水泥厂能源现状及应对的能源管理系统

水泥行业能源管理系统

技

术

方

案

北京华控自动化系统有限责任公司

一、水泥行业能源现状

水泥行业是高能耗产业，水泥行业的能源消耗约占世界能源消耗总量的2%。水泥生产企业最大的挑战是能源消耗（热能和电能消耗），约占水泥生产企业成本的40-70%。而国内的水泥生产能源消耗约占全国能源消耗总量的7%，水泥生产总能耗中，熟料生产约占70-80%。

在过去的10年中，水泥综合能耗约下降12.6%，但是综合电耗下降水平不大，主要原因是水泥行业自动控制水平有了很大的提高，同时也说明了水泥行业的节能潜力巨大。

水泥厂典型能源消耗图

对一个水泥生产企业而言，管控好每一个生产环节的能源消耗非常重要。能源管理系统可以实时监测出不符合基准值的能源消耗并及时协助您做出调整和优化。把提高能源效率和可持续发展作为机遇来降低成本和提高生产力，使经济和生态环境的和谐发展就成为一件非常有意义的事情。

优化能源使用并减少相关成本的能源管理办法包括：

✧ 实时监测能源消耗并用不同的形式展现（能源消耗报表、柱状图、饼状图）

✧ 比较不同工厂、不同产线、和不同负载的能源消耗和成本，找到需要

优化的环节

✧ 水泥行业能耗对标分析

✧ 使用替代能源，如余热发电等

✧ 制定能源消耗目标和能源使用计划，改善和加强能源管理

✧ 完善重点能耗设备监测及管理

目前大多数水泥厂还缺少一个统一的能源综合管理平台，即集生产调度与能源调度于一体的平台，及能够反应具体能效水平的能耗指标体系。能耗指标体系包括覆盖各种能源使用情况的诸多指标：如能够反映全厂能效水平的可比热耗、可比电耗、单位水泥电耗，单位熟料电耗，单位熟料热耗，WHR 发电量，单位熟料WHR 发电量，CO2排放量，减少CO2排放量等；如能够反映各车间能效水平的单位产量生料磨用电，单位产量水泥磨用电等；如能够反映班组能效水平的各班单位产量电耗等。各个指标应该基于实时的能耗数据进行计算，并通过专门的能源管理系统发布，使每天、每班组、甚至每小时能效指标的具体数值可视化。

其次，各系统的数据信息量偏少，功能设计相对简单。各配电室的电能表计，数据还不完善，比如对电能质量的监测，需要改造和补充，实现电能到工序级、重点耗能设备级的计量。

现存的系统可扩充性和集团管理方面的功能要求尚未空缺。

为了企业的发展，为了能源合理运用，必须建立能源管理优化系统。 ✧

✧

✧

✧ 可持续发展的需要 提高能源利用效率的需要 提高管理水平的需要 节能减排的需要

二、用能现状

典型水泥企业主要消耗能源为：原煤、电力，还有少量柴油。原煤主要用于熟料烧成系统；电力用于原料破碎与输送、生料粉磨、煤粉制备、熟料煅烧、水泥粉磨、水泥包装、产品出厂等各工序；柴油用于烧成系统点火升温、矿山铲装设备及其他工程机械等。

根据大多数水泥企业能源消耗状况的分析，典型水泥企业电力消耗占综合能源消耗量5.90%，原煤消耗占综合能源消耗量93.61%，燃料油消耗占综合能源消

耗量0.49%。加强用电、煤的管理和使用，是水泥企业节能管理工作的重要内容。

三、能源管理现状

● 生产用煤、用油数据全部进入DCS 系统

多数水泥企业通过健全的DCS 自动控制系统对每个生产工序过程进行实时监测和控制，已达到对各生产工序的用能进行监测和控制的目的。如通过对回转窑煅烧系统的运行参数进行监测、分析，以达到合理利用煤粉，降低煤粉的吨熟料消耗量；并合理调整煤炭能源购入和库存管理，有效减少能源购入资金占有，降低成本起到积极作用。

