王子锋
摘要: 通过对大型化工企业能耗情况和现有能源管理模式的分析，系统地介绍了能源管理系统的设计，主要包括能源数据集成、能源系统实时监控、能源管理软件开发和能源优化调度等，然后介绍了某大型氯碱企业能源管理系统的实施与应用情况。通过系统实现，在确保生产工艺流程平稳运行的前提下，实现企业能源系统的在线监控、集中管理与优化调度，从而有效地提高企业能源管理水平和能源利用效率，为单体设备、各生产装置和整个企业的多方位节能提供充分支撑。
关键词:能源管理系统；化工企业；信息系统
作为世界石油和化工生产大国，我国2011年全行业总产值已突破11万亿元，全行业综合能源消耗超过5.2亿吨标煤，约占同期全国能源消耗总量的15%。“十二五”期间，要保持一定的发展速度并实现能耗下降20%、排放减少10%的目标，十分艰难。如何在提高产品产（收）率和改善产品品质的同时，降低能源与资源消耗，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，是面临的重要课题。 随着“两化”深度融合的推进，国家加大了对节能降耗的支持力度，鼓励企业通过采用信息化、自动化技术，并结合系统优化和节能改造更新等措施，实现提高能源介质回收、梯级利用水平和多能源介质协同平衡优化水平，降低重要能源介质放散[1]。截止2012年底，国家工信部已经批准50多家化工企业的能源管理中心建设示范项目。 一个设计合理、功能完备并与生产管理系统紧密结合的化工企业能源管理系统（中心）正常 使用时，可实现多达5%的节能量。
本文针对化工企业的用能特点和能源管理现状与要求，系统地介绍了能源管理系统的设计，主要包括数据集成、能源系统实时监控、能源管理软件开发和能源优化调度等。
1 能源管理系统的设计
化工企业使用的能源种类多，品位高低不等，主要的能源介质和载体包括燃料、电力、热能载体、耗能物流以及化学能输入和化学能输出等。尽管不同类型企业各种能源介质的比重不同， 但燃料、蒸汽和电力仍然是化工企业消耗的主要能源。除了采用新工艺、新设备，减低动力能耗、加强保温除垢之外，建立能源管理体系和建设能源管理系统是实现管理节能的两个重要手段，同时促进系统能量的综合利用。 例如，实施热电联产和采用变频技术可降低电耗，运用控制（APC）技术可挖掘装置生产潜能、降低单位产品能耗。 系统通过能源计划、能源监控、能源平衡、统计分析等多种手段，准确掌控企业能源，使节能工作责任明确，降低能耗，提高效益。
系统的建设目标是：实现对各种能源介质和重点耗能设备的实时监控、控制、优化调度和综合管理，及时了解和掌握各种能源介质的生产、使用以及各种能源管网、关键耗能设备的运行工况，做到科学决策和调度指挥，确保生产与能源系统的安全、可靠、经济和有效运行。主要工作内容包括：完善能源计量仪表、自动化系统和网络系统，实现能源数据采集和能源系统实时监控；在实时数据库和关系数据库的支撑下，综合集成生产与能源系统各种相关信息，实现集能源计划、实绩、统计、考核和报表等多方位能源管理并挖掘企业节能潜力；在准确预测能源系统产耗存变化的基础上，通过建立能源系统优化调度模型，自动给出能源优化调度建议和方案，实现重要能源介质的优化调度和事前管理，在保证能源管网和设备安全的前提下，提高二次能源的回收率和利用效率，使得能源系统运行达到安全、经济和合理的目标。图1给出了系统整体功能架构设计。
系统的基本功能架构包括：
（1）“适合实用”的能源数据采集网络
在现有基础上，按可靠性、冗余性和可实现性要求完善各级能源计量网络和化工企业的一、二级和重要的三级能源测量点及数据采集平台；借助企业已有数据采集网络基础，建立“适合实用”的能源数据采集网络系统，适应未来能流和物流高度集成的需求。
