大型玻璃企業(yè)智慧能源系統(tǒng)研究

婁清輝,牛洪海，耿 欣，陳 俊，李 兵，張 冰

(南京南瑞繼保工程技術有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引言

本文依托國內(nèi)某大型浮法玻璃生產(chǎn)企業(yè)廠區(qū)能源系統(tǒng)，研究玻璃企業(yè)智慧能源一體化管控關鍵技術。以能源互聯(lián)網(wǎng)思維與理念構(gòu)建智慧能源系統(tǒng)，將分布式產(chǎn)能裝置(包括天然氣分布式能源、光伏、余熱發(fā)電等)、儲能、暖通系統(tǒng)一體化采集監(jiān)控，將電力、熱力和天然氣等網(wǎng)絡和控制性能源節(jié)點互聯(lián)；并根據(jù)玻璃生產(chǎn)的用能特點，深入分析玻璃爐窯能效水平，提出優(yōu)化調(diào)度算法及評估指標，使系統(tǒng)中的每條生產(chǎn)線、設備獲得最佳能源供應和使用效率[1-2]。

熔窯是浮法玻璃廠的主要耗能設備，其能耗占全廠的80%左右，燃料成本占玻璃生產(chǎn)成本的1/2以上。發(fā)達國家的先進浮法玻璃熔窯具有30%～40%的熱效率，而我國的浮法玻璃熔窯只有25%～30%的熱效率[3-4]。玻璃熔窯能耗在線評估可幫助調(diào)度人員了解爐窯的運行效率，形成玻璃熔窯系統(tǒng)各運行工況下的能效數(shù)據(jù)庫，為熔窯系統(tǒng)優(yōu)化運行提供數(shù)據(jù)支撐[4-5]。但傳統(tǒng)的熱量平衡分析難以實現(xiàn)系統(tǒng)在線計算，本文提出基于玻璃熔化能力的評估指標和玻璃單位產(chǎn)品綜合能耗評估指標，實現(xiàn)玻璃熔窯及整個企業(yè)能源系統(tǒng)效率的在線評估。

1 能源系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 廠區(qū)能源系統(tǒng)

廠區(qū)主要能源供應包含電力、蒸汽、供冷、供熱、壓縮空氣。電力主要來源包含市電、光伏、余熱發(fā)電和柴發(fā)：市電由廠區(qū)變電站引入，光伏利用玻璃廠房屋頂面積搭建，玻璃熔窯余熱實現(xiàn)回收發(fā)電。柴油發(fā)電機為安保電源，儲能和光伏配合實現(xiàn)經(jīng)濟用電。余熱鍋爐為廠區(qū)提供蒸汽，并驅(qū)動溴化鋰機組制冷，為廠區(qū)辦公樓集中制冷，其余為分體式電空調(diào)。廠區(qū)設天然氣計量調(diào)度站和循環(huán)水泵房，實現(xiàn)廠區(qū)天然氣和水的供應。壓縮空氣通過空壓站產(chǎn)生，滿足生產(chǎn)用壓縮空氣。能源供應如圖1所示，通過電氣母線、煙氣母線、蒸汽母線及冷水母線，實現(xiàn)能源設備的互聯(lián)互通，滿足廠區(qū)電、氣、冷、熱、水的綜合能源利用需求。

圖1 玻璃廠區(qū)綜合能源系統(tǒng)圖Fig.1 Integrated energy system diagram of glass plant area

1.2 廠區(qū)工藝系統(tǒng)

浮法玻璃生產(chǎn)包含原料混合、融化、澄清、成型、退火、切裁、包裝。其原理是以石英砂巖、長石、白云石、純堿、芒硝等原料，經(jīng)混合料倉混合均勻后送入高溫熔窯進行熔化生成玻璃液，進入錫槽后經(jīng)機械拉引，形成符合寬度和厚度要求的玻璃帶。冷卻后經(jīng)退火、冷卻、切割，檢驗后為成品。工藝流程如圖2所示。

