钢铁企业能源管理系统的应用研究

陈辉 刘贤堂 吴宝健

（1.广东省科学院自动化工程研制中心 2.广州钢铁股份有限公司能源中心）

1 引言

钢铁企业主要以生产生铁、钢材、铁合金等高能耗产品为主，是一次能源和二次能源的消耗大户，其能源消耗量在全国能源总产量中占很大的比例。同时钢铁企业能源消耗接近其生产成本的 20%，以节能降耗为目标的管理显得非常重要，而且钢铁厂污染环境的直接来源主要是耗能工段。因此，提高钢铁企业的能源管理水平不但具有可观的经济效益，而且还具有重要的社会效益。

2 能源管理系统的需求分析

能源管理系统（Energy Management System，EMS）是冶金企业自动化和信息化的重要组成部分。在能源管理系统中，企业需要完善能源信息的采集系统，对能源数据进行分析、处理和加工，从而在公司全局角度审视能源的基本管理需求，满足能源工艺系统分散特性和能源管理需要集中的客观要求，以适应钢厂的战略发展需要[1]。上述是对钢铁企业能源管理系统一个较为全面的定义，对于具体问题其侧重点会有所不同。本文从广州钢铁企业集团的能源管理系统实际需求出发，参考同行能源管理系统的功能需求进行分析。钢铁企业内各种能源介质之间有如下特点：

(1) 每一个工艺流程都需要消耗大量能源，又有大量能源（尤其是燃气）可回收。可回收能源几乎达到总量的 40%，充分利用回收能源是降低成本的重要手段。

(2) 各种介质相互关联，煤气、废热、煤、重油都可转换成蒸汽，蒸汽可转换成电力，煤气也可直接转换成电力，能源调度人员可以通过多种手段回收能量，降低任何无效的放散，减少环境污染[2]。

根据能源介质的特点，结合实际情况，提出该能源管理系统的目标：

(1) 提高各类能源的使用效率，实现各类能源介质的优化调控，促进节能降耗。

(2) 调度管理人员可以更全面地了解能源系统，提高能源管理水平。

(3) 及时发现能源系统故障，加快故障处理速度，使能源系统更安全。

(4) 使能源系统的运行监视、操作控制、数据查询、信息管理实现图形化、直观化和定量化。

(5) 结合生产计划预测能源的使用情况，合理安排生产，减少燃气的无效放散，保护环境。

3 系统集成及分析

3.1 系统设计

广州钢铁企业集团当前及新建能源相关的数据采集站有10个，分别为：供电系统数据采集站、发电系统数据采集站、热力系统数据采集站、1500风机数据采集站、压缩空气数据采集站、供水系统数据采集站、净化水及加压系统数据采集站、高焦煤气数据采集站、转炉煤气数据采集站和东片煤气用户数据采集站。通过深入分析和研究，将EMS系统设计为三层：第一层是基础数据采集层，第二层是数据处理层，第三层是监控管理层。广钢能源管理系统图如图1所示。各层功能如下：

(1) 基础数据采集层：由上述 10个数据采集站组成，完成现场的控制和数据采集功能。各采集站建设在不同的时期并且建成相互独立的监控系统。其中，发电系统数据采集站采用DCS系统、供电系统数据采集站采用深圳中电的监控系统、高焦煤气数据采集站和转炉煤气数据采集站采用西门子的控制系统等。通过光纤将10个采集站和监控中心应用服务器连接，实现基础数据的集成。

(2) 数据处理层：由三层交换机、应用服务器、数据服务器、磁盘阵列和后备电源（UPS）等构成。基础数据采集层通过数据采集站把过程数据发送上来，数据处理层的数据服务器对过程数据进行记录、分析、查询、报警等处理。

(3) 监控管理层：由能源监控中心的多个监控管理站及能源监控中心的大屏幕显示系统构成，各监控站利用以太网与数据处理层服务器通讯，对数据进行显示、查询、分析、报警等处理，便于更及时、准确地了解各种能源介质的使用情况。

