浅谈水泥行业能源管理系统的构建与应用效益

虞杨芳
安科瑞电气股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要：文章阐述了本文提出的能源管理将结合生产管理、设备管 理及专家优化系统等多方面信息维度进行整合和分 析，在数字化的基础上通过大数据计算、机器学习实 现能源管理的实时最优策略及能耗预警，帮助企业实现能源管理的智能化。
关键词：能源管理；能耗采集设备；节能综合管理

1 引言
       在节能减排、绿色生产的大环境下，水泥行业作为高能耗生产企业，一直是发改委、能源局、环保局等国家有关部门的重点关注对象。为贯彻落实关于 节能减排综合工作方案等有关工作的要求，加强能源消费总量和强度“双控”形式分析和预警，推动完成“双控”目标，国内各大水泥厂都将能源管理作为可持续发展的关键课题作为考虑，但目前水泥企业的能源管理依旧存在以下问题： 
       （1）数据采集不完整。水泥生产的主要能耗介 质为水、电、气、煤，部分企业包括天然气、氧、热能和柴油等。目前大部分水泥工厂已实现电、煤的在线计量，但实现水、气计量的企业屈指可数。水泥生产中，由于不同的原材料、配比、设备、工艺及质量控制要求会导致不同的能源消耗，采用传统的能源在线监控能够实现对能耗数据的实时展示，但却无法获得生产过程中工艺、质量、设备的数据，导致能源管理数据分析不具备可靠性及真实性。 
       （2）重展示，轻分析。能源管理的目的是实现 节能降耗、成本最优，在智能化的背景下，水泥流程的能源管理系统需要实现整个工厂的能源流和物料流的数据全自动分析，为工厂提供量化的能耗优化数据。目前，国内的能源管控更侧重于电能管理，很多能源产品来源于电力行业，这些系统的目的是为了实现能源数据的集中采集与展示，无法实现真正意义上的能源管理和优化。对于水泥生产过程，能耗数据的分布存在明确的层级关系，在时间维度上能够实现与其他实际生产数据统一，这使得水泥工厂的能源管理具备了实现全自动分析的基础条件。 
       （3）信息孤岛严重。能源管理目前在大部分工厂都以独立系统存在，但对于实现工厂能源管理决策而言，该系统需要生产数据、质量数据、物料数据和设备数据的支撑。如对于电耗异常，可能是原材料的问题，也可能是工艺或设备的问题，单一的电耗高或低不具备指导电耗优化的条件。如果工厂有多个系统，如生产系统、质量系统、设备系统，需要工厂人工逐个检查不同系统的数据来进行交叉对比确认，这使能源管理丧失了能源优化的功能，也是工厂实现能源优化的瓶颈。当前，有部分思想认为只要各个系统具备数据接口，即可解决信息孤岛。但对于智能化或者业务自动化而言，数据接口只解决了数据问题，对于完整的数据分析与执行，需要对应的业务支撑，而这些业务只有在对应的功能产品才能完整。

2 能源管理体系的系统概述
2.1 能源管理的建设方案

       针对目前能源管理系统应用的瓶颈，企业在能源管理系统建设时，应用能源分析应用为导向，通过对物料流和能量流的数据采集和抽取，建立水泥厂能源对象模型，实现能源数据的结构化及关系模型化。通过模型运算分析，帮助工厂找到当前情况最优能耗策略，实现能源管理的 PDCA（Plan - Do - Check-Act）的模式。
一个具备能源分析应用的管理系统，应覆盖计量数据采集、数据存储运算、数据分析建模、业务配置、可视化展示及智能决策这些功能。

