淺談水泥行業(yè)能源管理系統的構建與應用效益

摘要：文章闡述了本文提出的能源管理將結合生產(chǎn)管理、設備管 理及專(zhuān)家優(yōu)化系統等多方面信息維度進(jìn)行整合和分 析，在數字化的基礎上通過(guò)大數據計算、機器學(xué)習實(shí) 現能源管理的實(shí)時(shí)you策略及能耗預警，幫助企業(yè)實(shí)現能源管理的智能化。
關(guān)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(chǎn)的大環(huán)境下，水泥行業(yè)作為高能耗生產(chǎn)企業(yè)，一直是發(fā)改委、能源局、環(huán)保局等國家有關(guān)部門(mén)的重點(diǎn)關(guān)注對象。為貫徹落實(shí)關(guān)于 節能減排綜合工作方案等有關(guān)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(dòng)完成“雙控"目標，國內各大水泥廠(chǎng)都將能源管理作為可持續發(fā)展的關(guān)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(wèn)題： 
      （1）數據采集不完整。水泥生產(chǎn)的主要能耗介 質(zhì)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(chǎng)已實(shí)現電、煤的在線(xiàn)計量，但實(shí)現水、氣計量的企業(yè)*。水泥生產(chǎn)中，由于不同的原材料、配比、設備、工藝及質(zhì)量控制要求會(huì )導致不同的能源消耗，采用傳統的能源在線(xiàn)監控能夠實(shí)現對能耗數據的實(shí)時(shí)展示，但卻無(wú)法獲得生產(chǎn)過(guò)程中工藝、質(zhì)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(shí)性。 
      （2）重展示，輕分析。能源管理的目的是實(shí)現 節能降耗、成本you，在智能化的背景下，水泥流程的能源管理系統需要實(shí)現整個(gè)工廠(chǎng)的能源流和物料流的數據全自動(dòng)分析，為工廠(chǎng)提供量化的能耗優(yōu)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(chǎn)品來(lái)源于電力行業(yè)，這些系統的目的是為了實(shí)現能源數據的集中采集與展示，無(wú)法實(shí)現真正意義上的能源管理和優(yōu)化。對于水泥生產(chǎn)過(guò)程，能耗數據的分布存在明確的層級關(guān)系，在時(shí)間維度上能夠實(shí)現與其他實(shí)際生產(chǎn)數據統一，這使得水泥工廠(chǎng)的能源管理具備了實(shí)現全自動(dòng)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(chǎng)都以獨立系統存在，但對于實(shí)現工廠(chǎng)能源管理決策而言，該系統需要生產(chǎn)數據、質(zhì)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(wèn)題，也可能是工藝或設備的問(wèn)題，單一的電耗高或低不具備指導電耗優(yōu)化的條件。如果工廠(chǎng)有多個(gè)系統，如生產(chǎn)系統、質(zhì)量系統、設備系統，需要工廠(chǎng)人工逐個(gè)檢查不同系統的數據來(lái)進(jìn)行交叉對比確認，這使能源管理喪失了能源優(yōu)化的功能，也是工廠(chǎng)實(shí)現能源優(yōu)化的瓶頸。當前，有部分思想認為只要各個(gè)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(yè)務(wù)自動(dòng)化而言，數據接口只解決了數據問(wèn)題，對于完整的數據分析與執行，需要對應的業(yè)務(wù)支撐，而這些業(yè)務(wù)只有在對應的功能產(chǎn)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(yè)在能源管理系統建設時(shí)，應用能源分析應用為導向，通過(guò)對物料流和能量流的數據采集和抽取，建立水泥廠(chǎng)能源對象模型，實(shí)現能源數據的結構化及關(guān)系模型化。通過(guò)模型運算分析，幫助工廠(chǎng)找到當前情況you能耗策略，實(shí)現能源管理的 PDCA（Plan - Do - Check-Act）的模式。
一個(gè)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(yè)務(wù)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(guò)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(shí)時(shí)監控；關(guān)鍵指標的計算及預測；能耗計劃與生產(chǎn)計劃的交叉分析；能耗you關(guān)聯(lián)因素分析及推薦。
