能源管理系统设计及节能分析

宋健焜

(铜陵有色设计研究院，安徽 铜陵244000)

能源管理系统设计及节能分析

宋健焜

(铜陵有色设计研究院，安徽 铜陵244000)

通过对企业能源系统的计量监测及节能分析，采用能源管理应用软件系统、大屏幕监控系统和计算机网络系统的建设，实现对企业能源的集中与区域管控，使企业的能源管理由传统方式向可视化、数字化、网络化、智能化转变，从而达到节约能源的目的。

能源管理系统;计量与监测;节能分析

0 引言

能源管理项目建设是发展循环经济、节能、环保和减少碳排放缓解气候异常变化的需要，是国家的重大战略任务，是建设资源节约型、环境友好型社会和实现可持续发展的重要途径。先进的能源管理可以实现以尽可能小的资源消耗和环境成本，获得尽可能大的社会和经济效益。

能源管理中心建设项目是以信息、计算机、视频图像等控制技术为手段，面向企业生产过程，实现能源信息数字化、能耗过程可视化、决策处理集成化的综合性系统工程。

能源管理中心的实质性建设，主要包括企业各相关设备的改造、仪表的更新、传输导线及能管中心计量与监控设计、各功能软件的开发、DCS系统控制的修改、系统联合调试等。

1 能源管理系统EMS

1.1 物理结构

EMS系统采用分布式计算机控制系统结构，整个系统从功能和网络结构上可分为数据采集层、数据传输层和信息数据管理层3级结构，见图1。

图1 EMS系统物理结构图Fig.1 Physical Structure Diagram of Energy Management System(EMS)

1.2 逻辑结构

系统的逻辑结构见图2，基于多层模式的系统结构灵活、易扩展、稳定、易维护。

图2 EMS系统逻辑结构图Fig.2 Logic Structure Diagram of Energy Management System(EMS)

1.3 EMS功能

能管中心主要功能为实时监控各个监控点的水、电、煤、油计量仪表数据及设备状态的各种信息，进行分析处理，指标预警。中心由数据库及数据库存储程序组成，网上运行TCP/IP协议，符合工信部有关监控系统总体技术要求。

(1)能源数据采集。目前在铜陵海螺的各生产线上，涉及能源数据如水、电、原煤、油计量已接入DCS系统中。能管中心需要将各模拟量和数字量及DCS数据采集到EMS中。

(2)数据存储。项目使用成熟的实时数据库产品满足系统数据存储要求，数据库以完整的分辨率和高速的数据速率来采集能源数据。来自现场的信息数据都能够被采集并存储在一个单一的数据库中，可随时提供实时和历史的工厂信息数据。这些功能可使组织中任一级别的决策者获得他们所需要的数据从而拥有提高工厂生产率的推动力。

(3)数据平衡。数据平衡解决了仪表测量误差的问题，提供生产过程的真实信息，包括生产过程的仿真系统、流量和组分的校正。项目中将利用数据平衡的算法结合工艺建模和电能管网模型，使用量根节点和各节点用量达到平衡。

(4)能源控制。建立能源控制模型，编制能源供需计划。能源数据(包括统计和预测数据)被周期性地集中和报告，实际能耗与根据生产参数计算出的预期能耗进行比较，对生产经营做出能耗及外购计划。

(5)能源协调。动态收集各种产品能耗量及工序能耗，建立能耗数据库，制作实际能源平衡表。对重点高能耗设备加强管理，收集主、副产品生产用量、非生产用量、生活用量、设备检修用量等方面的耗能数据。

(6)能源指标。根据系统统计的能源计量数据，结合产品的生产数据，计算出各产品能耗，在此基础上给出能源控制指标，以便对能源绩效进行考核管理。能耗数据在画面上实时显示，可了解不同区域，不同设备，不同能源的消耗情况，并统计各种能源消耗的数据。

(7)能源预测。实时接收能量流和特征生产数据，并将数据进行处理，通过对比前一时刻的数据，并查询数据库中已有的历史数据，对于各工序能源用户，针对不同的生产和运行状态，采用能源信息流模型或统计的方法，预测能源消耗的发展趋势。

(8)分析结果呈现。项目将提供各种数据组合报表(消耗分析，KPI分析、能源比较等)，查询范围根据需要定义数据分析时间段，可以使用Excel配置报表样式，随时可以根据需要修改报表的格式。

2 能源管理中心设计

能管中心由包括主站在内的监控功能分区、内局域网、显示监控系统及由各功能软件组成，见图3。

图3 能源管理中心主站功能结构图Fig.3 Function Structure Diagram of Main Station for Energy Management Center

