鋼鐵行業智能化能源管控平臺的建設與應用

曲泰安，高大鵬，白雪，王艷飛

（鞍鋼集團信息產業有限公司，遼寧 鞍山114009）

過去十幾年來，鋼鐵行業飛速發展，信息技術日新月異。能源成本在鋼鐵行業成本占比日漸增高，整個行業能源成本占比平均在25%以上。因此鋼鐵企業對能源管理越來越重視，能源生產和管理已經逐漸從“配角”向“主角”轉變，能源效率、能源成本的深度分析成為鋼鐵企業成本分析的主要需求。目前國內各大鋼鐵企業正在運行的能源管理系統大多已經運行了十年左右，基本無法支撐能源集約化和精細化管理的需求。

隨著國家智能制造［1］、兩化融合［2］、工業互聯網［3］深入推廣，鋼鐵企業在數字化、網絡化方面水平的不斷提升，新一代信息技術的廣泛應用，能源管理的深層變革已經開始。鞍鋼集團信息產業有限公司對鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司能源管理和生產開展深入調研工作，與鲅魚圈分公司能源動力部一同開展了“鞍鋼股份鲅魚圈鋼鐵分公司智能化能源管控平臺項目”總體設計和方案編制工作，該項目被列為鞍鋼集團首批兩化融合的重點建設項目，2018年初項目啟動建設實施工作，2019年初平臺全面上線投運，項目取得了良好的效果，達到了設計預期，實現了項目建設目標。

1 平臺建設目標及思路

1.1 平臺建設目標

平臺建設總體按照自動化運行、集約化操控和智能化管理三個層次進行設計和建設實施，對鋼鐵全流程范圍內的燃氣、制氧、發電、供電、給水五大能源專業進行遷移升級整合，實現37個站、所、室全部遠程集中操控，進一步提升能源系統運行效率。同時以自動化運行、集約化操控、智能化管理為核心，運用“大數據+機理+算法”的手段，對能源生產全過程進行能耗能效評價分析、平衡預測分析和耦合優化分析，對能源產生量、消耗量進行精準預測，通過與相關信息系統的數據共享、協同，建立能源流、鐵素流、價值流及設備狀態的動態平衡優化體系，提出能源綜合優化方案，進而有效降低能源損失，提高能源轉化效率，降低企業能源成本，實現能源價值最大化的目的。

1.2 平臺建設思路

（1）夯實基礎：平臺建設以遠程集控為基礎，完善基礎設備，優化提升基礎自動化水平，夯實遠程集控基礎。

（2）管控合一：以管理變革為推手，以自動化、信息化、智能化為手段，實現能源操控、調度、分析、管理的多維度完整融合。

（3）智能提升：利用大數據、智能化等先進技術，對能源管控進行全方位的智能化提升。

（4）行業領先：從能源全流程集控到智能化能源管理，定位于國內鋼鐵行業領先水平。深挖能源管控提升空間，優化提升管控功能，建成國內行業領先的智能化能源管控平臺。

2 平臺架構及主要功能

2.1 平臺框架

智能化能源管控平臺總體包括：一個集控中心、一個系統平臺、一個數據中心和五大子系統，平臺總體框架如圖1所示。

圖1 平臺總體框架Fig.1 Overall Framework Diagram of Platform

2.2 平臺主要功能

平臺建設總體上比較龐雜，其中支撐整個平臺運行的為三大核心子系統，即遠程集控系統、能源管理系統和智能專家系統。

2.2.1 遠程集控系統

遠程集控系統在平臺中為重中之重，是平臺運行的基礎保障，其承擔三項重點任務：一是保證現場操控的安全穩定；二是實現集控中心對現場站、所的遠程控制；三是要為基礎管理系統和專家系統提供全部能源生產和計量數據。

遠程集控系統主要包括生產監控、遠程控制、趨勢查詢、事件管理、能源調度及故障查詢等功能模塊，是在本地設備升級和自動化升級改造的基礎上，將現場不同品牌、型號及版本的控制系統進行整合。本地端依靠智能網關設備與控制系統相連，集控中心端配置高性能服務器群，其中大部分服務器采用Linux操作系統，部署集控系統的分布式應用系統、實時數據庫和歷史數據庫，采用1:N互為冗余的分布式結構，以保證系統的高速、穩定和可靠運行。另外單獨配置WINDOWS SERVER服務器，部署WEB發布和數據接口應用等。