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(yè) 的地理信息及工藝信息建立各采集數據的層級關(guān)系模型及對應能耗數據的結構化數據模型，實(shí)現基于能源對象模型的基礎數據采集及運算，為其他業(yè)務(wù)提供數據支撐。 
      （2）實(shí)時(shí)監控：全廠(chǎng)用能的實(shí)時(shí)監測，趨勢觀(guān)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(shí)際需要，對水泥熟料生產(chǎn)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(jìn)行實(shí)時(shí)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(chǎng)流程及能耗分布為基礎，構建全廠(chǎng)能耗的實(shí)時(shí)數據可視化，為用戶(hù)提供各類(lèi)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(chǎng)業(yè)務(wù)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(chǎn)工藝環(huán)節進(jìn)行單耗、總耗統計，報表可查詢(xún)不同時(shí)間段的電煤水氣等能源介質(zhì)的消耗情況，以及主機設備的實(shí)時(shí)生產(chǎn)情況，為發(fā)現節能漏點(diǎn)提供數據參考。 
      （4）能耗分析。針對不同能耗的特性進(jìn)行特征分析，如通過(guò)峰尖谷平的能耗與生產(chǎn)成本及計劃關(guān)聯(lián)分析，幫助工廠(chǎng)找出you的粉磨啟停時(shí)間及產(chǎn)量。通過(guò)燃料類(lèi)按照質(zhì)量及生產(chǎn)過(guò)程數據對不同質(zhì)量燃料的能耗進(jìn)行統計分析，幫助工廠(chǎng)建立不同原材料質(zhì)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(lèi)分析，同比環(huán)比等預警分析及模型預警應用。 
      （5）績(jì)效分析。針對產(chǎn)量和能耗的數據計算和目標值管理，通過(guò)比重分析進(jìn)行班組考核和操作考核，實(shí)現生產(chǎn)優(yōu)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(guò)設備運行狀態(tài)及電力狀況數據，對設備的有效運行、無(wú)效運行、故障和停止進(jìn)行實(shí)時(shí)監督和歷史回溯，減少非正常生產(chǎn)的能源消耗。 
      （7）能耗預測。通過(guò)以上多個(gè)分析數據和能耗模型，建立能耗關(guān)聯(lián)因素分析模型，實(shí)時(shí)對不符合工藝操作流程的用能設備、各監測點(diǎn)能源消耗的異常情況進(jìn)行自動(dòng)診斷和報警提示。

3 能源管理的系統效益
3.1 生產(chǎn)效益 
      完善能源信息系統。改變原有單一的能源 監視系統，實(shí)現能源多維數據分析，增強能源信息的準確性、及時(shí)性，在數據量的基礎上增強能耗關(guān)注度和信息共享性。 
優(yōu)化能源管理體系。指標異常的實(shí)時(shí)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(guò)預警模塊將各類(lèi)信息通過(guò)能源管理模塊及時(shí)發(fā)布反饋，實(shí)現能源異常分析的自動(dòng)化和智能化，減少人工分析工作量，實(shí)現及時(shí)異常預警。 
提高能源使用率。能源管理的終目標是實(shí)現全自動(dòng)化能源運行管理，通過(guò)與生產(chǎn)控制的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)及與物料、設備管理的優(yōu)化分析，實(shí)現能源在水泥生產(chǎn)中的you化。 
3.2 社會(huì )效益
      完善能源管理系統既可以提高企業(yè)能源管理水平，落實(shí)能效目標，又能夠更好的實(shí)現企業(yè)節能目標，同時(shí)有助于企業(yè)實(shí)現更大的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。隨著(zhù)各類(lèi)能源消耗的持續增長(cháng)，以及日趨嚴重的各種新型負載，國家對節能減排和生產(chǎn)類(lèi)企業(yè)的能源利用率提出了越來(lái)越多的要求，企業(yè)從自身增收節支方面考慮的同時(shí)也順應時(shí)代發(fā)展的要求，在傳統的數據-分析-智能的過(guò)程中逐步邁進(jìn)，實(shí)現更大的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，積極引導水泥廠(chǎng)綠色生產(chǎn)，達到社會(huì )價(jià)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采用分層分布式網(wǎng)絡(luò )結構，具有良好的可靠性與實(shí)時(shí)性，主要由現場(chǎng)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(gè)部分組成。
