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基于电力物联网的工业能源管理系统在冶金行业中的设计与应用

点击次数:372更新时间:2023-07-03

摘要: 节能减排是冶金工业发展的必然趋势。本文针对我国冶金工业能源管理所面临的现状和需求进行了详细描述,分析了采用物联网技术实现冶金工业能源管理、促进节能减排的必要性,并给出了基于物联网的能源管理系统架构。

关键词:物联网,冶金工业,能源管理


1 引言

冶金流程工业在我国国民经济中占有重要经济地位。2007年钢铁企业完成工业产值占全国GDP的4%,占工业企业利润总额的9%。2008年粗钢产量占全球产量的38%。冶金行业是我国的耗能大户,属于典型的高耗能的产业,是我国节能减排工作的重点。

物联网是泛在感知的通信网络,可以通过传感器感知物体自身和周围环境信息,可基于有线或无线方式进行传输,具备低成本、低功耗、易维护、可大规模部署等优势。物联网技术的大规模应用,为冶金流程工业生产管理监控提供了一种新信息采集、信息传输、信息融合处理手段,为冶金流程工业的节能降耗提供技术支撑。

本文面向冶金流程工业领域,在深入分析其所面临节能减排这一重大需求的基础上,对物联网技术在冶金流程工业能源管理中的应用前景进行展望。


2 冶金流程工业对能源管理需求迫切

冶金流程工业的特点是以处理连续物料流、能量流为主,产品多以大批量的形式生产出来。冶金流程工业的生产过程工艺复杂,需要严格的过程控制,高度依赖于控制系统性能的高低以及生产设备状态的好坏,生产成本较高。同时,冶金流程工业需要消耗大量的能源,属于典型的高能耗行业。因此冶金流程工业对能源管理、调度与平衡需求迫切。

我国钢铁企业产品单位能耗平均比国ji水平高40%,而且我国的能源利用效率仅为33%,比发达国家低 10个百分点。钢铁行业的能耗占到全国能源消费比例的14.96%,污染物排放量占全国污染物排放量的比重较大,节能减排任重而道远。产品成本控制水平和技术落后、产品总体品质不高、自动化水平较低、信息集成度低,导致产业国ji综合竞争力处于劣势。因此,高能耗流程工业的节能减排工作就显得尤为重要和迫切。

我国冶金流程工业能耗居高不下,关键原因在于缺乏多方面、有效的能耗监测于段,导致冶金流程工业在资源使用、能源使用方面严重失衡,大量能源白白流失去却得不到有效利用。

能耗监测涉及到工业企业的方方面面,包括电力系统、动力系统、给排水系统等等:能源介质种类繁多,包括电、煤气(高炉煤气、焦炉煤气等)、氢气、氧气、蒸汽、水(工业水、软水、生活水等)、煤以及焦炭等。针对这些系统和能源介质,目前使用的监控手段中,人工方式仍然占据很大的比例,虽然有线监控系统已广泛应用到冶金流程工业控制系统中,但由于系统的布线和施工难度大、成本高,难以针对大量测点实现大规模部署。

1)无法对运动、旋转的设备进行监测

流程工业中存在大量处于运动、旋转状态的高能耗设备,如电机、泵等设备,无法采用传统的监测手段获取这些设备的运行状态信息,因此也就无法获取其能耗信息。

2)无法实现多测点、多变量的能源监测

企业级的能源管理和优化受困于没有有效的分布式多测点、多变量的能源监控手段,无法按照生产运行和能源使用规律,稳定优化能源的供需平衡,充分利用二次能源,实现整个企业系统的、全局的优化节能。


3 冶金流程工业能源监测技术研究现状

钢铁工业属于典型的流程工业,其能源管理涉及众多方面,具有典型的代表性。钢铁工业节能工作可分为设备节能、工序节能和系统节能三个层次,根据中国钢铁协会的统计,上世纪80年代我国钢铁工业主要依靠单体设备和工序节能(节能比例占75%),而90年代后,能源管理系统等系统节能手段实现的节能比例增加到67%,成为节能降耗主要于段。

国外钢铁企业的能源管理系统主要经历了3个不同的历史发展阶段:

1)单一能源介质能源管理。从六十年代中期开始,国外发达国家的一些钢铁企业就开始根据二次能源的不同种类设置了一些能源管理信息系统,分门别类地对各种能源介质进行监视和控制。

