摘要:介紹了中國鋼鐵企業能源管理情況和能源智能管控系統在企業節能中的應用。
關鍵詞:能源管理；能源智能管控系統；企業節能
引 言
中國鋼鐵企業的噸鋼能耗比國外水平高出10% , 傳統的能源管理模式已經不能適應鋼鐵生產大型化、高速化和激烈的市場競爭的需要, 也不符合國家長期發展規劃的要求。而以能源智能管控系統為支撐的現代系統能源管理是中國鋼鐵企業節能的必然之路。
1、中國鋼鐵企業節能現狀
鋼鐵是耗能型工業, 其耗能量占中國總能耗的10% 左右。在鋼鐵生產成本中, 能耗費用占總成本的18%～ 35%。當前, 能源價格一直是上升趨勢, 這給鋼鐵企業帶來巨大的壓力; 同時高能耗也給環境帶來嚴重影響。“十一五”期間, 鋼鐵工業的快速發展為中國國民經濟發展提供了有力保障; 同時, 鋼鐵工業節能降耗工作也取得明顯成效, 噸鋼綜合能耗由2005 年的694 kgce 下降至2010 年的605 kgce, 節能 率達到12181%。大中型鋼鐵企業的工業增加值 的節能率為 23116% , 超過了國家“十一五”提出的GDP能耗下降20%目標, 中國鋼鐵行業鋼產量及能源消費量如表1所示。
今后10年, 中國仍將處在重化工業發展階段, 能源需求仍會增加, 能源約束矛盾更加凸顯。“十二五”時期, 國家提出要“合理控制能源消費總量, 嚴格用能管理, 加快制定能源發展規劃, 明確總量控制目標和分解落實機制”, 國家開征環境稅和碳稅進程很可能會進一步加快落實, 鋼鐵企業必然會面對“合理控制能源總量”、“完成節能目標責任”和“完成CO2 減排責任”三大分解任務, 鋼鐵行業節能減排任務將更加緊迫。
經過20 多年的發展, 中國已有15家以上鋼鐵企業采用了能源管理這一管理體制。能源管理是鋼鐵企業通過能源科學管理、合理調配、有效轉化和利用, 實現系統節能的有效方式, 能夠推動中國鋼鐵企業從原有的事后統計、分析、查找原因的能源管理模式, 向以生產流程和生產計劃為中心進行預案設置、過程跟蹤、實時統計、動態分析的能源管理模式轉變。
2 中國鋼鐵企業節能工作中存在的問題
2.1 鋼鐵企業能源管理工作仍處于摸索階段
大多數鋼廠能源管理模式僅僅是“單兵*”, 往往注重單體裝備的能耗評估和節約, 對單一能源 研究得比較多, 而從全局角度和戰略層面, 能源統籌 優化配置做得還不夠, 以致單元能源消耗下降較快, 但系統節能效果不理想, 能源管理總體上仍舊處于分散狀態, 能源管理職責歸屬多個部門, 統一規劃、決策、管理的職能不突出, 缺乏集中統一的能源管理機構, 不利于統籌規劃和綜合協調, 難以應對重大能源形勢變化和經濟社會發展的挑戰。
2.2 管理創新與技術創新不同步
隨著節能技術的快速發展, 眾多鋼鐵企業紛紛加大工藝技術裝備的應用和推廣力度, 節能技術水平提高很快, 但由于鋼鐵企業節能技術涉及領域較多, 涵蓋范圍較寬, 同時這些技術裝備運行時往往存在著關聯, 如果不統一進行優化管理, 效能的發揮將受到很大制約。目前, 由于大型鋼鐵企業由眾多生產單位組成, 相互之間除主體生產線外, 基礎節能設施往往缺乏統一的調度指揮。
2.3 主體裝備改造與節能技術配套不同步
中國鋼鐵企業多達上千家, 不僅產能布局分散,而且工藝裝備新舊并存。由于先進節能技術的推廣應用力度不夠, 大中型企業高爐煤氣余壓透平發 電 (TRT )、干熄焦、轉爐干法除塵配備率僅為30% , 52% 和20% ; 煤調濕技術僅在少數企業得到應用, 造成鋼鐵行業整體能源利用效率不高。
2.4 自動化、智能化水平較低
在國外, 發達國家的各種能源管理和生產運行模式普遍實現了自動化、智能化。目前, 工業自動化發達國家普遍向網絡化協調控制方向發展, 通過系統工程達到節能減排的目的。由于前期投入的自動化設備較中國大五倍以上, 日本、韓國的鋼鐵生產能耗, 根據不同的生產項目比中國平均少30%～50%。生產和管理系統基本上實現了智能化管理。在國內, 由于各種原因, 鋼鐵工業建設中自動化、信息化水平大大落后于國外工業化國家。中國鋼鐵工業能耗水平比這些國家要高10% 以上。
