淺談水泥行業(yè)能源管理系統(tǒng)的構建與應用效益

劉丹
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 理及專家化系統(tǒng)等多方面信息維度進行整合和分 析，在數(shù)字化的基礎上通過大數(shù)據(jù)計算、機器學習實 現(xiàn)能源管理的實時策略及能耗預警，幫助企業(yè)實現(xiàn)能源管理的智能化。
關鍵詞：能源管理；能耗采集設備；節(jié)能綜合管理

1 引言
       在節(jié)能減排、綠色生產的大環(huán)境下，水泥行業(yè)作為高能耗生產企業(yè)，一直是發(fā)改委、能源局、環(huán)保局等有關部門的關注對象。為貫徹落實關于 節(jié)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(xù)發(fā)展的關鍵課題作為考慮，但目前水泥企業(yè)的能源管理依舊存在以下問題： 
       （1）數(shù)據(jù)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(yè)包括天然氣、氧、熱能和柴油等。目前大部分水泥工廠已實現(xiàn)電、煤的在線計量，但實現(xiàn)水、氣計量的企業(yè)*。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(tǒng)的能源在線監(jiān)控能夠實現(xiàn)對能耗數(shù)據(jù)的實時展示，但卻無法獲得生產過程中工藝、質量、設備的數(shù)據(jù)，導致能源管理數(shù)據(jù)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(xiàn) 節(jié)能降耗、成本，在智能化的背景下，水泥流程的能源管理系統(tǒng)需要實現(xiàn)整個工廠的能源流和物料流的數(shù)據(jù)全自動分析，為工廠提供量化的能耗化數(shù)據(jù)。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(yè)，這些系統(tǒng)的目的是為了實現(xiàn)能源數(shù)據(jù)的集中采集與展示，無法實現(xiàn)真正意義上的能源管理和化。對于水泥生產過程，能耗數(shù)據(jù)的分布存在明確的層級關系，在時間維度上能夠實現(xiàn)與其他實際生產數(shù)據(jù)，這使得水泥工廠的能源管理具備了實現(xiàn)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(tǒng)存在，但對于實現(xiàn)工廠能源管理決策而言，該系統(tǒng)需要生產數(shù)據(jù)、質量數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)和設備數(shù)據(jù)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化的條件。如果工廠有多個系統(tǒng)，如生產系統(tǒng)、質量系統(tǒng)、設備系統(tǒng)，需要工廠人工逐個檢查不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來進行交叉對比確認，這使能源管理喪失了能源化的功能，也是工廠實現(xiàn)能源化的瓶頸。當前，有部分思想認為只要各個系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)接口，即可解決信息孤島。但對于智能化或者業(yè)務自動化而言，數(shù)據(jù)接口只解決了數(shù)據(jù)問題，對于完整的數(shù)據(jù)分析與執(zhí)行，需要對應的業(yè)務支撐，而這些業(yè)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(tǒng)概述
2.1 能源管理的建設方案

       針對目前能源管理系統(tǒng)應用的瓶頸，企業(yè)在能源管理系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集和抽取，建立水泥廠能源對象模型，實現(xiàn)能源數(shù)據(jù)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能耗策略，實現(xiàn)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(tǒng)，應覆蓋計量數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲運算、數(shù)據(jù)分析建模、業(yè)務配置、可視化展示及智能決策這些功能。

圖1 系統(tǒng)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(shù)據(jù)的結構化及實時監(jiān)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；能耗關聯(lián)因素

分析及。
2.2.2 功能概要
       （1）基礎數(shù)據(jù)及系統(tǒng)參數(shù)配置。按照水泥企業(yè) 的地理信息及工藝信息建立各采集數(shù)據(jù)的層級關系模型及對應能耗數(shù)據(jù)的結構化數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)基于能源對象模型的基礎數(shù)據(jù)采集及運算，為其他業(yè)務提供數(shù)據(jù)支撐。 
       （2）實時監(jiān)控：全廠用能的實時監(jiān)測，趨勢觀察、報警、回放。準確的能耗數(shù)據(jù)是節(jié)能工作的基礎，能源管理系統(tǒng)可以根據(jù)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(fā)電等能耗信息進行實時監(jiān)控，監(jiān)控內容包括電能數(shù)據(jù)、蒸汽數(shù)據(jù)、熱能數(shù)據(jù)、煤耗數(shù)據(jù)、空氣數(shù)據(jù)、用水量及流量、燃氣數(shù)據(jù)等等。該監(jiān)控以工廠流程及能耗分布為基礎，構建全廠能耗的實時數(shù)據(jù)可視化，為用戶提供各類數(shù)據(jù)的交叉對比，預警監(jiān)控及歷史數(shù)據(jù)回放等功能。 
       （3）能源統(tǒng)計報表。按工廠業(yè)務需求，建立對應的能源統(tǒng)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(huán)節(jié)進行單耗、總耗統(tǒng)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(fā)現(xiàn)節(jié)能漏點提供數(shù)據(jù)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(lián)分析，幫助工廠找出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(shù)據(jù)對不同質量燃料的能耗進行統(tǒng)計分析，幫助工廠建立不同原材料質量下的能耗模型及數(shù)據(jù)分析。該分析模塊支持多維度的聚類分析，同比環(huán)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(shù)據(jù)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(xiàn)生產化和KPI考核，形成能耗考核的量化指標。
       （6）運行狀態(tài)分析。通過設備運行狀態(tài)及電力狀況數(shù)據(jù)，對設備的運行、無效運行、故障和停止進行實時監(jiān)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(shù)據(jù)和能耗模型，建立能耗關聯(lián)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(jiān)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(tǒng)效益
3.1 生產效益 