图1 广钢能源管理系统图

3.2 基础自动化通信

基础数据采集层10个采集站建立DCS、PLC、RTU等基础控制系统，进行离线数据获取、存储和分析，形成10个“信息孤岛”。由于数据是间断的，时间也不同步，很不利于能源消耗的精确预测和平衡调度。本系统通过光纤将上述采集站连接起来，采集基础自动化的信息，并对之加以利用，实现能源的全面管理。从基础自动化和系统安全性考虑，基础自动化通信采用如下设计：

(1) OPC (OLE for Process Control)通信：OPC是工业自动化的通信标准，不同厂家开发的软硬件设备，通过OPC方式都能够实现通信。10个采集站中多数支持OPC通信方式。在此，支持OPC通讯方式的采集站作为OPC服务器端，应用服务器作为OPC客户端通过DCOM的方式访问服务器端获取数据。

(2) CDT（Cycle Distance Transmission）协议通信：CDT标准规定了电网数据采集与监控系统中循环远动规约的功能、帧结构、信息字结构和传输规则等。由于供电系统数据采集站建设较早，不支持OPC的通信方式，只支持CDT协议通过RS232串口输出，因此通过串口光纤通信的方式即可实现数据的远距离传输，数据处理层应用服务器再通过串口接收供电系统数据采集站发送的数据，达到按照CDT协议将其解包、展现和保存的目的。

(3) 数据库接口获取数据：供水系统数据采集站取水监控采用的是孤立的系统，只提供数据库接口，获取瞬时流量、累积流量、泵的电耗等数据。

(4) 系统安全：原来 10个采集站都是孤立的，通过光纤将其连接后，将会产生如下问题：

① 不同站点之间可能会互相干扰，导致误操作；

② 病毒等可能会导致系统瘫痪影响正常的生产；

③ 各站点IP地址冲突等。

系统设计采用三层交换机的 VLAN（虚拟局域网）技术，各站点与应用服务器组成虚拟局域网，割断相互通信的途径，保证各自的独立性，避免上述情况的发生。

3.3 实时监控软件设计及实现

该能源管理系统按照其功能，将10个数据采集站归类为7个子系统，具体如下：燃气子系统、发电子系统、热力子系统、供水子系统、供电子系统、供风子系统、压缩空气子系统，各自完成特定功能。在软件设计上，采用直观的层次结构“主界面—子系统界面—各采集站”。本系统采用组态王开发监控界面，采用MS SQL Server2005数据库服务器保存数据。在监控界面设计上，从宏观到微观分成三层：① 能源管理系统监控主界面，显示本系统7个子系统的链接及部分供领导决策参考的重要数据；② 子系统监控界面，展现各功能子系统至各采集站的链接及该子系统重要数据；③ 采集站监控界面，展现采集站重要的能源管理数据。

图2 监控软件主界面

图3 1500风机数据查询界面

(1) 燃气子系统：按照高炉煤气、转炉煤气和混合煤气的工艺图，展现其管道分布图，并在界面上实时显示流量、压力、流向、阀门开关、放散情况等信息，并且提供煤气的日、月、年报表。

(2) 发电子系统：已建的 DCS系统具有较强的监控和信息管理功能，在此仅展现流程图和实时显示电压、温度、电流、电度数等主要参数。

(3) 热力子系统：展现管道的布置情况，实时显示锅炉的炉膛温度、出口烟温、给水压力、给水温度等数据，管道测验点的压力和流量数据，各集汽包阀门的状态等信息。

(4) 供水子系统：展现码头泵站原水、厂区工业用水和厂区净化水系统管道分布情况，实时显示供应管道的流量和压力，各阀门的状态信息，提供日、月、年用水查询和加压站总管压力查询和报表制作。

(5) 供电子系统：展现各降压站和配电站的一次、二次接线图，实时显示电流、电压、有功功率、无功功率和功率因数的信息，提供日、月、年电能信息的查询和报表制作。

(6) 供风子系统：展现各风机的气路，实施显示各风机变速箱的电流、各箱温度和送风流量等信息，各风机的轴承温度、送风压力、吸风压力和轴向位移等信息，各阀门的状态信息。