2.1 主站及监控设计

为了确保能管中心的应用安全，采用经典防火墙方案，整个网络分为4个区域:互联网、本企业局域网和能管中心内网。通过能管中心内网的缓冲，把对外的网络服务隔离，从而保证内部核心网络的数据与应用安全。

能管中心引入6×4大屏幕，操作员对生产过程进行全流程监控。监控方式按生产工序的用能状况和能源介质进行，并覆盖所有生产工序。按能源介质划分为电、煤、油、水、蒸汽5个区域，分别对各能源介质进行监控，对于各个环节中出现越限情况的，可实时通过闪烁、声音等动态方式报警。

2.2 系统硬件平台

根据项目建设需要，服务器包括数据库、应用、备份、Web等。服务器根据应用系统的特征，结合处理速度、存储容量、可靠性等因素配置。

数据库服务器作为业务系统的核心，业务量多、存储量大。为保证系统持续稳定地运行，须保证服务器数据存储系统有较高的可靠性、扩展性和灾难恢复能力。数据库为满足应用功能要求，采用企业级小型机设计，见表1。

表1 能源管理中心软硬件配置Tab.1 Configuration of Software and Hardware for Energy Management Center

2.3 系统软件平台

项目平台应用软件主要组成有:图像处理、操作系统(Windows 2003企业版/Linux)、数据库系统(Oracle 10g Cluster)、能管中心平台(系统管理、生产过程检测、数据检索、报表展现、人机操作、生产过程控制、数据共享)、数据收集系统(二级单位上传数据的接收与入库)、数据处理系统(数据统计、报表生成)、优化控制系统(指令产生、指令分解与验证、指令下发)、能量管理系统等。

2.4 防火墙设计

采用防火墙作为能源中心网与管理网的边界安全设备，制定相应安全政策控制(允许、拒绝、监测)出入网络的信息流。

2.5 能源数据采集系统设计

能源数据信息的采集系统主要依托现场仪表、传感器和现有的DCS系统，见图1(EMS系统物理结构图)。

2.6 能源监测数据流程

能源监测数据来源主要是通过安装在总降所、各相关工序的能源采集仪表、传感器按照一定的数据格式进入能管中心。进入能管中心的DCS系统能源数据，通过对DCS系统软件的修改和若干硬件的添加，按照能管中心的数据采集通讯协议，传送至能管中心主服务器。对于距离较远的能源数据，需通过光缆传输至能源管理中心。

2.7 能源计量仪表状况及添加

能管中心实时监测与管理系统的核心是能源信息，能源计量是节能减排量化数据的体现，是能源管控和节能减排的基础性工作，合理正确地配备和使用计量器具，确保计量数据的准确，对于企业的能源核算具有重要意义。

3 节能分析及措施

铜陵海螺公司主要消耗能源为:原煤、电力，少量柴油。

3.1 生产工艺过程及能耗分析

(1)熟料生产工艺及能耗分析。熟料生产将矿山采集的石灰石及砂岩经破碎后由胶带输送机输送到均化堆场均化，均化后的石灰石由胶带输送机输送到原料配料站;外购铁质原料由汽车运输进厂，卸入堆棚内储存，再经装载机、胶带输送机送至原料配料站。原料配料站3种原料按比例搭配后由胶带输送机送入生料磨进行粉磨，粉磨后的生料粉送入生料均化库储存、均化。外购原煤经火车和轮船运输进厂，经胶带输送机输送到堆场储存、均化，均化后的原煤经煤磨粉磨成煤粉，煤粉经管道分别送至窑头燃烧器和窑尾分解炉内燃烧。均化后的生料经斗提送入窑尾预热器，经预热器及分解炉后的物料进入回转窑，高温煅烧后形成熟料，自窑头卸入篦式冷却机冷却后由裙板机送入熟料库。

根据生产工艺特点，熟料的原材料石灰石、砂岩辅材均是由矿山开采、短距离矿车输送，能源消耗形式为燃油消耗，约占公司总能源消耗的0.43%;石灰石破碎、由长皮带输送入堆场，主要是电能消耗，占公司电力消耗的2.18%;由石灰石、辅材至生料粉磨到原料库也主要是电能消耗，约占公司电力消耗的45.08%;由原料库至预热器和回转窑煅烧到熟料库，能源消耗主要包括煤、电消耗，公司几乎全部的煤炭消耗均来自熟料烧成系统;煤消耗占总能源消耗的76.85%，电力消耗占总电力消耗的36.63%。