國內鋼鐵企業在生產和管理中的過程控制系統、生產管理系統、企業信息化系統都相對落后。雖然有些大型鋼鐵企業引進不少*進技術, 但大多數是針對具體工序的項目而未形成系統。有些企業在廠級也建立了較先進的自動化控制系統, 但是在分廠級、車間級仍是粗放的管理模式, 不能在線了解各個生產環節的能源消耗狀況, 沒有實時能源消耗的科學評估體系。生產工藝受自動化水平的限制和信息缺乏的局限, 很難進行優化。可以說, 隨著科技進步和企業能效進步的發展, 全國鋼鐵企業都在積極探索量化、細化、智能化生產體系。廠級、分廠級、車間級的三級管理正由粗放型轉向集約型。但到目前為止, 尚沒有一家企業在分廠級、車間級實現了能源消耗在線、實時監測和控制, 工藝流程大都停留在傳統的粗放管理模式下。
以某鋼鐵集團中板廠為例, 能源(電力) 數據采集管理仍是人工采集, 沒有實時在線的能耗數據采集與監控。電能由變壓器進入分廠后, 各個耗能設備無數據采集和監測管理, 甚至一些設備也沒有能耗監控。這種情況下要抓好能源的有效管理和取得節能減排的成績十分困難, 主要是基礎太差。目前該中板廠的噸鋼電耗平均為60 kW h左右(見表2)。這與國內外同行業先進企業能效指標對比還是較落后的。雖然中板廠也采用了部分自動化控制, 但在目前的生產過程中, 仍然主要依靠人為的主觀管理, 并非先進的科學化的管理, 因此很難繼續降低電能消耗。為此須采用自動化、信息化技術來改造生產和管理, 從而進一步取得節能效果。
從表2可以看出, 在沒有改變任何生產設備或生產工藝的情況下, 噸鋼差值高達9% 以上, 從而可以得出這種耗能的差別主要是運行管理上的差別形成的。如果能將中板廠生產線的運行管理都能控制在優化的模式, 努力減小可以避免的耗能差別, 那么,獲得較為理想的節能效果將是*可行的。
依照現代化能源管理思想, 探索建立符合鋼鐵企業長期發展戰略需求的新型能源管理模式; 如按照總體規劃、分步實施、統籌兼顧、重點突破、效益驅動的原則, 對中板廠現有的能源基礎設施系統升級和技術改造、提升企業能源系統的技術裝備水平, 建設集過程監控、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, 實現能源的四級能耗指標管理, 并與中板廠生產經營有效結合, 達到節能降耗, 降低成本, 提高產品競爭力, 保護資源環境, 發展循環經濟的目標, 對終實現企業的可持續發展無疑有著重要意義。
3 能源智能管控系統是系統節能的有效途徑
能源智能管控系統可以科學地解決能源計量過程中人工抄數不及時、不準確, 信息反饋滯后的問題, 實現了能源數據采集的自動化、信息傳輸的網絡化、結算的電子化、能源計量的現代化和精細化等目標, 并為下一步工藝及設備改進提供了基礎數據。該系統能促進節能降耗工作在全企業范圍內的推進, 為企業創造可觀的經濟效益。隨著新技術、新工藝的不斷引進, 也必將在功能上得到不斷完善, 技術不斷創新, 為鋼鐵企業更高的節能目標提供更加有力的技術保障。
以武漢大學研制的能源智能管控系統為例, 如應用在上述中板廠, 則可以為中板廠提供系統化的管理思想, 為中板廠構建能源管理、控制、監測和分析平臺。清晰地了解各工藝、部門、產品的用電量及其他能源在系統內的消耗量, 以便進行能耗分析, 科學控制能耗, 多方位控制、降低、改善企業能源耗費, 為中板廠創造更多價值。
(1) 根據大量數據分析全廠用電負荷的狀況, 統籌全廠用電規劃; 調節各變壓器臺區的用電負荷; 對全廠的配電方案進行優化提高變壓器使用效率, 降低線損, 達到節電目的;
(2) 根據電量供需平衡原則, 發現現有設備的用電和供電存在的“跑冒滴漏”問題,特別是對于線路、 開關和負載老化和不合理運行狀態進行調整和更新。實現節能, 降低成本, 減少事故率;
(3)多方位規劃全廠的優化供配電方案, 投入無功補償、濾波器消除諧波, 改善電能質量,為二期節能改造擬定方案和進行設備的配套選型。能源智能管控系統可以針對中板廠能源管理和利用的某一方面或系統能耗較大的環節進行能源審計分析, 根據測試計算和審計分析結果, 研判能源浪費原因進行有效的改造升級。終用智能網絡管控系統實現: 能源調度、信息監控、安全控制、錯峰調谷、故障處理、考核管理等(依中板廠的實際需求量身定做)。該能源智能管控系統可以分三次提供技術方案:
3.1 一次技術方案
