能源管理系統在鋼鐵企業促進節能減排的設計與應用

胡冠楠 Acrelhgn

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘 要：針對鋼鐵企業能源管理系統的現狀，從能源數據、環境數據等方面，分析鋼鐵企業在節能減排方面的工作方法和取得的成效。為提升鋼鐵行業的能源管理水平，減少電力及燃料等資源的浪費，實現企業生產經營目標，對鋼鐵企業進行智能化改造、信息化建設是B不可少的工作。其中，建立能源管理系統是智能制造系統中很重要的組成部分。首先，介紹了目前中國鋼廠能源管理系統應用現狀和特點。其次，闡述了目前鋼鐵生產過程中存在的問題、節能減排工作開展情況以及在節能工作上所采取的措施。再次，總結了鋼鐵企業能源管理體系中需解決問題和取得成果。針對中國大型鋼廠能源生產數據采集、利用存在問題，提出基于大數據平臺構建能耗預測分析系統，并對該系統進行了應用效果分析。最后從技術層面和管理層面對該系統優化改造提出建議。

關鍵詞：系統節能；集成管理；能源平衡

能源是人類社會賴以生存和發展的重要物質基礎。隨著全球工業化進程的不斷加快，能源消耗日益增加，尤其是在過去的 20 年里，全球能源需求呈爆炸性增長趨勢，其增速遠遠超過了經濟的增長速度。鋼鐵生產工藝復雜、流程長、工序多。在能源生產方面，由于中國鋼鐵行業具有明顯特點，因此對能源數據收集和利用要求更高。例如：在鋼鐵生產過程中對各種能量和各種設備及物料消耗進行監測管理與控制；對電力、煤氣及蒸汽等能源生產供應進行管理與控制；在對工藝參數進行優化調節過程中要考慮到影響能耗的各種因素。因此針對不同設備、工序、流程等建立多層次節能數據庫及模型，形成節能分析診斷工具來優化工藝參數。此外，通過能耗預測分析，實現節能減排目的。例如：建立能耗預測模型以獲得能耗水平信息；利用大數據平臺及算法構建能耗預測和優化決策系統等。為提高鋼鐵行業用能效率和降低能源消耗、排放等問題。

1 研究背景

鋼鐵行業能源消耗總量大，能耗占工業總能耗的比例高。中國鋼鐵工業已形成了以高爐煉鐵、煉鋼、軋鋼等工序為主的鋼鐵產業結構。隨著中國經濟快速發展，能源消耗量逐年增加，而中國的設備運行效率低，管理水平差。鋼鐵企業通過加大資金投入來建設節能環?？刂葡到y，但仍有許多方面需要改進與完善，提高能效管理水平。而節能減排是一個系統性工程，從原材料的采購到能源的生產供應都要進行系統控制與調節。因此鋼鐵企業應充分發揮能源數據分析和預測的作用，不斷完善節能減排相關技術和標準。

1.1 國內外研究現狀

國內外對能源管理系統的研究起步較晚，但發展較快。目前已有大量研究成果，如：能耗預測模型，節能分析診斷工具，節能方案優化軟件及信息管理系統等。國外對能源大數據平臺的建設研究起步較早，如：美國能源部、國家電力監管委員會、加州大學圣迭戈分校以及英國劍橋大學和美國德克薩斯州理工大學等均對能耗大數據平臺的建設做出了相應貢獻。國內對能源大數據研究相對較少，相關技術應用還不夠成熟。國內鋼鐵企業目前大多采用傳統數據庫技術對能源管理系統進行改造與優化。國外對鋼鐵企業的能源管理系統建設研究已有多年歷史，并已積累了大量經驗。國外鋼鐵企業多采用基于大數據和云計算技術建立能耗管理系統，將能耗數據收集并進行有效分析，進而形成企業內部節能分析診斷工具，實現不同工序生產流程在全生命周期內各環節設備、工藝參數以及能耗等多方面優化和實時控制。

1.2 鋼鐵企業能源管理系統應用現狀

在鋼鐵企業能源管理系統中，主要包含能源計量、能源調度系統、設備能耗管理等方面。在能源計量方面，鋼鐵工業作為高耗能行業，對數據的采集能力要求較高。當前鋼鐵企業使用的智能計量儀表能夠滿足鋼 鐵企業能源計量需求，但仍存在能耗較大、數據信息不準確的問題。在鋼鐵資源的消耗上，由于高爐等工藝復雜、能耗大、成本高，對數據的分析及處理能力要求較高。煉鐵過程中會產生大量的煤氣泄漏等污染氣體，對環境造成很大的影響，如何提高鋼鐵生產企業煤氣回收及利用效率、降低生產成本等是未來發展趨勢。