图1 系统框架图

2.2 能源管理的建设内容
2.2.1 建设目标通过能源管理的建设，拟达到如下主要目标：能源数据的结构化及实时监控；关键指标的计算及预测；能耗计划与生产计划的交叉分析；能耗最优关联因素分析及推荐。
2.2.2 功能概要
       （1）基础数据及系统参数配置。按照水泥企业 的地理信息及工艺信息建立各采集数据的层级关系模型及对应能耗数据的结构化数据模型，实现基于能源对象模型的基础数据采集及运算，为其他业务提供数据支撑。 
       （2）实时监控：全厂用能的实时监测，趋势观察、报警、回放。准确的能耗数据是节能工作的基础，能源管理系统可以根据实际需要，对水泥熟料生产各工艺，包括石灰石破碎、原料粉磨、煤粉制备、熟料烧成、余热发电等能耗信息进行实时监控，监控内容包括电能数据、蒸汽数据、热能数据、煤耗数据、空气数据、用水量及流量、燃气数据等等。该监控以工厂流程及能耗分布为基础，构建全厂能耗的实时数据可视化，为用户提供各类数据的交叉对比，预警监控及历史数据回放等功能。 
       （3）能源统计报表。按工厂业务需求，建立对应的能源统计报表，提供按工艺流程或设备的能耗报表，对各生产工艺环节进行单耗、总耗统计，报表可查询不同时间段的电煤水气等能源介质的消耗情况，以及主机设备的实时生产情况，为发现节能漏点提供数据参考。 
       （4）能耗分析。针对不同能耗的特性进行特征分析，如通过峰尖谷平的能耗与生产成本及计划关联分析，帮助工厂找出最优的粉磨启停时间及产量。通过燃料类按照质量及生产过程数据对不同质量燃料的能耗进行统计分析，帮助工厂建立不同原材料质量下的能耗模型及数据分析。该分析模块支持多维度的聚类分析，同比环比等预警分析及模型预警应用。 
       （5）绩效分析。针对产量和能耗的数据计算和目标值管理，通过比重分析进行班组考核和操作考核，实现生产优化和KPI考核，形成能耗考核的量化指标。
       （6）运行状态分析。通过设备运行状态及电力状况数据，对设备的有效运行、无效运行、故障和停止进行实时监督和历史回溯，减少非正常生产的能源消耗。 
       （7）能耗预测。通过以上多个分析数据和能耗模型，建立能耗关联因素分析模型，实时对不符合工艺操作流程的用能设备、各监测点能源消耗的异常情况进行自动诊断和报警提示。

3 能源管理的系统效益
3.1 生产效益 
       完善能源信息系统。改变原有单一的能源 监视系统，实现能源多维数据分析，增强能源信息的准确性、及时性，在数据量的基础上增强能耗关注度和信息共享性。
优化能源管理体系。指标异常的实时分析、能源数据的节能反馈、结果分析、费用控制、余热利用、设备使用状况、成本的核算等。通过预警模块将各类信息通过能源管理模块及时发布反馈，实现能源异常分析的自动化和智能化，减少人工分析工作量，实现及时异常预警。
提高能源使用率。能源管理的最终目标是实现全自动化能源运行管理，通过与生产控制的实时联动及与物料、设备管理的优化分析，实现能源在水泥生产中的最优化。
3.2 社会效益
       完善能源管理系统既可以提高企业能源管理水平，落实能效目标，又能够更好的实现企业节能目标，同时有助于企业实现更大的经济效益和社会效益。随着各类能源消耗的持续增长，以及日趋严重的各种新型负载，国家对节能减排和生产类企业的能源利用率提出了越来越多的要求，企业从自身增收节支方面考虑的同时也顺应时代发展的要求，在传统的数据-分析-智能的过程中逐步迈进，实现更大的经济效益和社会效益，积极引导水泥厂绿色生产，达到社会价值效益。

4 安科瑞工业能耗管理平台介绍
4.1  平台架构介绍
       安科瑞能源管控系统采用分层分布式网络结构，具有良好的可靠性与实时性，主要由现场设备层（能源计量终端）、通讯管理层（通讯管理终端）和主站层（能源监控平台）三个部分组成。
以上三个部分分别贯穿整个系统的全部结构。能源管理系统总体设计结构按照能源管理的基本结构设计，满足以上三部分的同时，增加了部分分析、监控、决策和发布平台。
 

