摘要: 通過對大型化工企業(yè)能耗情況和現(xiàn)有能源管理模式的分析，系統(tǒng)地介紹了能源管理系統(tǒng)的設計，主要包括能源數(shù)據(jù)集成、能源系統(tǒng)實時監(jiān)控、能源管理軟件開發(fā)和能源優(yōu)化調(diào)度等，然后介紹了某大型氯堿企業(yè)能源管理系統(tǒng)的實施與應用情況。通過系統(tǒng)實現(xiàn)，在確保生產(chǎn)工藝流程平穩(wěn)運行的前提下，實現(xiàn)企業(yè)能源系統(tǒng)的在線監(jiān)控、集中管理與優(yōu)化調(diào)度，從而有效地提高企業(yè)能源管理水平和能源利用效率，為單體設備、各生產(chǎn)裝置和整個企業(yè)的多方位節(jié)能提供充分支撐。

關(guān)鍵詞:能源管理系統(tǒng)；化工企業(yè)；信息系統(tǒng)

作為世界石油和化工生產(chǎn)大國，我國2011年全行業(yè)總產(chǎn)值已突破11萬億元，全行業(yè)綜合能源消耗超過5.2億噸標煤，約占同期全國能源消耗總量的15%。“十二五”期間，要保持一定的發(fā)展速度并實現(xiàn)能耗下降20%、排放減少10%的目標，十分艱難。如何在提高產(chǎn)品產(chǎn)（收）率和改善產(chǎn)品品質(zhì)的同時，降低能源與資源消耗，充分回收和有效利用二次能源，提高能源利用效率和管理水平，是面臨的重要課題。 隨著“兩化”深度融合的推進，國家加大了對節(jié)能降耗的支持力度，鼓勵企業(yè)通過采用信息化、自動化技術(shù)，并結(jié)合系統(tǒng)優(yōu)化和節(jié)能改造更新等措施，實現(xiàn)提高能源介質(zhì)回收、梯級利用水平和多能源介質(zhì)協(xié)同平衡優(yōu)化水平，降低重要能源介質(zhì)放散[1]。截止2012年底，國家*已經(jīng)批準50多家化工企業(yè)的能源管理中心建設示范項目。 一個設計合理、功能完備并與生產(chǎn)管理系統(tǒng)緊密結(jié)合的化工企業(yè)能源管理系統(tǒng)（中心）正常 使用時，可實現(xiàn)多達5%的節(jié)能量。 

本文針對化工企業(yè)的用能特點和能源管理現(xiàn)狀與要求，系統(tǒng)地介紹了能源管理系統(tǒng)的設計，主要包括數(shù)據(jù)集成、能源系統(tǒng)實時監(jiān)控、能源管理軟件開發(fā)和能源優(yōu)化調(diào)度等。

1 能源管理系統(tǒng)的設計

化工企業(yè)使用的能源種類多，品位高低不等，主要的能源介質(zhì)和載體包括燃料、電力、熱能載體、耗能物流以及化學能輸入和化學能輸出等。盡管不同類型企業(yè)各種能源介質(zhì)的比重不同， 但燃料、蒸汽和電力仍然是化工企業(yè)消耗的主要能源。除了采用新工藝、新設備，減低動力能耗、加強保溫除垢之外，建立能源管理體系和建設能源管理系統(tǒng)是實現(xiàn)管理節(jié)能的兩個重要手段，同時促進系統(tǒng)能量的綜合利用。 例如，實施熱電聯(lián)產(chǎn)和采用變頻技術(shù)可降低電耗，運用控制（APC）技術(shù)可挖掘裝置生產(chǎn)潛能、降低單位產(chǎn)品能耗。 系統(tǒng)通過能源計劃、能源監(jiān)控、能源平衡、統(tǒng)計分析等多種手段，準確掌控企業(yè)能源，使節(jié)能工作責任明確，降低能耗，提高效益。