2 能源調度系統

能源調度系統是將各部門生產工藝所需的各種能源，如高爐煤氣、焦爐煤氣、余熱蒸汽等，按其用途和特點進行合理分配，再對各部門生產能源進行集中管理和控制。以高爐煤氣回收系統為例，具體工藝包括高爐鼓風機、風閥、焦爐熱風管道以及轉爐頂送風管道與焦爐熱風管道。鋼鐵企業在生產過程中會產生大量的工業氣體，這些氣體需要經過凈化處理后才能使用。在煉鐵過程中產生大量的焦爐煤氣、轉爐煤氣等工業氣體，這些工業氣體需要在煉鋼廠中儲存和凈化處理。從能源優化角度來看，通過能源管理系統實現對企業主要用能設備的節能監測與分析，為企業合理優化資源配置提供參考。以轉爐煤氣回收系統為例該系統可以通過對高爐鼓風機、冷卻水箱等主要設備進行監測，根據數據分析出各生產設備的運行狀況，在此基礎上制定節能改造方案，并提出合理化建議。

2.1 設備能耗管理

設備運行中會產生大量的熱量，這些熱量一般會被用來加熱爐料、輔助加熱等，同時這些熱量還會產生大量的熱能損耗。因此，設備運行時要注意控制熱損失，防止由于能源損耗過大而導致生產系統異常。煉鐵工序主要包括冶煉、精煉、燒結、球團等工序。各工序之間通過流程管理系統實現設備間的數據交換，能源調度系統根據各工序能耗及負荷數據，制定合理的生產計劃。高爐煤氣主要用于燒結煙氣脫硫脫硝及回收利用高爐煤氣進行發電等。高爐煤氣回收利用系統是將高爐內從爐頂至爐缸的燃燒過程分解成若干個單獨部分組成的獨立循環，從而實現對高爐氣和焦爐氣的分離、凈化和利用目標。焦爐煤氣主要用于燒結礦脫硫及制粉作業等方面。焦爐煤氣回收利用系統主要包括三個部分：

（1）噴吹煤粉系統；

（2）噴煤噴入煤氣凈化系統；

（3）焦油加氫裝置。

在設備運行過程中，需要實時對設備進行檢測與調整，確保各設備處于正常狀態，避免因各種原因導致的設備故障導致生產異常或重大事故發生。通過科學合理的計劃及優化控制方法使各車間之間的能源得到平衡，降低能耗損耗。鋼鐵企業對設備能耗監測及控制管理水平參差不齊，因此加強鋼鐵企業能源管理系統建設迫在眉睫、意義重大。

2.2 能源監控系統的應用

鋼鐵生產過程中會產生大量的熱量，而熱量的有效利用則需要在能源監控系統中實現。能源監控系統由工業以太網組成，工業以太網通過通信協議將現場傳感器采集到的數據進行采集并傳送給監控中心對數據進行分析后，將數據傳送給現場的管理人員，可對其數據進行實時分析并做出相應的操作。通過對能源監測系統的使用，可以有效地提高企業能耗情況。在鋼鐵生產過程中，許多資源都需要經過回收才能使用，因此提高煤氣回收率、回收再利用就顯得尤為重要。在鋼鐵生產工序中能源的消耗主要包括：燃料燃燒能耗、動力設備能耗、工藝操作參數等。在能源管理系統中設置智能計量儀表后能夠有效地提高工業能源利用率，降低生產成本；利用數字化技術提高電力系統自動化水平和優化調度能力等。此外，利用數字技術實現對電力設備的實時監測與監控也是未來發展趨勢之一。通過對生產設備運行狀況進行實時監測，及時發現其運行中可能存在的問題并進行處理，通過對生產過程數據的收集與分析能為能源調度、節能減排提供重要依據。

3 優化建議

3.1 能源管理系統的應用

（1）系統平臺建設。

（2）優化數據處理算法。為了更好地利用數據，可以對算法進行優化，增加模型的數量和質量，這樣可以提高系統的預測精度，實現對能源消耗情況的實時監測功能，從而對實際生產狀況做出判斷。

（3）加強數據分析能力。為了提高能耗預測和產量預報的準確性，可以建立相應管理系統對生產過程進行監督和監管，利用大數據技術提升能源生產效率和優化資源配置。

（4）強化節能減排管理。為了更好地促進鋼鐵企業的節能減排工作，需要不斷提升管理水平。一方面在數據處理、統計分析方面進行改進；另一方面加強對各項能耗設備等數據的監督和監管。

