伍俊 （1982-）女，湖南人，現就職于湘鋼集團陽(yáng)春新鋼鐵能源中心，研究方向為能源管理、節能和自動(dòng)化。

    關(guān)鍵詞：能源管理；調度；能源平衡；EMS（Energy Management System，能源管理系統）

    Abstract: China is facing a huge energy pressure. Steel enterprise requires large quantities of energy, but the management level of energy consumption have large gap with international counterparts. It plays a very good exemplary role in the energy conservation and emission reduction that we make the production and dispatching management of energy effectively which could begin with steel enterprises. The paper introduces the dispatching management situation of Xiangtan iron and steel energy, analyzes the current difficulties of energy transformation, provides requirements of energy scheduling management by the xiangtan iron and steel, designs the plan of energy management, and analyzes the effect after the implementation of the offered plan. This paper can be a kind of similar scheme of energy management.

    Key words: Energy management; Scheduling; Energy Balance; EMS（Energy  Management System）

    1 引言

    能源在當今世界經(jīng)濟發(fā)展中日益受到關(guān)注，世界各國都在積極制訂適合于自己發(fā)展的能源開(kāi)發(fā)計劃，人們一方面在不斷尋求新的能源，另一方面也在采取各種措施節約能源。我國能源更是面臨著(zhù)巨大的壓力，十七大報告明確提出企業(yè)要加強能源資源節約和生態(tài)環(huán)境保護，增強可持續發(fā)展能力，并把節約資源和保護環(huán)境定為基本國策。

    鋼鐵工業(yè)是耗能型工業(yè)，其耗能量占我國總能耗的10%左右。在鋼鐵總成本中，能耗費用占20%~35%，能源價(jià)格呈快速上升趨勢。這給耗能型的鋼鐵企業(yè)帶來(lái)巨大的成本和市場(chǎng)壓力；同時(shí)能耗與環(huán)境亦有著(zhù)直接的關(guān)系。由此可見(jiàn)，節能降耗、提高效益將是鋼鐵工業(yè)在激烈的市場(chǎng)競爭中采取的一項長(cháng)期戰略目標。

    2 我國鋼鐵企業(yè)能源管理與國外同行的差距

    目前，我國鋼鐵企業(yè)能源管理與國際同行相比，整體差距較為明顯。主要表現在：
能源管理模式與現代能源管理體系的要求有差距，能源綜合利用水平有待提升。
能源平衡調度手段缺乏，能源產(chǎn)生和使用過(guò)程效率不高。
能源系統運行穩定性有待提高，異常情況下的調度手段單一，反應速度慢。
能源設備裝備水平較低，與公司所需安全、穩定、快捷的生產(chǎn)格局不相匹配。
能源管理人員素質(zhì)不能滿(mǎn)足公司新時(shí)期能源管理的需要，管控能力和管控水平不高。
噸鋼綜合能耗和可比能耗與國內外同行先進(jìn)水平相比，仍有較大差距。

    3 湘鋼能源管理的要求

    湖南湘潭鋼鐵集團有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)湘鋼）位于湖南省湘潭市岳塘區，始建于1958年，是國內線(xiàn)、棒材和寬厚板專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)優(yōu)鋼企業(yè)之一。占地面積約500平方公頃，地理位置優(yōu)越。經(jīng)過(guò)40多年的建設，特別是改革開(kāi)放以來(lái)加快發(fā)展，湘鋼已形成年產(chǎn)鋼600萬(wàn)噸的綜合生產(chǎn)能力，被國務(wù)院確定為國家要重點(diǎn)抓好的300家大型企業(yè)之一。

    湘鋼擁有煉焦、燒結、煉鐵、煉鋼、軋材等一整套工藝裝備。其中，進(jìn)口高速線(xiàn)材軋機、寬厚板煉鋼、精煉和軋機均達到國際先進(jìn)水平。近年來(lái)，湘鋼圍繞產(chǎn)品結構調整進(jìn)行一系列技術(shù)改造，全面優(yōu)化了工藝結構，先后實(shí)現全轉爐、全連鑄和“一火成材”，一批主要技術(shù)裝備達到國內先進(jìn)水平。