系統(tǒng)的建設目標是：實現(xiàn)對各種能源介質(zhì)和重點耗能設備的實時監(jiān)控、控制、優(yōu)化調(diào)度和綜合管理，及時了解和掌握各種能源介質(zhì)的生產(chǎn)、使用以及各種能源管網(wǎng)、關(guān)鍵耗能設備的運行工況，做到科學決策和調(diào)度指揮，確保生產(chǎn)與能源系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟和有效運行。主要工作內(nèi)容包括：完善能源計量儀表、自動化系統(tǒng)和網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)能源數(shù)據(jù)采集和能源系統(tǒng)實時監(jiān)控；在實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫的支撐下，綜合集成生產(chǎn)與能源系統(tǒng)各種相關(guān)信息，實現(xiàn)集能源計劃、實績、統(tǒng)計、考核和報表等多方位能源管理并挖掘企業(yè)節(jié)能潛力；在準確預測能源系統(tǒng)產(chǎn)耗存變化的基礎上，通過建立能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型，自動給出能源優(yōu)化調(diào)度建議和方案，實現(xiàn)重要能源介質(zhì)的優(yōu)化調(diào)度和事前管理，在保證能源管網(wǎng)和設備安全的前提下，提高二次能源的回收率和利用效率，使得能源系統(tǒng)運行達到安全、經(jīng)濟和合理的目標。圖1給出了系統(tǒng)整體功能架構(gòu)設計。

系統(tǒng)的基本功能架構(gòu)包括： 

（1）“適合實用”的能源數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡 

在現(xiàn)有基礎上，按可靠性、冗余性和可實現(xiàn)性要求完善各級能源計量網(wǎng)絡和化工企業(yè)的一、二級和重要的三級能源測量點及數(shù)據(jù)采集平臺；借助企業(yè)已有數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡基礎，建立“適合實用”的能源數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡系統(tǒng)，適應未來能流和物流高度集成的需求。 

（2）“高度集成”的能源綜合監(jiān)控中心 

覆蓋與節(jié)能減排息息相關(guān)的各種信息，主要包括：各動力介質(zhì)系統(tǒng)信息、固體燃料系統(tǒng)信息、爐窯、耗能設備和耗電設備信息、質(zhì)量安全環(huán)保信息、生產(chǎn)關(guān)鍵信息、能源質(zhì)量信息、能源計量數(shù)據(jù)等。涉及一、二級能源計量數(shù)據(jù)、重要的三級計量數(shù)據(jù)、生產(chǎn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。 集成實時監(jiān)控、狀態(tài)監(jiān)視、歷史趨勢查詢、安全設備質(zhì)量報警、實時報表等監(jiān)控功能，并將集成能源預測、能源管網(wǎng)模擬和能源優(yōu)化調(diào)度等功能； 在與生產(chǎn)管理系統(tǒng)集成的基礎上，實現(xiàn)管控一體化。 

（3）“事前管理、事中監(jiān)督、事后考核”為主線的能源管理平臺 

系統(tǒng)將實現(xiàn)從計劃、調(diào)度、操作運行到統(tǒng)計、考核整個事務流的閉環(huán)管理。 做到“事前管理、事中監(jiān)督、事后考核”。

事前管理 

與生產(chǎn)管理系統(tǒng)集成，獲取生產(chǎn)相關(guān)信息， 并通過建立各工序各能源介質(zhì)單耗模型，給出各工序各能源介質(zhì)的生產(chǎn)和消耗計劃， 實現(xiàn)“事前靜態(tài)管理”；與能源優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)集成，獲取實時能源產(chǎn)耗預測信息和優(yōu)化調(diào)度建議，實現(xiàn)“事前動態(tài)管理”。 

事中監(jiān)督 

通過計劃實績管理、 調(diào)度運行管理、關(guān)鍵耗能設備管理和質(zhì)量環(huán)保管理，實時跟蹤計劃執(zhí)行情況和現(xiàn)場運行狀況，在線動態(tài)調(diào)整能源平衡，實現(xiàn)能源管網(wǎng)和能源設備的在線監(jiān)督；通過統(tǒng)計分析管理提供的強大數(shù)據(jù)挖掘和分析工具，對影響系統(tǒng)運行的各個影響因素進行對比關(guān)聯(lián)分析， 準確指導在線能源調(diào)整和調(diào)度，優(yōu)化能源生產(chǎn)工況。 

事后考核 

通過能源的統(tǒng)計分析管理、計量結(jié)算管理、考核管理和報表管理，及時獲取能源定額和計劃的執(zhí)行情況、能源成本的變化情況、能源平衡的具體情況、能源設備的運行情況、能源質(zhì)量環(huán)保和安全情況等， 在系統(tǒng)中嚴格按照公司管理流程和規(guī)定，對超額和節(jié)能現(xiàn)象進行獎懲，通過考核制度的嚴格執(zhí)行，督促各相關(guān)單位節(jié)能減排的持續(xù)改善。