鋼鐵企業能源管理系統通過對能源數據的實時采集、計算、統計，對企業生產經營活動中各項能耗指標的變化情況進行分析，可以準確掌握能源消耗情況，從而為節能減排工作提供依據。鋼鐵企業需要根據實際情況選擇合適的能源管理系統應用方式，通過能耗數據計算結果以及生產狀況，了解企業的生產、運輸成本，結合各單位工序能耗水平進行對比分析，找出存在的問題，制定相應改善措施。鋼鐵企業需要建立一套完善、規范的管理制度，對各項數據及時進行處理、更新。通過數據分析技術不斷優化生產流程及節能減排策略和方法，通過技術創新降低能源消耗率和排放濃度。在鋼鐵企業的能效模型中，節能減排指標是主要的部分。在鋼鐵企業中要充分利用能源管理系統進行相關監測。通過對不同能源類別與指標進行分析對比，找出能源消耗和節能工作中存在的問題并提出相應決措施。鋼鐵企業在能耗監測中應注意建立合理的數據采集和處理方法，并建立合適的能耗模型及預警機制，利用大數據技術提高對能耗數據分析能力。

3.2 能源管理系統要具備可操作性

（1）能源管理系統要能實現數據采集的功能，要能將數據進行分類匯總，并能夠進行數據分析。

（2）能源管理系統需要具備能源的計算功能，能對消耗的資源進行計算和分析。

（3）能源管理系統需要能夠滿足生產調度、生產計劃等功能，同時能夠對能源消耗進行統計。

（4）節能減排工作開展情況要定期進行跟蹤和總結，并針對存在的問題及時采取相應的措施。此外，鋼鐵企業對于節能減排工作也應加強重視性，將其作為一項重要工作來對待，從而保證節能減排工作能夠有效開展并落實到位。企業中要建立一套完整的能源管理系統并投入使用，這是企業節能減排工作開展的重要保障。

3.3 完善能源管理制度和措施

節能減排工作開展情況的好壞，主要取決于企業是否建立健全了相應的能源管理制度，只有這樣才能保證節能減排相關措施的落實。

（1）健全相關制度：目前企業的能源管理制度包括能源供應管理、能源核算及考核等相關制度。

（2）建立激勵機制：為了保證節能減排工作能夠順利開展，還需要建立與完善相應的激勵機制，通過采取獎勵補貼等方式，激勵相關人員參與節能減排工作。

（3）加強宣傳教育：為了確保能源管理工作能夠有效開展，還要積極組織相關人員對節能工作進行學習。

（4）積極推進技術創新：為了確保節能減排工作的順利開展，企業需加強技術創新，通過采用實用、可靠、符合當前鋼鐵行業發展要求的技術裝備和產品技術、工藝及設備等措施來促進生產技術的革新。

（5）加強能源監督檢查和考核：在保證能效數據準確性的基礎上，還應該通過科學監管體系對各個用能單位進行有效監督檢查以及考核。由于鋼鐵行業對能源的消耗比較大，所以要想在企業中實現節能減排，就需要對現有的管理體制進行調整，使其能夠適應新的能源政策。鋼鐵企業能源管理系統在實際運行中已經取得了一定的效果，但仍有很大提升空間。隨著信息化時代的到來以及計算機技術、通信技術等科學技術和設備的飛速發展，鋼鐵行業也正在向數字化、智能化邁進。因此，可以預計將來會有更多的企業使用智能節能管理系統（EMS）對能耗數據進行實時采集、計算、統計及分析，為企業節能減排工作提供決策依據和技術支持。在鋼鐵企業中要充分利用節能減排工作成果并進一步開展智能節能系統建設。

4 安科瑞企業能源管控系統概述

安科瑞企業能源管控系統采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理，監測企業電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業針對各種能源需求及用能情況、能源質量、產品能源單耗、各工序能耗、工藝、車間、產線、班組、重大能耗設備等的能源利用情況等進行能耗統計、同環比分析、能源成本分析、碳排分析，為企業加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節能潛力、節能評估提供基礎數據和支持。

6.1 應用場所

鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫藥、水泥、煤炭、造紙、化工、物流、食品、水廠、電廠、供熱站、軌道交通、航空工業、木材、工業園區、醫院、學校、酒店、寫字樓以及汽車制造、機電設備、電器產品、工器具制造等離散制造業。

6.2 系統結構

現場通過廠區局域網和平臺通訊，平臺搭建在客戶自己配置的服務器上。搭建完成之后，客戶可以在任意能與局域網聯通的地方，通過有權限的賬號登陸網頁以及手機APP查看各處的運行情況。

