关于八钢智慧能源的构想

墙新奇

（宝钢集团八钢公司能源中心）

1 前言

《中国制造2025》是我国实施制造强国战略第一个十年的行动纲领，其中以智能制造为突破口和主攻方向，推动制造业转型升级。宝武集团作为钢铁行业的龙头，积极贯彻落实国家战略，确定“以智慧制造为重要手段，推动集团公司的转型升级”。

离散型制造业（如汽车制造、电子企业和服装企业等）已形成比较成熟的智慧制造模型可供中国企业借鉴。钢铁企业属于流程型制造业，智慧制造以MES系统为核心，成功的经验不多，还需要探索和创新。

钢铁企业中的能源部分又与钢铁主流程不同，有自己的特点且专业多、体量大，与主流程关联性强，另外能源部分是钢铁行业中与主流程相对差别较大的部分；钢铁企业的能源部分又与面向外部市场和用户的能源公司有很大区别，故智慧能源的功能定位和实现途径也有很大不同［1］；智慧能源是钢铁企业智慧制造重要的组成部分，应视为“关键核心技术”重点关注，使之成为企业核心竞争力的重要组成。为此，对八钢能源系统建设智能指挥系统提出构想。

2 智能能源指挥系统的构建

八钢智慧能源系统以智能能源指挥系统为核心构建而成，智能能源指挥系统的基础是基本建成的“能源管理系统”（EMS），在EMS的基础上进行功能拓展和延伸。智能能源指挥系统结构如图1所示。

（1）增加物料计量系统的接入，主要用于物料能源（煤、焦炭等）信息管理，用于能源的平衡、能源利用转换效率统计分析等，弥补EMS缺少物料能源信息管理的缺失［2］。

（2）EMS能源基础管理功能拓展，增加物料能源信息的计划和实绩管理等。

（3）增加异常信息模块，用于不能通过相关信息系统直接获取的异常信息的管理（如天气变化等异常信息的收集、传送等），还能用于管理和传送非EMS系统产生的其他信息（如临时性的指令等）。

（4）增加“智能能源决策子系统”，主要用于根据内外部信息，智能选择最优的能源生产、转换、分配、使用策略。

（5）增加几个能源监控中心，主要用于“智能能源决策子系统”下达的控制、调度指令的自动执行、信息反馈和临时性的干预。

（6）增加应急操作的检测、控制装置，用于应急事件启动后的作业和监控。

（7）完善三级计量装置，以便于对各工序内部能源使用的精准掌控［3］。

（8）增加效能分析模块，主要用于动态监视重要的“主要能源使用”设备或设施的“能源效率”，以便及时警示和干预，对改进能源绩效管理的控制策划方案动态监控［4］。

（9）增加对主工艺系统的信息推送功能，由单向数据传送改为双向数据传送，用于应急指令快速下达、用能异常的警示等。

图1 智能能源指挥系统结构示意图

3 智能能源决策子系统

传统的能源生产组织和经济性运行依赖于岗位人员的操控，能源系统的工作效能受到人员素质和能力的制约，具有自我学习能力的“智能能源决策子系统”的建立将逐渐改变传统的生产组织模式，提高能源管控的效率和精度。“智能能源决策子系统”的功能结构示意图如图2所示。

图2 智能能源决策子系统结构示意图

3.1 “智能能源决策子系统”正常决策

通过生产、设备等系统获得的信息和能源系统单位消耗信息集合，按系统经济性最优的原则生成动态的能源计划；“能源决策模块”在协调内部能源各专业（按不同的能源介质及其相互之间的关联关系）后生成“能源量订单”，再根据订单选择生产组织模式，协调各专业不同机组的能源输入、输出及各机组的负荷，最后分解后的订单通过各监控中心传送至各机组的自动控制系统，现场设备自动地生产、供应和使用各种能源介质。“能源决策模块”可根据各监控中心返回的实时信息动态调整。