（4）“準確可靠”的能源預測、平衡與優(yōu)化調(diào)度 

模型通過采集、監(jiān)控和分析基礎能流數(shù)據(jù)，建立能源預測與優(yōu)化調(diào)度模型，對主要能源介質(zhì)的生產(chǎn)和消耗進行準確預測，對主要能源介質(zhì)管網(wǎng)進行在線動態(tài)模擬計算，給出重點能源介質(zhì)優(yōu)化調(diào)度方案，通過能源介質(zhì)產(chǎn)、存、耗的動態(tài)平衡和優(yōu)化調(diào)度，提高能源平衡水平和能源介質(zhì)利用效率，實現(xiàn)節(jié)能減排增效目標。

2 能源管理系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 能源計量儀表、自動化系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集的完善

為滿足系統(tǒng)的建設要求，需要采集的數(shù)據(jù)包括一二級能源數(shù)據(jù)、重要三級能源數(shù)據(jù)、固體原燃料三級計量數(shù)據(jù)、重點耗能設備的運行數(shù)據(jù)、質(zhì)量環(huán)保安全數(shù)據(jù)以及與能源系統(tǒng)相關(guān)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)等。在系統(tǒng)建設期間，需要根據(jù)企業(yè)的實際情況，新增必要的能源計量儀表，并對缺少通訊接口的計量儀表進行改造，這樣不僅能提高能源計量儀表的配備率，而且為實現(xiàn)能源系統(tǒng)的實時監(jiān)控與管理提供了保障。

為實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)需要根據(jù)企業(yè)現(xiàn)有網(wǎng)絡架構(gòu)情況，在廠區(qū)內(nèi)構(gòu)建千兆以太環(huán)網(wǎng)作為主干網(wǎng)，并利用三層交換技術(shù)實現(xiàn)大型局域網(wǎng)的VLAN劃分，各分廠匯聚點與控制系統(tǒng)或下級單位（車間）采用百兆光纖收發(fā)器接入主干環(huán)網(wǎng)；網(wǎng)絡主干拓撲設計為環(huán)形結(jié)構(gòu)和樹形結(jié)構(gòu)相結(jié)合，其中核心層采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)設計，各分廠匯聚層接入能源主干網(wǎng)采用樹形結(jié)構(gòu)。 圖2給出了數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡示意圖。

生產(chǎn)管理系統(tǒng)等也可共網(wǎng)接入，但又可與系統(tǒng)產(chǎn)生相互隔離的效果，達到數(shù)據(jù)傳輸互不干擾，網(wǎng)絡安全穩(wěn)定的目的。系統(tǒng)可通過硬件防火墻和公司辦公網(wǎng)絡進行連接，確保能源數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和辦公網(wǎng)絡的物理隔離。 

2.2  能源系統(tǒng)的綜合監(jiān)控與管理

系統(tǒng)采用中控的實時數(shù)據(jù)庫ESP-iSYS和綜合集成平臺，建立“高度集成”的能源綜合監(jiān)控系統(tǒng)。覆蓋各動力介質(zhì)系統(tǒng)信息、重點耗能設備和耗電設備信息、質(zhì)量安全環(huán)保信息、與系統(tǒng)相關(guān)的關(guān)鍵生產(chǎn)信息等。基于系統(tǒng)平臺集中監(jiān)控一二三級能源數(shù)據(jù)、與關(guān)鍵能耗設備有關(guān)的運行數(shù)據(jù)、質(zhì)量環(huán)保數(shù)據(jù)以及與系統(tǒng)相關(guān)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)實現(xiàn)上述數(shù)據(jù)的綜合集成、監(jiān)視和管理。

能源綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成能源數(shù)據(jù)診斷與校正、各能源介質(zhì)系統(tǒng)和耗能設備實時監(jiān)視、歷史數(shù)據(jù)歸檔、事件記錄和查詢、報警、故障診斷與應急聯(lián)動、系統(tǒng)監(jiān)控診斷等功能，并結(jié)合能源優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)所具有的能源預測、能源管網(wǎng)模擬和能源優(yōu)化調(diào)度等功能模塊，實現(xiàn)能源管控一體化。

基礎能源管理系統(tǒng)涵蓋能源計劃與實績管理、能源調(diào)度運行管理、能源計量結(jié)算管理、能源質(zhì)量環(huán)保管理、能源設備管理、能源統(tǒng)計分析、能源考核管理、能源報表管理等功能，實現(xiàn)從計劃、調(diào)度、操作運行到統(tǒng)計、考核整個事務流的閉環(huán)管理，基于強大的數(shù)據(jù)挖掘工具和規(guī)范化的管理流程，提供準確有效的分析數(shù)據(jù)、有價值的節(jié)能建議以及強有力的考核措施。