（2）“高度集成”的能源综合监控中心
覆盖与节能减排息息相关的各种信息，主要包括：各动力介质系统信息、固体燃料系统信息、炉窑、耗能设备和耗电设备信息、质量安全环保信息、生产关键信息、能源质量信息、能源计量数据等。涉及一、二级能源计量数据、重要的三级计量数据、生产关键数据。 集成实时监控、状态监视、历史趋势查询、安全设备质量报警、实时报表等监控功能，并将集成能源预测、能源管网模拟和能源优化调度等功能； 在与生产管理系统集成的基础上，实现管控一体化。
（3）“事前管理、事中监督、事后考核”为主线的能源管理平台
系统将实现从计划、调度、操作运行到统计、考核整个事务流的闭环管理。 做到“事前管理、事中监督、事后考核”。
事前管理
与生产管理系统集成，获取生产相关信息， 并通过建立各工序各能源介质单耗模型，给出各工序各能源介质的生产和消耗计划， 实现“事前静态管理”；与能源优化调度系统集成，获取实时能源产耗预测信息和优化调度建议，实现“事前动态管理”。
事中监督
通过计划实绩管理、 调度运行管理、关键耗能设备管理和质量环保管理，实时跟踪计划执行情况和现场运行状况，在线动态调整能源平衡，实现能源管网和能源设备的在线监督；通过统计分析管理提供的强大数据挖掘和分析工具，对影响系统运行的各个影响因素进行对比关联分析， 准确指导在线能源调整和调度，优化能源生产工况。
事后考核
通过能源的统计分析管理、计量结算管理、考核管理和报表管理，及时获取能源定额和计划的执行情况、能源成本的变化情况、能源平衡的具体情况、能源设备的运行情况、能源质量环保和安全情况等， 在系统中严格按照公司管理流程和规定，对超额和节能现象进行奖惩，通过考核制度的严格执行，督促各相关单位节能减排的持续改善。
（4）“准确可靠”的能源预测、平衡与优化调度
模型通过采集、监控和分析基础能流数据，建立能源预测与优化调度模型，对主要能源介质的生产和消耗进行准确预测，对主要能源介质管网进行在线动态模拟计算，给出重点能源介质优化调度方案，通过能源介质产、存、耗的动态平衡和优化调度，提高能源平衡水平和能源介质利用效率，实现节能减排增效目标。
2 能源管理系统的实现
2.1 能源计量仪表、自动化系统和数据采集的完善
为满足系统的建设要求，需要采集的数据包括一二级能源数据、重要三级能源数据、固体原燃料三级计量数据、重点耗能设备的运行数据、质量环保安全数据以及与能源系统相关的生产数据等。在系统建设期间，需要根据企业的实际情况，新增必要的能源计量仪表，并对缺少通讯接口的计量仪表进行改造，这样不仅能提高能源计量仪表的配备率，而且为实现能源系统的实时监控与管理提供了保障。
为实现数据采集，系统需要根据企业现有网络架构情况，在厂区内构建千兆以太环网作为主干网，并利用三层交换技术实现大型局域网的VLAN划分，各分厂汇聚点与控制系统或下级单位（车间）采用百兆光纤收发器接入主干环网；网络主干拓扑设计为环形结构和树形结构相结合，其中核心层采用工业以太环网设计，各分厂汇聚层接入能源主干网采用树形结构。 图2给出了数据采集网络示意图。
生产管理系统等也可共网接入，但又可与系统产生相互隔离的效果，达到数据传输互不干扰，网络安全稳定的目的。系统可通过硬件防火墙和公司办公网络进行连接，确保能源数据网络和办公网络的物理隔离。
2.2 能源系统的综合监控与管理
系统采用中控的实时数据库ESP-iSYS和综合集成平台，建立“高度集成”的能源综合监控系统。覆盖各动力介质系统信息、重点耗能设备和耗电设备信息、质量安全环保信息、与系统相关的关键生产信息等。基于系统平台集中监控一二三级能源数据、与关键能耗设备有关的运行数据、质量环保数据以及与系统相关的生产数据，在系统实现上述数据的综合集成、监视和管理。
