关键词：WEMS；能源管理；钢铁企业 

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1  引言

钢铁企业是能耗大户，目前占全国总能耗的16.3%。在经济发展过程中国家对安全生产、环境保护要求日益提高，如何降低能耗、增加效益成为钢铁企业生存发展的关键内容。同时钢铁企业具有能源消耗总量大、使用能源介质种类多、二次能源转换复杂、可回收余能多等用能特点，其能源管理主要涉及设计、采购、能源存储、加工转换、输送分配、能源使用、余能利用等环节，全员、全流程、全系统的管理特征明显，因此推动以“两化”深度融合手段推动钢铁行业节能降耗就显得尤为重要。

钢铁企业构建的EMS（Energy Management System，能源管理系统）是以计算机网络技术为基础的一体化管理与监控系统，可

用于能源管理、能源调度和过程监控。EMS的建立有利于钢铁企业增强能源系统调度管理能力、提升环保水平、提高劳动生产率。

2  钢铁企业的能源管理现状

河北某钢铁有限公司是集生铁、钢材、铸管、高炉煤气发电生产销售于一体的联合生产企业。现有炼铁高炉2座（其中420m³ 1座、630m³ 1座，年设计产能130万吨）；50吨转炉2座，年设计产能180万吨；36㎡、90㎡、110㎡烧结机各1座，年设计产能200万吨；喷煤站2座、0.3MW×2发电机组、1.5MW×2发电机组和高炉煤气余压透平（TRT）发电项目；10个闭路循环工业用水系统。其中烧结工序电耗为49.19kWh/t，高炉炼铁工序电耗为112kWh/t，与行业标杆值（38，110）还存在较大的差距。

从现场调研的情况可以看出：

①该企业的有关能源生产车间大多设有相对独立的现场监控系统，这些监控系统主要为满足各局部工艺或公辅能源设备的监控需要而设。

②能源调度及管理、计量及管理、能源在线平衡和调度、能源系统的异常及故障的报警及处理等，目前还不够完善，不具备进行能源系统及时有效的综合平衡，尤其是还难以实现不同能源介质之间按总体平衡的需要进行及时互相转

换，对公司在系统动态平衡中应该有所作为的节能和降耗工作带来了很大的困难。

③公司能源二、三级计量部分缺失，依据现场调研情况看，部分计量设备不能满足能源管理中心系统建设的要求，需进行改造。

④由于能源工艺系统的调度管理和实时平衡还无法建立在集中统一的基础上，因而能源系统的日常平衡和在异常情况下的指挥和调度的即时性会受到很大的限制。

⑤能源系统采用的分散管理模式，这种各自为政的分散管理与冶炼业连续生产之间的矛盾，不仅造成了运行管理效率不高，降低了劳动生产效率，同时也造成了能源的浪费和环境负荷的加重。

在国家节能减排要求日益严格，市场竞争日趋激烈的背景下，企业认识到建立统一的能源管控系统对提升生产及能源管理水平，优化平衡能源使用、降低能源消耗、实现系统节能意义重大。

3  项目建设方案

3.1  项目建设目标

建设能源管理中心系统的基本目的就是贯彻国家节能减排的要求，建设一个先进、节能、环保、高效的冶炼企业,提高能源系统的运行、管理效率，为企业提供一个成熟的、有效的、使用方便的能源系统整体管控一体化解决方案和一套先进的、可靠的、安全的能源系统运行、操作和管理平台,实现安全稳定、经济平衡、节能减排、优质环保的基本目标：

①完善能源信息的采集、存储、管理和利用

完善的能源信息采集系统，便于获得第一手资料，实时掌握系统运行情况、

及时采取调度措施，使系统尽可能运行在最佳状态，降低事故的发生，杜绝管理

盲点。

②减少能源管理环节，优化能源管理流程，建立客观能源消耗评价体系

能源管理中心系统的建设，可实现在信息分析基础上的能源监控的流程优化再造，有效实施以实际生产数据为依据的能源消耗评价体系，减少能源管理成本，提高能源管理效率，及时了解真实能耗情况，并提出节能降耗的技术和管理措施，实现向能源管理要效益。

