产品技术咨询工程师 李亚娜 18761502857

摘 要：针对钢铁企业能源管理系统的现状，从能源数据、环境数据等方面，分析钢铁企业在节能减排方面的工作方法和取得的成效。为提升钢铁行业的能源管理水平，减少电力及燃料等资源的浪费，实现企业生产经营目标，对钢铁企业进行智能化改造、信息化建设是工作。其中，建立能源管理系统是智能制造系统中很重要的组成部分。首先，介绍了目前中国钢厂能源管理系统应用现状和特点。其次，阐述了目前钢铁生产过程中存在的问题、节能减排工作开展情况以及在节能工作上所采取的措施。再次，总结了钢铁企业能源管理体系中需解决问题和取得成果。针对中国大型钢厂能源生产数据采集、利用存在问题，提出基于大数据平台构建能耗预测分析系统，并对该系统进行了应用效果分析。最后从技术层面和管理层面对该系统优化改造提出建议。

　　关键词：系统节能；集成管理；能源平衡

　　能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。随着全球工业化进程的不断加快，能源消耗日益增加，尤其是在过去的 20 年里，全球能源需求呈爆炸性增长趋势，其增速远远超过了经济的增长速度。钢铁生产工艺复杂、流程长、工序多。在能源生产方面，由于中国钢铁行业具有明显特点，因此对能源数据收集和利用要求更高。例如：在钢铁生产过程中对各种能量和各种设备及物料消耗进行监测管理与控制；对电力、煤气及蒸汽等能源生产供应进行管理与控制；在对工艺参数进行优化调节过程中要考虑到影响能耗的各种因素。因此针对不同设备、工序、流程等建立多层次节能数据库及模型，形成节能分析诊断工具来优化工艺参数。此外，通过能耗预测分析，实现节能减排目的。例如：建立能耗预测模型以获得能耗水平信息；利用大数据平台及算法构建能耗预测和优化决策系统等。为提高钢铁行业用能效率和降低能源消耗、排放等问题。

　　1 研究背景

　　钢铁行业能源消耗总量大，能耗占工业总能耗的比例高。中国钢铁工业已形成了以高炉炼铁、炼钢、轧钢等工序为主的钢铁产业结构。随着中国经济快速发展，能源消耗量逐年增加，而中国的设备运行效率低，管理水平差。钢铁企业通过加大资金投入来建设节能环保控制系统，但仍有许多方面需要改进与完善，提高能效管理水平。而节能减排是一个系统性工程，从原材料的采购到能源的生产供应都要进行系统控制与调节。因此钢铁企业应充分发挥能源数据分析和预测的作用，不断完善节能减排相关技术和标准。

　　1.1 国内外研究现状

　　国内外对能源管理系统的研究起步较晚，但发展较快。目前已有大量研究成果，如：能耗预测模型，节能分析诊断工具，节能方案优化软件及信息管理系统等。国外对能源大数据平台的建设研究起步较早，如：美国能源部、国家电力监管委员会、加州大学圣迭戈分校以及英国剑桥大学和美国德克萨斯州理工大学等均对能耗大数据平台的建设做出了相应贡献。国内对能源大数据研究相对较少，相关技术应用还不够成熟。国内钢铁企业目前大多采用传统数据库技术对能源管理系统进行改造与优化。国外对钢铁企业的能源管理系统建设研究已有多年历史，并已积累了大量经验。国外钢铁企业多采用基于大数据和云计算技术建立能耗管理系统，将能耗数据收集并进行有效分析，进而形成企业内部节能分析诊断工具，实现不同工序生产流程在全生命周期内各环节设备、工艺参数以及能耗等多方面优化和实时控制。