    隨著(zhù)湘鋼生產(chǎn)規模日益擴大，湘鋼集團公司也明確認識到公司的能源管理與國內外先進(jìn)同行相比，整體差距較為明顯。主要表現在能源產(chǎn)生、使用效率不高，能源綜合利用水平有待提升，能源平衡調度手段缺乏，能源產(chǎn)生和使用過(guò)程綜合利用效率低；能源系統運行穩定性有待提高，異常情況下的調度手段單一，反應速度慢以及能源設備裝備水平較低、能源管理人員管控能力和管控水平不高等問(wèn)題。因此湘鋼提出了“管理先行、業(yè)務(wù)驅動(dòng)、技術(shù)支撐”的能源管理系統構建思路，希望通過(guò)啟動(dòng)能源管理模式的全員和全過(guò)程改進(jìn)，指導能源管理信息系統的改造和建設，從而全面提高湘鋼能源管理理念和技術(shù)水平。

    湘鋼生產(chǎn)規模日益擴大，對能源數據的檢測、監視與調度勢在必行。水、電、煤氣、蒸汽、氧氣、氮氣、壓縮空氣等能源介質(zhì)是總公司的核心動(dòng)力，在總公司的生產(chǎn)、生活諸方面發(fā)揮著(zhù)不可替代的作用，能源生產(chǎn)調度中心將在公司整個(gè)能源生產(chǎn)調度系統的合理開(kāi)發(fā)、高效利用、優(yōu)化配置方面起到重要作用。加強能源資源調度與管理，從根本上解決各種能源資源浪費與短缺問(wèn)題，必須實(shí)現能源資源管理的信息化和現代化，建立整個(gè)能源生產(chǎn)調度中心的信息管理系統，完成對鋼鐵企業(yè)能源數據的宏觀(guān)和微觀(guān)上的調度，從而提高企業(yè)生產(chǎn)效率和增強企業(yè)競爭力。

    4 項目實(shí)施的難點(diǎn)

    4.1 基礎設施需大量改造

    目前公司能源系統的計量、控制設備等基礎設施配備不能滿(mǎn)足現代能源管理體系建設的要求，需要對能源設備進(jìn)行大量系統升級和技術(shù)改造，提高能源設備的技術(shù)裝備水平，使之符合EMS系統的基本要求，系統改造任務(wù)量大、覆蓋面廣，必須統籌兼顧、系統實(shí)施，項目實(shí)施難度大。

    4.2 改造與生產(chǎn)協(xié)調組織困難

    實(shí)施能源管理系統建設的一大難點(diǎn)是現場(chǎng)系統的技術(shù)改造，許多基礎自動(dòng)化、在線(xiàn)儀表的升級或接入必須在線(xiàn)實(shí)施。因此在線(xiàn)改造的安全、可靠實(shí)施，以及對于生產(chǎn)系統可能產(chǎn)生的影響必須系統考慮，系統改造的方案需反復核定，項目實(shí)施計劃也必須與生產(chǎn)計劃、設備檢修計劃相適應，確保系統按計劃實(shí)施的同時(shí)，生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)目標順利完成。邊生產(chǎn)邊改造的困難大，組織難度也大。需要建立項目管理組進(jìn)行強有力的實(shí)施與推進(jìn)。

    4.3 能源管理模式必須適應新型能源管理體系

    湘鋼建立新型能源管理體系，必須建立合理的能源管理模式為之配套，必須通過(guò)組織機構的相應變化，調整和優(yōu)化公司及能源中心的業(yè)務(wù)管理職能。能源中心作為能源生產(chǎn)過(guò)程監控、能源調度指揮、能源平衡決策等業(yè)務(wù)流程的職能管理部門(mén)，要優(yōu)化能源管理操作范圍和權限，整合專(zhuān)業(yè)技術(shù)管理，實(shí)現合理配置資源、高效運作能源管理系統的目的，能源中心的管理模式轉變也要結合作業(yè)長(cháng)制改革的實(shí)施逐步推進(jìn)。

