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    伍俊 （1982-）女，湖南人，現(xiàn)就職于湘鋼集團陽春新鋼鐵能源中心，研究方向為能源管理、節(jié)能和自動化。

    關(guān)鍵詞：能源管理；調(diào)度；能源平衡；EMS（Energy Management System，能源管理系統(tǒng)）

    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(dāng)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(jié)約能源。我國能源更是面臨著巨大的壓力，十七大報告明確提出企業(yè)要加強能源資源節(jié)約和生態(tài)環(huán)境保護，增強可持續(xù)發(fā)展能力，并把節(jié)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%，能源價格呈快速上升趨勢。這給耗能型的鋼鐵企業(yè)帶來巨大的成本和市場壓力；同時能耗與環(huán)境亦有著直接的關(guān)系。由此可見，節(jié)能降耗、提高效益將是鋼鐵工業(yè)在激烈的市場競爭中采取的一項長期戰(zhàn)略目標(biāo)。

    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(xiàn)在：
能源管理模式與現(xiàn)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(diào)度手段缺乏，能源產(chǎn)生和使用過程效率不高。
能源系統(tǒng)運行穩(wěn)定性有待提高，異常情況下的調(diào)度手段單一，反應(yīng)速度慢。
能源設(shè)備裝備水平較低，與公司所需安全、穩(wěn)定、快捷的生產(chǎn)格局不相匹配。
能源管理人員素質(zhì)不能滿足公司新時期能源管理的需要，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(nèi)外同行先進水平相比，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（簡稱湘鋼）位于湖南省湘潭市岳塘區(qū)，始建于1958年，是國內(nèi)線、棒材和寬厚板專業(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40多年的建設(shè)，特別是改革開放以來加快發(fā)展，湘鋼已形成年產(chǎn)鋼600萬噸的綜合生產(chǎn)能力，被國務(wù)院確定為國家要重點抓好的300家大型企業(yè)之一。

    湘鋼擁有煉焦、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、軋材等一整套工藝裝備。其中，進口高速線材軋機、寬厚板煉鋼、精煉和軋機均達到國際先進水平。近年來，湘鋼圍繞產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整進行一系列技術(shù)改造，全面優(yōu)化了工藝結(jié)構(gòu)，先后實現(xiàn)全轉(zhuǎn)爐、全連鑄和“一火成材”，一批主要技術(shù)裝備達到國內(nèi)先進水平。

    隨著湘鋼生產(chǎn)規(guī)模日益擴大，湘鋼集團公司也明確認(rèn)識到公司的能源管理與國內(nèi)外先進同行相比，整體差距較為明顯。主要表現(xiàn)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(diào)度手段缺乏，能源產(chǎn)生和使用過程綜合利用效率低；能源系統(tǒng)運行穩(wěn)定性有待提高，異常情況下的調(diào)度手段單一，反應(yīng)速度慢以及能源設(shè)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題。因此湘鋼提出了“管理先行、業(yè)務(wù)驅(qū)動、技術(shù)支撐”的能源管理系統(tǒng)構(gòu)建思路，希望通過啟動能源管理模式的全員和全過程改進，指導(dǎo)能源管理信息系統(tǒng)的改造和建設(shè)，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(guī)模日益擴大，對能源數(shù)據(jù)的檢測、監(jiān)視與調(diào)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)是總公司的核心動力，在總公司的生產(chǎn)、生活諸方面發(fā)揮著不可替代的作用，能源生產(chǎn)調(diào)度中心將在公司整個能源生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的合理開發(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(diào)度與管理，從根本上解決各種能源資源浪費與短缺問題，必須實現(xiàn)能源資源管理的信息化和現(xiàn)代化，建立整個能源生產(chǎn)調(diào)度中心的信息管理系統(tǒng)，完成對鋼鐵企業(yè)能源數(shù)據(jù)的宏觀和微觀上的調(diào)度，從而提高企業(yè)生產(chǎn)效率和增強企業(yè)競爭力。

    4 項目實施的難點

    4.1 基礎(chǔ)設(shè)施需大量改造

    目前公司能源系統(tǒng)的計量、控制設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施配備不能滿足現(xiàn)代能源管理體系建設(shè)的要求，需要對能源設(shè)備進行大量系統(tǒng)升級和技術(shù)改造，提高能源設(shè)備的技術(shù)裝備水平，使之符合EMS系統(tǒng)的基本要求，系統(tǒng)改造任務(wù)量大、覆蓋面廣，必須統(tǒng)籌兼顧、系統(tǒng)實施，項目實施難度大。