通過構建智能能耗在線監測系統, 實現能源管理的透明、實時。中板廠建設全套智能無線、有線蜂窩組網的電能消耗在線監測系統, 實現對各個主要負載的能耗在線監測, 實現自動、同步、實時數據采集, 對中板廠的全部變壓器和578臺(組)用電設備中的電壓、電流、功率因數、有功功率、無功功率、視在功率等參數實時監視并且在線分析。系統將在對整個中板廠的能源系統進行實時管理的基礎上, 同時實現負荷側的在線用電特性分析, 例如: 廠區功率、電壓、電流等電能參數的潮流分布的在線監測和分析; 廠區無功功率消耗的分布及狀況監測及分析; 廠區內線損在線監測和節能改造分析并提出整改方案; 生產工藝流程中各個負載的運行特征及狀況在線監測和優化分析。通過該中板廠能源智能管控系統一期工程建設, 利用獲取的數據, 一期可采取如下措施, 并實現節電5%的考核指標。
3.2 二次技術方案
電力設備的負荷控制和優化運行。二步的實施,是在建成智能能源監測系統的基礎上,通過設置配套的智能控制裝置,組建負荷智能控制系統。該系統的建設將完成生產運行工藝精細化管理,基于優化模型的各類電動機啟/停控制程序,電機的優化運行控制,在保證生產流程安全的前提下,自動選擇節能方案,節省運行時間,減少空載運行,從而達到節能10% 的目標。
(1)根據一期建設的方案,實施供電和配電網的優化改造。
(2)對一期方案中設計的負荷控制預案,選擇性對負荷采用分布式測控裝置,特別是對脈沖性耗電和周期性工作的電動機實現智能啟停控制,減少空轉率,減少沖擊,實現節電。根據我們對中板廠長達一年的調研發現,中板廠電機空轉率往往高達30%以上,空轉率降低后, 預期可節能10%。
(3)通過一期的建設和監測,確定出全廠的無功需求分布,對大型電動機和成組電機實現無功功率的在線監視并合理分布配置無功補償裝置,采用高性能、長壽命的無功補償裝置,實現快速、動態無功補償,通過無功補償網絡的智能化建設,確保全程90%的時間,功率因數在019以上,從而降低線損實現節電,同時,也將大幅提高廠區內電能質量的提高,減低電網諧波, 提高產品質量。通過智能化電動機控制和智能無功補償系統的協調控制,不僅根本降低電動機的空轉率,降低電耗,提高生產效率,而且通過提高無功補償的實時性和現地性提高供電系統的質量和可靠性,實現節能減排的預期目標。
3.3 三次技術方案
建立中板廠的能源消耗監測分析數據中心和分析中心。通過采用先進的配套軟件體系,構建全廠智能負荷監測分析網絡中心,將全部能源消耗的動態及統計分析結果,通過數據庫建設,分析軟件配套,WEB信息發布等手段,使中板廠和南京鋼鐵公司的相關*及技術人員能夠通過企業局域網,在線了解中板廠的能源消耗和電力在線運行分析情況,使企業管理進入信息化、透明化、網絡化、智能化時代。盡可能實現節能減排。并為研究鋼鐵工業的先進工藝、先進管理技術、先進節能技術,為達到更安全、更節約的理念跨進。一次技術方案為初步能源審計,二次技術方案為專項能源審計, 即針對中板廠能源管理和利用的某一方面或系統能耗較大的環節進行能源審計分析,根據測試計算和審計分析結果,研判能源浪費原因。第三次技術方案為深度能源審計,根據前兩次技術方案的實施和掌握,進而多方位、準確、系統、科學地制定較佳節能辦法,建立強大的軟件平臺,即科學的數學模型,實施終的智能化管理。如: 供需平衡分析,多方位分析與預測,安全預警、在線調度、多方位優化等。從而達到:
(1)能耗計算:多方位、準確、實時地反映企業每天能源用量以及成本, 能源利用率。以便科學控制耗能水平。
(2)能源使用分析: 統計、分析、對比單位時間內,單位產品能耗成本,分析能耗成本走勢,杜絕能源浪費、提高能源使用效率,尋求成本更低的能源使用方案。
(3)能源需求預算: 根據單位產品耗能指標,可準確預算月、季、年度能源資源用量、費用預算,以便采購部門實現經濟采購。
4 能源智能管控系統應用成果分析
(1) 應用遠程控制技術,電力系統、氣系統和水系統的監控可實時、準確無線傳輸能耗數據,大大提高勞動生產率;
(2)減少相關操作人員和管理人員,節省人力資源成本核算;
(3)提高能源設備正常運行率, 減少設備故障損失;
(4)高爐、轉爐、水泵、風機、軋機、生產線等存在的能源浪費,據能源智能管控可智能調節,節能率20%以上。對一些明顯的“跑、冒、滴、漏”的現象稍加改造, 就會產生明顯效果;
(5)建立能源管控系統后,上述中板廠可大大減少用能浪費現象,從以前是模糊用能,現在是明白用能,到終實現科學用能,能創造巨大的生產效益。以該中板廠為例,據評估,目前噸鋼耗電約60kW h,每年耗電費約6000萬元,采用能源智能管控系統可以達到降耗20%以上的效果。整個投資約2000萬元左右。按預期節電20%的電費計算6000(萬元)×20%=1200(萬元) ,一年半即可收回成本,經濟效應十分可觀。