(7) 压缩空气子系统：实时显示各空压机的电流、断路器状态、外供气流量、供气压力、用气流量等。

通过监控系统的建设实现钢铁企业内能源消耗站点的信息集成，使能源管理人员能够从整个企业的角度来审视各工段的能源生产和消耗情况。通过量化考核和各系统的关联情况，发现工艺缺陷、管道泄漏、管理漏洞和技术改进潜力等，为降低企业的能源消耗提供支撑。

4 能源信息管理及预测

除了对钢铁企业的能源消耗进行实时监控和报表制作之外，还需要增加对历史数据的统计、趋势分析和预测等功能。在上述实时监控软件基础上，设计能源管理及预测系统，实现数据录入、修改、查询和预测等功能。

4.1 数据输入

生产过程中出现各种情况可能影响计量仪表数据的准确性，需要对所采集的数据进行修正，并录入系统。在此，提供人机交互接口功能，使管理员能够输入和修正生产管理数据。

4.2 数据查询

提供电能消耗、功率因素、高炉煤气放散率、焦炉煤气回收量、高焦混合煤气供气量、各工序消耗电能实绩、转炉煤气吨钢回收实绩、各工序消耗转炉煤气实绩、各工序高炉煤气消耗实绩、各工序消耗焦炉煤气实绩、各工序消耗高焦混合煤气实绩等历史数据的查询和柱状图的比较（如图4所示）。通过柱状图不但能够直观地对同一月份不同工段的能源消耗进行横向比较，而且能够对同一工序不同月份的能源消耗进行纵向比较。

图4 柱状图展现

4.3 能源生产和消耗量预测

通过对历史数据的积累，采用最小二乘法对大量的离散数据进行线性最小二乘拟合预测下个月（或者下一年）某工序的能耗。目前已经实现供电能消耗、功率因素、高炉煤气放散率、焦炉煤气回收量、高焦混合煤气供气量、各工序消耗电能实绩、转炉煤气吨钢回收实绩、各工序消耗转炉煤气实绩、各工序高炉煤气消耗实绩、各工序消耗焦炉煤气实绩、各工序消耗高焦混合煤气实绩等的预测。如图 5所示，根据2009年高焦混合煤气供气量的情况，采用最小二乘法拟合出高焦混合煤气供气量的趋势曲线，并且预测2010年1月的用气量约873.8万/m3，实际用气量约913.1万/m3，误差约 4.3%。采用该工具虽然不能够保证 100%准确，但 4%左右的误差基本上能够达到钢铁生产企业的要求。通过上述能源生产和消耗量的预测，为管理人员安排生产、减少燃气的放散提供重要参考。

图5 高焦混合煤气供气量最小二乘拟合

5 结束语

目前，本能源管理系统已完成光纤链接及硬件平台的构建。应用服务器通过OPC通信、CDT通信或数据库接口获取现场各采集站能源管理所需的数据，并且将重要数据保存到数据库服务器中。监控管理层的工作站通过网络采用B/S的方式进行监测。除此之外，对采集所得数据还实现了统计、报表制作及趋势预测等功能。

采用本能源管理系统，管理人员能够站在企业的高度来对钢铁生产各环节进行能源管理，打破原来的“信息孤岛”。通过对统计、报表及趋势图等的分析以及预测数据，为管理人员安排下个月的生产提供了重要的参考依据。同时，上述的数据结合生产计划可以预测电、水和煤的消耗量，并且可以估算燃气（高炉、转炉和焦炉煤气）的生产量，合理安排生产及燃气的使用，减少放散；通过量化考核发现工艺缺陷、管理漏洞和技术潜力，及时加以改进提高，为企业的节能降耗工作提供有力手段。

[1] 高东华,吴毅平,黄自强.OPC通信方案在能源管理系统中的应用[J].控制工程,2009,16(增刊):188-191.

[2] 冯晶,田小果.EM 系统在钢铁厂能源中心的应用[J].自动化与仪器仪表, 2005,3:35-37.

[3] 王永川,陈光明.钢铁企业能源管理系统方案研究[J].冶金能源,2003,22(6) :5-8,36.

[4] 郑咸义,姚迎新,雷秀人,陆子强,黄凤辉.应用数值分析[M].广州:华南理工大学出版社,2008.