    4.2 改造與生產(chǎn)協(xié)調(diào)組織困難

    實施能源管理系統(tǒng)建設(shè)的一大難點是現(xiàn)場系統(tǒng)的技術(shù)改造，許多基礎(chǔ)自動化、在線儀表的升級或接入必須在線實施。因此在線改造的安全、可靠實施，以及對于生產(chǎn)系統(tǒng)可能產(chǎn)生的影響必須系統(tǒng)考慮，系統(tǒng)改造的方案需反復(fù)核定，項目實施計劃也必須與生產(chǎn)計劃、設(shè)備檢修計劃相適應(yīng)，確保系統(tǒng)按計劃實施的同時，生產(chǎn)經(jīng)營目標(biāo)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行強有力的實施與推進。

    4.3 能源管理模式必須適應(yīng)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，必須通過組織機構(gòu)的相應(yīng)變化，調(diào)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)過程監(jiān)控、能源調(diào)度指揮、能源平衡決策等業(yè)務(wù)流程的職能管理部門，要優(yōu)化能源管理操作范圍和權(quán)限，整合專業(yè)技術(shù)管理，實現(xiàn)合理配置資源、高效運作能源管理系統(tǒng)的目的，能源中心的管理模式轉(zhuǎn)變也要結(jié)合作業(yè)長制改革的實施逐步推進。

    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，也是項目實施的難點點之一。

    4.4 能源管理系統(tǒng)將來正常運行與維護的困難

    能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)維護涉及到過程測量、數(shù)據(jù)采集、過程控制、網(wǎng)絡(luò)傳輸、實時數(shù)據(jù)庫等各個環(huán)節(jié)，也涉及到水、電、風(fēng)、汽、熱能等諸多工藝專業(yè)；同時要實現(xiàn)部分站所無人值守目標(biāo)，需同步考慮安防、火警、視頻系統(tǒng)的投入，也要考慮管理模式集中扁平化對設(shè)備運行、點檢、維護等方面需求的相應(yīng)變化。目前能源數(shù)據(jù)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(gòu)調(diào)整及維護人員配置等方面必須要系統(tǒng)考慮、統(tǒng)籌安排，考慮到上線后的運行維護支持，參與人員必須深化對于技術(shù)的把握，公司要加大相關(guān)專業(yè)技術(shù)支援的力度。

    EMS不僅僅是一個信息系統(tǒng)，本質(zhì)上也是一個在線的生產(chǎn)系統(tǒng)，因此在項目前期就應(yīng)著手研究系統(tǒng)將來的運行維護等基礎(chǔ)保障手段。

    5 能源管理系統(tǒng)設(shè)計

    5.1 總體目標(biāo)

    湘鋼能源管理系統(tǒng)建設(shè)的總體目標(biāo)是：依據(jù)現(xiàn)代化能源管理思想，通過對公司能源管理現(xiàn)狀進行調(diào)研和分析，探索建立符合湘鋼長期發(fā)展戰(zhàn)略需求的新型能源管理模式；按照總體規(guī)劃、分步實施、統(tǒng)籌兼顧、重點突破、效益驅(qū)動的原則，對公司現(xiàn)有的能源基礎(chǔ)設(shè)施實施系統(tǒng)升級和技術(shù)改造，提升企業(yè)能源系統(tǒng)的技術(shù)裝備水平；建設(shè)集過程監(jiān)控、能源調(diào)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)營有效結(jié)合，實現(xiàn)企業(yè)能源生產(chǎn)供應(yīng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟、高效，達到降低企業(yè)成本、節(jié)能減排、保護環(huán)境的目標(biāo)，最終實現(xiàn)湘鋼的循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展。

    5.2 設(shè)計思路

    按照先進的能源系統(tǒng)運行管理模式，公司能源管理系統(tǒng)的設(shè)計主要思路如下：

    （1）建立現(xiàn)代化能源管理模式

    能源管理系統(tǒng)要對整個公司范圍內(nèi)的水、電、風(fēng)、汽（氣）、煤、焦等各種能源進行生產(chǎn)調(diào)度和監(jiān)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(tǒng)一的管理流程中，進行一級調(diào)配、考核和管理，最終建立能源管理系統(tǒng)的一貫制運作流程和“一級生產(chǎn)一級調(diào)度”的科學(xué)化能源管理模式。