● 原料数据

多数水泥企业的石灰石原料及原煤的计量数据均以接入DCS 系统，可以满足生产控制系统和能源管理系统的使用需求。

● 电能计量

多数水泥企业总降电力室有一套一次变检测系统，实现对总降的电源进线的电能工况及各电力室母线进线的电能工况进行监测。

相当一部分水泥企业在生产线各电力室层面和重点用能设备层面缺少一套完善的电能采集系统，多数情况下是对特别受关注的重点耗能设备的电能消耗采用定时人工抄表的方式对班次或日用电量的数据进行人工采集和手动计算的方式来进行计量。这种计量方式存在计量数据不准确、人为误差较大等问题，对能源的管控没有太大的实际意义。

四、能源管理系统方案

华控自动化基于多年能源管理系统实施经验和对水泥行业能源管理系统的

实施经验制定能源管理系统的方案架构。

4.1能源数据采集与监控子系统

能源数据采集与监控子系统可对水泥生产企业的工艺设备、能源设备、能源介质和物料数据进行监视，实现对工艺过程数据和生产设备状态数据、能源介质的发生量与耗用量的数据进行采集、显示和报警，对系统异常和事故进行应急处理等。该系统已在多个行业和多家国内著名企业的生产和能源管理系统进行了大量的应用, 并定制开发出符合各行业规范的HMI 画面。包括：

图形化监控界面：能源数据监控、生产过程监控、关键生产设备监控、关键工艺监控、能流监控等。

能源趋势：各种重要能源数据、生产数据的实时趋势、历史趋势，以实现各种参数数据的直观表达和展示。

报表输出：对各种监控数据进行汇总，并遵循系统使用人的要求以报表方式呈现。

监控报警：对各种重要过程数据的阀值进行设定，当该数据的实时值超出阀值范围时，即时产生报警，可根据实时值超限的实际情况产生不同级别的报警。并可对报警的数据进行追溯，方便对报警产生的原因进行分析。

4.1.1生产和能源工艺系统监视模块

能源流监视：通过对能源流的图形化展现，实现从能源介质、生产工艺和综合能耗三个角度实现能源流的可视化监视。以直观、整洁的表达方式体现生产系统的能源消耗与平衡状况。

能源介质能源流：按照原煤、电能等单一能源介质的实施生产和消耗状况，展示单一能源介质的消耗与平衡状况。

生产工序能源流：对单一生产工序的各种能源介质的实施生产和消耗状况以直观的图形化方式进行展现，直观的表达各工序的能源生产与消耗状况。

全厂综合能源流：对全厂生产过程中使用的各种能源介质和消耗状况以直观的图形化方式进行展示，并通过折算为标煤的方式显示全厂的能源消耗和平衡状况。

能源设备和生产工艺监视：能源设备监视实现生产线及各相关辅助生产环节中的能源生产和消耗系统中的能源生产、输送、分配、转换及使用等环节和重点能耗设备的可视化管理。

总降变电所监视：实时监视高压开关设备的使用状况及设备运行状态。 动力系统监视：实时监视各主要能耗设备如原料磨、煤磨、窑主传电机、排风机、篦冷机、空压机、斗式提升机、堆取料机、余热发电锅炉等关键生产设备的运行状态。

生产工艺监视：汇总了各控制系统设备的实时生产数据，并将这些数据进行画面展示；通过对生产数据进行计算、统计后汇总到调度画面以图形方式展示生产工艺系统的设备运行状态和过程数据。

能源设备报警：通过报警模块实现对各能源设备的运行参数异常、运行故障的记录、报警和故障原因分析。

4.1.2重点耗能设备监视模块

从水泥生产企业的实际生产和能源管理角度，集成关键设备和生产工序，如生料磨、煤磨、回转窑、水泥磨等的运行监控画面和运行参数，包括入磨生料量、入磨原煤量、回转窑喂料量、回转窑喂煤量、一二次风量、各种混合材料量、窑尾烟室温度、窑尾烟气温度、回转窑转速、电压、电流等运行参数，达到监控重点工序和设备的运行工况和运行效率的目的。

