能源管理中心建設(shè)思路的探討

謝智勇， 李愛東，常睿

(1. 天津渤?；び邢挢?zé)任公司 天津堿廠，天津 300452；2. 北京郵電大學(xué) 國際學(xué)院，北京 100876)

1 能源管理中心建設(shè)的必要性

天津堿廠經(jīng)過搬遷改造，由單一的無機(jī)化工轉(zhuǎn)變?yōu)榧Ｑ蠡?、石油化工、碳一化工三位一體的大型現(xiàn)代化工企業(yè)，擁有煤氣化、合成氨、甲醇、醋酸、丁辛醇、聚甲醛等多套生產(chǎn)裝置。2010年8月，隨著新區(qū)各裝置陸續(xù)開車成功及負(fù)荷逐步提升，新區(qū)能源消耗也在不斷提高。該廠能源消耗情況如圖1所示。

該新區(qū)各化工裝置采用了國內(nèi)外先進(jìn)的工藝技術(shù)，能源消耗水平優(yōu)于國內(nèi)同行業(yè)平均水平，但同國際先進(jìn)水平相比還存在著一定差距。同時，該新區(qū)擁有多套化工裝置，所使用的能源不僅數(shù)量龐 大，而且品種繁多，能源的分級綜合利用、余熱余能回收以及整個園區(qū)的節(jié)能控制還有很大的提升空間，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗水平的不斷提升，除使用高效節(jié)能的化工設(shè)備、不斷變革工藝技術(shù)之外，研究并建立一套符合自身發(fā)展需要的能源管理體系，對能源使用進(jìn)行科學(xué)、有效的綜合管理至關(guān)重要。能源管理中心系統(tǒng)是指采用自動化、信息化技術(shù)和集中管理模式，對企業(yè)能源系統(tǒng)的生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節(jié)實(shí)施集中扁平化的動態(tài)監(jiān)控和數(shù)字化管理，改進(jìn)和優(yōu)化能源平衡，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性節(jié)能降耗的管控一體化系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對企業(yè)生產(chǎn)、輔助系統(tǒng)用能數(shù)據(jù)的在線采集、儲存處理以及模型優(yōu)化計(jì)算，為企業(yè)的優(yōu)化用能提供在線指導(dǎo)，同時能夠?qū)ζ髽I(yè)能耗指標(biāo)的變化進(jìn)行在線監(jiān)控、分析和回溯，并對企業(yè)的能耗計(jì)劃、能耗需求及供應(yīng)渠道進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)企業(yè)能源利用效率的持續(xù)提高。

2 能源管理中心的建設(shè)及作用

2.1 架構(gòu)及組成

該廠能源管理中心是以現(xiàn)有生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)(MES)為基礎(chǔ)，進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)擴(kuò)充而建立的。作為能源管理和優(yōu)化的一體化系統(tǒng)，由硬件、軟件及在線優(yōu)化模型組成，包括全廠各個裝置中能源介質(zhì)的計(jì)量、控制與管理。能源管理中心分別采集動力(煤、天然氣、柴油、蒸汽等)、電力、水(循環(huán)水、冷凝水、除鹽水、一次水等)、氧氣、壓縮空氣、氮?dú)狻h(huán)保等信息進(jìn)行分析和處理，再將信息傳送到數(shù)據(jù)庫、操作站等，進(jìn)行能源介質(zhì)運(yùn)行趨勢及主要能源設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的顯示與報警，通過系統(tǒng)對主要設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)設(shè)定實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和實(shí)時調(diào)整。能源管理中心系統(tǒng)通過與PLC，DCS，MES，ERP等進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)完成計(jì)劃管理、質(zhì)量管理、成本管理、能耗預(yù)測、優(yōu)化調(diào)度、循環(huán)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等管理功能。能源管理中心的功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1 天津堿廠能源管理中心功能整體架構(gòu)示意

2.2 建設(shè)內(nèi)容

該能源管理中心的建設(shè)，重點(diǎn)需完善現(xiàn)有能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，建設(shè)內(nèi)容主要包括以下幾項(xiàng)：

1)主工藝單元生產(chǎn)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集。該廠共有7套主工藝生產(chǎn)裝置，各生產(chǎn)工藝裝置都有各自的DCS，且DCS相關(guān)數(shù)據(jù)已經(jīng)上傳至總廠的MES。能源管理中心系統(tǒng)從已有的MES中采集所需數(shù)據(jù)，現(xiàn)有系統(tǒng)未囊括的部分采集數(shù)據(jù)作為新增檢測點(diǎn)。

2)物流系統(tǒng)改造。將全廠一級、二級及部分三級物資計(jì)量信號采集到能源管理中心系統(tǒng)中，對物料(煤)計(jì)量、軌道衡、汽車衡、皮帶秤等信號進(jìn)行整合。通信方面實(shí)現(xiàn)各計(jì)量器具的信號互通。

