1 引言
近幾年來，中國的鋼鐵行業(yè)發(fā)展勢頭迅猛．在2008年世界金融危機的大環(huán)境下，全國鋼鐵企業(yè)粗鋼總產(chǎn)量達50 048．8萬噸，鋼材58 177．3萬噸㈠位居世界產(chǎn)鋼大國榜首，有力地支持了國家的經(jīng)濟建設．但是，全國鋼鐵企業(yè)總能耗達到22 324．49萬噸標準煤，占全國能源總消耗量的15％以上，平均噸鋼綜合能耗629．93千克標準煤／噸，與日、德等發(fā)達國家還有20％左右的差距．降低鋼鐵噸鋼綜合能耗，就能大量節(jié)省能源．
制約我國鋼鐵企業(yè)綜合能耗下降的因素包括鋼鐵工業(yè)布局、原料質(zhì)量、工藝水平和設備差異以及管理水平差距∽近年來，我國鋼鐵行業(yè)快速淘汰一批落后工藝和設備，推廣型煤技術、焦爐廢煙氣干燥入爐煤的設備、干熄焦)、高爐余壓發(fā)電、熱裝熱送等節(jié)能和能源綜合利用工藝，使我國鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)工藝上升到一個新的水平，取得了明顯的節(jié)能效果。
鋼鐵企業(yè)用能設備數(shù)量多、工藝日趨復雜，使用的能源介質(zhì)達二十多種，且能源介質(zhì)的產(chǎn)生或消耗之間有復雜的關聯(lián)關系，使能源系統(tǒng)的管理和調(diào)控難度加大．因管理和調(diào)控不當、不及時引起的能源介質(zhì)放散現(xiàn)象時有發(fā)生，引起大量能源浪費和環(huán)境污染．集成工業(yè)測控、工業(yè)網(wǎng)絡、計算機和控制技術而形成的能源管理系統(tǒng)正是針對這些問題而產(chǎn)生的新型技術．
本文將介紹能源管理的主要階段，先進能源管理系統(tǒng)的主要技術與功能，并分析先進能源管理系統(tǒng)的研究內(nèi)容與進展情況．最后給出結(jié)論與展望．
2 能源管理模式發(fā)展階段及先進EMS系統(tǒng)
能源管理模式可劃分為3個階段：基于單機設備與工序級的能源管理、基于能源介質(zhì)平衡的能源管理、基于全流程優(yōu)化與系統(tǒng)節(jié)能思想的能源管理．
2.1 基于單機設備與工序級優(yōu)化控制的能源管理
單機設備與工序級能源管理在分解能耗過程、完成能耗指標、實施能源考核等方面具有目標明確、責任清晰、效果明顯等優(yōu)點．這種管理模式在能源系統(tǒng)的局部雖然能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)，但是隨著生產(chǎn)規(guī)模擴大和工藝日趨復雜，難以達到設備或工序之間的匹配和系統(tǒng)優(yōu)化，能源放散的現(xiàn)象時有發(fā)生．
2.2 基于能源介質(zhì)平衡的能源管理
本階段是按照鋼鐵企業(yè)能源介質(zhì)管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點，解決能源介質(zhì)的生產(chǎn)、回收、消耗之間的平衡，防止發(fā)生不必要的放散．論文分別討論了煤氣、電、氧氣等能源介質(zhì)的綜合平衡與優(yōu)化問題．體現(xiàn)了這一管理思想．用以實施這種管理的平臺就是EMS。圖1為某大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)EMs網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。
圖1 某大型鋼鐵企業(yè)EMS網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)
如圖1所示，設備與能源管網(wǎng)的測控信號經(jīng)由遠程測控單元或PLC系統(tǒng)，傳輸?shù)絀O服務器，再存入數(shù)據(jù)庫服務器．操作人員通過能源大廳的操作平臺和應用服務器訪問數(shù)據(jù)庫以獲知現(xiàn)場的情況，并按照相應介質(zhì)的調(diào)度操作標準實施調(diào)度．同時，各能源生產(chǎn)與使用單位可以通過網(wǎng)絡和web服務器瀏覽實時能源信息．
本階段能源管理系統(tǒng)的主要技術包括：集散控制系統(tǒng)(DCS)或現(xiàn)場總線系統(tǒng)(FCS)：適應鋼鐵集中管理、分散控制的需要．
網(wǎng)絡通信：高效、穩(wěn)定、可靠的工業(yè)網(wǎng)絡以實現(xiàn)不同設備互聯(lián)、采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)、遠程操作．
