論鋼鐵行業(yè)能源管理系統(tǒng)的建構(gòu)

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能源管理系統(tǒng)的設(shè)計

柳鋼的主要能源介質(zhì)包括:洗精煤、無煙煤、冶金焦、碎焦、燒結(jié)礦、球團礦、煤氣(高爐煤氣、焦爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、混合煤氣)、電力、蒸汽、氧氣、氮氣、氬氣、壓縮空氣、工業(yè)水、軟水及除鹽水等。根據(jù)柳鋼的生產(chǎn)與能源管理模式，新建的能源管理系統(tǒng)主要涉及到:總調(diào)、計控所、動力廠、技術(shù)中心、氣體公司、焦化廠、耐材廠、燒結(jié)廠、煉鐵廠、轉(zhuǎn)爐廠、熱軋廠、冷軋廠、棒線廠、中軋廠、中板廠以及鋼鐵主業(yè)以外的主要耗能單位。柳鋼能源管理系統(tǒng)的建設(shè)目標是:實現(xiàn)對各種能源介質(zhì)和重點耗能設(shè)備的實時監(jiān)控、控制、優(yōu)化調(diào)度和綜合管理，及時了解和掌握各種能源介質(zhì)的生產(chǎn)、使用以及各種能源管網(wǎng)、關(guān)鍵耗能設(shè)備的運行工況，做到科學(xué)決策，正確指揮，確保安全、可靠、經(jīng)濟、高效運行，實現(xiàn)從經(jīng)驗型到分析型調(diào)度職能的轉(zhuǎn)變。主要工作內(nèi)容包括:完善能源計量儀表、自動化系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)能源數(shù)據(jù)采集和能源系統(tǒng)實時監(jiān)控;在實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫共同支撐下，綜合集成生產(chǎn)與能源系統(tǒng)各種相關(guān)信息，實現(xiàn)集能源計劃、實績、統(tǒng)計、考核及報表等多項功能于一體的全方位能源管理，并挖掘企業(yè)節(jié)能潛力;在準確預(yù)測能源系統(tǒng)產(chǎn)、耗、存變化的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)重要能源介質(zhì)的事前調(diào)度和管理，在保證能源管網(wǎng)和設(shè)備安全的前提下，提高二次能源的回收率和利用效率，減少煤氣放散和電力損耗，使得能源系統(tǒng)運行達到安全、經(jīng)濟和合理的目標。

根據(jù)上述的建設(shè)目標和主要內(nèi)容，給出的能源管理系統(tǒng)整體功能架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。柳鋼能源管理系統(tǒng)的基本功能架構(gòu)包括:a．建立“適合實用”的能源數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，按可靠性、冗余性和可實現(xiàn)性要求完善各級能源計量網(wǎng)絡(luò);完善柳鋼的一級、二級和重要的三級能源測量點及數(shù)據(jù)采集平臺;借助柳鋼已有數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，建立“適合實用”的能源數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，適應(yīng)未來能流和物流高度集成的需求。b．建立“高度集成”的能源綜合監(jiān)控中心。柳鋼能源管理系統(tǒng)將覆蓋與節(jié)能減排息息相關(guān)的各種信息，主要包括:各動力介質(zhì)系統(tǒng)信息(煤氣系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、工業(yè)水系統(tǒng)、軟水系統(tǒng)、電力系統(tǒng)及氧氮氬系統(tǒng)等)、固體燃料系統(tǒng)信息(無煙煤、動力煤、冶金焦及碎焦等)、重點爐窯、重點耗能設(shè)備和耗電設(shè)備信息、質(zhì)量安全環(huán)保信息、生產(chǎn)關(guān)鍵信息、能源質(zhì)量信息以及能源計量數(shù)據(jù)等。涉及一二級能源計量數(shù)據(jù)、重要的三級計量數(shù)據(jù)(動力廠三級電和非電數(shù)據(jù)、各分廠與重點耗能耗電設(shè)備相關(guān)的三級數(shù)據(jù)以及煉鐵系統(tǒng)與固體燃料相關(guān)的三級數(shù)據(jù)等)、生產(chǎn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。其中，動力廠和廠外10套35kV變電站基于SCADA系統(tǒng)實現(xiàn)實時監(jiān)視;其他分廠(焦化、燒結(jié)、煉鐵、耐材及轉(zhuǎn)爐等)在實現(xiàn)全廠聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上基于實時數(shù)據(jù)庫ESP-iSYS實現(xiàn)實時監(jiān)視;動力廠關(guān)鍵閥門基于SCADA系統(tǒng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控。c．建立“事前管理、事中監(jiān)督、事后考核”為主線的能源管理平臺。系統(tǒng)將實現(xiàn)從計劃、調(diào)度、操作運行到統(tǒng)計、考核整個事務(wù)流的閉環(huán)管理。做到“事前有管理、事中有監(jiān)督、事后有考核”。d．建立“準確可靠”的能源預(yù)測、平衡與優(yōu)化調(diào)度模型。能源管理系統(tǒng)將通過采集、監(jiān)控和分析基礎(chǔ)能流數(shù)據(jù)，建立能源預(yù)測與優(yōu)化調(diào)度模型，對能源介質(zhì)(主要為煤氣、蒸汽、氧氮氬氣、壓縮空氣及電力等)的生產(chǎn)和消耗進行準確預(yù)測，對主要能源介質(zhì)管網(wǎng)進行在線動態(tài)模擬計算，給出各能源介質(zhì)(煤氣和蒸汽動力系統(tǒng)、制氧機、壓縮空氣)的優(yōu)化調(diào)度方案，通過能源介質(zhì)產(chǎn)、存、耗的動態(tài)平衡和優(yōu)化調(diào)度，提高能源平衡水平和能源介質(zhì)利用效率，實現(xiàn)節(jié)能減排增效目標。