通過遠程集控系統，將不同區域、介質的站所，根據工藝相關性，進行重新優化組合，實現了站所室的遠程集中操控，同時對設備運行情況、故障實時掌握，并精準分析故障原因，從而大幅提高工作人員的工作效率。

2.2.2 能源管理系統

通過采集整合分公司MES和ERP系統數據，實現年計劃、月計劃、日計劃的制定和管理；根據實時計量數據分不同階段輸出報表；提供生產運行支持管理和能源事故管理；實現對重點能源設備的原始設計參數、運行故障、維修信息的管理；實現對五種主要能源介質的消耗、成本進行多維度多層次的同比、環比和對比分析。能源管理系統主要包含計劃管理、實績報表、運行支持、設備管理、綜合分析及能源質量6個功能模塊，最終實現“數據不落地”式的管理，即能源的計劃、統計、結算和分析全部通過系統完成，不需人工干預。

2.2.3 智能專家系統

（1） 能效分析

為解決常規能效管理系統存在的問題，建立單體設備能效評價分析、工序能耗評價分析、綜合能耗評價分析模塊、專家知識庫管理，實現設備能效及工序能耗“看得見、說得清、管得住”。 主要功能如下：

（a）單體設備能效評價分析：主要包括單體設備理論能耗計算、測試能耗計算、理論能耗與測試能耗對比分析，實際能耗計算跟蹤，目標能耗尋優，實際能耗分析與專家優化。最終用戶可在線進行設備能耗監控，實時進行評價診斷，根據專家知識庫明確異常原因并提出優化建議，是智能系統“智”的體現。

（b）工序能耗評價分析：進行各工序能耗的綜合評價，進一步細化工序下各能源介質消耗的評價。結合不同工序的生產工藝特點和工序下主要耗能設備能耗的分析結論，進行工序能耗的相關分析，明確異常原因，提出優化建議，同時關注各工序之間的界面能耗損失。

（c）綜合能耗評價分析：進行全公司范圍內綜合能耗分析，從工序能耗和鋼比系數兩個維度出發，結合各工序之間界面的能耗損失分析，進行綜合能耗評價診斷，進一步明確生產組織、品種結構、工藝路徑對綜合能耗的影響。

（d）專家知識庫管理：專家知識庫是整個能效評價分析體系的核心。通過數據的認知以及有經驗的管理、操作人員的訪問，構建專家知識庫。

（2）能源流平衡優化

主要功能包括：能源流預測、多介質耦合優化、制氧機負荷調整專家系統、碳排放分析和設備狀態監控等，其重點內容是能源流預測和多介質耦合優化。

（a）能源流預測：能源流預測重點是煤氣的發生量和消耗量的預測，其主要是結合生產計劃、設備檢修計劃和事故等信息，利用大數據技術與機理相結合的方法，構建主要煤氣發生設備（如高爐、焦爐和轉爐的煤氣發生量）和消耗設備（如加熱爐、熱風爐、石灰窯等煤氣消耗量）預測模型，為煤氣優化調度提供支撐。

（b）多介質耦合優化：在能源流預測的基礎上，構建多周期煤氣－蒸汽－電力優化調度模型，對不同階段、不同目標實時生成最優生產方案。理清煤氣-蒸汽-電力之間的耦合關系，考慮峰谷平電價，構建煤氣-蒸汽-電力優化調度耦合模型，實現不同需求、不同時段的優化，達到提升發電量，降低購電成本。

3 平臺主要特點

3.1 遠程集控系統特點

主要是在自動化升級改造的基礎上，實現能源動力區域的37個站、所、室全部在一個集控中心遠程集中操控，使能源流調整和故障處理更具協同性和及時性。配合集約化操控重點解決了如下問題：實現發電遠程集控和發電機組冗余遠程控制；實現發電系統機、爐協調控制；實現發電機功率因數自動調節；實現高爐、焦爐、轉爐三種煤氣混合熱值自動調節；實現風機、電機故障診斷，電纜感溫及故障診斷；實現多控制系統兼容整合控制；實現制氧機負荷自動調節；實現網絡獨立自診斷、自管理，跨網絡單向訪問，工業控制網絡安全防護［4-5］。