圖2 浮法玻璃工藝流程示意圖Fig.2 Diagram of float glass process flow

浮法玻璃主要用能包含電力、天然氣、壓縮空氣。配料和輸料環(huán)節(jié)主要消耗電力；融化環(huán)節(jié)主要消耗天然氣；成型退化環(huán)節(jié)主要消耗電力、壓縮空氣等；在窯爐尾氣處安裝了余熱鍋爐自產(chǎn)蒸汽，用來滿足工藝及后勤生活熱負荷需求。

2 玻璃廠區(qū)智慧能源系統(tǒng)

本文在全面梳理該玻璃生產(chǎn)廠區(qū)的能源流、信息流的運行機制及交互機制的基礎上，基于多能互補及能源互聯(lián)網(wǎng)的理念，構(gòu)建玻璃企業(yè)智慧能源一體化管控系統(tǒng)，覆蓋玻璃生產(chǎn)廠區(qū)的生產(chǎn)-轉(zhuǎn)換-存儲-配送-消費。

2.1 一體化管控系統(tǒng)架構(gòu)

智慧能源系統(tǒng)采用分層調(diào)控機制，實現(xiàn)分層協(xié)同和優(yōu)化，保障廠區(qū)能源系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行，實現(xiàn) “ 電、 熱、 冷、 水” 多能統(tǒng)的協(xié)同優(yōu)化[6-9]。采用多維度能效分析，實現(xiàn)主要工序能效分析和優(yōu)化，提升用能終端的能源利用管理水平及整個能源系統(tǒng)的效率。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 玻璃廠區(qū)智慧能源系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 Intelligent energy system architecture of glass factory area

系統(tǒng)采用3層網(wǎng)絡架構(gòu)。底層是就地控制層，中層是協(xié)調(diào)控制層，上層是優(yōu)化分析層。

就地控制層，主要通過控制器就地單位，完成分散儀表及子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入，控制指令出口，實現(xiàn)配電、光伏、儲能、余熱鍋爐、制冷站、水泵站、以及玻璃爐窯、玻璃錫槽系統(tǒng)的遠程監(jiān)視和控制。

協(xié)調(diào)控制器采用分層分布式設計，包含協(xié)調(diào)控制器、冗余配置，一方面將就地層采集設備及負荷信息上送到智慧能源控制平臺，另一方面根據(jù)既定的約束規(guī)則對余熱鍋爐、制冷站、光伏、儲能等的負荷進行協(xié)調(diào)控制，保證能源供應系統(tǒng)的經(jīng)濟運行，同時對玻璃爐窯、空壓機、泵與風機等重要負荷設備進行優(yōu)化控制。

優(yōu)化分析層主要依托能源集中監(jiān)控、多維度能效分析、在線能效評估、能源調(diào)度與管理，實現(xiàn)整個廠區(qū)的綜合能源分析、調(diào)度和管理，形成評估指標，下發(fā)調(diào)度指令。在數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視、調(diào)度計劃、負荷預測等相關系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)基礎上，實現(xiàn)冷、熱、汽、水負荷管理和經(jīng)濟調(diào)度等功能，為實現(xiàn)平臺能源綜合利用效率的最大化提供保障。

2.2 廠區(qū)能源優(yōu)化調(diào)控

忽略設備維護和維修費用和設備運行的管理人員費用，本文研究的玻璃企業(yè)供能系統(tǒng)的運行費用主要包括消耗的天然氣費用、電網(wǎng)購電費用和水費用3部分。優(yōu)化調(diào)控層企業(yè)的歷史運行數(shù)據(jù), 以系統(tǒng)運行費用最小為優(yōu)化目標[10-13], 結(jié)合設備運行狀態(tài)、 工藝系統(tǒng)的狀態(tài)，自動生成冷熱電計劃指令，優(yōu)化調(diào)度模型如下：

(1)

式中：N為調(diào)度周期數(shù)；Ei,grid、Fi,g、Wi,w為第i個調(diào)度周期電網(wǎng)購電量(kW·h)、天然氣用氣量(m3)、用水量(t)；μi,e、μi,g、μi,w為第i個調(diào)度周期的平均電價(元/(kW·h))、天然氣平均價格(元/m3)、平均水價(元/t)。

