摘要: 通過對大型化工企業能耗情況和現有能源管理模式的分析，系統地介紹了能源管理系統的設計，主要包括能源數據集成、能源系統實時監控、能源管理軟件開發和能源優化調度等，然后介紹了某大型氯堿企業能源管理系統的實施與應用情況。通過系統實現，在確保生產工藝流程平穩運行的前提下，實現企業能源系統的在線監控、集中管理與優化調度，從而有效地提高企業能源管理水平和能源利用效率，為單體設備、各生產裝置和整個企業的多方位節能提供充分支撐。

關鍵詞:能源管理系統；化工企業；信息系統

作為世界石油和化工生產大國，我國2011年全行業總產值已突破11萬億元，全行業綜合能源消耗超過5.2億噸標煤，約占同期全國能源消耗總量的15%。“十二五”期間，要保持一定的發展速度并實現能耗下降20%、排放減少10%的目標，十分艱難。如何在提高產品產（收）率和改善產品品質的同時，降低能源與資源消耗，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，是面臨的重要課題。 隨著“兩化”深度融合的推進，國家加大了對節能降耗的支持力度，鼓勵企業通過采用信息化、自動化技術，并結合系統優化和節能改造更新等措施，實現提高能源介質回收、梯級利用水平和多能源介質協同平衡優化水平，降低重要能源介質放散[1]。截止2012年底，國家*已經批準50多家化工企業的能源管理中心建設示范項目。 一個設計合理、功能完備并與生產管理系統緊密結合的化工企業能源管理系統（中心）正常 使用時，可實現多達5%的節能量。 

本文針對化工企業的用能特點和能源管理現狀與要求，系統地介紹了能源管理系統的設計，主要包括數據集成、能源系統實時監控、能源管理軟件開發和能源優化調度等。

1 能源管理系統的設計

化工企業使用的能源種類多，品位高低不等，主要的能源介質和載體包括燃料、電力、熱能載體、耗能物流以及化學能輸入和化學能輸出等。盡管不同類型企業各種能源介質的比重不同， 但燃料、蒸汽和電力仍然是化工企業消耗的主要能源。除了采用新工藝、新設備，減低動力能耗、加強保溫除垢之外，建立能源管理體系和建設能源管理系統是實現管理節能的兩個重要手段，同時促進系統能量的綜合利用。 例如，實施熱電聯產和采用變頻技術可降低電耗，運用控制（APC）技術可挖掘裝置生產潛能、降低單位產品能耗。 系統通過能源計劃、能源監控、能源平衡、統計分析等多種手段，準確掌控企業能源，使節能工作責任明確，降低能耗，提高效益。

系統的建設目標是：實現對各種能源介質和重點耗能設備的實時監控、控制、優化調度和綜合管理，及時了解和掌握各種能源介質的生產、使用以及各種能源管網、關鍵耗能設備的運行工況，做到科學決策和調度指揮，確保生產與能源系統的安全、可靠、經濟和有效運行。主要工作內容包括：完善能源計量儀表、自動化系統和網絡系統，實現能源數據采集和能源系統實時監控；在實時數據庫和關系數據庫的支撐下，綜合集成生產與能源系統各種相關信息，實現集能源計劃、實績、統計、考核和報表等多方位能源管理并挖掘企業節能潛力；在準確預測能源系統產耗存變化的基礎上，通過建立能源系統優化調度模型，自動給出能源優化調度建議和方案，實現重要能源介質的優化調度和事前管理，在保證能源管網和設備安全的前提下，提高二次能源的回收率和利用效率，使得能源系統運行達到安全、經濟和合理的目標。圖1給出了系統整體功能架構設計。

系統的基本功能架構包括： 

（1）“適合實用”的能源數據采集網絡 

在現有基礎上，按可靠性、冗余性和可實現性要求完善各級能源計量網絡和化工企業的一、二級和重要的三級能源測量點及數據采集平臺；借助企業已有數據采集網絡基礎，建立“適合實用”的能源數據采集網絡系統，適應未來能流和物流高度集成的需求。 