能源管理系統(tǒng)的實現(xiàn)

1能源計量儀表、自動化系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集的完善

為滿足能源管理系統(tǒng)的建設(shè)要求，需要采集的數(shù)據(jù)包括一二級能源數(shù)據(jù)(動力介質(zhì)、電和固體原燃料)、動力廠三級儀表數(shù)據(jù)(動力介質(zhì)和電)、固體原燃料三級計量數(shù)據(jù)、重點耗能設(shè)備的運行數(shù)據(jù)、質(zhì)量環(huán)保安全數(shù)據(jù)以及與能源系統(tǒng)相關(guān)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)等。在該系統(tǒng)建設(shè)期間，共新增能源計量儀表35臺，改造了243臺能源計量儀表的通信接口，不僅提高能源計量儀表的配備率，而且為實現(xiàn)能源系統(tǒng)的實時監(jiān)控與管理提供了保障。建設(shè)期間還為2#空壓站、混合煤氣加壓站、5萬與10萬氣柜新增了PLC控制系統(tǒng)，并對動力廠14個關(guān)鍵閥門實現(xiàn)了遠程監(jiān)控。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，能源管理系統(tǒng)在柳鋼廠區(qū)構(gòu)建千兆以太環(huán)網(wǎng)作為主干網(wǎng)，并利用三層交換技術(shù)實現(xiàn)大型局域網(wǎng)的VLAN劃分，各分廠匯聚點與控制系統(tǒng)或下級單位(車間)采用百兆光纖收發(fā)器接入主干環(huán)網(wǎng);網(wǎng)絡(luò)主干拓撲設(shè)計為環(huán)形結(jié)構(gòu)和樹形結(jié)構(gòu)相結(jié)合，其中核心層采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)設(shè)計，各分廠匯聚層接入能源主干網(wǎng)采用樹形結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)分廠典型的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖2所示。各級能源計量數(shù)據(jù)，都能方便地接入能源與生產(chǎn)集成管理專用主干網(wǎng)絡(luò)，進入到柳鋼能源管理中心。此外，生產(chǎn)管理系統(tǒng)等也可共網(wǎng)接入，但又可與能源管理系統(tǒng)產(chǎn)生相互隔離的效果，達到數(shù)據(jù)傳輸互不干擾，網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定的目的。能源管理系統(tǒng)可通過硬件防火墻和公司辦公網(wǎng)絡(luò)進行連接，確保能源數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和辦公網(wǎng)絡(luò)的物理隔離。

2能源系統(tǒng)的綜合監(jiān)控與管理

該系統(tǒng)采用中控的實時數(shù)據(jù)庫ESP-iSYS和Wondeware的SCADA軟件Intouch，建立了“高度集成”的能源綜合監(jiān)控系統(tǒng)。覆蓋各動力介質(zhì)系統(tǒng)信息(煤氣系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、水系統(tǒng)、氧氮氬系統(tǒng)及壓縮空氣系統(tǒng)等)、重點耗能設(shè)備和耗電設(shè)備信息、質(zhì)量安全環(huán)保信息、與能源系統(tǒng)相關(guān)的關(guān)鍵生產(chǎn)信息以及高爐新區(qū)信息等?；赟CADA系統(tǒng)平臺集中監(jiān)控一、二、三級能源數(shù)據(jù)，與關(guān)鍵能耗設(shè)備有關(guān)的運行數(shù)據(jù)，質(zhì)量環(huán)保數(shù)據(jù)以及與能源系統(tǒng)相關(guān)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在能源管理系統(tǒng)實現(xiàn)上述數(shù)據(jù)的綜合集成、監(jiān)視和管理。能源綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成能源數(shù)據(jù)診斷與校正、各能源介質(zhì)系統(tǒng)和耗能設(shè)備實時監(jiān)視、歷史數(shù)據(jù)歸檔、事件記錄和查詢、報警、故障診斷與應(yīng)急聯(lián)動以及系統(tǒng)監(jiān)控診斷等功能，并結(jié)合能源優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)所具有的能源預(yù)測、能源管網(wǎng)模擬及能源優(yōu)化調(diào)度等功能模塊，實現(xiàn)集實時監(jiān)控、報警分析、綜合預(yù)測與分析、節(jié)能優(yōu)化調(diào)度于一體的能源管控一體化?；A(chǔ)能源管理系統(tǒng)涵蓋能源計劃與實績管理、能源運行管理、能源質(zhì)量環(huán)保管理、能源設(shè)備管理、能源統(tǒng)計分析、能源考核管理以及能源報表管理等功能，實現(xiàn)從計劃、調(diào)度、操作運行到統(tǒng)計、考核整個事務(wù)流的閉環(huán)管理，基于強大的數(shù)據(jù)挖掘工具和規(guī)范化的管理流程，提供準確有效的分析數(shù)據(jù)、有價值的節(jié)能建議以及強有力的考核措施。