4.1.3实时报表输出模块

能源管理系统可以针对水泥生产企业的实际需求提供专业的报表系统，主要包括生产运行相关的计划报表、实绩报表以及其他的管理类报表。

4.1.4实时历史报警模块

针对发生的报警信息，生成报警事件并做SOE 记录。包括报警的发生、确认和报警解除。同时还可以对非报警类事件进行记录。

4.1.5历史数据存储和查询模块

能源管理系统运行过程中的数据会被系统自动存储，以备查询。历史数据查询方式可以是报表的方式以及历史数据趋势图的方式。

被存储的数据包括能源消耗历史数据、生产过程历史数据、历史事件信息、SOE 信息、操作事件信息等。

4.1.6运行监视诊断功能模块

运行监视诊断作为能源管理系统的自检功能，可对网络通信情况进行动态在线的连续监视，并对异常状况进行诊断，以保证系统能24小时不间断正常运行。主要包括系统通讯设备连接、数据通讯接口连接、系统通讯故障等。

4.1.7监控画面设计

能源数据采集与监控子系统的监控画面主要包括以下几种：

供配电系统监控画面：包括总降供配电监控画面、各熟料生产线相关电力室供配电监控画面、矿山相关电力室供配电监控画面、码头相关电力室供配电监控画面、余热发电相关电力室供配电监控画面以及其他厂内电力室供配电监控画面；相对应的现实各电力室内配电柜的电压、电流、功率因数、有功电能、无功电能等电能相关数据。

4.2能源信息分析、管理子系统

能源信息分析、管理子系统是在能源信息采集与监控子系统的基础上，针对能源信息采集与监控子系统所获取并提供的能源消耗数据、关键工序过程数据及关键能耗设备运行数据，以及通过能源信息管理子系统的财务模块及质量模块中输入的财务数据及质量数据；通过对以上各种数据的有效整合、分析，并结合工厂建模，对上峰水泥公司级、产线级、工序级的能源计划、能源实绩、能源成本、

能源质量、能源设备以及能源分析进行综合展示。展示的手段包括多种图形图表，如曲线图、柱状图、饼图等。并可以实现以下分析功能：

✧ 对多个同类型生产线、工艺、关键设备的能耗数据进行比较分析。 ✧ 对同一生产线的不同工艺、关键设备的能耗数据进行综合分析。

✧ 对同一生产线、工序、关键设备在不同时间段的能耗数据进行比较分析。 ✧ 对同一条线不同班组产量、消耗进行对比分析

4.2.1能耗模型模块

生产能耗管理包括两部分内容：工厂模型，能源消耗管理。

工厂模型建立

工厂模型是能源管理系统所特有的。将工厂按照实际的工艺流程与区域划分为不同管理层级，每个层级添加对应的管理报告点，实现每个工作中心的精细化管理。

按照工厂的实际区域、工艺流程、设备构建工厂模型。

按照能源的存储、转换、输送、使用构建能源的利用损失模型。

能耗模型建立

能源消耗管理对各种能源介质的实际发生量、主要用户使用量和主要介质放散量等数据进行采集和整理，以此来获取生产运行的实绩数据，反映介质生产和使用情况，并跟踪主要能耗指标数据，实现能源结算、考核及能源平衡。

4.2.2基础信息管理模块

系统各类不同的编码适应统计要求，符合唯一性、合理性、可扩充性、简单性、适用性、规范性的要求。系统初始化时将实际所有的基础信息由人工录入系统，具有相关查询、修改权限的人员可对基础信息内容进行查询与修改。

基础信息管理结构图

4.2.3重点耗能设备信息管理模块

从水泥生产的电能消耗比例来看，主机设备的电耗之和一般占全厂总电耗的80-90%左右，因此，对主机设备进行必要的能源管理对于降低整体生产电耗是有着积极意义的。

主机设备产生能耗的情况，主要分为以下五类：

✧ 正常产量生产

✧ 产量不足生产

✧ 空运转

✧ 主机设备停止，但附属设备依然运转

✧ 峰谷平电价分时段运转

由此可以看出，除正常产量生产，其他几种情形都可能会产生不必要的能源浪费，对后几种情形的能源设备数据进行管理，可以及时查找到能源管理上的漏洞，提出必要的改进措施，提高全厂的能效水平，降低能源成本。