以上三個(gè)部分分別貫穿整個(gè)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(mǎn)足以上三部分的同時(shí)，增加了部分分析、監控、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(lèi)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(yè)重要工藝或工段的能源消耗動(dòng)態(tài)。
4.2.2實(shí)時(shí)監控
      對企業(yè)各點(diǎn)位的能源使用、報警等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監控。以便企業(yè)用戶(hù)能夠實(shí)時(shí)的監測各個(gè)點(diǎn)位的運作情況，同時(shí)能更快速高效的掌握點(diǎn)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(lèi)、監測區域、生產(chǎn)工藝/工段時(shí)間、分項等維度，采用曲線(xiàn)、餅圖、直方圖、累積圖、數字表等方式對企業(yè)用能統計、同比、環(huán)比分析、折標對比，找出能源使用過(guò)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(guò)程中的浪費。
4.2.4單耗統計
      與企業(yè)MES系統對接，通過(guò)產(chǎn)品產(chǎn)量以及系統采集的能耗數據，在產(chǎn)品單耗中生成產(chǎn)品單耗趨勢圖，并進(jìn)行同比和環(huán)比分析。以便企業(yè)能夠根據產(chǎn)品單耗情況來(lái)調整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。
4.2.5績(jì)效分析
      對各類(lèi)能源使用、消耗、轉換，按班組、區域、產(chǎn)線(xiàn)、工段等進(jìn)行日、周、月、年、時(shí)段，結合能源計劃或定額制定的績(jì)效指標進(jìn)行KPI比較考核，幫助企業(yè)了解內部能效水平和節能潛力。
4.2.6能耗預測
      通過(guò)對企業(yè)生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設備等的能耗使用情況進(jìn)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(jìn)行修正，對未來(lái)企業(yè)能耗趨勢進(jìn)行預測，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(jìn)行數據采集，監測重點(diǎn)設備及工藝運行狀態(tài)，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，并支持變配電系統一次運行監視?？芍苯訌膭?dòng)態(tài)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(lèi)、車(chē)間、工段、時(shí)間等維度查詢(xún)相關(guān)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(xiàn)路損耗情況、設備運行情況、運維情況等進(jìn)行全面的統計分析，讓用戶(hù)全面了解系統的運行情況，并為用戶(hù)提供數據基礎，方便用戶(hù)發(fā)現設備異常，從而找出改善點(diǎn)，以及針對用能情況挖掘節能潛力。
4.2.9移動(dòng)端支持
      APP支持Android、IOS操作系統，方便用戶(hù)按能源分類(lèi)、區域、車(chē)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(yǔ)
      綜合能源管理系統是按照相關(guān)技術(shù)導則進(jìn)行設計的一個(gè)多層次，多功能，跨區域，可雙向交換信息的復雜系統。通過(guò)搭建這樣的能耗監測系統可以實(shí)時(shí)監測建筑的能耗使用情況，通過(guò)能耗數據的分類(lèi)分項計算，數據的分時(shí)統計，公共展示平臺等，能促使國家機關(guān)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(shí)有效的政策和決策提供參考和有力的支持，并過(guò)能源綜合管理系統軟件對各電能計量點(diǎn)的用電量實(shí)施在線(xiàn)計量、動(dòng)態(tài)監測、集中管理、科學(xué)考核，通過(guò)有效的末端監控管理，綜合性地實(shí)現整體節能，為高能耗建筑的進(jìn)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(fā) 2016（74號）
[2]張成偉, 梁婷, 朱海歐，張焱，任靜，水泥行業(yè)能源管理系統的構建.
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.[J]2019.11版