（2）“高度集成”的能源綜合監控中心 

覆蓋與節能減排息息相關的各種信息，主要包括：各動力介質系統信息、固體燃料系統信息、爐窯、耗能設備和耗電設備信息、質量安全環保信息、生產關鍵信息、能源質量信息、能源計量數據等。涉及一、二級能源計量數據、重要的三級計量數據、生產關鍵數據。 集成實時監控、狀態監視、歷史趨勢查詢、安全設備質量報警、實時報表等監控功能，并將集成能源預測、能源管網模擬和能源優化調度等功能； 在與生產管理系統集成的基礎上，實現管控一體化。 

（3）“事前管理、事中監督、事后考核”為主線的能源管理平臺 

系統將實現從計劃、調度、操作運行到統計、考核整個事務流的閉環管理。 做到“事前管理、事中監督、事后考核”。

事前管理 

與生產管理系統集成，獲取生產相關信息， 并通過建立各工序各能源介質單耗模型，給出各工序各能源介質的生產和消耗計劃， 實現“事前靜態管理”；與能源優化調度系統集成，獲取實時能源產耗預測信息和優化調度建議，實現“事前動態管理”。 

事中監督 

通過計劃實績管理、 調度運行管理、關鍵耗能設備管理和質量環保管理，實時跟蹤計劃執行情況和現場運行狀況，在線動態調整能源平衡，實現能源管網和能源設備的在線監督；通過統計分析管理提供的強大數據挖掘和分析工具，對影響系統運行的各個影響因素進行對比關聯分析， 準確指導在線能源調整和調度，優化能源生產工況。 

事后考核 

通過能源的統計分析管理、計量結算管理、考核管理和報表管理，及時獲取能源定額和計劃的執行情況、能源成本的變化情況、能源平衡的具體情況、能源設備的運行情況、能源質量環保和安全情況等， 在系統中嚴格按照公司管理流程和規定，對超額和節能現象進行獎懲，通過考核制度的嚴格執行，督促各相關單位節能減排的持續改善。

（4）“準確可靠”的能源預測、平衡與優化調度 

模型通過采集、監控和分析基礎能流數據，建立能源預測與優化調度模型，對主要能源介質的生產和消耗進行準確預測，對主要能源介質管網進行在線動態模擬計算，給出重點能源介質優化調度方案，通過能源介質產、存、耗的動態平衡和優化調度，提高能源平衡水平和能源介質利用效率，實現節能減排增效目標。

2 能源管理系統的實現

2.1 能源計量儀表、自動化系統和數據采集的完善

為滿足系統的建設要求，需要采集的數據包括一二級能源數據、重要三級能源數據、固體原燃料三級計量數據、重點耗能設備的運行數據、質量環保安全數據以及與能源系統相關的生產數據等。在系統建設期間，需要根據企業的實際情況，新增必要的能源計量儀表，并對缺少通訊接口的計量儀表進行改造，這樣不僅能提高能源計量儀表的配備率，而且為實現能源系統的實時監控與管理提供了保障。

為實現數據采集，系統需要根據企業現有網絡架構情況，在廠區內構建千兆以太環網作為主干網，并利用三層交換技術實現大型局域網的VLAN劃分，各分廠匯聚點與控制系統或下級單位（車間）采用百兆光纖收發器接入主干環網；網絡主干拓撲設計為環形結構和樹形結構相結合，其中核心層采用工業以太環網設計，各分廠匯聚層接入能源主干網采用樹形結構。 圖2給出了數據采集網絡示意圖。

生產管理系統等也可共網接入，但又可與系統產生相互隔離的效果，達到數據傳輸互不干擾，網絡安全穩定的目的。系統可通過硬件防火墻和公司辦公網絡進行連接，確保能源數據網絡和辦公網絡的物理隔離。 

2.2  能源系統的綜合監控與管理

系統采用中控的實時數據庫ESP-iSYS和綜合集成平臺，建立“高度集成”的能源綜合監控系統。覆蓋各動力介質系統信息、重點耗能設備和耗電設備信息、質量安全環保信息、與系統相關的關鍵生產信息等。基于系統平臺集中監控一二三級能源數據、與關鍵能耗設備有關的運行數據、質量環保數據以及與系統相關的生產數據，在系統實現上述數據的綜合集成、監視和管理。

能源綜合監控系統集成能源數據診斷與校正、各能源介質系統和耗能設備實時監視、歷史數據歸檔、事件記錄和查詢、報警、故障診斷與應急聯動、系統監控診斷等功能，并結合能源優化調度系統所具有的能源預測、能源管網模擬和能源優化調度等功能模塊，實現能源管控一體化。