系统考虑到水泥生产的实际电耗状态，对水泥厂主机设备和重点耗能设备的主要管理内容如下：

✧ 运转率

✧ 开停机次数、开停机时间

✧ 设备状态显示（运转、停机、故障、备妥、维修）

✧ 总运行时间

✧ 空运转率

✧ 空运转电耗

✧ 峰谷平分时电耗

✧ 电能成本

✧ 总电耗

✧ 单位电耗

✧ 产量不足（需设置门槛值）折算电耗

以上绩效指标均可以使用图表方式直观展现出来，可以按年、月、日、班组进行统计，并可进行同环比分析等。

水泥厂主机和重点耗能设备列表如下：

4.2.4能源计划管理模块

能源计划管理模块用于制定保证能源供需平衡的能源计划。能源供需的长期计划(静态计划) 由全厂管理系统制定，能源管理模块每天的日计划是按全厂管理系统下达的次日生产计划编制，能源平衡和调度模块可根据计划可选用运转设备和介质种类。

能源计划管理将对于不同工序的能源使用情况和计划进行定义和检查，对比计划量统计分析实际使用量，发现计划与实耗之间的联系，指导更好地制定

能源计划。能源计划与实际消耗的对比可以按照工序、时间、介质类型、单位等分别进行对比。

能源计划管理功能的实现要点和影响因素如下：

能源计划制定形式：根据能源工序计划报表的要求，制定能源工序计划； 能源计划计算公式：针对能源计划中的计划单位，分别设定计算公式，对应的计算对象应为生产计划及能源消耗历史数据（历史单耗）、供能状况、设备状态等；

能源单耗预估值影响因素：制定工序能源介质单耗的影响因素；

能源工序计划计算：根据输入信息进行计算得出各工序的预估消耗数据； 能源计划结果输出：以图形和报表方式输出结果。

能源计划的执行跟踪：结合实际能源使用情况对计划的执行进行统计、分析，以便及时做出调整。

4.2.5能源实绩管理模块

能源实绩管理以能源数据采集与监控子系统提供的公司、分厂、生产线、工段、班组的生料产量、熟料产量、水泥产量以及对应的能源消耗数据作为基础，对各分厂、生产线、工序、关键耗能设备的实际能源消耗、回收量及各种能效和经济就技术指标进行计算。并生成各种能源产耗报表，并提供数据和报表查询。同时可以实现电能消耗的峰平谷统计及电费计算功能。

根据水泥企业的管理层级特点，可以定制相关的能源实绩展示，如公司级、生产线级综合绩效报告，内容包括公司级或产线级的产量、计划完成状况、主机运转率、产品单耗、综合能耗、综合电耗等。针对水泥产品还可以有可比电耗、可比热耗等。帮助不同管理层第一时间了解生产状况，发现能耗异常。

实时发布各分厂、生产线、工序的产品产量、单位能耗及设备状态等。 能源实绩管理的日常工作包括：

✧ 自动采集的能源数据的人工修正，即平衡调差；

✧ 人工抄表数据录入；

✧ 允许自动采集或者人工录入产量数据；

✧ 即时数据查询；

✧ 结算条目设定和计算公式设定；

✧ 能源实绩结算数据计算；

✧ 工序能耗条目和计算公式设定；

✧ 工序能耗结算数据计算；

✧ 实绩数据修改和确认；

✧ 实绩报表查询和确认。

4.2.6能源成本管理模块

在生产过程中，能源成本作为不可忽视的一部分成本构成日益成为企业的关注目标。一般情况下，用户会要求在总成本、工序能源成本、单位能源成本、重点工序的高消耗能源介质的能源成本进行跟踪计算，从而方便对应的成本管理需求。在最近几年的项目中，越来越多的用户要求对公司的能源进行全面的成本管理，也就是支持财务系统进行能源结算，支持管理上对能源成本构成的分析和改进。综上而言，不难看出能源成本的管理正成为用户日益关心的能源管理方向之一。