③减少能源系统运行管理成本，提高劳动生产率

钢铁企业的能源系统规模较大，连续性强，结构比较复杂，占用现场运行人员较多。能源管理中心系统的建设，可实现简化能源运行管理，减少日常管理人力投入，节约人力资源成本，提高劳动生产率，将为立恒钢铁的管理体制改革发挥重要作用，提升企业竞争力。

④加快能源故障处理速度，提高能源事故反应能力

可以通过能源中心系统迅速从全局的角度了解能源和生产系统的运行状况，以及故障的影响程度等，并及时采取有效的措施，限制故障的进一步扩大，快速恢复系统的正常运行，这在能源系统异常情况下特别有效。

⑤通过优化能源调度，平衡指挥系统，有效节约能源和改善环境

能源管理中心系统的建成，将通过优化能源管理的方式和方法，改进能源平衡的技术手段，实时了解企业的能源需求和消耗状况，有效地减少煤气、氧气、蒸汽等的放散，提高能源介质的利用率，采用综合平衡和介质转换使用的系统方法，使能源的合理利用达到一个新的水平。

3.2  项目建设内容 

为满足能源管理中心系统的运行要求，实现基于客观过程数据的分析和管理，满足生产与能源精细化管理要求，我方从设备运行优化、工艺管控优化、管理策略优化三个层面为该钢铁企业定制了专属的能源管理中心系统节能解决方案，同时尽可能考虑经济性、实用性原则，用最小的成本投入建设，项目总投资180万元。主要内容如下：

◆数据采集、计量仪表改造：球团、炼钢、炼铁、制氧站、电厂等分厂的电力、氮气、氧气、压缩空气、氩气、蒸汽、煤气监测点共计550个（一期）。

◆设备节能改造：空压机节能改造、无功补偿节能改造、水泵节能改造、变压器运行优化改造。

◆工艺系统节能改造：冷却水泵系统管控策略优化。

◆网络系统优化与改造：采用工业级以太环网技术，建设具有双备份功能的专网系统，保证网络稳定可靠和故障时的快速切换。

◆应用软件的定制与部署调试：包括综合能源监测系统和基础能源管理系统的功能定制与实施部署。

◆节能应用研究：派遣具有相关行业经验的资深节能研究工程师前往用户现场，指导与培训用户高效的操作系统，发挥能源管理中心系统应有的价值，并与用户共同挖掘与完成部分节能技改方案。

3.3  系统接口设计

公司各生产工艺区域的水、电、风、气、汽等能源数据通过设置现场数据采集站的方式进行数据的采集、处理和相关设备控制。采集方式规范了现场数采站和生产控制系统及仪表间的数据采集形式。通过设置现场数据采集站的方式进行数据的采集、处理和进行相关设备控制。确保 EMS 系统数据采集和控制的实时性和准确性，有效实现能源中心网络与现场控制系统之间的网络隔离。数据采集主要分为四种方式，分别为OPC通讯、Ethernet通讯、PLC直采和IEC104通讯采集方式。

（1）OPC通讯采集方式

硬件接口：数采站与现场控制系统之间通过以太网连接。

通信协议：数采站与现场控制系统之间采用OPC通信协议，现场数采站与能管中心SCADA服务器之间采用OPC协议通讯。

OPC采集方式主要用于与西门子PLC和浙大中控DCS控制系统的数据采集。现场多套西门子PLC已联网的地方，采用OPC的通讯方式，未联网独立的PLC系统，采用Ethernet通讯方式。

浙大中控DCS共有4套，分别为烧结1套、锅炉1套、制氧1套及电厂1套，为实现和能管中心通讯，要求每套DCS都提供PC通讯接口。

OPC通讯采集方式的通讯原理图如图1所示。

图1  OPC通讯采集方式通讯原理图

（2）Ethernet通讯采集方式

硬件接口：数采站与现场控制系统之间通过以太网连接。

通信协议：数采站与现场控制系统之间采用Ethernet工业以太网通信协

议，现场数采站与能管中心SCADA服务器之间采用OPC协议通讯。

Ethernet采集方式主要用于与西门子PLC控制系统的数据采集。网关与西门子PLC系统通过交换机直接和控制器相连，通过SIEMENS PLC驱动Ethernet工业以太网协议从控制器读取数据。