3)電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集。能源管理中心的建設(shè)需對現(xiàn)場的變、配電所進(jìn)行改造，并按照負(fù)荷與地理位置情況分區(qū)域劃分，通過增加遠(yuǎn)動通信單元等方式將電力信號接入能源管理中心網(wǎng)絡(luò)。改造完成后，擬對1座110kV變電站和7座35kV變電站都實(shí)現(xiàn)信號監(jiān)控，并對其余工藝系統(tǒng)的低壓配電室實(shí)現(xiàn)裝置級(重點(diǎn)設(shè)備)的用電量數(shù)據(jù)采集。

4)能源計(jì)量數(shù)據(jù)的采集。能源計(jì)量主要需將全廠的一級和二級及部分三級計(jì)量信號集中采集到能源管理系統(tǒng)中，在計(jì)量點(diǎn)相對集中的位置設(shè)置計(jì)量數(shù)據(jù)采集站(PLC系統(tǒng))，以RS-485接口，Modbus等通信協(xié)議或者無線通信的方式采集計(jì)量數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)由現(xiàn)場儀表進(jìn)行累計(jì)或者數(shù)據(jù)補(bǔ)正等，并通過通信協(xié)議傳輸至計(jì)量數(shù)據(jù)采集站，再通過以太網(wǎng)協(xié)議將數(shù)據(jù)送至能源管理中心服務(wù)器中。

2.3 技術(shù)特點(diǎn)

該能源管理中心的建設(shè)是從現(xiàn)場實(shí)際情況出發(fā)，綜合考慮了生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)、用能單位較多等特點(diǎn)，具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

1)以節(jié)能減排為核心目標(biāo)。無論從底層的儀表計(jì)量、數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)改造，還是上層的綜合監(jiān)控和優(yōu)化調(diào)度，均以節(jié)能減排為指導(dǎo)思想，凡是明顯利于節(jié)能減排的，優(yōu)先考慮。

2)符合該廠實(shí)際現(xiàn)狀和需求。充分吸收和利用該廠已有的自動化與信息化建設(shè)成果，如DCS，實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，MES，ERP系統(tǒng)以及已有工業(yè)和信息網(wǎng)絡(luò)等，使其在未來的能源管控系統(tǒng)中發(fā)揮應(yīng)有的作用。

3)與生產(chǎn)系統(tǒng)緊密結(jié)合。能源管理以服務(wù)于生產(chǎn)為最終目的，很多能源介質(zhì)產(chǎn)自于主流程和生產(chǎn)設(shè)備，同時又供主流程和生產(chǎn)設(shè)備消耗。未來能源管理中心需要監(jiān)控生產(chǎn)情況和關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀況，需要了解生產(chǎn)計(jì)劃和維修計(jì)劃。同時，能源管理中心也要將能源計(jì)劃和實(shí)績、能源統(tǒng)計(jì)分析、能源預(yù)測調(diào)度等信息以及有利于節(jié)能減排的優(yōu)化生產(chǎn)方式反饋給生產(chǎn)系統(tǒng)。

4)強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)耗能設(shè)備的監(jiān)控。重點(diǎn)耗能設(shè)備的能耗占系統(tǒng)總能耗的絕大部分，實(shí)時監(jiān)控重點(diǎn)耗能設(shè)備的運(yùn)行狀況和能源利用效率是提高能源管理水平，促進(jìn)節(jié)能減排的關(guān)鍵。

5)實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)能源介質(zhì)的事前管理和優(yōu)化調(diào)度。蒸汽、電力、循環(huán)水、冷凝水、氮?dú)馐窃搹S能源消耗和損耗較大的二次能源介質(zhì)，針對此類介質(zhì)，建立能源負(fù)荷預(yù)測與優(yōu)化調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)基于模型的“事前調(diào)度”和“定量調(diào)度”，可以明顯地提高能源系統(tǒng)的平衡水平和能源介質(zhì)的綜合利用水平。

6)加強(qiáng)事后統(tǒng)計(jì)和考核。基于能源管理中心，對各項(xiàng)能耗指標(biāo)(包括總廠、各分廠、各裝置、各產(chǎn)品的能耗指標(biāo))和定額指標(biāo)進(jìn)行細(xì)化，并通過閉環(huán)管理措施，嚴(yán)格執(zhí)行定額加價、整改懲罰、執(zhí)法監(jiān)督制度，基于嚴(yán)格分層次考核管理提高能源利用水平。

2.4 目標(biāo)及作用

該能源管理中心的建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，旨在優(yōu)化該廠能源利用率，根據(jù)能源管理中心各個系統(tǒng)的作用建立的層次目標(biāo)如圖2所示。

圖2 能源管理中心層次目標(biāo)

