淺談水泥行業能源管理系統的構建與應用效益

更新時間：2020-07-09

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霍麗麗
安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：文章闡述了本文提出的能源管理將結合生產管理、設備管理及專家優化系統等多方面信息維度進行整合和分析，在數字化的基礎上通過大數據計算、機器學習實現能源管理的實時策略及能耗預警，幫助企業實現能源管理的智能化。
關鍵詞：能源管理；能耗采集設備；節能綜合管理

1 引言
       在節能減排、綠色生產的大環境下，水泥行業作為高能耗生產企業，一直是*、*、*等國家有關部門的重點關注對象。為貫徹落實關于節能減排綜合工作方案等有關工作的要求，加強能源消費總量和強度“雙控”形式分析和預警，推動完成“雙控”目標，國內各大水泥廠都將能源管理作為可持續發展的關鍵課題作為考慮，但目前水泥企業的能源管理依舊存在以下問題：
       （1）數據采集不完整。水泥生產的主要能耗介質為水、電、氣、煤，部分企業包括天然氣、氧、熱能和柴油等。目前大部分水泥工廠已實現電、煤的在線計量，但實現水、氣計量的企業*。水泥生產中，由于不同的原材料、配比、設備、工藝及質量控制要求會導致不同的能源消耗，采用傳統的能源在線監控能夠實現對能耗數據的實時展示，但卻無法獲得生產過程中工藝、質量、設備的數據，導致能源管理數據分析不具備可靠性及真實性。
       （2）重展示，輕分析。能源管理的目的是實現節能降耗、成本低，在智能化的背景下，水泥流程的能源管理系統需要實現整個工廠的能源流和物料流的數據全自動分析，為工廠提供量化的能耗優化數據。目前，國內的能源管控更側重于電能管理，很多能源產品來源于電力行業，這些系統的目的是為了實現能源數據的集中采集與展示，無法實現真正意義上的能源管理和優化。對于水泥生產過程，能耗數據的分布存在明確的層級關系，在時間維度上能夠實現與其他實際生產數據統一，這使得水泥工廠的能源管理具備了實現全自動分析的基礎條件。
       （3）信息孤島嚴重。能源管理目前在大部分工廠都以獨立系統存在，但對于實現工廠能源管理決策而言，該系統需要生產數據、質量數據、物料數據和設備數據的支撐。如對于電耗異常，可能是原材料的問題，也可能是工藝或設備的問題，單一的電耗高或低不具備指導電耗優化的條件。如果工廠有多個系統，如生產系統、質量系統、設備系統，需要工廠人工逐個檢查不同系統的數據來進行交叉對比確認，這使能源管理喪失了能源優化的功能，也是工廠實現能源優化的瓶頸。當前，有部分思想認為只要各個系統具備數據接口，即可解決信息孤島。但對于智能化或者業務自動化而言，數據接口只解決了數據問題，對于完整的數據分析與執行，需要對應的業務支撐，而這些業務只有在對應的功能產品才能完整。

2 能源管理體系的系統概述
2.1 能源管理的建設方案

針對目前能源管理系統應用的瓶頸，企業在能源管理系統建設時，應用能源分析應用為導向，通過對物料流和能量流的數據采集和抽取，建立水泥廠能源對象模型，實現能源數據的結構化及關系模型化。通過模型運算分析，幫助工廠找到當前情況合適能耗策略，實現能源管理的 PDCA（Plan - Do - Check-Act）的模式。
一個具備能源分析應用的管理系統，應覆蓋計量數據采集、數據存儲運算、數據分析建模、業務配置、可視化展示及智能決策這些功能。

圖1 系統框架圖

2.2 能源管理的建設內容
2.2.1 建設目標通過能源管理的建設，擬達到如下主要目標：能源數據的結構化及實時監控；關鍵指標的計算及預測；能耗計劃與生產計劃的交叉分析；能耗小關聯因素分析及*。
2.2.2 功能概要
       （1）基礎數據及系統參數配置。按照水泥企業的地理信息及工藝信息建立各采集數據的層級關系模型及對應能耗數據的結構化數據模型，實現基于能源對象模型的基礎數據采集及運算，為其他業務提供數據支撐。
       （2）實時監控：全廠用能的實時監測，趨勢觀察、報警、回放。準確的能耗數據是節能工作的基礎，能源管理系統可以根據實際需要，對水泥熟料生產各工藝，包括石灰石破碎、原料粉磨、煤粉制備、熟料燒成、余熱發電等能耗信息進行實時監控，監控內容包括電能數據、蒸汽數據、熱能數據、煤耗數據、空氣數據、用水量及流量、燃氣數據等等。該監控以工廠流程及能耗分布為基礎，構建全廠能耗的實時數據可視化，為用戶提供各類數據的交叉對比，預警監控及歷史數據回放等功能。
       （3）能源統計報表。按工廠業務需求，建立對應的能源統計報表，提供按工藝流程或設備的能耗報表，對各生產工藝環節進行單耗、總耗統計，報表可查詢不同時間段的電煤水氣等能源介質的消耗情況，以及主機設備的實時生產情況，為發現節能漏點提供數據參考。
       （4）能耗分析。針對不同能耗的特性進行特征分析，如通過峰尖谷平的能耗與生產成本及計劃關聯分析，幫助工廠找出準確的的粉磨啟停時間及產量。通過燃料類按照質量及生產過程數據對不同質量燃料的能耗進行統計分析，幫助工廠建立不同原材料質量下的能耗模型及數據分析。該分析模塊支持多維度的聚類分析，同比環比等預警分析及模型預警應用。
       （5）績效分析。針對產量和能耗的數據計算和目標值管理，通過比重分析進行班組考核和操作考核，實現生產優化和KPI考核，形成能耗考核的量化指標。
       （6）運行狀態分析。通過設備運行狀態及電力狀況數據，對設備的有效運行、無效運行、故障和停止進行實時監督和歷史回溯，減少非正常生產的能源消耗。
       （7）能耗預測。通過以上多個分析數據和能耗模型，建立能耗關聯因素分析模型，實時對不符合工藝操作流程的用能設備、各監測點能源消耗的異常情況進行自動診斷和報警提示。