Ethernet通讯采集方式的通讯原理图如图2所示。

图2  Ethernet通讯采集方式通讯原理图

（3）PLC直采方式

增加PLC系统，现场仪表信号直接接入PLC输入卡，流量累计在PLC内完成。模拟量输入卡选用8通道卡件，现场压力、流量信号与PLC之间加信号隔离器进行隔离，热电阻信号直接接入PLC。

通信协议：现场 PLC数采站与能管中心SCADA服务器之间采用 Ethernet 协议通讯。

PLC采集方式主要用于一二级计量数据的采集。

PLC直采方式的通讯原理图如图3所示。

图3  PLC直采方式通讯原理图

（4）IEC104通讯采集方式

硬件接口：采集站与现场电力系统之间通过以太网连接。

通信协议：SCADA 服务器与电力系统通讯管理机之间直接通讯，采用电力国际标准规约IEC60870-5-104 协议。

IEC104通讯采集方式的通讯原理图如图4所示。

图4  IEC104通讯采集方式通讯原理图

4  系统功能介绍

系统采用CS+BS混合架构，具体功能模块如图5所示。

图5  WEMS系统功能框架图

4.1  能源综合监测

从工艺流程，能源管网、通讯网络、实时数据、电能质量监测等几个层面来全方位监测并展示系统现场实际用能情况，帮助用户了解运行状况和实时数据，掌握系统全局及各环节用能状况以及各单一能源的用能状况。

4.2  基础能源管理

（1）计划与实绩管理

包括产品计划管理、能源计划管理、产品实绩分析、能源实绩分析、产品计划与实绩分析、能源计划与实绩分析等模块。

根据生产系统提供的生产计划信息，以及生产原料、能源介质购入和库存信息，结合从实时监测系统中采集处理的各能源介质的实绩信息，计算能源单耗和能源平衡，帮助企业制定合理的生产及能源指标计划，对公司能源使用效率给出科学的分析和指导。

（2）能源质量管理

包括质量标准管理、质量检测计划、介质质量管理、质量数据统计分析等模块。

通过获取各种能源介质的质量数据，选择分析能源介质的质量参数信息，确保能源管理者可以准确的监控企业的关键环节及重点环节的能源介质信息，保证能源系统的正常运行。

（3）设备管理

包括设备档案管理、设备巡检管理、设备故障管理等模块。

对能源生产关键设备、重点用能设备的分类梳理，建立健全的设备电子档案， 通过数据采集、统计、分析等手段，形成对设备的运行状态、故障情况设备检修、维护情况的直观统计，以保障设备正常稳定运行。