通過自動化升級改造和集約化操控，實現了國內全行業首創的全部動力站所遠程集控操作。改變了傳統的分站式能源管理模式，實現真正意義上的一站式管理。

遠程集控系統中燃氣TRT發電系統和給水熱軋軟水站的應用效果分別如圖2、圖3所示。

3.2 能源管理系統特點

為適應集約化操控的管理要求，系統應用了移動點巡檢APP，通過APP建立站、所、室的安全管理信息，接收移動點巡檢APP上傳的點巡檢人員位置信息；在系統中接收、記錄APP上傳的交接班信息，并提供交接班日志查詢功能。同時移動點巡檢APP是設備管理功能向移動端的延伸，目的是為點巡檢人員提供方便快捷的輔助性工具，主要功能包括計劃管理、移動點巡檢、實績報表和綜合分析。

（1）計劃管理：提出計劃能耗因子，用戶可根據因子指數選擇介質單耗，自動生成能源計劃

（2）移動點巡檢：手機移動點巡檢，有效提高點巡檢效率，推動企業效益增長。

（3）實績報表：以數據為核心，拖拽式制定實時報表，操作靈活多變，多樣展示，滿足交互分析需求。

（4）綜合分析：建立360度數據視圖，深層次進行能耗分析和成本分析。

能源管理系統中能源平衡報表和能源成本分析的應用效果如圖4、圖5所示。

圖2 燃氣區域TRT發電系統總貌Fig.2 General Appearance of TRT Power Generation System

圖3 給水區域熱軋軟水站系統Fig.3 Soft Water Station System for Hot Rolling in Water Supply Area

3.3 智能專家系統特點

（1）國內首創多維度多層次能效水效評價模型。從系統節能理論出發，建立綜合能耗、工序能耗到設備能效的多維度多層次能效水效評價模型。其中重點是建立大型能耗設備能效指標理論值、測試值、目標值和實際值計算模型，利用關聯分析找到影響設備能效的影響因子，建立專家優化知識庫，進行設備能效在線診斷和優化。優化后設備能耗平均降低1%以上。

（2）自主研發多場景多時長能流預測模型。利用時間序列、BP神經元網絡等技術建立多場景多時長能流預測模型，實現能源流發生和消耗量預測，包括煤氣預測、氧氣預測、電耗預測、蒸汽預測等，進而優化能源網絡，達到平衡調度，減少放散浪費的目的。預測時長15 min到24 h，時間粒度1 h。

（3）國內首創在線多能流耦合優化模型。建立煤氣、蒸汽、電多能流多目標優化模型，根據不同的煤氣、蒸汽和電的富余量和需求量進行優化，同時結合峰、谷、平電價不同，調整能源生產節奏和能源流向，實現多能流的最優經濟運行方案。模型優化 頻率10 min，數據粒度與各介質預測模型一致。

圖4 能源平衡報表管理Fig.4 Energy Balance Report Management

圖5 能源成本分析Fig.5 Analysis on Energy Cost

（4）國內首創碳排放管理。實現企業碳排放和工序碳排放指標的在線核算和分析。核算過程中支持用戶碳排放因子靈活選擇和多口徑核算。在線碳流圖和碳排放影響因子分析，可輔助企業找到降低碳排放的重點。

智能專家系統中工序電耗分析和加熱爐單體設備能效分析的應用效果分別如圖6、圖7所示。

圖6 工序電耗分析Fig.6 Analysis on Power Consumption in Operation

圖7 加熱爐單體設備能效分析Fig.7 Analysis on Energy Efficiency for Individual Equipment of Heating Furnace

4 結語

能源生產和管理并不是孤立的，智能化能源管控平臺在能源業務上，將設備、控制系統、信息系統和專家系統進行縱向集成，打破原有的五級架構；橫向上將能源各個專業，如燃氣、供電、發電、給水、制氧等進行融合，通過專家系統的能源流分析、預測和多介質耦合優化，實現能源介質之間系統化的平衡優化；從企業縱深角度，通過系統間的協同生產計劃、設備檢修、調度、財務等各類數據，實現能源在整個分公司范圍內的價值最優化；從而在三個維度上建立了一套完整的基于能源價值和鋼鐵產品價值綜合優化的能源管控體系，為鋼鐵行業能源的智能化管控探索了一條切實可行的新路線、新局面。該平臺從總體架構到系統的研發建設，在國內鋼鐵行業能源管理實現了四個首創，即全部能源站所遠程集控，在線能效和水效評價分析，多介質耦合優化及碳排放在線管理。該平臺的建成和投入運行，對鋼鐵行業能源管控具備引領和示范作用。

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