    如何建立合理的湘鋼能源管理模式，與EMS有效融合，達到EMS運行的效率最優(yōu)化，也是項目實(shí)施的難點(diǎn)點(diǎn)之一。

    4.4 能源管理系統將來(lái)正常運行與維護的困難

    能源管理系統結構復雜，系統維護涉及到過(guò)程測量、數據采集、過(guò)程控制、網(wǎng)絡(luò )傳輸、實(shí)時(shí)數據庫等各個(gè)環(huán)節，也涉及到水、電、風(fēng)、汽、熱能等諸多工藝專(zhuān)業(yè)；同時(shí)要實(shí)現部分站所無(wú)人值守目標，需同步考慮安防、火警、視頻系統的投入，也要考慮管理模式集中扁平化對設備運行、點(diǎn)檢、維護等方面需求的相應變化。目前能源數據測量裝置的維護在技術(shù)支撐和人員素質(zhì)上都存在較大缺陷，組織機構調整及維護人員配置等方面必須要系統考慮、統籌安排，考慮到上線(xiàn)后的運行維護支持，參與人員必須深化對于技術(shù)的把握，公司要加大相關(guān)專(zhuān)業(yè)技術(shù)支援的力度。

    EMS不僅僅是一個(gè)信息系統，本質(zhì)上也是一個(gè)在線(xiàn)的生產(chǎn)系統，因此在項目前期就應著(zhù)手研究系統將來(lái)的運行維護等基礎保障手段。

    5 能源管理系統設計

    5.1 總體目標

    湘鋼能源管理系統建設的總體目標是：依據現代化能源管理思想，通過(guò)對公司能源管理現狀進(jìn)行調研和分析，探索建立符合湘鋼長(cháng)期發(fā)展戰略需求的新型能源管理模式；按照總體規劃、分步實(shí)施、統籌兼顧、重點(diǎn)突破、效益驅動(dòng)的原則，對公司現有的能源基礎設施實(shí)施系統升級和技術(shù)改造，提升企業(yè)能源系統的技術(shù)裝備水平；建設集過(guò)程監控、能源調度指揮、能源平衡決策等管控功能一體化的新型能源管理體系，與公司生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)有效結合，實(shí)現企業(yè)能源生產(chǎn)供應的安全、穩定、經(jīng)濟、高效，達到降低企業(yè)成本、節能減排、保護環(huán)境的目標，最終實(shí)現湘鋼的循環(huán)經(jīng)濟和可持續發(fā)展。

    5.2 設計思路

    按照先進(jìn)的能源系統運行管理模式，公司能源管理系統的設計主要思路如下：

    （1）建立現代化能源管理模式

    能源管理系統要對整個(gè)公司范圍內的水、電、風(fēng)、汽（氣）、煤、焦等各種能源進(jìn)行生產(chǎn)調度和監控，建立新型的能源管理體系，優(yōu)化能源管理模式，充分利用EMS平臺形成集中一貫制的扁平化管理，將能源的生產(chǎn)和管理納入公司統一的管理流程中，進(jìn)行一級調配、考核和管理，最終建立能源管理系統的一貫制運作流程和“一級生產(chǎn)一級調度”的科學(xué)化能源管理模式。

    （2）改造提高能源設備的裝備技術(shù)水平

    能源供需數據的真實(shí)、完整和唯一性是能源管理系統的基礎，對基礎自動(dòng)化系統的信息集成和數據采集實(shí)施技術(shù)升級和系統優(yōu)化改造，為能源管理系統提供強有力的基礎數據支撐。要充分考慮公司現有工業(yè)控制系統、基礎自動(dòng)化和企業(yè)資源信息系統的使用和分布情況，集成現有的能源監控系統和計量系統，實(shí)現湘鋼能源數據的統一采集、統一管理和使用，實(shí)行一站式的管理和按授權的分散使用，滿(mǎn)足公司各種不同層次的控制、分析等管理需求。