2.3 能源系統(tǒng)的平衡與優(yōu)化調(diào)度

在本系統(tǒng)中，能源系統(tǒng)的平衡與優(yōu)化調(diào)度是在基礎數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控和分析的基礎上，通過建立能源預測與優(yōu)化調(diào)度模型，實現(xiàn)對能源介質(zhì)的生產(chǎn)和消耗進行準確預測，對能源介質(zhì)管網(wǎng)進行在線動態(tài)模擬計算， 并在能源預測和管網(wǎng)模擬的基礎上，以未來一段時間內(nèi)能源消耗成本較低和能源放散少為目標，給出各能源介質(zhì)優(yōu)化的調(diào)度建議和方案，通過能源介質(zhì)產(chǎn)、存、耗的動態(tài)平衡和優(yōu)化調(diào)度，提高能源平衡水平和能源介質(zhì)利用效率，實現(xiàn)節(jié)能減排增效目標。

3 應用案例

某大型氯堿企業(yè)（含熱電、電石、化工、水泥四大產(chǎn)業(yè)13家生產(chǎn)企業(yè)，構(gòu)成大型循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園區(qū)）的能源管理系統(tǒng)已通過上述設計與實現(xiàn)，形成能流、物流、信息流高度集成統(tǒng)一的能源管控一體化系統(tǒng)，保證了能源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟有效運行。 應用效果如下： 

1）成功建設了工業(yè)園區(qū)級能源管理中心，使集團總調(diào)實現(xiàn)整個工業(yè)園區(qū)多家企業(yè)的能源集中管控和優(yōu)化調(diào)度； 

2）成立了以董事長為組長的*小組和以總經(jīng)理為組長的聯(lián)合實施小組，優(yōu)化了集團能源管控流程和組織架構(gòu)，完善了能源計量設施和能源管理體系；

3）建立了能源預測與優(yōu)化調(diào)度模型，實現(xiàn)了臺鍋爐、發(fā)電機組與后續(xù)電石、乙炔、燒堿、PVC、水泥各生產(chǎn)裝置產(chǎn)用蒸汽、電的優(yōu)化匹配和調(diào)度，實現(xiàn)綜合能耗降低3%，實現(xiàn)節(jié)煤量9萬噸標煤，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。圖3給出了蒸汽與電力系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化界面示意圖。

4）建立了蒸汽和電石爐氣管網(wǎng)在線模擬模型，可以準確計算管網(wǎng)內(nèi)部詳細信息，及時發(fā)現(xiàn)能源跑冒滴漏問題，發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)設計缺陷，實現(xiàn)管網(wǎng)準確調(diào)度，減少蒸汽和電石爐氣損失； 

5）建立了涵蓋能源計劃實績、計量結(jié)算、統(tǒng)計分析、考核監(jiān)察、調(diào)度運行等功能模塊的完整的能源閉環(huán)管理平臺， 形成完整的能源管理在線流程，實現(xiàn)了向管理要節(jié)能的目標； 

6） 實現(xiàn)了能源管理中心系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)的集成，建立能源數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)和財務數(shù)據(jù)的雙向共享機制，提高了兩套系統(tǒng)的利用效率。能源管理中心建成后： 

①實現(xiàn)了能源管理粗放管理到精細化管理的轉(zhuǎn)變。例如：能源監(jiān)控和管理范圍擴展到各分廠，實現(xiàn)了重要的三級計量數(shù)據(jù)全公司分享；能源監(jiān)控和管理細化到耗能設備和耗電設備。

②實現(xiàn)能源管理由事后管理向事前管理轉(zhuǎn)變。例如：可編制能源計劃并通過電石爐氣、蒸汽、電力的合理生產(chǎn)與使用，實現(xiàn)能源優(yōu)化利用；在線預測未來時段能源生產(chǎn)、消耗和存儲，并提前給出能源優(yōu)化調(diào)度方案。 

③實現(xiàn)能源管理由經(jīng)驗化管理向科學化定量管理轉(zhuǎn)變。例如：實時監(jiān)控到從全公司到耗能設備各個層面的數(shù)據(jù)和信息；調(diào)度指令基于統(tǒng)計分析預測數(shù)據(jù)和優(yōu)化調(diào)度建議。

4 安科瑞工業(yè)能耗系統(tǒng)介紹

安科瑞企業(yè)能源管理平臺采用自動化、信息化技術(shù)和集中管理模式，對企業(yè)的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節(jié)實行集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)化管理，監(jiān)測企業(yè)電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類能源的消耗情況，通過數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業(yè)針對各種能源需求及用能情況、能源質(zhì)量、產(chǎn)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(tǒng)計、同環(huán)比分析、能源成本分析、用能預測、碳排分析，為企業(yè)加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節(jié)能潛力、節(jié)能評估提供基礎數(shù)據(jù)和支持。