能源成本管理模块依据给定的公式，根据能源介质消耗量计算能源成本，并通过多种图形化工具实现成本显示。为了实现能源成本的对比，也可以利用能源成本管理提供的成本比较功能，实现指定查询条件下的能源成本的对比。

通过出色的系统扩展能力，本解决方案可以实现与ERP 、EMS 等系统互联。因此，能源价格可以从ERP 或者财务系统中通过接口下达到EMS 系统，也可以由用户手动维护最新的能源价格。同时，系统通过记录的历史价格数据，绘制价格变化曲线，从而反映一段时期的能源价格变化。

◆ 成本计算

能源管理系统能够计算出对应每一笔能源计量的能源成本，从而计算出特定的公司、工厂、区域、成本中心、重点设备在一段时期的能源总成本。对于生产性成本中心，在从生产管理系统获得产量的前提下，本系统还可以计算出一段时期内的某种或者某些能源介质的单位能源成本，公司、工厂、区域、成本中心、重点设备的单位能源成本等。这些成本信息都是使用最新的价格，在能源计量的对应时间粒度基础上实现的。在此基础上能够进行能源成本构成分析。

◆ 成本绩效指标

基于公司经营目标制定的绩效指标中，能源成本绩效指标往往是最具有直观的说服力的。本系统同样可以在任何时间粒度下计算公司、工厂、区域、成本中心、重点设备等各个级别的能源成本绩效指标。能源管理系统拥有丰富的展示方式，包含表格、图表、仪表盘、报表等。

成本报表

能源成本报表可以是用户提出的，也可以是我们系统中固定格式的报表。报表的报告周期可以是日，也可以是月，另外还可以是日累计或者月累计等。在报表中可以插入图标，总是形式是灵活多样的。

4.2.7能源分析管理模块

能源分析管理模块在根据需要定义主要的能源指标和实际消耗数据基础上，以形成分析结论，提供决策参考，如生产区域各种消耗介质月度单耗、月度消耗量等指标。

对于定义的能耗指标，系统允许用户指定其计划值、预算值，并可以直接与累计消耗对比分析其偏差情况，同时显示其上升和下降的趋势。

能源绩效分析的展示方式有多种，系统内置了多种不同的图形控件并支持使用第三方仪表控件对能耗情况进行显示和分析。对于每一项能源绩效参数，系统允许自定义其计算方式，可以是累计、最大最小值或平均值，也可以是用户自定义变量的计算公式，计算周期由用户定义的时间段进行，如日、月、年。

能源实绩分析根据目前组织和介质分布，将建立两种不同的分析模式，介质消耗性能分析和生产单位性能分析。

介质消耗性能分析对每一种介质在不同生产单位的消耗进行统计分析，包括了日消耗统计、月消耗统计、年度消耗统计、消耗趋势分析、消耗对比分析。

生产单位的性能分析包括按照生产区的分析，如能源介质单耗分析、生产单位综合能耗分析、计划与实绩比较分析、计划自身比较、实绩自身比较、实绩同环比分析、同类设备能耗对比分析、消耗指标分析、能源指标对比分析等。

对于能耗绩效的分析结果，除了管理仪表盘外，系统还可以提供多种图形化分析手段，如下图显示了通过综合性的曲线和棒状图对多重绩效参数进行的

统一分析：

4.2.8能源质量管理

能源质量管理可以包括能源介质质量管理和能源使用质量管理。

能源质量管理主要分为三个步骤：

制定监测点、以及相应的监测项目和监测频次，然后由相关部门监测后上传监测数据。

数据的采集和录入：对有在线检测设备的质量数据进行直接采集，如电力功率因数。对其它无在线检测设备的能源质量数据采用人工录入的方式上传。

形成能源质量管理分析曲线和质量报表，提供数据查询和质量预警功能，提高能源质量控制水平。

4.2.8.1能源介质质量管理

能源介质质量管理是通过采集关键能耗数据，对电（用电量、用电质量）、煤（发热量、灰分等）等采样指标进行质量统计，并通过标准的质量图表进行分析的能力。主要支持的质量图表包括：