　　1.2 钢铁企业能源管理系统应用现状

　　在钢铁企业能源管理系统中，主要包含能源计量、能源调度系统、设备能耗管理等方面。在能源计量方面，钢铁工业作为高耗能行业，对数据的采集能力要求较高。当前钢铁企业使用的智能计量仪表能够满足钢 铁企业能源计量需求，但仍存在能耗较大、数据信息不准确的问题。在钢铁资源的消耗上，由于高炉等工艺复杂、能耗大、成本高，对数据的分析及处理能力要求较高。炼铁过程中会产生大量的煤气泄漏等污染气体，对环境造成很大的影响，如何提高钢铁生产企业煤气回收及利用效率、降低生产成本等是未来发展趋势。

　　2 能源调度系统

　　能源调度系统是将各部门生产工艺所需的各种能源，如高炉煤气、焦炉煤气、余热蒸汽等，按其用途和特点进行合理分配，再对各部门生产能源进行集中管理和控制。以高炉煤气回收系统为例，具体工艺包括高炉鼓风机、风阀、焦炉热风管道以及转炉顶送风管道与焦炉热风管道。钢铁企业在生产过程中会产生大量的工业气体，这些气体需要经过净化处理后才能使用。在炼铁过程中产生大量的焦炉煤气、转炉煤气等工业气体，这些工业气体需要在炼钢厂中储存和净化处理。从能源优化角度来看，通过能源管理系统实现对企业主要用能设备的节能监测与分析，为企业合理优化资源配置提供参考。以转炉煤气回收系统为例该系统可以通过对高炉鼓风机、冷却水箱等主要设备进行监测，根据数据分析出各生产设备的运行状况，在此基础上制定节能改造方案，并提出合理化建议。

　　2.1 设备能耗管理

　　设备运行中会产生大量的热量，这些热量一般会被用来加热炉料、辅助加热等，同时这些热量还会产生大量的热能损耗。因此，设备运行时要注意控制热损失，防止由于能源损耗过大而导致生产系统异常。炼铁工序主要包括冶炼、精炼、烧结、球团等工序。各工序之间通过流程管理系统实现设备间的数据交换，能源调度系统根据各工序能耗及负荷数据，制定合理的生产计划。高炉煤气主要用于烧结烟气脱硫脱硝及回收利用高炉煤气进行发电等。高炉煤气回收利用系统是将高炉内从炉顶至炉缸的燃烧过程分解成若干个单独部分组成的独立循环，从而实现对高炉气和焦炉气的分离、净化和利用目标。焦炉煤气主要用于烧结矿脱硫及制粉作业等方面。焦炉煤气回收利用系统主要包括三个部分：

　　（1）喷吹煤粉系统；

　　（2）喷煤喷入煤气净化系统；

　　（3）焦油加氢装置。

　　在设备运行过程中，需要实时对设备进行检测与调整，确保各设备处于正常状态，避免因各种原因导致的设备故障导致生产异常或重大事故发生。通过科学合理的计划及优化控制方法使各车间之间的能源得到平衡，降低能耗损耗。钢铁企业对设备能耗监测及控制管理水平参差不齐，因此加强钢铁企业能源管理系统建设迫在眉睫、意义重大。

　　2.2 能源监控系统的应用

　　钢铁生产过程中会产生大量的热量，而热量的有效利用则需要在能源监控系统中实现。能源监控系统由工业以太网组成，工业以太网通过通信协议将现场传感器采集到的数据进行采集并传送给监控中心对数据进行分析后，将数据传送给现场的管理人员，可对其数据进行实时分析并做出相应的操作。通过对能源监测系统的使用，可以有效地提高企业能耗情况。在钢铁生产过程中，许多资源都需要经过回收才能使用，因此提高煤气回收率、回收再利用就显得尤为重要。在钢铁生产工序中能源的消耗主要包括：燃料燃烧能耗、动力设备能耗、工艺操作参数等。在能源管理系统中设置智能计量仪表后能够有效地提高工业能源利用率，降低生产成本；利用数字化技术提高电力系统自动化水平和优化调度能力等。此外，利用数字技术实现对电力设备的实时监测与监控也是未来发展趋势之一。通过对生产设备运行状况进行实时监测，及时发现其运行中可能存在的问题并进行处理，通过对生产过程数据的收集与分析能为能源调度、节能减排提供重要依据。

