各個能源介質(zhì)的每日/月/季度/年的消耗量/發(fā)生量的統(tǒng)計信息并形成能源實績報表，實現(xiàn)能源實績統(tǒng)計。

(2)實績計劃對比，在能源實績統(tǒng)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行實績與計劃的對比，以對比報表及跟蹤圖的形式輸出對比結(jié)果并進(jìn)行對比分析。

(3)實現(xiàn)對標(biāo)管理，確定能效標(biāo)桿數(shù)據(jù)的管理范圍，對各工序能耗情況與國內(nèi)外同類產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝進(jìn)行比較，分析其能源利用的異同，評價生產(chǎn)工藝(裝置)的先進(jìn)性。

(4)能耗對比，包括同比、環(huán)比及分時、分區(qū)間查詢、對比。

5.3.6 能量平衡分析

能量平衡涉及的能量為水、電、氣、蒸汽、原料、產(chǎn)品等。能量平衡的理論基礎(chǔ)是熱力學(xué)第一定律。能量平衡采用焓值平衡分析法，考慮能量收支關(guān)系，并給出能量分布和平衡指標(biāo)。根據(jù)能量平衡分析的需要，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法進(jìn)行組織與管理。根據(jù)選定的用能系統(tǒng)和指定時間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行能量平衡分析，對車間的能量流、物料流進(jìn)行量化和統(tǒng)計，進(jìn)而分析各項指標(biāo)，得到系統(tǒng)總體性能的定量結(jié)論。自動生成分析報告，包括能量平衡分析指標(biāo)和能量分布百分比，并提供分析時間內(nèi)各項評價指標(biāo)的變化趨勢曲線。

5.3.7 能耗設(shè)備及計量器具管理

關(guān)鍵能耗設(shè)備管理包括設(shè)備臺賬、維護(hù)保養(yǎng)臺賬及關(guān)鍵較大耗能設(shè)備的重點關(guān)注與監(jiān)測，計量器具管理模塊實現(xiàn)企業(yè)計量部門各種計量器具的信息化管理，提供企業(yè)計量器具資料和數(shù)據(jù)的管理功能，計量器具的定期檢定、校準(zhǔn)和維修管理功能。通過所提供的功能，使企業(yè)計量人員掌握器具從購入、安裝使用、檢定、維護(hù)及報廢過程的所有信息，有助于企業(yè)完善計量器具管理工作，穩(wěn)定生產(chǎn)并促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

6 項目意義及主要創(chuàng)新點

管理節(jié)能是技術(shù)節(jié)能和結(jié)構(gòu)節(jié)能的基礎(chǔ)，具有投入少、效果持久的特點，尤其適合于對能源管理水平比較差的發(fā)展中國家。中國預(yù)計通過管理節(jié)能節(jié)約能源消耗的比例可達(dá)10%。能源管理信息化是以幫助企業(yè)在擴(kuò)大生產(chǎn)的同時，合理計劃和利用能源，降低單位產(chǎn)品能源消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益為目的，為企業(yè)能源管理提供了信息化管理手段。其主要意義有3個方面：一是有利于提升企業(yè)能源監(jiān)測水平；二是有利于提高能源利用效率；三是有利于促進(jìn)生產(chǎn)安全，減少排放。

本項目旨在為煤炭企業(yè)量身打造適合煤炭行業(yè)自身節(jié)能管理需求的能源管理平臺，并將能源管理體系的要求及運行與之深度有機(jī)融合，是一項具有創(chuàng)新意義的項目。