✧ 报表

✧ 质量变化趋势

能源介质的质量管理将为能源质量报告提供数据记录的基础，并可以让客户能够进行交互式的质量数据查询工作。针对各类动力介质的要求，在介质质量管理中进行实时动态监测并形成报告。

4.2.8.2产品质量管理

能源使用的质量与产品的产量和产品质量息息相关，可以从产品的产量和产品质量数据中反映出能源使用质量。因此，本系统中引入熟料生产线和水泥生产线不同阶段的原料及能源介质的产品质量数据，并通过对产品质量数据的比对分析来反映出能源使用质量。

针对上峰水泥，需要引入的产品质量数据包括生料检测数据（饱和比等）、熟料检测数据（强度）、水泥监测数据（混合材的添加量）等。

4.2.9能源平衡

能源平衡包括：物料平衡计算、热量平衡计算

物料平衡计算和热量平衡计算需要结合具体的工艺流程和各工艺环节能源

使用状况进行计算。

能源平衡

能源的平衡管理是根据由不同层级的计量及结算仪表构成的能源网络结构图，建立各级数据间的平衡管理和结算体系。各级间的平衡差量，可自动分配，也可经过授权的用户进行修改，并保存修改记录。确保实现能源效率分析和能源成本的精细化管理。

能源平衡报表是能源管理日常工作的重要内容之一，能源管理系统的数据分析功能可以实现大规模的公式运算。实现平衡报表的自动化，为能源平衡调度提供数据支持。

针对水泥企业可以提供的能源平很报表包括：年度、月度平衡报表，电能平衡报表，余热发电平衡报表等。

能源平衡报表的编制是能源平衡的主要工作，能源平衡报表的编制可以按照以下步骤进行：

选择能源平衡报表需要的条目项，如能源介质、工序、产量、能耗和指标等。达到综合体现各个生产工序的能源使用情况，能源的购入、转换和消耗的情况的目的。

对需要手工录入的数据进行录入

设定上述条目的计算公式

设定不同能源的折算系数

计算和生成报表

通过对各种平衡的计算，发现问题，及时采取相应措施，杜绝浪费。

4.2.10绩效考核

能源系统的绩效考核功能的实现，可与企业的经济责任制考核挂钩，为经济责任制考核提供数据支撑。以落实企业能源精细化管理方针，充分发挥能源管理系统在数据的收集、计算、可视化管理等方面的优势。

能源管理系统覆盖下的全公司及各个能源生产和能源消耗单位均可以分配绩效考核指标。如能源成本指标、班组能耗指标、工序指标、单耗指标等。

4.2.11能效分析

根据企业生产工艺流程，对企业重点耗能设备和重要工序建立生产模型，将

重点耗能设备和主要工序的耗能过程实现模型化管理，同归对用能过程的监测，分析用能各个阶段与设备的运行状况是否达到最佳匹配状态，从而达到对重点耗能设备或主要生产工序的能效优化。

水泥生产过程中主要由生料破碎、粉磨，熟料烧成、煤粉制备、水泥粉磨和余热发电等主要工序构成。耗能设备有破碎系统主机、生料粉磨系统主机、烧成系统主机设备、煤粉制备系统主机、水泥粉磨系统设备、余热发电主机系统等设备，这些耗能设备消耗着整个水泥生产过程中大部分的能源，对于这些主要系统设备的在生产过程中能源是否被高效的利用直接决定着企业节能减排的实际效果。

如水泥生产中烧成系统主机设备，整个主机设备包含了回转窑、主减速机、主电动机、控制流篦式冷却机、减速机、电动机等，消耗了25%的电能和100%的热能，这些被消耗的能源是否被最大化的利用，需要通过系统能效模型进行实时监测分析，通过系统最优能效分析图和实际能效图进行对比，可以直观的发现该系统主机设备是否存在耗能现象。