數(shù)據(jù)庫：存貯現(xiàn)場歷史與實時數(shù)據(jù)，供EMS作統(tǒng)計、分析、評估、預測、查詢等．
人機交互、計算機軟件、專家系統(tǒng)等技術提供操作、監(jiān)控、技術支持等服務．
EMS應用網(wǎng)絡和計算機技術，實時監(jiān)控范圍和系統(tǒng)容量得到擴展，因此能夠?qū)δ茉唇橘|(zhì)進行實時精細計量；能從系統(tǒng)的角度實施能源介質(zhì)的平衡調(diào)度；考核能源實績、控制能源成本，提高能源管理的效果和水平．
但是，EMS系統(tǒng)的操作人員調(diào)控的方法是以靜態(tài)平衡為主，在生產(chǎn)計劃變動、物料變化干擾、生產(chǎn)環(huán)節(jié)不可預知的停機、檢修等情況下難以及時調(diào)控．目前解決的辦法是在產(chǎn)耗設計中考慮基本平衡，并采用中問貯存裝置(如氣柜)以緩沖能源介質(zhì)的波動，其調(diào)節(jié)能力有限．
目前我國鋼企能源管理大都處于本階段．
2.3 基于全流程優(yōu)化控制與系統(tǒng)節(jié)能思想的先進能源管理系統(tǒng)
先進能源管理系統(tǒng)是在EMs功能與性能上的提高．從全流程優(yōu)化控制的角度，依據(jù)市場環(huán)境和利潤目標通過企業(yè)資源計劃系統(tǒng)(ERP)形成生產(chǎn)決策和生產(chǎn)計劃，然后由制造執(zhí)行系統(tǒng)MES分解到生產(chǎn)工藝和作業(yè)崗位實施．先進能源管理系統(tǒng)服務于全流程優(yōu)化控制中的指標分解、生產(chǎn)實施和生產(chǎn)環(huán)節(jié)的優(yōu)化控制，同時也受約束于企業(yè)總能耗(或單位能耗)和環(huán)保的要求．圖2為鋼鐵企業(yè)全流程優(yōu)化控制與先進能源管理系統(tǒng)關系圖．
圖2 全流程優(yōu)化控制與先進能源管理系統(tǒng)關系圖
正如文所述，鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程實質(zhì)上是以鐵素流為主要形式的物質(zhì)流和以碳素流為主要形式的能量流按照設定的“程序”和“流程網(wǎng)”作有序動態(tài)的運行．先進能源管理系統(tǒng)要建立包含各類能源設施和設備的“能量流網(wǎng)絡”，運用系統(tǒng)節(jié)能的思想，考慮物質(zhì)流與能量流及其耦合關系，進而構(gòu)建起動態(tài)能源介質(zhì)的預測、仿真和優(yōu)化調(diào)度模型，實現(xiàn)能源系統(tǒng)的全局優(yōu)化控制．
由于鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)流程復雜，現(xiàn)場的影響與制約因素多，如：建模困難、能源介質(zhì)參數(shù)(如燃氣的熱值)變化、生產(chǎn)計劃調(diào)整、檢修時間不確定，加大了能源管理和優(yōu)化控制的難度．因此，鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程數(shù)學建模、基于物質(zhì)流和能源流的能源網(wǎng)絡建模、能源在線監(jiān)測、用能設備優(yōu)化控制、能源預測、能源仿真與優(yōu)化調(diào)度算法等都是先進能源管理系統(tǒng)要解決的問題．
3 先進能源管理系統(tǒng)的研究內(nèi)容與新進展
先進能源管理系統(tǒng)現(xiàn)階段的研究內(nèi)容及其邏輯關系如圖3所示．其研究內(nèi)容主要有5個方面：能源在線監(jiān)測、生產(chǎn)過程優(yōu)化控制和電機等設備能效分析是從3個不同的角度解決能源合理利用問題；集成平臺是解決能源系統(tǒng)的信息化問題；多介質(zhì)監(jiān)測、分析優(yōu)化則是從系統(tǒng)的角度解決整個能源系統(tǒng)的運行問題．
圖3 先進能源管理系統(tǒng)研究內(nèi)容及其邏輯關系
3.1 能源在線監(jiān)測
傳統(tǒng)的能源在線監(jiān)測，以對各種能源介質(zhì)的運行狀態(tài)監(jiān)測和介質(zhì)計量為主．在先進能源管理系統(tǒng)中，要實現(xiàn)白上而下的管控一體化的目標，傳統(tǒng)能源在線監(jiān)測的內(nèi)容上有新的擴展，為跟蹤能源的使用和能源調(diào)度提供依據(jù)．最新研究包括：
(1)能源地理信息系統(tǒng)(GIS)