3.2 “智能能源决策子系统”异常决策

根据获得的异常信息(安全、环境或气候、生产、设备、消防等），按系统可靠性第一兼顾经济性的原则，基于“能源应急响应管理模块”的预案（数字化预案库），“能源决策模块”自动组织能源的生产、供应和使用，人工干预作为辅助手段。

4 各监控中心功能

各专业性或区域性监控中心是在原能源中心各个控制系统的基础上按专业或区域重新整合后形成的，现场各类工艺作业活动基本实现自动，人为干预减少，本质化安全水平提高。各监控中心根据其专业或特点的不同，功能及组成有所不同，但应均具备数据采集、画面监控、手自动操作、联锁保护投切、报警、报表、设备点检等主要功能。因各监控中心高度整合由多个控制系统集成，为提高可靠性，减轻通讯负荷等，应采用冗余的C/S架构。

4.1 制氧集中监控中心

制氧集中监控中心承担6套制氧机组（2套20000m3/h机组，4套40000m3/h机组）的监控，另外还有3套液体后备系统、12套氮气压缩设备、8套氧气压缩设备、3套循环冷却系统等设备。

制氧的关键技术集中在空气分离装置。目前空分装置主要依赖于人工手动操作，空分设备是个系统装置，装置启停、负荷调整涉及到空气压缩、空气预冷、空气净化、膨胀制冷、换热、液体精馏和产品送出等多个环节；每个环节又有多个参数，环节之间、参数之间存在耦合关系（部分为强耦合）；空气分离装置为大滞后系统，系统启停和调整时间往往需要几个小时到几天时间；这一部分不能实现智能化，制氧工序的智慧制造就缺乏重要的支柱。

（1）空分自动变负荷技术涵盖整套空分装置的智能控制，可根据用户变化的预测，自动调整，保证空分装置快速、平稳，可靠地从一种负荷工况过度到另一种负荷工况，同时实现节能的目的；空分自动变负荷技术是从一种稳态过渡到另一种稳态，还不能完成从停止到稳定、稳定到停止大幅变化的需要，“智能空分装置”还需要将空分的启停控制过程（时序较长）与自动变负荷技术（相对时序较短）相结合；“智能空分装置”可以接受“智能能源指挥系统”下达的指令，自动调整负荷。

（2）产品压缩机（氧气压缩机、氮气压缩机）的启停和运行与空分装置的运行密切相关，需要相应的软硬件模块来协同之间的关系，还能够根据压缩机的状态、工作效率以及单个产品（中压氧、低压氧、中压氮、低压氮等）的用量变化等作出优化的选择。

（3）辅助系统（循环水系统、调压站、高低压配电系统、气体储存系统等）与空分系统及产品压缩机的协同，需要另外的软硬件模块来实现。

（4）液体后备系统有两种用途：一是事故应急，接受智能能源指挥系统下达的指令，自动启停，所需的蒸汽等能源介质由“智能能源指挥系统”调配；二是用于调峰，相应的指令可由集成在辅助系统中的软硬件模块下达，自动启停和加减负荷。

（5）完善视频监控系统，现场重要部位不留死角。

4.2 热力集中监控中心

八钢能源3个热力集中监控中心的作用和功能基本类似，略有差异，新区热力监控中心相对复杂。热力监控中心均包含炉（锅炉）、机（汽轮机）、电（发电机）、水（除盐水、循环水）、烟气净化（含除尘、脱硫、脱销）等部分的集中监控，新区6炉（含干熄焦炉）、10机、3TRT，老区3炉3机，欧冶炉2炉2机1TRT。

（1）锅炉系统受燃料变化的影响（煤气成分、热值、压力变化较大），以及控制系统本身的问题（设计为几个单回路调节，受各种强耦合因数影响和滞后性影响较大），锅炉运行参数波动较大，主要依靠人为的调整。因此建议新建1套优化控制系统，协调燃料、引送风、给水、蒸汽等相关子系统的控制，稳定炉膛压力、锅炉水位、蒸汽压力和温度等关键参数。