完善能源信息系統(tǒng)。改變原有單一的能源 監(jiān)視系統(tǒng)，實現(xiàn)能源多維數(shù)據(jù)分析，增強能源信息的準確性、及時性，在數(shù)據(jù)量的基礎上增強能耗關注度和信息共享性。 
化能源管理體系。指標異常的實時分析、能源數(shù)據(jù)的節(jié)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(fā)布反饋，實現(xiàn)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(xiàn)及時異常預警。 
提高能源使用率。能源管理的終目標是實現(xiàn)全自動化能源運行管理，通過與生產控制的實時聯(lián)動及與物料、設備管理的化分析，實現(xiàn)能源在水泥生產中的化。 
3.2 社會效益
       完善能源管理系統(tǒng)既可以提高企業(yè)能源管理水平，落實能效目標，又能夠更好的實現(xiàn)企業(yè)節(jié)能目標，同時有助于企業(yè)實現(xiàn)更大的經(jīng)濟效益和社會效益。隨著各類能源消耗的持續(xù)增長，以及日趨嚴重的各種新型負載，對節(jié)能減排和生產類企業(yè)的能源利用率提出了越來越多的要求，企業(yè)從自身增收節(jié)支方面考慮的同時也順應時代發(fā)展的要求，在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)-分析-智能的過程中逐步邁進，實現(xiàn)更大的經(jīng)濟效益和社會效益，積引導水泥廠綠色生產，達到社會價值效益。

4 安科瑞工業(yè)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(tǒng)采用分層分布式網(wǎng)絡結構，具有良好的可靠性與實時性，主要由現(xiàn)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(jiān)控平臺）三個部分組成。
以上三個部分分別貫穿整個系統(tǒng)的全部結構。能源管理系統(tǒng)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(jiān)控、決策和發(fā)布平臺。
 

圖2 工業(yè)能耗管理平臺架構組成

4.2 平臺功能介紹

圖3 工業(yè)能耗管理功能示意圖

4.2.1可視化展示
       展示企業(yè)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(qū)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態(tài)。
4.2.2實時監(jiān)控
       對企業(yè)各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監(jiān)控。以便企業(yè)用戶能夠實時的監(jiān)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(jiān)控。
4.2.3用能統(tǒng)計
       從能源使用種類、監(jiān)測區(qū)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(shù)字表等方式對企業(yè)用能統(tǒng)計、同比、環(huán)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(tǒng)計
       與企業(yè)MES系統(tǒng)對接，通過產品產量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在產品單耗中生成產品單耗趨勢圖，并進行同比和環(huán)比分析。以便企業(yè)能夠根據(jù)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(qū)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(yè)了解內部能效水平和節(jié)能潛力。
4.2.6能耗預測
       通過對企業(yè)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(jù)人工智能算法對數(shù)據(jù)和模型進行修正，對未來企業(yè)能耗趨勢進行預測分析，為節(jié)能提供的決策依據(jù)。
4.2.7運行監(jiān)測
       系統(tǒng)對區(qū)域、工段、設備能源消耗進行數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測設備及工藝運行狀態(tài)，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，并支持變配電系次運行監(jiān)視。可直接從動態(tài)監(jiān)測平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數(shù)據(jù)，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(yè)的能源利用情況、線路損耗情況、設備運行情況、運維情況等進行的統(tǒng)計分析，讓用戶了解系統(tǒng)的運行情況，并為用戶提供數(shù)據(jù)基礎，方便用戶發(fā)現(xiàn)設備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節(jié)能潛力。
4.2.9移動端支持
       APP支持Android、IOS操作系統(tǒng)，方便用戶按能源分類、區(qū)域、車間、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(jiān)視、異常報警等
4.3工業(yè)能耗平臺設備選型

表1 工業(yè)能耗管理設備選型示意圖

4 結束語
       綜合能源管理系統(tǒng)是按照相關技術導則進行設計的一個多層次，多功能，跨區(qū)域，可雙向交換信息的復雜系統(tǒng)。通過搭建這樣的能耗監(jiān)測系統(tǒng)可以實時監(jiān)測建筑的能耗使用情況，通過能耗數(shù)據(jù)的分類分項計算，數(shù)據(jù)的分時統(tǒng)計，公共展示平臺等，能促使辦公建筑和大型公共建筑提高節(jié)能運行管理水平，為制定切實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(tǒng)軟件對各電能計量點的用電量實施在線計量、動態(tài)監(jiān)測、集中管理、科學考核，通過的末端監(jiān)控管理，綜合性地實現(xiàn)整體節(jié)能，為高能耗建筑的進一步節(jié)能改造提供依據(jù)。
【參考文獻】
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[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.[J]2019.11版

作者簡介：
劉丹，女，主要研究方向為水泥行業(yè)能源管理系統(tǒng)的構建與應用效益的應用。手機：18702111763；QQ：2881392118  2880263320@qq.com