3能源系統(tǒng)的平衡與優(yōu)化調(diào)度

在該系統(tǒng)中，能源系統(tǒng)的平衡與優(yōu)化調(diào)度是在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控和分析的基礎(chǔ)上，通過建立能源預(yù)測與優(yōu)化調(diào)度模型，實現(xiàn)對能源介質(zhì)的生產(chǎn)和消耗進行準確預(yù)測，對能源介質(zhì)管網(wǎng)進行在線動態(tài)模擬計算，并在能源預(yù)測和管網(wǎng)模擬的基礎(chǔ)上，以未來一段時間內(nèi)能源消耗成本最低和能源放散最少為目標，給出各能源介質(zhì)優(yōu)化的調(diào)度建議和方案，通過能源介質(zhì)產(chǎn)、存、耗的動態(tài)平衡和優(yōu)化調(diào)度，提高能源平衡水平和能源介質(zhì)利用效率，實現(xiàn)節(jié)能減排增效目標。

應(yīng)用效果

柳鋼能源管理系統(tǒng)已通過上述設(shè)計與實現(xiàn)，初步形成能流、物流和信息流高度集成統(tǒng)一的能源管控一體化系統(tǒng)，保證了能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟高效運行。該系統(tǒng)的預(yù)期應(yīng)用效果為:a．實現(xiàn)了能源管理粗放管理到精細化管理的轉(zhuǎn)變。例如:能源監(jiān)控和管理范圍擴展到各分廠，實現(xiàn)了重要的三級計量數(shù)據(jù)全公司分享;能源監(jiān)控和管理細化到重點耗能設(shè)備和耗電設(shè)備;工序能耗消耗實績、主要能源管理指標、能源平衡報表實現(xiàn)了日跟蹤;能源計劃實績、調(diào)度日志、質(zhì)量環(huán)保、統(tǒng)計分析及定額考核等各類報表自動生成。b．實現(xiàn)能源管理由事后管理向事前管理轉(zhuǎn)變。例如:可編制能源計劃并通過煤氣、蒸汽、電力的合理生產(chǎn)與使用，實現(xiàn)能源最優(yōu)化利用;在線預(yù)測未來時段能源生產(chǎn)、消耗和存儲，并提前給出能源優(yōu)化調(diào)度方案。c．實現(xiàn)能源管理由經(jīng)驗化管理向科學(xué)化定量管理轉(zhuǎn)變。例如:實時監(jiān)控從全公司到重點耗能設(shè)備各個層面的數(shù)據(jù)和信息;及時統(tǒng)計分析出各種因素對能源消耗的定量影響;所有分層次考核基于及時、準確和直觀的數(shù)據(jù);調(diào)度指令基于統(tǒng)計分析預(yù)測數(shù)據(jù)和優(yōu)化調(diào)度建議。能源管理系統(tǒng)中轉(zhuǎn)爐煤氣調(diào)度概況如圖3所示，企業(yè)能源平衡報表如圖4所示。

結(jié)束語

目前，能源管理系統(tǒng)已在大型鋼鐵企業(yè)得到了推廣應(yīng)用，是鋼鐵行業(yè)通過“兩化深度融合”促進節(jié)能減排的具體體現(xiàn)。國家工信部在總結(jié)鋼鐵行業(yè)能源管理中心建設(shè)示范項目的成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，將支持范圍逐步擴大到石化、化工、有色、建材及輕工等其他高耗能行業(yè)。筆者針對柳鋼的實際情況，按系統(tǒng)建設(shè)目標的要求，設(shè)計了能源管理系統(tǒng)的功能架構(gòu)，并逐步推進該系統(tǒng)的實施工作。該系統(tǒng)已完成現(xiàn)場調(diào)試和試運行，取得了初步的應(yīng)用效果，達到了上線運行的要求。今后，柳鋼將在系統(tǒng)運行中不斷完善和改進，使其發(fā)揮出應(yīng)有的作用。（本文作者：張德欽 單位：廣西柳州鋼鐵( 集團) 公司計控所）