系統可分為三層：即現場設備層、網絡通訊層和平臺管理層。

現場設備層：主要是連接于網絡中用于水、電、氣等參量采集測量的各類型的儀表等，也是構建該配電、耗水、耗氣系統必要的基本組成元素。肩負著采集數據的重任，這些設備可為本公司各系列帶通訊網絡電力儀表、溫濕度控制器、開關量監測模塊以及合格供應商的水表、氣表、冷熱量表等。

網絡通訊層：包含現場智能網關、網絡交換機等設備。智能網關主動采集現場設備層設備的數據，并可進行規約轉換，數據存儲，并通過網絡把數據上傳至搭建好的數據庫服務器，智能網關可在網絡故障時將數據存儲在本地，待網絡恢復時從中斷的位置繼續上傳數據，保證服務器端數據不丟失。

平臺管理層：包含應用服務器、WEB服務器和數據服務器，一般應用服務器和WEB服務器可以合一配置。

平臺采用分層分布式結構進行設計，詳細拓撲結構如下：

5 系統功能

平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理。實時監測企業各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業加強能源管理，提高能源利用效率和節能潛力，為節能改造提供數據依據。

5.1平臺登錄

在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權限密碼，進行登錄，防止未授權人員瀏覽有關信息。

5.2大屏展示

用戶登錄成功之后進入大屏展示頁面，展示企業及各區域的能耗折標、產值、異常、排名、占比、通訊情況，點擊區域展示該區域的分類能耗、產值等相關信息。

5.3首頁

首頁展示峰谷平用電、變壓器情況、年能耗趨勢、單耗趨勢、分類能耗等企業級統計數據。

5.4數據監控

對企業各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監控。以便企業用戶能夠實時的監測各個點位的運作情況，同時能更快的掌握點位的報警，并為企業削峰填谷、調整負載等技改措施提供數據支撐。

能源實時監控：對于水、電、氣等能源消耗進行實時監測，確保用能環節的持續穩定運行，顯示配電圖、能流圖、能源平衡網絡圖、能源計量網絡圖等功能。

能流圖：需要在能流圖上對水、電、氣的消耗情況進行實時展示；當能源參數越限報警，可提供報警重要性等級分類，同時支持APP推送、手機短信、郵件、釘釘、語音播報、系統彈窗報警提示等；

配電圖：將配電房真實情況畫入配電圖，實時展示接入的門禁、水浸、電水氣等儀表的實時參數、門禁水浸狀態及能耗數據。

實時統計：實時統計工廠、車間、工序、設備的當年、季度、月、周、日、班次等能耗值；

數據展示：通過實時曲線和歷史曲線展示不同區域、不同設備的不同的能耗參數；

檢測：對能源報警信息進行集中顯示，可以對報警閾值信息進行相關處理操作，可以對報警參數進行在線設置，當能源參數越限報警，可提供報警重要性等級分類，具備APP推送、手機短信、郵件、釘釘、語音播報、系統彈窗等報警提示；

5.5視頻監控

接入攝像頭，實時掌控企業內實際情況。

5.6變壓器監控

展示各電壓器的負載情況，從而可以為變壓器配備情況進行科學合理的規劃。通過各種運行參數狀態下用電效能的對比分析，找出更好的運行模式。根據運行模式調整負載，從而降低用電單耗，使電能損失降低。

5.7儀表實時監控

展示各個水電氣儀表的實時參數變化，以曲線圖的方式展示。

5.8能源中控

將所有有關能源的能源參數集中在一個看板中，能從多個維度對比分析，實現各個產業線的對比，幫助領導掌控整個工廠的能源消耗，能源成本，標煤排放等的情況。

5.9用能統計

從能源使用種類、監測區域、車間、生產工藝、工序、工段時間、設備、班組、分項等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數字表等方式對企業用能統計、同比、環比分析、實績分析，折標對比、單位產品能耗、單位產值能耗統計，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。

5.1成本分析

統計各個監測節點（工廠、車間）的當年、季度、月、周、日各類能源消耗費用，其中電包括峰電量、峰電費、谷電量、谷電費以及平均電量和平均電費。

5.11產品單耗統計

與企業MES系統對接，通過產品產量以及系統采集的能耗數據，在產品單耗中生成產品單耗趨勢圖，并進行同比和環比分析。同時將產品單耗與行業/國家/國際指標對標，以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

5.12績效分析

對各類能源使用、消耗、轉換，按班組、區域、車間，產線、工段、設備等進行日、周、月、年、時段績效統計按照能源計劃或定額制定的績效指標進行KPI比較考核，幫助企業了解內部能效水平和節能潛力，評定能源消耗是否合理。