基礎能源管理系統涵蓋能源計劃與實績管理、能源調度運行管理、能源計量結算管理、能源質量環保管理、能源設備管理、能源統計分析、能源考核管理、能源報表管理等功能，實現從計劃、調度、操作運行到統計、考核整個事務流的閉環管理，基于強大的數據挖掘工具和規范化的管理流程，提供準確有效的分析數據、有價值的節能建議以及強有力的考核措施。

2.3 能源系統的平衡與優化調度

在本系統中，能源系統的平衡與優化調度是在基礎數據的采集、監控和分析的基礎上，通過建立能源預測與優化調度模型，實現對能源介質的生產和消耗進行準確預測，對能源介質管網進行在線動態模擬計算， 并在能源預測和管網模擬的基礎上，以未來一段時間內能源消耗成本較低和能源放散少為目標，給出各能源介質優化的調度建議和方案，通過能源介質產、存、耗的動態平衡和優化調度，提高能源平衡水平和能源介質利用效率，實現節能減排增效目標。

3 應用案例

某大型氯堿企業（含熱電、電石、化工、水泥四大產業13家生產企業，構成大型循環經濟產業園區）的能源管理系統已通過上述設計與實現，形成能流、物流、信息流高度集成統一的能源管控一體化系統，保證了能源系統的安全穩定和經濟有效運行。 應用效果如下： 

1）成功建設了工業園區級能源管理中心，使集團總調實現整個工業園區多家企業的能源集中管控和優化調度； 

2）成立了以董事長為組長的*小組和以總經理為組長的聯合實施小組，優化了集團能源管控流程和組織架構，完善了能源計量設施和能源管理體系；

3）建立了能源預測與優化調度模型，實現了臺鍋爐、發電機組與后續電石、乙炔、燒堿、PVC、水泥各生產裝置產用蒸汽、電的優化匹配和調度，實現綜合能耗降低3%，實現節煤量9萬噸標煤，產生良好的經濟效益。圖3給出了蒸汽與電力系統調度優化界面示意圖。

4）建立了蒸汽和電石爐氣管網在線模擬模型，可以準確計算管網內部詳細信息，及時發現能源跑冒滴漏問題，發現管網設計缺陷，實現管網準確調度，減少蒸汽和電石爐氣損失； 

5）建立了涵蓋能源計劃實績、計量結算、統計分析、考核監察、調度運行等功能模塊的完整的能源閉環管理平臺， 形成完整的能源管理在線流程，實現了向管理要節能的目標； 

6） 實現了能源管理中心系統和ERP系統的集成，建立能源數據、生產數據和財務數據的雙向共享機制，提高了兩套系統的利用效率。能源管理中心建成后： 

①實現了能源管理粗放管理到精細化管理的轉變。例如：能源監控和管理范圍擴展到各分廠，實現了重要的三級計量數據全公司分享；能源監控和管理細化到耗能設備和耗電設備。

②實現能源管理由事后管理向事前管理轉變。例如：可編制能源計劃并通過電石爐氣、蒸汽、電力的合理生產與使用，實現能源優化利用；在線預測未來時段能源生產、消耗和存儲，并提前給出能源優化調度方案。 

③實現能源管理由經驗化管理向科學化定量管理轉變。例如：實時監控到從全公司到耗能設備各個層面的數據和信息；調度指令基于統計分析預測數據和優化調度建議。

4 安科瑞工業能耗系統介紹

安科瑞企業能源管理平臺采用自動化、信息化技術和集中管理模式，對企業的生產、輸配和消耗環節實行集中扁平化的動態監控和數據化管理，監測企業電、水、燃氣、蒸汽及壓縮空氣等各類能源的消耗情況，通過數據分析、挖掘和趨勢分析，幫助企業針對各種能源需求及用能情況、能源質量、產品能源單耗、各工序能耗、重大能耗設備的能源利用情況等進行能耗統計、同環比分析、能源成本分析、用能預測、碳排分析，為企業加強能源管理，提高能源利用效率、挖掘節能潛力、節能評估提供基礎數據和支持。