　　3 优化建议

　　3.1 能源管理系统的应用

　　（1）系统平台建设。

　　（2）优化数据处理算法。为了更好地利用数据，可以对算法进行优化，增加模型的数量和质量，这样可以提高系统的预测精度，实现对能源消耗情况的实时监测功能，从而对实际生产状况做出判断。

　　（3）加强数据分析能力。为了提高能耗预测和产量预报的准确性，可以建立相应管理系统对生产过程进行监督和监管，利用大数据技术提升能源生产效率和优化资源配置。

　　（4）强化节能减排管理。为了更好地促进钢铁企业的节能减排工作，需要不断提升管理水平。一方面在数据处理、统计分析方面进行改进；另一方面加强对各项能耗设备等数据的监督和监管。

　　钢铁企业能源管理系统通过对能源数据的实时采集、计算、统计，对企业生产经营活动中各项能耗指标的变化情况进行分析，可以准确掌握能源消耗情况，从而为节能减排工作提供依据。钢铁企业需要根据实际情况选择合适的能源管理系统应用方式，通过能耗数据计算结果以及生产状况，了解企业的生产、运输成本，结合各单位工序能耗水平进行对比分析，找出存在的问题，制定相应改善措施。钢铁企业需要建立一套完善、规范的管理制度，对各项数据及时进行处理、更新。通过数据分析技术不断优化生产流程及节能减排策略和方法，通过技术创新降低能源消耗率和排放浓度。在钢铁企业的能效模型中，节能减排指标是主要的部分。在钢铁企业中要充分利用能源管理系统进行相关监测。通过对不同能源类别与指标进行分析对比，找出能源消耗和节能工作中存在的问题并提出相应决措施。钢铁企业在能耗监测中应注意建立合理的数据采集和处理方法，并建立合适的能耗模型及预警机制，利用大数据技术提高对能耗数据分析能力。

　　3.2 能源管理系统要具备可操作性

　　（1）能源管理系统要能实现数据采集的功能，要能将数据进行分类汇总，并能够进行数据分析。

　　（2）能源管理系统需要具备能源的计算功能，能对消耗的资源进行计算和分析。

　　（3）能源管理系统需要能够满足生产调度、生产计划等功能，同时能够对能源消耗进行统计。

　　（4）节能减排工作开展情况要定期进行跟踪和总结，并针对存在的问题及时采取相应的措施。此外，钢铁企业对于节能减排工作也应加强重视性，将其作为一项重要工作来对待，从而保证节能减排工作能够有效开展并落实到位。企业中要建立一套完整的能源管理系统并投入使用，这是企业节能减排工作开展的重要保障。

　　3.3 完善能源管理制度和措施

　　节能减排工作开展情况的好坏，主要取决于企业是否建立健全了相应的能源管理制度，只有这样才能保证节能减排相关措施的落实。

　　（1）健全相关制度：目前企业的能源管理制度包括能源供应管理、能源核算及考核等相关制度。

　　（2）建立激励机制：为了保证节能减排工作能够顺利开展，还需要建立与完善相应的激励机制，通过采取奖励补贴等方式，激励相关人员参与节能减排工作。

　　（3）加强宣传教育：为了确保能源管理工作能够有效开展，还要积极组织相关人员对节能工作进行学习。

　　（4）积极推进技术创新：为了确保节能减排工作的顺利开展，企业需加强技术创新，通过采用实用、可靠、符合当前钢铁行业发展要求的技术装备和产品技术、工艺及设备等措施来促进生产技术的革新。