    （2）改造提高能源設(shè)備的裝備技術(shù)水平

    能源供需數(shù)據(jù)的真實、完整和唯一性是能源管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，對基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的信息集成和數(shù)據(jù)采集實施技術(shù)升級和系統(tǒng)優(yōu)化改造，為能源管理系統(tǒng)提供強有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。要充分考慮公司現(xiàn)有工業(yè)控制系統(tǒng)、基礎(chǔ)自動化和企業(yè)資源信息系統(tǒng)的使用和分布情況，集成現(xiàn)有的能源監(jiān)控系統(tǒng)和計量系統(tǒng)，實現(xiàn)湘鋼能源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、統(tǒng)一管理和使用，實行一站式的管理和按授權(quán)的分散使用，滿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(tǒng)

    能源管理系統(tǒng)要進行集中監(jiān)視、控制和管理，必須通過先進的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)強化能源基礎(chǔ)管理，實現(xiàn)從能源數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、能源介質(zhì)消耗分析、能耗管理等全過程自動化、高效化、科學(xué)化管理，實施有效的在線能源監(jiān)控管理和能源平衡調(diào)度，充分應(yīng)用和發(fā)揮以節(jié)能降耗為目標(biāo)的能源管理技術(shù)，實施能源管控一體化，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(shè)備介質(zhì)單耗的公司能源四級能耗指標(biāo)管理；并逐步進行能源工藝優(yōu)化，以合理利用能源，挖掘節(jié)能潛力。

    （4）能源系統(tǒng)長期對生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的支撐

    整個系統(tǒng)的設(shè)計既要考慮節(jié)約投資，又要考慮信息系統(tǒng)的完整性，要根據(jù)統(tǒng)籌兼顧、效益驅(qū)動的原則，實現(xiàn)與既有企業(yè)信息化系統(tǒng)的無縫集成，有效兼顧實用和先進性、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(tǒng)隨主工藝系統(tǒng)不斷擴展的特點，設(shè)計實現(xiàn)系統(tǒng)擴展的便利性和在線擴展、技術(shù)升級的技術(shù)可行性。在可預(yù)見未來時期內(nèi)，能夠通過對EMS的擴展，滿足公司生產(chǎn)工藝改造對能源的監(jiān)控、調(diào)度和管理的需要。

    系統(tǒng)建設(shè)時將制定湘鋼能源管理系統(tǒng)的規(guī)范，為公司將來新建項目必須滿足的能源監(jiān)控條件提供依據(jù)。

    5.3 能源管理系統(tǒng)的架構(gòu)

    5.3.1 總體架構(gòu)

    能源管理系統(tǒng)（EMS）設(shè)計為三層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用層。底層為數(shù)據(jù)采集層，中層為實時數(shù)據(jù)處理層，上層為應(yīng)用管理層。數(shù)據(jù)采集層由PLC、遠程I/O或RTU及現(xiàn)場檢測、執(zhí)行設(shè)備等組成，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和實時控制；中層主要設(shè)備是I/O服務(wù)器，主要完成實時數(shù)據(jù)處理和短時歸檔；上層主要設(shè)備有應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)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(diào)度、管理等功能。如圖1所示。

   
                 
                                            圖  1
    5.3.2 EMS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

    EMS采用單獨的網(wǎng)絡(luò)并通過防火墻與公司的ERP、MES等網(wǎng)絡(luò)進行連通，彼此間的通訊必須通過防火墻過濾，嚴(yán)禁旁路。

      EMS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為現(xiàn)場光纖工業(yè)環(huán)網(wǎng)，能源調(diào)度中心的核心以太網(wǎng)以及現(xiàn)場采集站接入網(wǎng)絡(luò)等幾部分組成。

    現(xiàn)場工業(yè)以太網(wǎng)采用光纖環(huán)網(wǎng)構(gòu)成，按照能源工藝系統(tǒng)的廠區(qū)地理位置分布，形成雙環(huán)網(wǎng)。現(xiàn)場各采集系統(tǒng)分別連接到工業(yè)環(huán)網(wǎng)的各個子站上，形成星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

    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，用于連接實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、長時歸檔數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)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網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的VLAN及路由等。

    標(biāo)準(zhǔn)客戶以太網(wǎng)用于連接操作站、技術(shù)管理站、調(diào)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2個1000M端口分別連接到2臺核心交換機上，整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。


                  
 