4.1 系統結構

4.2 應用場所

鋼鐵、石化、冶金、有色金屬、采礦、醫藥、水泥、煤炭、物流、鐵路、航空工業、木材、化學原料以及機電設備、電器產品、工器具制造等。

4.3 系統功能

4.3.1 可視化展示

展示企業各類能耗總量、折標值、能源成本、能源消耗趨勢、分項能耗占比、區域能源消耗對比,以及當前天氣情況、污染情況，并三維展示企業重要工藝或工段的能源消耗動態。

4.3.2 實時監控

對企業各點位的能源使用、報警等情況進行實時的監控。以便企業用戶能夠實時的監測各個點位的運作情況，同時能更快速有效的掌握點位的報警。

4.3.3 變壓器監控

展示各電壓器的負載情況，從而可以為變壓器配備情況進行科學合理的規劃。通過各種運行參數狀態下用電效能的對比分析，找出較佳運行模式。根據較佳運行模式調整負載，從而降低用電單耗，使電能損失降低。

4.3.4 用能統計

從能源使用種類、監測區域、生產工藝/工段時間、分項等維度，采用曲線、餅圖、直方圖、累積圖、數字表等方式對企業用能統計、同比、環比分析、實績分析，折標對比、單位產品能耗、單位產值能耗統計，找出能源使用過程中的漏洞和不合理地方，從而調整能源分配策略，減少能源使用過程中的浪費。

4.3.5 產品/產值單耗

與企業MES系統對接，通過產品產量以及系統采集的能耗數據，在產品單耗中生成產品單耗趨勢圖，并進行同比和環比分析。以便企業能夠根據產品單耗情況來調整生產工藝，從而降低能耗。

4.3.6 績效分析

對各類能源使用、消耗、轉換，按班組、區域、產線、工段等進行日、周、月、年、時段績效統計按照能源計劃或定額制定的績效指標進行KPI比較考核，幫助企業了解內部能效水平和節能潛力。

4.3.7 能耗預測

通過對企業生產工藝、生產設備等的能耗使用情況進行分析，建立能耗計算模型，根據人工智能算法對數據和模型進行修正，對未來企業能耗趨勢進行預測分析，為節能提供有效的決策依據。

4.3.8 運行監測

系統對區域、工段、設備能源消耗進行數據采集，監測設備及工藝運行狀態，如溫度、濕度、流量、壓力、速度等，并支持變配電系統一次運行監視。可直接從動態監測平面圖快速瀏覽到所管理的能耗數據，支持按能源種類、車間、工段、時間等維度查詢相關能源用量。

4.3.9 分析報告

以年、月、日對企業的能源利用情況、線路損耗情況、設備運行情況、運維情況等進行多方面的統計分析，讓用戶多方面了解系統的運行情況，并為用戶提供數據基礎，方便用戶發現設備異常，從而找出改善點，以及針對用能情況挖掘節能潛力。

4.3.10 事件報警

持續監測設備和系統運行，對通訊失敗、數據異常、定額超限、工藝參數異常越限、設備異常或故障進行報警，提醒企業注意和查找問題，并形成報警日志。

4.3.11 移動端支持

APP支持Android、iOS操作系統，方便用戶按能源分類、區域、車間、工序、班組、設備等不同維度掌握企業能源消耗、效率分析、同環比分析、能耗折標、用能預測、運行監視、異常報警等。

4.4 現場設備選型

5 結語

目前，能源管理系統正逐步在大型化工企業推廣應用，是化工行業通過“兩化”深度融合促進節能減排的具體體現。盡管各家企業的基礎條件不同，生產與經營管理存在差異，在系統的建設廣度和深度上可能存在差異，但是國家*對于工業企業能源管理中心建設項目的基本目標和功能已做了明確的要求。 因此，本文在總結浙江中控軟件技術有限公司在實施能源管理中心項目經驗的基礎上，結合化工企業的特點，按系統建設目標和功能要求，設計了能源管理系統的功能架構，并給出應用案例，希望能對化工行業能源管理中心建設起到推動作用。

參考文獻

[1]中國化工節能技術協會.HG/T4287-2012 石油和化工企業能源管理體系要求[S].北京：化學工業出版社，2012.

[2]侯衛鋒，龐戈，金曉明.大型化工企業能源管理系統的設計與實現[J].

[3]安科瑞企業微電網設計與選型手冊.2019.11版.