    （3）建立有效的能源管理系統

    能源管理系統要進(jìn)行集中監視、控制和管理，必須通過(guò)先進(jìn)的計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)強化能源基礎管理，實(shí)現從能源數據采集、過(guò)程監控、能源介質(zhì)消耗分析、能耗管理等全過(guò)程自動(dòng)化、高效化、科學(xué)化管理，實(shí)施有效的在線(xiàn)能源監控管理和能源平衡調度，充分應用和發(fā)揮以節能降耗為目標的能源管理技術(shù)，實(shí)施能源管控一體化，完成噸鋼綜合能耗、各單位工序能耗、各工序介質(zhì)單耗、各主要耗能設備介質(zhì)單耗的公司能源四級能耗指標管理；并逐步進(jìn)行能源工藝優(yōu)化，以合理利用能源，挖掘節能潛力。

    （4）能源系統長(cháng)期對生產(chǎn)工藝系統的支撐

    整個(gè)系統的設計既要考慮節約投資，又要考慮信息系統的完整性，要根據統籌兼顧、效益驅動(dòng)的原則，實(shí)現與既有企業(yè)信息化系統的無(wú)縫集成，有效兼顧實(shí)用和先進(jìn)性、安全和經(jīng)濟性，也要考慮到公司在建的技改項目，能源系統隨主工藝系統不斷擴展的特點(diǎn)，設計實(shí)現系統擴展的便利性和在線(xiàn)擴展、技術(shù)升級的技術(shù)可行性。在可預見(jiàn)未來(lái)時(shí)期內，能夠通過(guò)對EMS的擴展，滿(mǎn)足公司生產(chǎn)工藝改造對能源的監控、調度和管理的需要。

    系統建設時(shí)將制定湘鋼能源管理系統的規范，為公司將來(lái)新建項目必須滿(mǎn)足的能源監控條件提供依據。

    5.3 能源管理系統的架構

    5.3.1 總體架構

    能源管理系統（EMS）設計為三層結構的應用層。底層為數據采集層，中層為實(shí)時(shí)數據處理層，上層為應用管理層。數據采集層由PLC、遠程I/O或RTU及現場(chǎng)檢測、執行設備等組成，主要實(shí)現數據采集和實(shí)時(shí)控制；中層主要設備是I/O服務(wù)器，主要完成實(shí)時(shí)數據處理和短時(shí)歸檔；上層主要設備有應用服務(wù)器、數據庫服務(wù)器、工程師站、操作員工作站、大屏控制器等，主要完成調度、管理等功能。如圖1所示。

   
                 
                                            圖  1
    5.3.2 EMS系統的網(wǎng)絡(luò )系統架構

    EMS采用單獨的網(wǎng)絡(luò )并通過(guò)防火墻與公司的ERP、MES等網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行連通，彼此間的通訊必須通過(guò)防火墻過(guò)濾，嚴禁旁路。

      EMS系統的網(wǎng)絡(luò )設計為現場(chǎng)光纖工業(yè)環(huán)網(wǎng)，能源調度中心的核心以太網(wǎng)以及現場(chǎng)采集站接入網(wǎng)絡(luò )等幾部分組成。

    現場(chǎng)工業(yè)以太網(wǎng)采用光纖環(huán)網(wǎng)構成，按照能源工藝系統的廠(chǎng)區地理位置分布，形成雙環(huán)網(wǎng)?，F場(chǎng)各采集系統分別連接到工業(yè)環(huán)網(wǎng)的各個(gè)子站上，形成星型網(wǎng)絡(luò )結構。

    中央核心以太網(wǎng)為網(wǎng)絡(luò )采用冗余網(wǎng)絡(luò )配置，分別連接到光纖環(huán)網(wǎng)上，用于連接實(shí)時(shí)數據庫服務(wù)器、長(cháng)時(shí)歸檔數據庫服務(wù)器、應用服務(wù)器、工程師站、WEB服務(wù)器、GPS服務(wù)器以及模擬屏裝置，2臺核心交換機還用于管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統中的VLAN及路由等。

    標準客戶(hù)以太網(wǎng)用于連接操作站、技術(shù)管理站、調度站、網(wǎng)絡(luò )打印機及投影屏幕等，為100M交換網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)2個(gè)1000M端口分別連接到2臺核心交換機上，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構如圖2所示。


                  
 