(6) 一次技術方案實施可節能5%以上, 二次技術方案實施可節能10%以上,第三次技術方案實施可節能5%以上,即總節能不低于20%,投資回收期約2年左右。
5 安科瑞工業能耗系統介紹
安科瑞工業能耗系統采用自動化、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、重大能耗設備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、用能預測、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。
5.1 系統結構
5.2 系統功能
5.2.1 大屏展示
大屏展示企業水電氣當前用量、能源消耗趨勢、產能走勢、各類能源占比、各類能源消耗日/月/年同比,以及當前天氣情況、污染情況，并三維展示企業重要工藝或工段的能源消耗動態。
5.2.2 能源看板
展示企業電能峰平谷能耗統計占比，區域或重要工藝綜合能耗占比和統計分析，碳排放量核算；并從企業管理需求出發，展示各監測區域的能耗比例、公司單位產品能耗和單位產值能耗同比分析，讓企業一目了然地掌握能源消耗水平，以便及時做好節能減排策劃。
5.2.3 能耗分析
從能源使用種類、監測區域、生產工藝/工段時間、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。
5.2.4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。
5.2.5 移動端支持
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、效率分析、同環比分析、能耗折標、用能預測、運行監視、異常報警等。
5.3 現場設備層介紹
5.3.1 三相多功能儀表 DTSD1352-C
功能
● 計量
計量總的正反向有功和無功電能(4象限電能)
● 測量
測量分相電壓、分相電流、分相及總的有功功率、無功功率和視在功率、分相及總的功率因數、電網頻率
● 需量
有功、無功功率需量統計
● 分時
百年日歷、時間，閏年自動切換，可設置2個年時區、2套時段表、4個費率，8時段，時段間隔1分鐘
● 結算
電表內存儲3個月的歷史結算數據，電能結算日缺省設置為月末24時(月末結算)
● 顯示
7位寬溫型LCD顯示；有功電能脈沖、無功電能脈沖、報警、相序、失壓、當前費率LED指示
● 輸出
有功電能脈沖輸出、無功電能脈沖輸出，無源光電隔離型輸出端口
● 通訊
支持RS485通訊接口，通訊規約可選(MODBUS-RTU或DL/T645規約)
5.3.2 通訊管理機Anet
ANet智能通訊管理機是一款采用嵌入式硬件計算機平臺，具有多個下行通信接口及一個或者多個上行網絡接口，用于將一個目標區域內所有的智能監控/保護裝置的通信數據整理匯總后，實時上傳主站系統，完成遙信、遙測功能。
同時，ANet智能通訊管理機支持接收上級主站系統下達的命令，并轉發給目標區域內的智能系列單元，完成對廠站內各開關設備的分、合閘遠方控制或裝置的參數整定，實現遙控和遙調功能，以達到遠動輸出調度命令的目標。
ANet智能通訊管理機提供豐富的規約庫支持，實現不同二次設備供應商的智能設備互聯。作為自動化系統網絡與監測設備之間的通信接口設備，ANet智能通訊管理機實現了規約轉換、接口匹配、數據轉換等三項功能。
ANet智能通訊管理機提供RS485通信端口，每個端口可帶32臺儀表設備(對于低壓綜合保護建議每個端口掛接不超過10個)；可根據儀表設備的通信波特率、通信線路長度及客戶對通信數據的刷新速度要求終決定每個通信端口所帶的設備數量。
ANet智能通訊管理機實時并行多任務處理與第三方設備的訪問及上位系統的連接通信，支持軟件組態。通過專門的配置管理軟件，可為不同通道掛載設備選擇不同的通信協議，并可通過更改配置文件來改變通訊管理機所連接儀表設備的數量及數據信息，而不需更改軟件程序。
6 結束語
鋼鐵企業采用能源智能管控系統,科學地解決了能源計量過程中人工抄數不及時、不準確、信息反饋滯后的問題,實現了能源數據采集的自動化、信息傳輸的網絡化、結算的電子化、能源計量的現代化和精細化等目標,并為下一步工藝及設備改進提供了基礎數據。