2)综合考虑多能源介质的管理。70年代后,国外学者和工程技术人员开始采用系统分析的方法把各个设备,各生产工序及各个厂矿的能源生产和能源使用联系起来,考察整个能源系统的能源消耗。各钢铁企业开始建立能源系统模型,研究能源的投入产出,生产优化,需求预测等。

3)物流和能量流综合分析与管理。近年来,在对能源综合平衡模型的研究方面,能源管理、关系模型、各类能源间的平衡调整以及负荷预测等技术仍是国外各大钢铁生产企业研究的重点和难点。

在能源系统监测方面,目前的监测手段不能满足能源管理系统的需求,特别是在一个大型联合企业能源管理系统中,亟需一种低成本的技术手段来实现对设备运行参数的在线监测,进而以能源管理为目的,对系统效率进行建模分析,为企业能效评估与分析、能源优化配置和调度提供支持。


4 基于物联网的能源管理系统

针对流程工业能源管理,采用物联网技术可以实现传统技术手段无法实现的多测点、多变量、多方面有效的能耗监测,为流程工业的能源管理提供新的技术手段和完备的监测平台,形成一个集过程监控、能源调度、能源管理为一体的能源管理系统,对各种能源介质进行集中监控、统一调度和平衡优化,对无人值守站所设备进行远程操作和控制。

采用物联网技术,可以以较低的安装、维护成本实现对各类大量能源介质的在线监测,构建现场数据采集后传递给数据传输服务器的工业网络,实现大量信息的在线采集、实时传输。通过有线或无线方式,将能源管理中心所需的能源数据采集进入系统,供监视、报警、数据分析、数据计算、数据统计等用。

在基于物联网的能源管理系统中,通过传感器感知生产过程、电力系统、动力系统、给排水系统等的能源介质信息,通过FRID技术实现物料等的信息感知,构建整个能源管理系统的信息感知平台,并实现海量信息的传输;结合某于智能信息处理的中间件技术对应用过程中存在的海量数据进行处理,支持多协议转换和信息集成,为能源调度和监控提供数据支持。


5 安科瑞工业能源管理系统介绍

安科瑞工业能源管理系统采用自动化、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、重大能耗设备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、用能预测、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。

5.1 系统结构

5.2 应用场所

钢铁、石化、冶金、有色金属、采矿、医药、水泥、煤炭、物流、铁路、航空工业、木材、化学原料以及机电设备、电器产品、工器具制造等。

5.3 系统功能

系统需求主要包括:

● 3D可视化平台

提供3D可视化界面,仅需要上传模型,绑定参数,就可实现3D模型的数据展示,包括系统构成、监测数据绑定、控制命令集成,支持数据实时刷新和设备远程启停。

● 空压机子系统

监测空压机系统的用能,设备启停状态,运行时长,频率,出气量,比功率等数据。

● 污水处理子系统

监测污水处理子系统的用能,液位,设备启停状态,运行时长,系统总体的效率。

● 轧机冷却水循环系统

监测轧机冷却水循环系统的用能,设备的启停状况,出水回水的温度等。

● 空调冷热水系统

监测空调冷热水系统的用能,设备启停状态,关键设备的电参量,出水,回水温度等。

3 3D可视化功能

5.3.1 3D可视化模型上传以及绑定数据


5.3.2 空压机子系统

实时展示空压机子系统各主要设备能耗,电参量,报警,比功率等数据。


5.3.3 污水处理子系统

实时展示污水处理子系统各主要设备能耗,电参量,报警等。


5.3.4 轧机冷却水循环系统

实时展示轧机冷却水循环系统各主要设备能耗,电参量,水位,报警等。


5.3.5 空调冷热水系统

实时展示空调冷热水系统各主要设备能耗,温度,电参量,报警等。

6 结语

缓解我国资源压力,改善生态环境,扭转过多依靠物质资源消耗的增长方式,是工业领域的社会责任;加快工业节能环保技术进步,是提升中国产品和产业国ji竞争力的迫切要求。冶金流程工业的节能减排,必须紧跟信息技术发展的脚步,以物联网等新技术的应用为切入点,充分发挥其技术优势,以较低的投资和使用成本实现对工业全流程的“泛在感知",获取传统由于成本原因无法在线监测的重要工业过程参数,并以此为基础实施优化控制,来达到提高产品质量和节能降耗的目标。


参考文献

[1] 王萌,苏艺.钢铁工业节能减排技术及其在国内的应用.环境工程,2010(2):59-62.

[2] 王忠锋,于文召,未珍,李力刚,黄剑龙.物联网在冶金工业能源管理中的应用[J]

[3]安科瑞企业微电网设计与选型手册.2020.06版.


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