能源综合监控系统集成能源数据诊断与校正、各能源介质系统和耗能设备实时监视、历史数据归档、事件记录和查询、报警、故障诊断与应急联动、系统监控诊断等功能，并结合能源优化调度系统所具有的能源预测、能源管网模拟和能源优化调度等功能模块，实现能源管控一体化。
基础能源管理系统涵盖能源计划与实绩管理、能源调度运行管理、能源计量结算管理、能源质量环保管理、能源设备管理、能源统计分析、能源考核管理、能源报表管理等功能，实现从计划、调度、操作运行到统计、考核整个事务流的闭环管理，基于强大的数据挖掘工具和规范化的管理流程，提供准确有效的分析数据、有价值的节能建议以及强有力的考核措施。
2.3 能源系统的平衡与优化调度
在本系统中，能源系统的平衡与优化调度是在基础数据的采集、监控和分析的基础上，通过建立能源预测与优化调度模型，实现对能源介质的生产和消耗进行准确预测，对能源介质管网进行在线动态模拟计算， 并在能源预测和管网模拟的基础上，以未来一段时间内能源消耗成本较低和能源放散少为目标，给出各能源介质优化的调度建议和方案，通过能源介质产、存、耗的动态平衡和优化调度，提高能源平衡水平和能源介质利用效率，实现节能减排增效目标。
3 应用案例
某大型氯碱企业（含热电、电石、化工、水泥四大产业13家生产企业，构成大型循环经济产业园区）的能源管理系统已通过上述设计与实现，形成能流、物流、信息流高度集成统一的能源管控一体化系统，保证了能源系统的安全稳定和经济有效运行。 应用效果如下：
1）成功建设了工业园区级能源管理中心，使集团总调实现整个工业园区多家企业的能源集中管控和优化调度；
2）成立了以董事长为组长的领导小组和以总经理为组长的联合实施小组，优化了集团能源管控流程和组织架构，完善了能源计量设施和能源管理体系；
3）建立了能源预测与优化调度模型，实现了台锅炉、发电机组与后续电石、乙炔、烧碱、PVC、水泥各生产装置产用蒸汽、电的优化匹配和调度，实现综合能耗降低3%，实现节煤量9万吨标煤，产生良好的经济效益。图3给出了蒸汽与电力系统调度优化界面示意图。
4）建立了蒸汽和电石炉气管网在线模拟模型，可以准确计算管网内部详细信息，及时发现能源跑冒滴漏问题，发现管网设计缺陷，实现管网准确调度，减少蒸汽和电石炉气损失；
5）建立了涵盖能源计划实绩、计量结算、统计分析、考核监察、调度运行等功能模块的完整的能源闭环管理平台， 形成完整的能源管理在线流程，实现了向管理要节能的目标；
6） 实现了能源管理中心系统和ERP系统的集成，建立能源数据、生产数据和财务数据的双向共享机制，提高了两套系统的利用效率。能源管理中心建成后：
①实现了能源管理粗放管理到精细化管理的转变。例如：能源监控和管理范围扩展到各分厂，实现了重要的三级计量数据全公司分享；能源监控和管理细化到耗能设备和耗电设备。
②实现能源管理由事后管理向事前管理转变。例如：可编制能源计划并通过电石炉气、蒸汽、电力的合理生产与使用，实现能源优化利用；在线预测未来时段能源生产、消耗和存储，并提前给出能源优化调度方案。
③实现能源管理由经验化管理向科学化定量管理转变。例如：实时监控到从全公司到耗能设备各个层面的数据和信息；调度指令基于统计分析预测数据和优化调度建议。
4 安科瑞工业能耗系统介绍
安科瑞企业能源管理平台采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理，监测企业电、水、燃气、蒸汽及压缩空气等各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业针对各种能源需求及用能情况、能源质量、产品能源单耗、各工序能耗、重大能耗设备的能源利用情况等进行能耗统计、同环比分析、能源成本分析、用能预测、碳排分析，为企业加强能源管理，提高能源利用效率、挖掘节能潜力、节能评估提供基础数据和支持。