                                          圖  2

    5.4 能源管理系統(tǒng)實現(xiàn)的基本功能

    能源管理系統(tǒng)實現(xiàn)的基本功能有：能源生產(chǎn)過程監(jiān)控、基礎(chǔ)能源管理、能源實時平衡與調(diào)度功能、能源的優(yōu)化與節(jié)能功能、其它如設(shè)備管理及能源質(zhì)量、環(huán)保安全監(jiān)測功能等。

    （1）能源生產(chǎn)過程監(jiān)控功能

    對電、燃?xì)狻⒀酢⒌濉⒄羝⒏鞣N水等能源設(shè)備系統(tǒng)進行實時監(jiān)控、系統(tǒng)故障報警和分析，并對能源中心管轄的能源設(shè)備進行遠程操作控制。作為能源的生產(chǎn)指揮控制中心，能源管理中心將負(fù)責(zé)日常的生產(chǎn)調(diào)度，保證主作業(yè)線正常有序的生產(chǎn)，并在突發(fā)事件期間實施能源應(yīng)急調(diào)度策略，確保能源生產(chǎn)供應(yīng)安全經(jīng)濟穩(wěn)定，并對能源介質(zhì)的質(zhì)量進行監(jiān)控管理。


                  

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

    包括能源計劃管理、能源費用管理、能源實績管理、能源單耗管理、能耗預(yù)測、能源分析、工序能耗管理以及能源平衡管理。

    （3）能源實時平衡與調(diào)度功能

      系統(tǒng)在實時能源信息的基礎(chǔ)上，對能源生產(chǎn)供應(yīng)進行實績分析，配合單耗、工序能耗以及費用分析，通過能源預(yù)測與分析模型實施科學(xué)預(yù)測并制定調(diào)整計劃，指導(dǎo)實施控制、管理與調(diào)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(yù)測、趨勢分析都是基于能源預(yù)測與分析模型及經(jīng)驗數(shù)值，提供調(diào)度參考方案，協(xié)助制定能源計劃和實施及時調(diào)度。如圖4所示。
    
                  

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

    通過大量累積的能源系統(tǒng)數(shù)據(jù)，在短期企業(yè)能源介質(zhì)平衡基礎(chǔ)上，能源管理人員可制定中長期湘鋼各種能源介質(zhì)的綜合利用方案，進而優(yōu)化企業(yè)的能源供需平衡，降低能耗。

    （5）支撐功能

    監(jiān)視報警：對重要運行設(shè)備狀況進行故障監(jiān)視、控制和報警，確保整個能源生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)備和人身安全。設(shè)置大屏幕監(jiān)視，在能源調(diào)度中心控制大廳，設(shè)置背投監(jiān)視屏，對整個能源管理系統(tǒng)進行重要內(nèi)容的全局監(jiān)視。

    能源設(shè)備管理功能：對關(guān)鍵能源設(shè)備進行精細(xì)化管理，根據(jù)關(guān)鍵能源設(shè)備信息庫信息和接收的ERP 或MES 數(shù)據(jù)，系統(tǒng)生成能源設(shè)備檢修計劃；在能源設(shè)備發(fā)生異常時，系統(tǒng)自動評估可能產(chǎn)生的后果，發(fā)出不同的預(yù)警信號，并提示啟用相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。

    能源介質(zhì)質(zhì)量監(jiān)測功能：對能源介質(zhì)質(zhì)量（如電能質(zhì)量、水質(zhì)指標(biāo)、煤氣質(zhì)量等）進行在線連續(xù)監(jiān)視，指標(biāo)發(fā)生異常時，系統(tǒng)自動報警。

    環(huán)保安全監(jiān)測功能：對能源介質(zhì)的環(huán)保數(shù)據(jù)（如SO2、煙塵濃度、流量、廢水排放等）進行在線連續(xù)實時監(jiān)視，并在出現(xiàn)異常時實施應(yīng)急調(diào)度策略，確保能源介質(zhì)質(zhì)量、環(huán)境指標(biāo)均滿足要求。

    6 小結(jié)

    湘鋼實施能源管理系統(tǒng)后，在能源實時監(jiān)控、能源調(diào)度、能源平衡、能源優(yōu)化和節(jié)能等方面都起到了非常顯著的作用。從改造的經(jīng)驗、系統(tǒng)的設(shè)計、系統(tǒng)的管理都提供了可借鑒的經(jīng)驗。

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  摘自《自動化博覽》2010年第十二期