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.2 應用場所

鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫(yī)藥、水泥、煤炭、物流、鐵路、航空工業(yè)、木材、化學原料以及機電設備、電器產(chǎn)品、工器具制造等。

4.3 系統(tǒng)功能

4.3.1 可視化展示

展示企業(yè)各類能耗總量、折標值、能源成本、能源消耗趨勢、分項能耗占比、區(qū)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態(tài)。

4.3.2 實時監(jiān)控

對企業(yè)各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監(jiān)控。以便企業(yè)用戶能夠?qū)崟r的監(jiān)測各個點位的運作情況，同時能更快速有效的掌握點位的報警。

4.3.3 變壓器監(jiān)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(guī)劃。通過各種運行參數(shù)狀態(tài)下用電效能的對比分析，找出較佳運行模式。根據(jù)較佳運行模式調(diào)整負載，從而降低用電單耗，使電能損失降低。

4.3.4 用能統(tǒng)計

從能源使用種類、監(jiān)測區(qū)域、生產(chǎn)工藝/工段時間、分項等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數(shù)字表等方式對企業(yè)用能統(tǒng)計、同比、環(huán)比分析、實績分析，折標對比、單位產(chǎn)品能耗、單位產(chǎn)值能耗統(tǒng)計，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從而調(diào)整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。

4.3.5 產(chǎn)品/產(chǎn)值單耗

與企業(yè)MES系統(tǒng)對接，通過產(chǎn)品產(chǎn)量以及系統(tǒng)采集的能耗數(shù)據(jù)，在產(chǎn)品單耗中生成產(chǎn)品單耗趨勢圖，并進行同比和環(huán)比分析。以便企業(yè)能夠根據(jù)產(chǎn)品單耗情況來調(diào)整生產(chǎn)工藝，從而降低能耗。

4.3.6 績效分析

對各類能源使用、消耗、轉(zhuǎn)換，按班組、區(qū)域、產(chǎn)線、工段等進行日、周、月、年、時段績效統(tǒng)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(yè)了解內(nèi)部能效水平和節(jié)能潛力。

4.3.7 能耗預測

通過對企業(yè)生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設備等的能耗使用情況進行分析，建立能耗計算模型，根據(jù)人工智能算法對數(shù)據(jù)和模型進行修正，對未來企業(yè)能耗趨勢進行預測分析，為節(jié)能提供有效的決策依據(jù)。

4.3.8 運行監(jiān)測

系統(tǒng)對區(qū)域、工段、設備能源消耗進行數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測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(tǒng)一次運行監(jiān)視。可直接從動態(tài)監(jiān)測平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數(shù)據(jù)，支持按能源種類、車間、工段、時間等維度查詢相關(guān)能源用量。

4.3.9 分析報告

以年、月、日對企業(yè)的能源利用情況、線路損耗情況、設備運行情況、運維情況等進行多方面的統(tǒng)計分析，讓用戶多方面了解系統(tǒng)的運行情況，并為用戶提供數(shù)據(jù)基礎，方便用戶發(fā)現(xiàn)設備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節(jié)能潛力。

4.3.10 事件報警

持續(xù)監(jiān)測設備和系統(tǒng)運行，對通訊失敗、數(shù)據(jù)異常、定額超限、工藝參數(shù)異常越限、設備異常或故障進行報警，提醒企業(yè)注意和查找問題，并形成報警日志。

4.3.11 移動端支持

APP支持Android、iOS操作系統(tǒng)，方便用戶按能源分類、區(qū)域、車間、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(jiān)視、異常報警等。

4.4 現(xiàn)場設備選型

5 結(jié)語

目前，能源管理系統(tǒng)正逐步在大型化工企業(yè)推廣應用，是化工行業(yè)通過“兩化”深度融合促進節(jié)能減排的具體體現(xiàn)。盡管各家企業(yè)的基礎條件不同，生產(chǎn)與經(jīng)營管理存在差異，在系統(tǒng)的建設廣度和深度上可能存在差異，但是國家*對于工業(yè)企業(yè)能源管理中心建設項目的基本目標和功能已做了明確的要求。 因此，本文在總結(jié)浙江中控軟件技術(shù)有限公司在實施能源管理中心項目經(jīng)驗的基礎上，結(jié)合化工企業(yè)的特點，按系統(tǒng)建設目標和功能要求，設計了能源管理系統(tǒng)的功能架構(gòu)，并給出應用案例，希望能對化工行業(yè)能源管理中心建設起到推動作用。

參考文獻

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