針對鋼鐵企業(yè)能源管網(wǎng)錯綜復雜、分布范圍廣，全面管理和維護難度很大的問題，提出利用GIS平臺實時監(jiān)測煤氣、蒸汽、電、氧、氮、氬、氫氣、水(包括原水、除鹽水、冷凝水、淡化海水)等關鍵能源網(wǎng)絡運行情況；實現(xiàn)實時事故報警精確定位技術，為管網(wǎng)優(yōu)化設計、危險源辨識、事故搶險和能源優(yōu)化調(diào)配提供輔助依據(jù)．該技術的主要內(nèi)容：
1)管網(wǎng)地形圖的建立與管理
利用MAPGIS軟件作為GIS的開發(fā)平臺，針對能源管網(wǎng)與周圍的建筑物、綠地、等高線、水系、道路等的關系，建立管網(wǎng)地形圖數(shù)據(jù)庫，標注相關數(shù)據(jù)．按照基礎地形圖和各種專題地圖分類、分層管理，并實現(xiàn)地形圖的分層變焦無縫顯示．建立一系列的地形圖維護機制，使地圖信息與實際相符．
2)管網(wǎng)建庫的建立與管理
按照外業(yè)探測資料、其它格式數(shù)據(jù)或管網(wǎng)竣工圖數(shù)據(jù)在管網(wǎng)地形圖中錄入管網(wǎng)分布與結(jié)構(gòu)信息的方法．建網(wǎng)的內(nèi)容包括管網(wǎng)詳圖、多媒體圖片、管網(wǎng)相關設備等．在管網(wǎng)結(jié)構(gòu)與設備出現(xiàn)變化時，能方便快捷更新．
3)管線規(guī)劃與綜合分析
利用GIS平臺，避免在管網(wǎng)擴(改)建規(guī)劃中管網(wǎng)區(qū)域碰撞；對管網(wǎng)區(qū)域埋深提供有力的依據(jù)，實時檢測管網(wǎng)老化并建立預警機制．
(2)能源介質(zhì)泄漏檢測與定位
能源介質(zhì)的泄漏導致能源浪費，甚至引起嚴重安全隱患與環(huán)境污染．目前在面向蒸汽系統(tǒng)跑冒滴漏的蒸汽疏水閥在線測量技術取得進展．該技術主要內(nèi)容是：
1)基于超聲多頻的高精度氣體泄漏在線檢測由疏水閥的微孔或縫隙所導致的氣體泄漏，其產(chǎn)生的超聲信號的頻率隨內(nèi)外壓差、孔徑大小的不同而不同，同時，超聲波的能量隨著距離的增加迅速衰減．精確測量氣體泄漏所產(chǎn)生的超聲信號以確定泄漏的地點和孔徑大�。�
2)強噪聲背景下氣體泄漏判定與泄漏量計量工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境極為復雜，現(xiàn)場存在大量背景噪聲，增加了對泄漏所產(chǎn)生的超聲信號的提取難度，在信號采集時需去除噪聲信號，結(jié)合氣體壓力的變化提出氣體泄漏的判定策略，實現(xiàn)氣體泄漏量計量．
(3)能源介質(zhì)管網(wǎng)的仿真模型及測量數(shù)據(jù)校正
能源質(zhì)管網(wǎng)的設計(流程、管徑、保溫等)往往是根據(jù)經(jīng)驗進行的，不一定是最優(yōu)設計，而能源管網(wǎng)測控中儀表的工作狀態(tài)不一定正常，精度會隨環(huán)境變化而降低．該技術的主要內(nèi)容：
1)能源介質(zhì)管網(wǎng)仿真模型
依據(jù)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，建立流體管網(wǎng)的水力學和熱力仿真模型，快速對流體管網(wǎng)進行水力學和熱力學模擬計算，為管網(wǎng)設計(流程、管徑、保溫等)和改造提供依據(jù)；實時模擬仿真管網(wǎng)的運行狀況或預測管網(wǎng)中介質(zhì)的未來運行狀態(tài)，減少管網(wǎng)在傳輸介質(zhì)時的各種損耗．
2)能源介質(zhì)管網(wǎng)測量數(shù)據(jù)校正
根據(jù)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)和流體能源介質(zhì)的物理性質(zhì)，對傳輸?shù)紼MS系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)是否異常、所處的工作區(qū)間進行判定，依據(jù)測量到的數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)，去除顯著誤差和實施數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)，提高測控數(shù)據(jù)的精度和可靠性．
3.2 生產(chǎn)過程的能效分析與優(yōu)化控制