5.13運行監測

系統對區域、工段、設備能源消耗進行數據采集，監測設備及工藝運行狀態，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。可直接從動態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、車間、工段、時間等維度查詢相關能源用量。

5.14自定義能耗報表

用戶可通過自定義報表頭與列，靈活生產各種報表，查看企業各個節點的能耗，單耗，成本，綜合能耗等信息，并同比、環比報表，支持導出報表。

5.15同比、環比

提供能耗成本的圖形對比分析，包括分時段（日、月、年）的同比、環比分析，分類、分時段、分項（地點、機構、設備）統計圖形對比分析（柱狀圖、餅圖、堆積圖等）。

同比

環比

5.16分析報告

以年、月、日對企業的能源利用情況、線路損耗情況、設備運行情況、運維情況等進行仔細的統計分析，讓用戶更加了解系統的運行情況，并為用戶提供數據基礎，方便用戶發現設備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節能潛力。

5.17能耗設備用能

監控耗能設備運行、停機及異常狀態，及時解決設備故障停運導致無法正常生產。

5.18線損分析

根據節點、能源分類，查詢各個節點線路上的能源損耗數據，及時發現能量在使用過程中的跑冒滴漏和異常用能等浪費的問題，提醒用戶及時進行干預。

5.19碳排放管理

按照區域對碳排放總量的變化趨勢進行統計，并進行同環比分析。對單位產值碳排放量進行計算，并結合減排指標實現超標預警，提升區域減排水平，促進碳達峰目標實現。

5.20電能質量監測

實時監測諧波含量、三相不平衡度、功率因數等，確保功率因數不低于供電局考核指標，避免被罰款和設備出現故障。

5.21運維管理

系統支持設備日常巡檢計劃、派工、消缺、報修、派工等設備運維管理，方便運行管理人員的制定巡檢計劃、派工，巡檢人員執行巡檢、完成工單、巡檢發現問題消缺，進行故障報修、跟進維修進度，滿足日常巡檢、設備維修保養需要。

5.22報警管理

針對于電氣正常開展、限電和能耗雙控，實現電參量異常報警、電氣火災隱患報警、能耗超標報警、限電報警等，幫助企業提前預警，避免發生火災事故和被罰款導致用能成本過高。支持分級分類報警，可對報警進行派發與閉環處理。

5.23能耗抄表

可自定義時間段抄儀表的抄表值以及差值，可自定義抄表的分類分項。

5.24能耗分析自定義時間抄表

可自定義時間段內各個拓撲節點的能耗值，可自定義抄表能耗值的的分類分項。

5.25容需量報表

提供容需量報表，實時展示容量需量價格的變化情況，幫助企業實現容改需，降低基本電費。

5.26復費率報表

對尖、峰、平、谷用電量及成本費用進行統計分析，為企業分時用電，優化成本效益提供數據支持。

5.27文檔管理

對國標、能源管理制度、能源指標體系等文件進行歸檔，可快速查詢相關文檔。對儀表臺賬進行系統管理，支持文件的上傳和下載。

5.28 3D可視化大屏

對場景進行虛擬仿真，展示各區域運行及能源消耗情況，可實現分層預覽、轉場展示、風格切換、智能巡檢等效果，支持模型與監測點位的自定義綁定。

5.29 3D子系統

對各動力子系統進行虛擬仿真，展示子系統的動力管線、設備的實時狀態及能源消耗情況，可實現動態的能源流向效果。

5.30工業組態

可通過圖形化的編輯方式自定義組態圖，展示設備運行狀態及能源消耗情況，可上傳自定義素材及綁定監測數據。

5.31自定義駕駛艙

可通過圖形化的操作方式自定義駕駛艙，以折線圖、餅圖、表格等圖形展示采集數據及各類統計數據，數據源包括API、數據庫查詢、MQTT、Excel等方式。

5.32基礎數據管理

對系統的項目、探測器、設備型號、電參量、節點、能源、公示、及相關參數進行配置、修改、刪除等管理、進行用戶添加和授權管理、合同管理。

5.33手機APP

APP支持Android、iOS操作系統，方便用戶按能源分類、區域、車間、工序、班組、設備等不同維度掌握企業能源消耗、產線比對、效率分析、同環比分析、能耗折標、事件記錄、運行監視、異常報警、配電圖、工藝流程圖、能流圖。

5.34知識產權證書

6 系統硬件配置

7 結束語

綜上所述，能源管理系統是智能制造系統中很重要的組成部分，是實現企業生產經營目標的重要手段，也在節能減排工作中發揮著重要作用。隨著國家節能減排規劃的重要組成部分。

參考文獻

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