4.1 系统结构
4.2 应用场所
钢铁、石化、冶金、有色金属、采矿、医药、水泥、煤炭、物流、铁路、航空工业、木材、化学原料以及机电设备、电器产品、工器具制造等。
4.3 系统功能
4.3.1 可视化展示
展示企业各类能耗总量、折标值、能源成本、能源消耗趋势、分项能耗占比、区域能源消耗对比,以及当前天气情况、污染情况，并三维展示企业重要工艺或工段的能源消耗动态。
4.3.2 实时监控
对企业各点位的能源使用、报警等情况进行实时的监控。以便企业用户能够实时的监测各个点位的运作情况，同时能更快速有效的掌握点位的报警。
4.3.3 变压器监控
展示各电压器的负载情况，从而可以为变压器配备情况进行科学合理的规划。通过各种运行参数状态下用电效能的对比分析，找出较佳运行模式。根据较佳运行模式调整负载，从而降低用电单耗，使电能损失降低。
4.3.4 用能统计
从能源使用种类、监测区域、生产工艺/工段时间、分项等维度，采用曲线、饼图、直方图、累积图、数字表等方式对企业用能统计、同比、环比分析、实绩分析，折标对比、单位产品能耗、单位产值能耗统计，找出能源使用过程中的漏洞和不合理地方，从而调整能源分配策略，减少能源使用过程中的浪费。
4.3.5 产品/产值单耗
与企业MES系统对接，通过产品产量以及系统采集的能耗数据，在产品单耗中生成产品单耗趋势图，并进行同比和环比分析。以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。
4.3.6 绩效分析
对各类能源使用、消耗、转换，按班组、区域、产线、工段等进行日、周、月、年、指定时段绩效统计按照能源计划或定额制定的绩效指标进行KPI比较考核，帮助企业了解内部能效水平和节能潜力。
4.3.7 能耗预测
通过对企业生产工艺、生产设备等的能耗使用情况进行分析，建立能耗计算模型，根据人工智能算法对数据和模型进行修正，对未来企业能耗趋势进行预测分析，为节能提供有效的决策依据。
4.3.8 运行监测
系统对区域、工段、设备能源消耗进行数据采集，监测设备及工艺运行状态，如温度、湿度、流量、压力、速度等，并支持变配电系统一次运行监视。可直接从动态监测平面图快速浏览到所管理的能耗数据，支持按能源种类、车间、工段、时间等维度查询相关能源用量。
4.3.9 分析报告
以年、月、日对企业的能源利用情况、线路损耗情况、设备运行情况、运维情况等进行多方面的统计分析，让用户多方面了解系统的运行情况，并为用户提供数据基础，方便用户发现设备异常，从而找出改善点，以及针对用能情况挖掘节能潜力。
4.3.10 事件报警
持续监测设备和系统运行，对通讯失败、数据异常、定额超限、工艺参数异常越限、设备异常或故障进行报警，提醒企业注意和查找问题，并形成报警日志。
4.3.11 移动端支持
APP支持Android、iOS操作系统，方便用户按能源分类、区域、车间、工序、班组、设备等不同维度掌握企业能源消耗、效率分析、同环比分析、能耗折标、用能预测、运行监视、异常报警等。
4.4 现场设备选型
5 结语
目前，能源管理系统正逐步在大型化工企业推广应用，是化工行业通过“两化”深度融合促进节能减排的具体体现。尽管各家企业的基础条件不同，生产与经营管理存在差异，在系统的建设广度和深度上可能存在差异，但是国家工信部对于工业企业能源管理中心建设项目的基本目标和功能已做了明确的要求。 因此，本文在总结浙江中控软件技术有限公司在实施能源管理中心项目经验的基础上，结合化工企业的特点，按系统建设目标和功能要求，设计了能源管理系统的功能架构，并给出应用案例，希望能对化工行业能源管理中心建设起到推动作用。