煉焦、煉鐵、煉鋼和軋鋼是鋼鐵企業(yè)的主要高耗能生產(chǎn)過程，其生產(chǎn)設備能耗占整個生產(chǎn)能耗的70％以上．傳統(tǒng)能源管理系統(tǒng)注重這些過程能源的計劃、計量、分析與考核，而對物流能流關系、生產(chǎn)環(huán)節(jié)的參數(shù)優(yōu)化等問題關注度不高．
在先進能源管理系統(tǒng)中，以減少能源消耗為目標，綜合考慮原料流、產(chǎn)品流(物質(zhì)流)和能量流的耦合關系，建立高能耗設備的能源投入產(chǎn)出模型和面向操作的實績能效評估方法，結(jié)合投入產(chǎn)出模型和能效評估實現(xiàn)面向能效提高的高能耗設備操作優(yōu)化．本項技術的主要內(nèi)容是：
1)高能耗生產(chǎn)過程能源投入產(chǎn)出模型
結(jié)合設備的物理化學原理以及運行歷史數(shù)據(jù)分析，建立能源投入與產(chǎn)出模型，用于能效分析、用能預測以及面向節(jié)能的生產(chǎn)過程設備優(yōu)化操作．
2)面向操作的實績能效評估方法
建立面向操作(操作方法、參數(shù)、環(huán)境等因素)的實績能效評估方法，建立操作與設備能效之間的關系，以指導設備的節(jié)能操作．
3)面向能效提高的高能耗操作優(yōu)化
研究面向操作能效評估指標的動態(tài)優(yōu)化方法，根據(jù)當前能效評估結(jié)果和分析，采用粒子群優(yōu)化等智能尋優(yōu)算法，在設備能源投入產(chǎn)出模型空間中搜索能源消耗最小的操作模式，實現(xiàn)高耗能設備節(jié)能操作．文分別論述了加熱設備與連鑄過程節(jié)能操作優(yōu)化的方法．
3.3 電機、泵類用能設備能效分析與優(yōu)化控制
傳統(tǒng)能源管理系統(tǒng)，對中小型電機及空壓機、風機、泵的運行情況不夠重視．但是，由于電機、空壓機、風機、泵的數(shù)量多，有效監(jiān)測與優(yōu)化控制這些設備的運行能夠顯著節(jié)能．最新的研究包括：
(1)非侵入式電機能源效率在線檢測分析技術
電機是鋼鐵企業(yè)的主要動力設備，也是主要耗能設備．這些電機的大部分在低于設計額定負荷60％的負荷狀態(tài)下運行，導致高達30％的用電被浪費掉．在這些電機中，80％是中小型電機，由于單臺容量不大，在管理中易被忽視．本技術能在線檢測電機運行效率，且成本低廉，使實施中小型電機系統(tǒng)能源管理成為可能．
本技術的內(nèi)容包括：
1)復雜工業(yè)環(huán)境下電機電流信號特征提取
采用基于切比雪夫一致逼近原理的FIR濾波、小波分析消噪、線性調(diào)頻的時頻分析消噪、周期信號混疊等信號預處理技術，解決復雜工業(yè)環(huán)境下電機電流信號特征提取與分析問題，提高轉(zhuǎn)速估計、故障診斷等所需的特定頻率特征信號的提取準確度．
2)基于推理模型的電機能源效率非侵入式、低成本在線檢測與分析
采用小波分析、現(xiàn)代譜估計等先進的信號處理技術，和神經(jīng)網(wǎng)絡、支持向量機等智能信息處理技術，基于電機定子電流特征分析(MCSA)技術，建立電機能源效率推理模型，研究非侵入式電機效率在線檢測與分析方法．在不依賴轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等傳感器，不構(gòu)建高精度電機等效電路的條件下，實現(xiàn)電機效率的高精度在線估計．
(2)空壓機、風機、工業(yè)泵能耗監(jiān)測技術
在工業(yè)生產(chǎn)中，電機主要用來驅(qū)動風機、泵、空氣壓縮機及各種加工設備，構(gòu)成電機驅(qū)動系統(tǒng)．其中用于驅(qū)動空壓機、風機和工業(yè)泵的能耗分別占到電機能耗的15％和27％．對這些設備的能耗監(jiān)測對于面向節(jié)能的設備管理和設備改造有重要的參考價值．
本技術的核心內(nèi)容包括：
1)影響空壓機、風機效率的主要運行參數(shù)在線檢測與分析技術
研究分析空氣流量、溫度、壓力、風機轉(zhuǎn)速等參數(shù)對風機效率的影響，研究開發(fā)對風機性能有重大影響的空氣參數(shù)的在線檢測與估計方法，依據(jù)風機定律和風機性能曲線，建立風機系統(tǒng)效率估計模型．
2)基于能耗分析與優(yōu)化模型的空壓機、風機系統(tǒng)能源效率優(yōu)化技術
以風機效率在線監(jiān)測技術為基礎，建立能耗分析與優(yōu)化模型，開發(fā)電機系統(tǒng)能耗分析與優(yōu)化軟件，與電機驅(qū)動系統(tǒng)能源效率在線監(jiān)測與節(jié)能優(yōu)化平臺實現(xiàn)集成．
3)基于多參量的工業(yè)泵運行狀態(tài)監(jiān)測