                                          圖  2

    5.4 能源管理系統實(shí)現的基本功能

    能源管理系統實(shí)現的基本功能有：能源生產(chǎn)過(guò)程監控、基礎能源管理、能源實(shí)時(shí)平衡與調度功能、能源的優(yōu)化與節能功能、其它如設備管理及能源質(zhì)量、環(huán)保安全監測功能等。

    （1）能源生產(chǎn)過(guò)程監控功能

    對電、燃氣、氧、氮、氬、蒸汽、各種水等能源設備系統進(jìn)行實(shí)時(shí)監控、系統故障報警和分析，并對能源中心管轄的能源設備進(jìn)行遠程操作控制。作為能源的生產(chǎn)指揮控制中心，能源管理中心將負責日常的生產(chǎn)調度，保證主作業(yè)線(xiàn)正常有序的生產(chǎn)，并在突發(fā)事件期間實(shí)施能源應急調度策略，確保能源生產(chǎn)供應安全經(jīng)濟穩定，并對能源介質(zhì)的質(zhì)量進(jìn)行監控管理。


                  

                   
                                          圖  3  
                                 
    （2）基礎能源管理功能

    包括能源計劃管理、能源費用管理、能源實(shí)績(jì)管理、能源單耗管理、能耗預測、能源分析、工序能耗管理以及能源平衡管理。

    （3）能源實(shí)時(shí)平衡與調度功能

      系統在實(shí)時(shí)能源信息的基礎上，對能源生產(chǎn)供應進(jìn)行實(shí)績(jì)分析，配合單耗、工序能耗以及費用分析，通過(guò)能源預測與分析模型實(shí)施科學(xué)預測并制定調整計劃，指導實(shí)施控制、管理與調配，充分平衡回收和利用二次能源。能源平衡、優(yōu)化和短期預測、趨勢分析都是基于能源預測與分析模型及經(jīng)驗數值，提供調度參考方案，協(xié)助制定能源計劃和實(shí)施及時(shí)調度。如圖4所示。
    
                  

                  
                                          圖  4  
                  
   （4）能源的優(yōu)化與節能功能

    通過(guò)大量累積的能源系統數據，在短期企業(yè)能源介質(zhì)平衡基礎上，能源管理人員可制定中長(cháng)期湘鋼各種能源介質(zhì)的綜合利用方案，進(jìn)而優(yōu)化企業(yè)的能源供需平衡，降低能耗。

    （5）支撐功能

    監視報警：對重要運行設備狀況進(jìn)行故障監視、控制和報警，確保整個(gè)能源生產(chǎn)系統的設備和人身安全。設置大屏幕監視，在能源調度中心控制大廳，設置背投監視屏，對整個(gè)能源管理系統進(jìn)行重要內容的全局監視。

    能源設備管理功能：對關(guān)鍵能源設備進(jìn)行精細化管理，根據關(guān)鍵能源設備信息庫信息和接收的ERP 或MES 數據，系統生成能源設備檢修計劃；在能源設備發(fā)生異常時(shí)，系統自動(dòng)評估可能產(chǎn)生的后果，發(fā)出不同的預警信號，并提示啟用相應的應急預案。

    能源介質(zhì)質(zhì)量監測功能：對能源介質(zhì)質(zhì)量（如電能質(zhì)量、水質(zhì)指標、煤氣質(zhì)量等）進(jìn)行在線(xiàn)連續監視，指標發(fā)生異常時(shí)，系統自動(dòng)報警。

    環(huán)保安全監測功能：對能源介質(zhì)的環(huán)保數據（如SO2、煙塵濃度、流量、廢水排放等）進(jìn)行在線(xiàn)連續實(shí)時(shí)監視，并在出現異常時(shí)實(shí)施應急調度策略，確保能源介質(zhì)質(zhì)量、環(huán)境指標均滿(mǎn)足要求。


    6 小結

    湘鋼實(shí)施能源管理系統后，在能源實(shí)時(shí)監控、能源調度、能源平衡、能源優(yōu)化和節能等方面都起到了非常顯著(zhù)的作用。從改造的經(jīng)驗、系統的設計、系統的管理都提供了可借鑒的經(jīng)驗。

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  摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第十二期