熟料生产所用能源占公司总能源消耗的95%以上，是能管中心的重点监控对象。虽然公司设备、工艺较为先进，但由于缺少对能源的在线监测，不能及时分析调整，存在一定的能源损耗，通过适时监控，可以降低能源消耗。

(2)水泥粉磨生产工艺及能耗分析。水泥粉磨生产中，石膏、煤矸石均为外购，由汽车运输进厂，经破碎后送到磨头仓;外购粉煤灰运输进厂后直接泵入粉煤灰库;石灰石由公司自采，由矿车送到堆场储存。4种物料与熟料按比例调配后由胶带输送机输送到水泥磨，经粉磨形成水泥后送入水泥库。

水泥粉磨过程中主要消耗电力，约占公司总用电的14.04%。通过电气方面改造及工艺优化，可以降低系统电力消耗。

(3)熟料及水泥输送。从熟料库、水泥库输送至码头和袋装水泥发运销售，能源消耗为皮带输送、装船电力消耗，约占公司总用电量的1.9%。

3.2 节能措施和途径

采集获取各种能源介质(电、油、水、汽、煤等)计量的实时数据，通过进行能源数据处理和分析，结合生产过程实时监测和管控，实现能源消耗过程的稳定供应与实时平衡、优化调度能源利用效率，以期节能降耗。

(1)对回转窑系统煅烧系统运行参数的分析、调整，合理调整煤炭能源购入和库存管理，减少能源购入资金占有，降低成本。同时，细化分析能源购入及消耗指标，发现不合理的能源供应与平衡环节，提高实时平衡的能源精细管理水平，降低能耗。

(2)通过对能耗实时平衡分析，找到能源输配和消耗过程中存在的问题，减少不合理的消耗和浪费，提高能源的优化配置，发挥能源的高效回收、梯级利用和优化平衡。特别针对5条干法熟料生产线及其他设备的用能协调管理，通过对窑系统能量工艺参数的分析、调整，做好窑用热量与余热发电回收热能的优化平衡，以达到节约能源的效能，做到回收与利用的统一，提高能源利用效率。

(3)进行能源输配的实时监测和管控，分析输配环节损耗率的合理性，对不合理的环节更新改造，降低能耗。特别是通过对电力系统的线变损率的管控，减少变压器和供配电线路的损耗，降低线路压降，改善供电质量，提高电能利用效率。

(4)通过对用能设备和系统的实时监测和调度控制，结合生产管控系统，控制各种用能设备和生产系统的开、停车时间，减少用能设备的非计划时间，结合电力需求管理，减少用能设备不合理运行，精细过程分析，结合节能考核，提高用能设备和系统的能源利用效率。

根据上述分析，据测算，通过能管中心系统性的实时监测、管控以及能源协调输配，项目实施后，预计将节省标煤12 000 t，见表2。

表2 节能预测表Tab.2 Forecasted Statement for Energy Saving

说明:本案例各种能源的标准煤折算系数为:①煤根据平均热值，按0.686 4 kgce/kg折算;②电根据综合能耗计算通则，按0.122 9 kgce/(kW·h)折算;③燃油根据综合能耗计算通则，按1.457 1 kgce/kg折算。

通过能源管理中心的建设，规范实时监控、分析，优化煤炭、电力、燃油的使用效能，以达到节约能源的目的，据估算能够节约能源占总能源消耗的0.74%，节能效果显著。

4 结语

通过对铜陵海螺水泥有限公司能源管理中心建设示范项目的系统设计，改变企业原来能源管理的传统方式，向可视化、数字化、网络化、智能化转变，从而达到节约能源的效果。

[1]国家标准局.GB/T 2589－2008综合能耗计算通则[S].北京:中国标准出版社，2008.

[2]全国能源基础与管理标准化技术委员会.GB/T 15587－1995工业企业能源管理导则[S].北京:中国标准出版社，2009.

[3]国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管委会.GB/T 3484－2009企业能量平衡通则[S].北京:中国标准出版社，2009.

[4]国家计委.GB/T 16615－1996企业能量平衡表编制方法[S].北京:中国计划出版社，1996.

[5]中国有色金属工业协会.GB 50595－2010有色金属矿山节能设计规范[S].北京:中国计划出版社，2011.

[6]国家建设部、国家质量监督检验检疫总局.GB 50443－2007水泥工厂节能设计规范[S].北京:中国计划出版社，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，高级工程师，注册电气工程师.主要研究方向:采矿、选矿电气工程设计.E－mail:jks206@163.com