當工業(yè)泵運行中發(fā)生各類異常時，如：傳動對中不正、軸承損壞、密封泄漏、槳葉損傷等，都會伴隨有運行噪音增大、軸承溫度升高、機體振動增大等現(xiàn)象．本技術能夠從各種干擾條件下提取信號，并建立噪聲、溫度、振動信號與工業(yè)泵運行狀態(tài)間的對應關系．
4)基于示功圖的工業(yè)泵運行效率監(jiān)測
采用智能濾波技術，以提高光桿載荷和位移的測量精度，同時監(jiān)測泵的出口壓力、揚程等參量，建立能夠確定工業(yè)泵運行效率的示功圖，實現(xiàn)工業(yè)泵的優(yōu)化運行，提高運行效率．
3.4 系統(tǒng)集成平臺
系統(tǒng)集成平臺的主要功能是整合先進能源管理系統(tǒng)各層采集到或處理后的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)能源信息存儲、共享、發(fā)布、應用及開發(fā)．和傳統(tǒng)的EMS集成平臺相比，網(wǎng)絡覆蓋面更廣，系統(tǒng)容量與可靠性更高．系統(tǒng)集成平臺的研究內(nèi)容包括：
(1)新一代能源測控網(wǎng)絡技術
適用于先進能源管理系統(tǒng)的新一代能源測控網(wǎng)絡是工廠能源精細計量與優(yōu)化控制系統(tǒng)的關鍵支撐技術．其主要任務是支持對工廠的多種能源介質(zhì)、多種用能設備進行大范圍的能效計量和分析．針對目前鋼鐵企業(yè)綜合自動化網(wǎng)絡的復雜性——短程和長程，低速和高速，無線和有線多種情況并存，且各種設備與網(wǎng)絡協(xié)議相互之問不兼容，新一代能源測控網(wǎng)絡技術的內(nèi)容包括：
1)低能耗短程異構(gòu)能源測控網(wǎng)絡優(yōu)化設計
通過優(yōu)化設計方法，構(gòu)建實時、可靠、低功耗的工廠能源測控網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，以適應多種設備、多種能源介質(zhì)的不同內(nèi)容、特點和要求的通信需求，使得網(wǎng)絡能效最大化．
2)基于智能天線的長程能源測控網(wǎng)絡技術
智能天線的長程能源測控網(wǎng)絡技術相對于普通無線技術增加了傳輸距離和網(wǎng)絡容量，有望以無線的方式解決鋼鐵企業(yè)網(wǎng)絡規(guī)模大、測點間距遠、布線困難等問題．
3)面向大數(shù)據(jù)量傳輸應用的高速網(wǎng)絡技術
基于藍牙、IEEE 802．11技術，開展多信道復用的高速通信技術以提高先進能源管理系統(tǒng)網(wǎng)絡對環(huán)境的適應性．
4)新一代異構(gòu)網(wǎng)絡互聯(lián)與互操作技術
在實現(xiàn)各種異構(gòu)網(wǎng)絡的互聯(lián)之后，運用遠程數(shù)據(jù)采集、10服務器和OPC server等技術，通過服務器交換各種異構(gòu)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成。
(2)數(shù)據(jù)集成平臺技術
大型復雜先進能源管理系統(tǒng)完成正常功能通常需要通過SCADA軟件對數(shù)萬個、甚至十數(shù)萬個能源點進行實時監(jiān)視或控制，為了完成高級的能源管理和優(yōu)化調(diào)度功能，還需要對生產(chǎn)系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)進行集成．這就是數(shù)據(jù)集成平臺的功能．主要包括：
1)數(shù)據(jù)標簽化
鋼鐵企業(yè)的數(shù)據(jù)環(huán)境如圖4，ERP(企業(yè)資源計劃)提供生產(chǎn)實績、產(chǎn)值、原料等方面的指標與數(shù)據(jù)，MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))提供主工序計劃、檢修、設備狀態(tài)等信息，能源監(jiān)控系統(tǒng)則提供各種能源介質(zhì)與設備檢測數(shù)據(jù)，還有其他如檢驗系統(tǒng)和手工錄入數(shù)據(jù)信息．能源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求與它們之間存在網(wǎng)狀關系．
將數(shù)據(jù)按照一定的規(guī)則轉(zhuǎn)換成標簽，供數(shù)據(jù)需求方訂閱．
2)數(shù)據(jù)交換與處理