能源管理中心建成后，將以此為平臺，實(shí)現(xiàn)集管理、生產(chǎn)組織、工藝調(diào)整為一體的集中管理方式。與傳統(tǒng)管理模式相比，能源管理中心的作用效果更加明顯，具體作用效果見表1所列。

3 需注意的問題和建議

1)整合利用現(xiàn)有資源，減少投資。該廠新區(qū)建設(shè)建立了較完善的DCS、生產(chǎn)實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)、MES、調(diào)度系統(tǒng)、企業(yè)局域網(wǎng)系統(tǒng)，部分生產(chǎn)裝置實(shí)施了先進(jìn)控制，并且正在建設(shè)ERP系統(tǒng)，這都為建立企業(yè)能源管理系統(tǒng)打下了良好的基礎(chǔ)。隨著能源管理系統(tǒng)項(xiàng)目建設(shè)的啟動，整合好此類資源可以較大程度地減少投資，縮短建設(shè)周期。

2)針對能源管理的薄弱環(huán)節(jié)，以能源管理中心的建設(shè)為契機(jī)，持續(xù)改進(jìn)。新區(qū)各化工裝置相互依賴性較強(qiáng)，上下游裝置受生產(chǎn)負(fù)荷波動影響較大，由于管控及調(diào)節(jié)手段有限，造成部分裝置的蒸汽、循環(huán)水、除鹽水、電力等能源介質(zhì)的消耗較設(shè)計(jì)值有一定的差距。以蒸汽為例，該廠新區(qū)擁有高壓、中壓、次中壓、低壓、次低壓5個等級的蒸汽管網(wǎng)及相應(yīng)的減溫減壓裝置，由于減溫減壓裝置及重點(diǎn)用能(蒸汽)設(shè)備分散在各個裝置區(qū)，使蒸汽的分級綜合利用及余熱、冷凝水的回收利用都受到限制，通過能源管理中心的建設(shè)及運(yùn)行，可以在能源管理中心實(shí)現(xiàn)對上述能源介質(zhì)的集中管控，從而降低消耗。

3)完善的計(jì)量體系、統(tǒng)計(jì)體系、核算體系是能源管理中心有效運(yùn)行的前提條件。能源管理中心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源于各個生產(chǎn)裝置，全廠各個裝置計(jì)量設(shè)施采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確與否對能源管理中心的有效運(yùn)行至關(guān)重要，同時為更好地發(fā)揮能源管理中心對生產(chǎn)經(jīng)營的指導(dǎo)作用，因此在能源管理中心建設(shè)期間，需要對計(jì)量體系、統(tǒng)計(jì)體系和核算體系進(jìn)行完善，以滿足能源管理中心運(yùn)行的需要。

4)培養(yǎng)高素質(zhì)人才，真正發(fā)揮能源管理中心系統(tǒng)的作用。能源管理中心是融合化工生產(chǎn)專業(yè)知識和自動化、信息化、數(shù)字化為一體的現(xiàn)代化管理體系，其運(yùn)行的成功與否，管理人員的職業(yè)素質(zhì)是關(guān)鍵。在建設(shè)及運(yùn)行期間應(yīng)實(shí)時加強(qiáng)員工的培訓(xùn)工作，使管理人員理解并熟練掌握操作要點(diǎn)。為充分發(fā)揮能源管理中心能源管理的作用，實(shí)現(xiàn)全廠能耗的最優(yōu)控制，建議建立首席能源專家管理制度，根據(jù)能源管理中心系統(tǒng)的功能架構(gòu)，可分別設(shè)立動力、電力、水系統(tǒng)等專業(yè)首席專家，專家分別對能源介質(zhì)進(jìn)行全方位、權(quán)威管控。

5)堅(jiān)持產(chǎn)、學(xué)、研合作進(jìn)行能源管理中心項(xiàng)目建設(shè)，積極引進(jìn)先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)。能源管理中心項(xiàng)目的建設(shè)其實(shí)質(zhì)就是通過對先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)的集成和應(yīng)用，從而使企業(yè)達(dá)到節(jié)能減排、提高經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)，因而在能源管理中心的建設(shè)過程中，要注重產(chǎn)、學(xué)、研合作，引進(jìn)、吸收國內(nèi)外先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，使能源管理中心所發(fā)揮的作用更加明顯。

表1 能源管理中心作用效果對比

4 結(jié)束語

“十二五”期間，國家節(jié)能政策環(huán)境和政策力度不斷加強(qiáng)，“安全、環(huán)保、節(jié)能”已成為化工企業(yè)不斷發(fā)展的根本宗旨。天津堿廠新區(qū)的能源管理中心的建設(shè)已進(jìn)入實(shí)施階段，作為重點(diǎn)示范，項(xiàng)目已獲得工業(yè)和信息化部專項(xiàng)資金的支持。筆者相信通過能源管理中心的建設(shè)及有效運(yùn)行，將為該廠降低能源消耗，完成節(jié)能減排目標(biāo)提供有力的保障。

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