（4）能源监察管理

包括监察计划管理、能源监察结果、监察整改管理、监察处罚管理、能源监察统计等模块。

对企业能源使用与处理的实际情况进行监督与干预，确保能源介质在各个环节的安全性及可控性，提高企业生产的稳定性。

（5）调度运行支持

包括重要事件管理、应急预案管理、调度隐患管理、调度日志管理等模块。

服务于能源管控中心与生产管控中心统一协调，负责公司能源系统生产运行管理工作，执行日作业计划，处理正常生产和事故状态下能源供应过程中的问题。

（6）能源平衡管理

包括能源平衡公式设置、能源平衡分析、能源偏差分析等模块。

分析能源消耗、有效利用及损失之间的数量平衡，查出造成能源浪费的原因，以便于制定相应节能措施和管理制度。

（7）能源综合分析

包括能源成本分析、对比分析、对标分析、产品单耗分析、电费结构分析等模块。

利用数据分析技术，对历史能源数据进行分析，并根据生产与设备运行安排，实现能源技术经济指标分析，用以指导企业能源管理工作，提高公司能源管理水平和能效。

（8）自动分析诊断

包括自动分析诊断设置、自动分析诊断结论查询等模块。

深入结合生产管理实际，自动分析诊断策略按照管理人员分析问题的思维方式进行梳理和处理，减少人工分析的工作量，解决生产能源管理遇到的实际问题；

对企业能源系统的生产、输配和消耗环节实施集中扁平化的动态监控，改善用能企业因缺少专业技术人员而无法及时发现异常的现状，降低用户的使用难度。

5  应用效果总结

经过半年试运行，目前能源管理中心系统已在该公司取得了实际应用效果，极大提高了该公司日常能源调度和生产管理的自动化、信息化水平。借助于我公司节能系统特有的分析诊断模块和定制的节能方法、策略，也取得了较好的节能效果，年节能收益136.2万元。介绍如下：

●完善能源计量体系，实现生产管理报表自动统计与分析，减少统计人员数量

针对不同业务部门的管理需求，定制不同的统计分析报表，满足个性化需求，减少人工统计、制作报表的工作量。包括：生产用能成本分析日报、月报；用能实绩日报、月报；用能指标分析日报、月报等。

●实现能源管理由事后管理向事前管理转变，提高信息化、自动化程度

① 对能源系统的运行进行全过程的监测、跟踪、分析、处置和管理，减少能源系统对生产的影响，确保系统及设备的安全；

② 收集实时负荷信息、二次能源产生信息、设备检修信息等，根据生产要求进行平衡分析预测，合理调配能源使用；

③ 预测能源消耗指标，实现能源计划与调度的精确管控。

●设备经济运行优化管控，降低能源消耗

①喷煤厂使用三台空压机，通过系统查看空压机的运行数据发现存在明显加卸载情况。采用电机节电器闭环控制后，年可节约用电成本16.8万元，同时避免卸荷器的频繁工作，降低空压机维护和保养成本；

②现场补偿主要在各个发电单位来控制补偿，部分动力变压器的功率因数偏低，导致线路负荷增加，线损浪费较为严重。鉴于该种情形，根据系统监测的功率因数变化情况，实现精确的无功补偿，能有效减低铜损及线损，提高电能利用率，从而达到节能降耗的目的，年可节约用电成本10万元；

③连铸净环给水泵根据生产工艺要求，进行局部调整，采用电机节电器进行节能改造；

④现场大量变压器的负荷率较低，长时间运行在不经济区间，损耗严重。根据系统负荷数据的积累，为调整变压器的运行方式或报停提供依据，一年可节省电费开支19.5万元。

●能效对标，实现生产能耗指标控制、优化

目前该企业主要考核环节有：高炉铁水、机烧、喷煤、炼钢。在日产量稳定的情况下，均存在不同程度的波动（如炼钢单耗波动为26.85-36.55kWh/t）。通过相关工艺参数的关联分析，挖掘单耗波动的原因，并制定相应管理措施和制度，稳定单耗在最优水平，将有效的起到节能降耗的作用。

●强化能源管理制度落实与考核，实现精细化管控

①钢铁生产的球团、炼铁等环节有大量的生产主机设备，如烧结机、高炉等。为了保证这些主机设备能够安全运行以及保障生产的正常进行，布置了大量的辅机设备如皮带、水泵等。系统通过报警的方式进行设置，及时提醒设备运行异常、能源空跑浪费等问题，有效管控与解决设备安全与空跑类问题，一年可节省电费开支14.3万元；

②系统根据冷却循环系统的回水与出水温度之差，在满足实际需要的前提下，控制变频器调整电机的运转速度，并以最小的电能提供实际所需的水流量，一年可节省电费开支25.6万元；

③虽然厂家制定了错峰用电管理制度，但执行措施不理想，通过系统采集数据的统计分析，并通过对正在发生问题的及时预警，辅以相应考核提供必要的数据支撑，保证了避峰措施得到严格有效执行，尽量将检修工作放在峰时段进行。将喷煤系统、动力车间纳入监管，每年节约电费支出50万元以上。