標簽中心是一塊內(nèi)存區(qū)域，所有數(shù)據(jù)都通過標簽中心交換．各種來源的標簽都可以向標簽中心寫入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的使用者可以掃描標簽中心讀取數(shù)據(jù)或訂閱標簽，在標簽數(shù)據(jù)發(fā)生變化時，標簽中心會把變化的標簽打包發(fā)給訂閱者．
圖4 鋼鐵企業(yè)能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)環(huán)境
通過數(shù)據(jù)標簽化，簡化這些關系，如圖5：
圖5 數(shù)據(jù)標簽化
3)應用開發(fā)平臺
運用基于服務接口的動態(tài)組件庫技術，使系統(tǒng)的核心模型及算法可在不同應用中實現(xiàn)動態(tài)配置，減少系統(tǒng)二次開發(fā)工作量及由此帶來的出錯概率．
3.5 多能源介質(zhì)管理、分析和優(yōu)化系統(tǒng)
從企業(yè)運營的角度，在市場環(huán)境、營利目標、安全、節(jié)能、環(huán)保等約束條件下，要實現(xiàn)能源、資源合理配置與使用．因此需要研究多能源介質(zhì)的管理，多介質(zhì)、多設備組成的工廠能源系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化調(diào)度的方法，以保障生產(chǎn)所需要的能源能夠按照時問、質(zhì)量、數(shù)量要求輸送給用能設備，保證整個生產(chǎn)系統(tǒng)安全有序地運行和節(jié)能降耗．
(1)能源供應量與需求量中長期與短期預測
能源供應量與需求量預測是順利組織生產(chǎn)，實施平衡與優(yōu)化調(diào)度的前提．預測分為中長期和短期兩種．
鋼鐵企業(yè)能源供應量(能源生產(chǎn)環(huán)節(jié))和需求量(能源需求方)中長期預測，一般有兩類方法可供選用，即時間序列分析法和影響因素分析法．前者分析歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)，推算規(guī)劃預測期的供應量與需求量，適用于未進行大型工藝改造的鋼鐵企業(yè)．后者根據(jù)影響能源供應量與需求量的因素，分析可能達到的數(shù)值或水平．對于發(fā)展中的鋼鐵企業(yè)，采用影響因素分析法能達到較好的預測效果．
短期能源介質(zhì)的動態(tài)預測的基礎是建立能源投入與消耗模型，結(jié)合各工序能源介質(zhì)流量波動規(guī)律，充分考慮生產(chǎn)計劃、檢修計劃及動態(tài)工況信息建立模型，以實現(xiàn)合理預測。
(2)能源系統(tǒng)的建模與仿真技術
能源系統(tǒng)的建模與仿真，輔助工廠能源優(yōu)化調(diào)度，避免出現(xiàn)能源浪費的有效技術手段．根據(jù)質(zhì)量守恒、能量守恒定律、管內(nèi)流動伯努利定律，以及相應的邊界條件和初始條件建立物質(zhì)流、能量流及其耦合的數(shù)學模型，分析鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)的工作行為和特征．能源系統(tǒng)的建模仿真還考慮到能源系統(tǒng)的分散性、用能模式多樣性的特點，使仿真的結(jié)果能夠真實描述能源系統(tǒng)未來的運行狀態(tài)．文論述了鋼鐵企業(yè)煤氣系統(tǒng)的動態(tài)仿真方法．
(3)能源優(yōu)化調(diào)度技術
能源優(yōu)化調(diào)度是提高能源利用效率、降低生產(chǎn)成本的核心技術手段．其目標是在滿足生產(chǎn)用能的情況下，有效降低能源成本：即在滿足能源需要的約束條件下控制最經(jīng)濟的能源介質(zhì)轉(zhuǎn)化方向．
能源優(yōu)化調(diào)度是基于能流一耦合建立能源轉(zhuǎn)換模型和能源平衡模型，根據(jù)企業(yè)物流能源投入產(chǎn)出模型及多目標綜合評價方法建立鋼鐵企業(yè)能源平衡分析及評價系統(tǒng)．模型化法和系統(tǒng)節(jié)能分析法是解決該問題的常用方法．
國內(nèi)外采用模型化方法對企業(yè)系統(tǒng)進行節(jié)能研究的模型主要有投入產(chǎn)出模型、優(yōu)化模型、平衡模型和神經(jīng)網(wǎng)絡模型等；研究系統(tǒng)節(jié)能的分析方法是用來對節(jié)能(或能耗)進行比較、分析和評價的方法．具有代表性的方法有：比較分析法、因素分析法、層次分析法等．文研究了多種優(yōu)化調(diào)度的方法和相關的算法，使能源優(yōu)化調(diào)度可以應用在實際生產(chǎn)中．