图2 工业能耗管理平台架构组成

4.2 平台功能介绍

图3 工业能耗管理功能示意图

4.2.1可视化展示
       展示企业各类能耗总量、折标值、能源成本、能源消耗趋势、分项能耗占比、区域能源消耗对比,以及当前天气情况、污染情况，并三维展示企业重要工艺或工段的能源消耗动态。
4.2.2实时监控
       对企业各点位的能源使用、报警等情况进行实时的监控。以便企业用户能够实时的监测各个点位的运作情况，同时能更快速高效的掌握点位的报警4.2.3变压器监控。
4.2.3用能统计
       从能源使用种类、监测区域、生产工艺/工段时间、分项等维度，采用曲线、饼图、直方图、累积图、数字表等方式对企业用能统计、同比、环比分析、折标对比，找出能源使用过程中的漏洞和不合理地方，从而调整能源分配策略，减少能源使用过程中的浪费。
4.2.4单耗统计
       与企业MES系统对接，通过产品产量以及系统采集的能耗数据，在产品单耗中生成产品单耗趋势图，并进行同比和环比分析。以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。
4.2.5绩效分析
       对各类能源使用、消耗、转换，按班组、区域、产线、工段等进行日、周、月、年、指定时段，结合能源计划或定额制定的绩效指标进行KPI比较考核，帮助企业了解内部能效水平和节能潜力。
4.2.6能耗预测
       通过对企业生产工艺、生产设备等的能耗使用情况进行分析，建立能耗计算模型，根据人工智能算法对数据和模型进行修正，对未来企业能耗趋势进行预测分析，为节能提供有效的决策依据。
4.2.7运行监测
       系统对区域、工段、设备能源消耗进行数据采集，监测重点设备及工艺运行状态，如温度、湿度、流量、压力、速度等，并支持变配电系统一次运行监视。可直接从动态监测平面图快速浏览到所管理的能耗数据，支持按能源种类、车间、工段、时间等维度查询相关能源用量。
4.2.8分析报告
       以年、月、日对企业的能源利用情况、线路损耗情况、设备运行情况、运维情况等进行全面的统计分析，让用户全面了解系统的运行情况，并为用户提供数据基础，方便用户发现设备异常，从而找出改善点，以及针对用能情况挖掘节能潜力。
4.2.9移动端支持
       APP支持Android、IOS操作系统，方便用户按能源分类、区域、车间、工序、班组、设备等不同维度掌握企业能源消耗、效率分析、同环比分析、能耗折标、用能预测、运行监视、异常报警等
4.3工业能耗平台设备选型

表1 工业能耗管理设备选型示意图

4 结束语
       综合能源管理系统是按照相关技术导则进行设计的一个多层次，多功能，跨区域，可双向交换信息的复杂系统。通过搭建这样的能耗监测系统可以实时监测建筑的能耗使用情况，通过能耗数据的分类分项计算，数据的分时统计，公共展示平台等，能促使国家机关办公建筑和大型公共建筑提高节能运行管理水平，为政府机关制定切实有效的政策和决策提供参考和有力的支持，并过能源综合管理系统软件对各电能计量点的用电量实施在线计量、动态监测、集中管理、科学考核，通过有效的末端监控管理，综合性地实现整体节能，为高能耗建筑的进一步节能改造提供依据。
【参考文献】
[1]“十三五”节能减排综合工作方案[R].国发 2016（74号）
[2]张成伟, 梁婷, 朱海欧，张焱，任静，水泥行业能源管理系统的构建.
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.[J]2019.11版

作者简介：

虞杨芳，女，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能电网供配电，Email: 2881068607@qq.com手机：18721098757  QQ:2881068607