　　（5）加强能源监督检查和考核：在保证能效数据准确性的基础上，还应该通过科学监管体系对各个用能单位进行有效监督检查以及考核。由于钢铁行业对能源的消耗比较大，所以要想在企业中实现节能减排，就需要对现有的管理体制进行调整，使其能够适应新的能源政策。钢铁企业能源管理系统在实际运行中已经取得了一定的效果，但仍有很大提升空间。随着信息化时代的到来以及计算机技术、通信技术等科学技术和设备的飞速发展，钢铁行业也正在向数字化、智能化迈进。因此，可以预计将来会有更多的企业使用智能节能管理系统（EMS）对能耗数据进行实时采集、计算、统计及分析，为企业节能减排工作提供决策依据和技术支持。在钢铁企业中要充分利用节能减排工作成果并进一步开展智能节能系统建设。

　　4 安科瑞企业能源管控系统概述

　　安科瑞企业能源管控系统采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理，监测企业电、水、燃气、蒸汽及压缩空气等各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业针对各种能源需求及用能情况、能源质量、产品能源单耗、各工序能耗、工艺、车间、产线、班组、重大能耗设备等的能源利用情况等进行能耗统计、同环比分析、能源成本分析、碳排分析，为企业加强能源管理，提高能源利用效率、挖掘节能潜力、节能评估提供基础数据和支持。

　　6.1 应用场所

　　钢铁、石化、冶金、有色金属、采矿、医药、水泥、煤炭、造纸、化工、物流、食品、水厂、电厂、供热站、轨道交通、航空工业、木材、工业园区、医院、学校、酒店、写字楼以及汽车制造、机电设备、电器产品、工器具制造等离散制造业。

　　6.2 系统结构

　　现场通过厂区局域网和平台通讯，平台搭建在客户自己配置的服务器上。搭建完成之后，客户可以在任意能与局域网联通的地方，通过有权限的账号登陆网页以及手机APP查看各处的运行情况。

　　系统可分为三层：即现场设备层、网络通讯层和平台管理层。

　　现场设备层：主要是连接于网络中用于水、电、气等参量采集测量的各类型的仪表等，也是构建该配电、耗水、耗气系统必要的基本组成元素。肩负着采集数据的重任，这些设备可为本公司各系列带通讯网络电力仪表、温湿度控制器、开关量监测模块以及合格供应商的水表、气表、冷热量表等。

　　网络通讯层：包含现场智能网关、网络交换机等设备。智能网关主动采集现场设备层设备的数据，并可进行规约转换，数据存储，并通过网络把数据上传至搭建好的数据库服务器，智能网关可在网络故障时将数据存储在本地，待网络恢复时从中断的位置继续上传数据，保证服务器端数据不丢失。

　　平台管理层：包含应用服务器、WEB服务器和数据服务器，一般应用服务器和WEB服务器可以合一配置。

　　平台采用分层分布式结构进行设计，详细拓扑结构如下：

5 系统功能

　　平台采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理。实时监测企业各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业加强能源管理，提高能源利用效率和节能潜力，为节能改造提供数据依据。

　　5.1平台登录

　　在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未授权人员浏览有关信息。

5.2大屏展示

　　用户登录成功之后进入大屏展示页面，展示企业及各区域的能耗折标、产值、异常、排名、占比、通讯情况，点击区域展示该区域的分类能耗、产值等相关信息。

5.3首页

　　首页展示峰谷平用电、变压器情况、年能耗趋势、单耗趋势、分类能耗等企业级统计数据。

5.4数据监控

　　对企业各点位的能源使用、报警等情况进行实时的监控。以便企业用户能够实时的监测各个点位的运作情况，同时能更快的掌握点位的报警，并为企业削峰填谷、调整负载等技改措施提供数据支撑。

　　能源实时监控：对于水、电、气等能源消耗进行实时监测，确保用能环节的持续稳定运行，显示配电图、能流图、能源平衡网络图、能源计量网络图等功能。

　　能流图：需要在能流图上对水、电、气的消耗情况进行实时展示；当能源参数越限报警，可提供报警重要性等级分类，同时支持APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗报警提示等；