4 先進能源管理系統(tǒng)關鍵技術問題及其發(fā)展趨勢預測
綜上所述，基于全流程控制與系統(tǒng)節(jié)能思想的先進能源管理系統(tǒng)的關鍵技術問題主要是：能源介質(zhì)的實時監(jiān)測，生產(chǎn)過程與設備能效分析與優(yōu)化控制，信息系統(tǒng)集成和多目標多約束的全流程能源預測、仿真、優(yōu)化控制等幾個方面．為了同時適應新形勢下鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)經(jīng)濟、高效、環(huán)保、安全地運行等多種目標的苛刻要求，可以預見這些關鍵技術問題在未來的發(fā)展趨勢：
(1)高精度和高精細程度的能源介質(zhì)測控技術
鋼鐵企業(yè)在市場與能源成本方面的壓力下，勢必會加強能源考核，深挖節(jié)能潛力．提高現(xiàn)場儀表測量精度并且加大精細化測量將成為提高能源管理水平和效果的重要手段之一．
用于計量各種能源介質(zhì)的高精度、性能可靠、便于安裝的新型智能儀表在先進能源管理系統(tǒng)中有大量需求．和傳統(tǒng)儀表相比其精度更高，為了實現(xiàn)遠程實時測控功能，還需要具有自診斷與自校準等智能儀表的特征．
能源介質(zhì)的計量精細程度將逐步提高．改變基于分廠(工序)之間的能源結(jié)算方式，將能源介質(zhì)在工序中的消耗情況納入能源管理系統(tǒng)．同時，提高能源介質(zhì)的質(zhì)量(如煤氣成分、熱值)實時檢測能力和精度，并精確分析與計量能源介質(zhì)的損耗、泄漏量．
(2)生產(chǎn)過程與設備狀態(tài)變量精確測定與閉環(huán)控制技術
先進能源管理系統(tǒng)將重要的耗能生產(chǎn)過程與耗能設備也作為研究對象，從能效分析的角度建立耗能生產(chǎn)過程或設備的運行變量與能耗、質(zhì)量之間的關系，以優(yōu)化控制生產(chǎn)過程和設備，實現(xiàn)節(jié)能的目標．
一批實時檢測技術與控制技術將發(fā)揮重大作用，如基于激光誘導的鋼水成分檢測、高爐爐料分布仿真與預測技術、燒結(jié)燒成帶溫度分布測定、煤氣成分與熱值的快速測定等．通過新型檢測技術、軟測量技術等手段，提高過程變量可檢測范圍和精度．逐步實現(xiàn)對能耗有重要影響的生產(chǎn)過程由開環(huán)控制轉(zhuǎn)變?yōu)殚]環(huán)控制．檢測技術的進步必將在降低能耗指標的同時保持質(zhì)量指標在一定水平．
集中管理和監(jiān)控中小型電機、風機和水泵等一大批工作原理相似、能耗較高的輔機設備的工作狀態(tài)與能耗狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)電機設備故障狀態(tài)下運行引起的高能耗、電機與負載不匹配、負載對外做功超過需求等引起能源浪費的問題．通過建立能效分析與優(yōu)化控制的一系列新技術和方法提高主要用能設備的能源利用效率．
(3)安全可靠的異構(gòu)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)平臺整合與數(shù)據(jù)互聯(lián)互操作技術
鋼鐵企業(yè)先進能源管理系統(tǒng)控制的設備具有地理分布廣，數(shù)據(jù)來源與形式復雜多樣，數(shù)據(jù)量大且實時性要求高的特點．有必要研究整合不同網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺的技術方案，形成滿足實時性強、安全可靠、功耗低等要求的新一代能源測控網(wǎng)絡技術，以及解決大容量數(shù)據(jù)集成與應用的基礎問題．綜合應用無線傳感網(wǎng)絡技術、工業(yè)現(xiàn)場總線技術、計算機通信與網(wǎng)絡技術、GPRS信息服務平臺等實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)之后，運用遠程數(shù)據(jù)采集、IO服務器和OPC Server等技術，通過服務器交換各種異構(gòu)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成的目的．這些通信技術將成為先進能源管理系統(tǒng)中新技術應用的亮點．
(4)基于全流程優(yōu)化思想并應用先進控制理論的能源預測、仿真和優(yōu)化調(diào)度技術
鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)表現(xiàn)出多變量、強耦合、非線性、大滯后、多尺度等特點．在控制目標上首先要滿足生產(chǎn)需要，同時，適應市場環(huán)境、經(jīng)濟效益、能耗與環(huán)保等約束條件或優(yōu)化目標．解決這個系統(tǒng)的控制問題的未來研究方向可能是依據(jù)全流程優(yōu)化控制的思想，綜合運用控制理論和尋優(yōu)策略，有效解決能源預測、仿真與優(yōu)化調(diào)度問題．
首先是對能源的中長期需求預測與短期預測的研究，除前述的研究方法和思想之外，還可以按照全流程思想將工藝、時間、能耗指標分解到鋼鐵生產(chǎn)、能源運輸和能源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，完成能源中長期和短期更細致的需求預測，達到提高系統(tǒng)運行的安全性、可靠性和經(jīng)濟性的目標．
其二是鋼鐵企業(yè)能流與物流動態(tài)耦合與協(xié)調(diào)關系的研究．通過機理建模、經(jīng)驗建模、統(tǒng)計、數(shù)據(jù)挖掘等手段，建立能流與物流的動態(tài)數(shù)學模型及相關變量的安全作用域．研究利用該模型仿真能源系統(tǒng)的運行狀況，有效預防在基于設計值的平衡被生產(chǎn)變化打破時形成顧此失彼的被動局面；優(yōu)化設計能源介質(zhì)的供應、轉(zhuǎn)換、傳輸和緩沖環(huán)節(jié)(如煤氣柜)．
其三是完善和豐富鋼鐵企業(yè)能源的優(yōu)化調(diào)度算法及相關理論研究．這些研究的目標是改變基于設計值或經(jīng)驗值的靜態(tài)調(diào)控模式，能夠針對計劃變動、生產(chǎn)檢修與臨時故障檢修等動態(tài)工況對能源系統(tǒng)引起的波動做出靈活、及時、正確的響應，避免發(fā)生由于系統(tǒng)失調(diào)引起的能源系統(tǒng)冒煙冒火和放散現(xiàn)象．前面述及的模型化法和能耗分析法，結(jié)合近幾年來快速發(fā)展的先進控制理論和方法(如針對系統(tǒng)大滯后或部分變量無法直接測量問題的預測控制、推斷控制，針對系統(tǒng)存在多種干擾和時變特性時系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的魯棒控制，針對對象非線性和不確定性的智能控制、專家系統(tǒng)的方法和最優(yōu)控制理論等)，可能形成解決優(yōu)化調(diào)度問題全新思路，以完善和豐富先進能源管理系統(tǒng)的算法庫．這些理論在先進能源管理系統(tǒng)中的應用，也必將促進理論本身走向成熟．
5 結(jié)論
我國鋼鐵企業(yè)的高能耗和低能效是推動EMS相關技術研究的重要原因．智能儀表、計算機網(wǎng)絡技術、現(xiàn)場總線、先進控制理論等為鋼鐵企業(yè)的能源實時測控及能源管網(wǎng)信息集成提供了技術條件．EMS成為現(xiàn)階段鋼鐵企業(yè)實施節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟效益的有效手段．
能源管理發(fā)展有三個階段：即單機設備與工序節(jié)能的能源管理、基于能源介質(zhì)平衡的能源管理和基于系統(tǒng)節(jié)能與全流程控制思想的先進能源管理．目前我國鋼企大都處于第二階段．
先進能源管理系統(tǒng)在能源介質(zhì)的監(jiān)測、生產(chǎn)過程與設備能效分析與優(yōu)化控制、信息系統(tǒng)集成、能源供需預測、系統(tǒng)仿真與優(yōu)化調(diào)度等關鍵技術上取得了重要進展．可以預見未來的技術發(fā)展趨勢是：能源測控的精度和精細程度大幅度提高；對鋼鐵生產(chǎn)能耗有重大影響的生產(chǎn)過程與設備變量精確測量和閉環(huán)控制技術全面實施，對電機、泵類輔助生產(chǎn)設備集中監(jiān)測與優(yōu)化控制；采用或研究安全可靠、便于互聯(lián)和互操作的網(wǎng)絡平臺及數(shù)據(jù)集成技術；應用全流程指標思想的能源供需預測技術、適應能源系統(tǒng)動態(tài)工況的物流能流耦合模型研究及其仿真、結(jié)合模型化和能耗分析方法應用控制理論解決優(yōu)化調(diào)度問題．
先進能源管理系統(tǒng)在鋼鐵企業(yè)中全面推廣必將提高鋼鐵企業(yè)能源管理水平，大幅度提高能源利用效率．
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本文標題：面向鋼鐵企業(yè)的先進能源管理ERP系統(tǒng)研究新進展
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