（2）锅炉系统采用母管制，燃料、供水、蒸汽相互影响较大（尤其在其中1台锅炉异常时），需要建立1套多炉协同系统，智能协调本地多台锅炉相关参数的控制。

（3）锅炉汽水监督过程的人工取样、检化验、加药等工作，需要实现自动。

（4）锅炉制水系统（生产除盐水），人工操作、加药等工作，需要实现自动。

（5）炉、机、电、水（含除盐水和循环冷却水）、烟气的协同，需要1套软硬件模块来协作。

（6）热力集中监控中心可接受“智能能源指挥系统”下达的指令，自动调整负荷。

4.3 水系统监控中心

八钢能源水系统监控中心承担的范围较广，包括8个空压站、12个热交换站、4套污水（废水）处理系统、1套软水系统、1套水库浮船系统、2套地表水净化系统等的集中监控。

（1）空压站并网是必然趋势，并网后的机组组合方式需要1套专用的软硬件系统（空压站协同控制系统）模块来协调，离心机为主力机组、螺杆机作为辅助机组，接受“智能能源指挥系统”下达的指令，转化指令后下达到具体的压缩机和干燥器，自动启停空压机和调整负荷。

（2）热交换站系统需要配套一个智能控制单元（也可并入“智能能源指挥系统”中），用于根据天气温度、湿度、风力等因素，按照供温曲线（各站略有不同，有自修正功能），动态调节热交换量和供给各用户的热量；增加各用户使用热量、用户的室内温度等检测设备；增加各用户使用热量效率、效果评估模块，用于优化控制。

（3）浮船、净化系统进行自动化改造，实现远程监控，应急状态下接受“智能能源指挥系统”指令，自动启停或调整。

（4）污水（废水）处理系统进行自动化改造减少人工操作和干预。

4.4 电力监控中心

电力监控中心承担6个110kV变电站、11个35kV变电站、2个33kV变电站、1个22kV变电站的集中监控。

电力监控中心除完成EMS电力系统监控改造外，暂时维持现状（主要是投资较大），待条件成熟，按照“智能变电站”的标准和规范，对现有变电站逐一进行改造，从传统变电站变为“智能变电站”。内容包括：一次部分的“高压设备”；二次系统的“继电保护及安全自动装置”、“变电站自动化系统”、“辅助控制系统”等［5］。

电力监控中心在应急状态下接受“智能能源指挥系统”指令，自动操作设备、投切线路；正常情况下，仍由电力监控中心按工作票（电子工作票）的步骤操作。

5 应急响应信息传送

5.1 信息筛选

当现场发生异常时，需要协调相关资源进行应急响应，其中包括人力资源。若异常信息不需要接收方响应（仅为告知类信息）则属于无效信息，除了干扰工作与生活，没有太多意义。因此，故必须筛选出异常信息的接收方（根据异常信息的类型、发生或影响区域等选择接收方）。

5.2 应急响应信息平台的搭建

应急响应信息平台可借助于集团公司内的“宝信云”平台、社会化的云平台（如阿里云等）构建，基础信息通过“智能能源指挥系统”专用的服务器转发给云平台，云平台处理后的信息通过无线网络发送应急响应信息接收方［6］。

5.3 信息接收

语音报警信息，按“应急响应信息分组”同时向多个对象（单位或人员）拨打电话，直至电话接通。

其它应急响应信息接收端设定为手机或IP固定的PC机，可以通过APP、浏览器、微信等方式接收或访问相关信息。除语音信息外，信息还包括实时数据或曲线、历史数据或曲线、事件信息、数据对比、状态信息等以便于快速响应的信息。

6 结束语

构建智慧能源系统，需要自下而上，解决自动化、少人化、本质化安全等方面的问题，更需要自上而下，系统性地研究安全、可靠、经济性的能源生产和使用方式，探索钢铁企业综合效率最优的能源供用模式。系统性地整体策划可以少走弯路，减少投资，加快智慧制造整体推进的进程。