　　配电图：将配电房真实情况画入配电图，实时展示接入的门禁、水浸、电水气等仪表的实时参数、门禁水浸状态及能耗数据。

　　实时统计：实时统计工厂、车间、工序、设备的当年、季度、月、周、日、班次等能耗值；

　　数据展示：通过实时曲线和历史曲线展示不同区域、不同设备的不同的能耗参数；

　　检测：对能源报警信息进行集中显示，可以对报警阈值信息进行相关处理操作，可以对报警参数进行在线设置，当能源参数越限报警，可提供报警重要性等级分类，具备APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗等报警提示；

5.5视频监控

　　接入摄像头，实时掌控企业内实际情况。

5.6变压器监控

　　展示各电压器的负载情况，从而可以为变压器配备情况进行科学合理的规划。通过各种运行参数状态下用电效能的对比分析，找出更好的运行模式。根据运行模式调整负载，从而降低用电单耗，使电能损失降低。

5.7仪表实时监控

　　展示各个水电气仪表的实时参数变化，以曲线图的方式展示。

　　5.8能源中控

　　将所有有关能源的能源参数集中在一个看板中，能从多个维度对比分析，实现各个产业线的对比，帮助领导掌控整个工厂的能源消耗，能源成本，标煤排放等的情况。

5.9用能统计

　　从能源使用种类、监测区域、车间、生产工艺、工序、工段时间、设备、班组、分项等维度，采用曲线、饼图、直方图、累积图、数字表等方式对企业用能统计、同比、环比分析、实绩分析，折标对比、单位产品能耗、单位产值能耗统计，找出能源使用过程中的漏洞和不合理地方，从而调整能源分配策略，减少能源使用过程中的浪费。

5.10分析

　　统计各个监测节点（工厂、车间）的当年、季度、月、周、日各类能源消耗费用，其中电包括峰电量、峰电费、谷电量、谷电费以及平均电量和平均电费。

5.11产品单耗统计

　　与企业MES系统对接，通过产品产量以及系统采集的能耗数据，在产品单耗中生成产品单耗趋势图，并进行同比和环比分析。同时将产品单耗与行业/国家/国际指标对标，以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。

5.12绩效分析

　　对各类能源使用、消耗、转换，按班组、区域、车间，产线、工段、设备等进行日、周、月、年、时段绩效统计按照能源计划或定额制定的绩效指标进行KPI比较考核，帮助企业了解内部能效水平和节能潜力，评定能源消耗是否合理。

5.13运行监测

　　系统对区域、工段、设备能源消耗进行数据采集，监测设备及工艺运行状态，如温度、湿度、流量、压力、速度等，并支持变配电系统一次运行监视。可直接从动态监测平面图快速浏览到所管理的能耗数据，支持按能源种类、车间、工段、时间等维度查询相关能源用量。

5.14自定义能耗报表

　　用户可通过自定义报表头与列，灵活生产各种报表，查看企业各个节点的能耗，单耗，成本，综合能耗等信息，并同比、环比报表，支持导出报表。

5.15同比、环比

　　提供能耗成本的图形对比分析，包括分时段（日、月、年）的同比、环比分析，分类、分时段、分项（地点、机构、设备）统计图形对比分析（柱状图、饼图、堆积图等）。

同比

环比

　　5.16分析报告

　　以年、月、日对企业的能源利用情况、线路损耗情况、设备运行情况、运维情况等进行仔细的统计分析，让用户更加了解系统的运行情况，并为用户提供数据基础，方便用户发现设备异常，从而找出改善点，以及针对用能情况挖掘节能潜力。