3 能源管理的系統效益
3.1 生產效益
完善能源信息系統。改變原有單一的能源監察系統，實現能源多維數據分析，增強能源信息的準確性、及時性，在數據量的基礎上增強能耗關注度和信息共享性。
優化能源管理體系。指標異常的實時分析、能源數據的節能反饋、結果分析、費用控制、余熱利用、設備使用狀況、成本的核算等。通過預警模塊將各類信息通過能源管理模塊及時發布反饋，實現能源異常分析的自動化和智能化，減少人工分析工作量，實現及時異常預警。
提高能源使用率。能源管理的終目標是實現全自動化能源運行管理，通過與生產控制的實時聯動及與物料、設備管理的優化分析，實現能源在水泥生產中的優化。
3.2 社會效益
完善能源管理系統既可以提高企業能源管理水平，落實能效目標，又能夠更好的實現企業節能目標，同時有助于企業實現更大的經濟效益和社會效益。隨著各類能源消耗的持續增長，以及日趨嚴重的各種新型負載，國家對節能減排和生產類企業的能源利用率提出了越來越多的要求，企業從自身增收節支方面考慮的同時也順應時代發展的要求，在傳統的數據-分析-智能的過程中逐步邁進，實現更大的經濟效益和社會效益，積極引導水泥廠綠色生產，達到社會價值效益。

4 安科瑞工業能耗管理平臺介紹
4.1 平臺架構介紹
安科瑞能源管控系統采用分層分布式網絡結構，具有良好的可靠性與實時性，主要由現場設備層（能源計量終端）、通訊管理層（通訊管理終端）和主站層（能源監控平臺）三個部分組成。
以上三個部分分別貫穿整個系統的全部結構。能源管理系統總體設計結構按照能源管理的基本結構設計，滿足以上三部分的同時，增加了部分分析、監控、決策和發布平臺。

圖2 工業能耗管理平臺架構組成

4.2 平臺功能介紹

圖3 工業能耗管理功能示意圖

4.2.1可視化展示
       展示企業各類能耗總量、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，并三維展示企業重要工藝或工段的能源消耗動態。
4.2.2實時監控
       對企業各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監控。以便企業用戶能夠實時的監測各個點位的運作情況，同時能更快速高效的掌握點位的報警4.2.3變壓器監控。
4.2.3用能統計
       從能源使用種類、監測區域、生產工藝/工段時間、分項等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數字表等方式對企業用能統計、同比、環比分析、折標對比，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從而調整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。
4.2.4單耗統計
       與企業MES系統對接，通過產品產量以及系統采集的能耗數據，在產品單耗中生成產品單耗趨勢圖，并進行同比和環比分析。以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。
4.2.5績效分析
       對各類能源使用、消耗、轉換，按班組、區域、產線、工段等進行日、周、月、年、時段，結合能源計劃或定額制定的績效指標進行KPI比較考核，幫助企業了解內部能效水平和節能潛力。
4.2.6能耗預測
       通過對企業生產工藝、生產設備等的能耗使用情況進行分析，建立能耗計算模型，根據人工智能算法對數據和模型進行修正，對未來企業能耗趨勢進行預測分析，為節能提供有效的決策依據。
4.2.7運行監測
       系統對區域、工段、設備能源消耗進行數據采集，監測重點設備及工藝運行狀態，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查。可直接從動態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、車間、工段、時間等維度查詢相關能源用量。
4.2.8分析報告
       以年、月、日對企業的能源利用情況、線路損耗情況、設備運行情況、運維情況等進行全面的統計分析，讓用戶全面了解系統的運行情況，并為用戶提供數據基礎，方便用戶發現設備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節能潛力。
4.2.9移動端支持
       APP支持Android、IOS操作系統，方便用戶按能源分類、區域、車間、工序、班組、設備等不同維度掌握企業能源消耗、效率分析、同環比分析、能耗折標、用能預測、運行監查、異常報警等
4.3工業能耗平臺設備選型

表1 工業能耗管理設備選型示意圖

4 結束語
綜合能源管理系統是按照相關技術導則進行設計的一個多層次，多功能，跨區域，可雙向交換信息的復雜系統。通過搭建這樣的能耗監測系統可以實時監測建筑的能耗使用情況，通過能耗數據的分類分項計算，數據的分時統計，公共展示平臺等，能促使國家機關辦公建筑和大型公共建筑提高節能運行管理水平，為*制定切實有效的政策和決策提供參考和有力的支持，并過能源綜合管理系統軟件對各電能計量點的用電量實施在線計量、動態監測、集中管理、科學考核，通過有效的末端監控管理，綜合性地實現整體節能，為高能耗建筑的進一步節能改造提供依據。
【參考文獻】
[1]“十三五”節能減排綜合工作方案[R].國發 2016（74號）
[2]張成偉, 梁婷, 朱海歐，張焱，任靜，水泥行業能源管理系統的構建.
[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.[J]2019.11

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