5.17能耗设备用能

　　监控耗能设备运行、停机及异常状态，及时解决设备故障停运导致无法正常生产。

5.18线损分析

　　根据节点、能源分类，查询各个节点线路上的能源损耗数据，及时发现能量在使用过程中的跑冒滴漏和异常用能等浪费的问题，提醒用户及时进行干预。

5.19碳排放管理

　　按照区域对碳排放总量的变化趋势进行统计，并进行同环比分析。对单位产值碳排放量进行计算，并结合减排指标实现超标预警，提升区域减排水平，促进碳达峰目标实现。

　　5.20电能质量监测

　　实时监测谐波含量、三相不平衡度、功率因数等，确保功率因数不低于供电局考核指标，避免被罚款和设备出现故障。

　　5.21运维管理

　　系统支持设备日常巡检计划、派工、消缺、报修、派工等设备运维管理，方便运行管理人员的制定巡检计划、派工，巡检人员执行巡检、完成工单、巡检发现问题消缺，进行故障报修、跟进维修进度，满足日常巡检、设备维修保养需要。

5.22报警管理

　　针对于电气正常开展、限电和能耗双控，实现电参量异常报警、电气火灾隐患报警、能耗超标报警、限电报警等，帮助企业提前预警，避免发生火灾事故和被罚款导致用能成本过高。支持分级分类报警，可对报警进行派发与闭环处理。

5.23能耗抄表

　　可自定义时间段抄仪表的抄表值以及差值，可自定义抄表的分类分项。

5.24能耗分析自定义时间抄表

　　可自定义时间段内各个拓扑节点的能耗值，可自定义抄表能耗值的的分类分项。

5.25容需量报表

　　提供容需量报表，实时展示容量需量价格的变化情况，帮助企业实现容改需，降低基本电费。

　　5.26复费率报表

　　对尖、峰、平、谷用电量及成本费用进行统计分析，为企业分时用电，优化成本效益提供数据支持。

5.27文档管理

　　对国标、能源管理制度、能源指标体系等文件进行归档，可快速查询相关文档。对仪表台账进行系统管理，支持文件的上传和下载。

5.28 3D可视化大屏

　　对场景进行虚拟仿真，展示各区域运行及能源消耗情况，可实现分层预览、转场展示、风格切换、智能巡检等效果，支持模型与监测点位的自定义绑定。

5.29 3D子系统

　　对各动力子系统进行虚拟仿真，展示子系统的动力管线、设备的实时状态及能源消耗情况，可实现动态的能源流向效果。

5.30工业组态

　　可通过图形化的编辑方式自定义组态图，展示设备运行状态及能源消耗情况，可上传自定义素材及绑定监测数据。

5.31自定义驾驶舱

　　可通过图形化的操作方式自定义驾驶舱，以折线图、饼图、表格等图形展示采集数据及各类统计数据，数据源包括API、数据库查询、MQTT、Excel等方式。

5.32基础数据管理

　　对系统的项目、探测器、设备型号、电参量、节点、能源、公示、及相关参数进行配置、修改、删除等管理、进行用户添加和授权管理、合同管理。

5.33手机APP

　　APP支持Android、iOS操作系统，方便用户按能源分类、区域、车间、工序、班组、设备等不同维度掌握企业能源消耗、产线比对、效率分析、同环比分析、能耗折标、事件记录、运行监视、异常报警、配电图、工艺流程图、能流图。

5.34知识产权证书

6 系统硬件配置

　　7 结束语

　　综上所述，能源管理系统是智能制造系统中很重要的组成部分，是实现企业生产经营目标的重要手段，也在节能减排工作中发挥着重要作用。随着国家节能减排规划的重要组成部分。

　　参考文献

　　[1]钢铁企业能源管理系统促进节能减排探究[J].冶金与材料,2023(6)181-183.

　　[2]耿思染,乔非,李莉.面向节能减排的钢铁企业能源管理系统设计与实现[J].机电一体化,2010,16(10):86-89.

　　[3]李绒.重钢新区能源管理系统促进节能减排探究[J].大科技,2015,(26):271-271+272.[4]安科瑞企业微电网设计与选型手册.2022.05版.

　　[5]安科瑞企业能源管控平台.2020.08版.