約束條件包括光伏、儲能、玻璃熔窯、余熱鍋爐、溴化鋰機組的運行狀態(tài)約束，生產(chǎn)線負荷需求約束和生產(chǎn)排產(chǎn)約束等。優(yōu)化調(diào)度模型的求解結(jié)果為各調(diào)度周期設備的出力。

3 能源系統(tǒng)在線評估

3.1 玻璃熔窯能耗在線評估

圖4 玻璃熔窯熱平衡示意圖Fig.4 Thermal balance diagram of glass furnace

傳統(tǒng)的玻璃熔窯分析，主要計算玻璃熔窯的熱平衡效率，玻璃熔窯的熱量平衡如圖4所示。輸入能耗包括燃料燃燒熱、燃料顯熱、助燃空氣顯熱、配合料顯熱等[14]；輸出熱量主要包括玻璃液帶出潛熱、玻璃液帶出顯熱、表面散熱、孔口輻射散熱、冷卻水帶出熱、冷卻風帶出熱等[15]。效率計算需求的測點較多，增加傳感器成本較高，一般通過實驗測定，無法實現(xiàn)系統(tǒng)在線分析。

根據(jù)平板玻璃行業(yè)清潔生產(chǎn)標準，玻璃熔化能耗是評估玻璃企業(yè)熔窯能耗水平的重要指標，且計算方便。因此，本文提出以玻璃熔化能耗為玻璃熔窯的在線評估指標，智慧能源管控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)在線評估。指標定義為

(2)

(3)

研究企業(yè)共3條浮法生產(chǎn)線，玻璃熔窯的熔化能力為600 t/d玻璃液。對企業(yè)一個月運行數(shù)據(jù)系統(tǒng)進行滾動在線計算，取一個時間斷面的結(jié)果如表1所示。本文數(shù)值為標準狀態(tài)下取值。

從表1可看出，玻璃熔化能耗為6 171.35 kJ/kg，對計算結(jié)果進行對標分析，結(jié)果如圖5所示。

該廠玻璃熔化能耗低于國家限額。與平板玻璃行業(yè)清潔生產(chǎn)標準(HJ/T 361—2007)相比，低于二級標準，處于國內(nèi)先進水平。但與國際先進水平相比，還有一定的距離。分析玻璃熔化能耗的歷史曲線，便可了解玻璃熔窯的運行狀態(tài)。當效率下降或波動時，系統(tǒng)通過報警和提醒的方式告知運行人員進行相應的檢修和維護。

表1 玻璃熔窯在線評估計算結(jié)果Table 1 Calculated results of on-line evaluation of glass melting furnaces

圖5 玻璃熔窯評估結(jié)果對標Fig.5 Confirmation of evaluation results for glass melting furnaces

3.2 玻璃企業(yè)能耗綜合評估

智慧能源平臺對廠區(qū)電力、水、燃氣，以及風機、水泵、爐窯、錫槽等設備的信息全覆蓋采集，系統(tǒng)充分集成生產(chǎn)過程的能源相關數(shù)據(jù)和信息。依托智慧能源系統(tǒng)數(shù)據(jù)覆蓋性，建立指標模型，實現(xiàn)對企業(yè)的能耗綜合評估，反映企業(yè)的能耗水平。

玻璃單位產(chǎn)品綜合能耗是整個企業(yè)能源投入和產(chǎn)出的綜合體現(xiàn)，因此智慧能源管控系統(tǒng)依托玻璃的單位產(chǎn)品綜合能耗指標計算模型，實現(xiàn)企業(yè)能耗的綜合評估。

平板玻璃綜合能耗計算如下：

(4)

平板玻璃單位產(chǎn)品綜合能耗如下：

(5)

對研究企業(yè)1個月運行數(shù)據(jù)進行滾動在線計算，取一個時間斷面的計算結(jié)果，如表2所示。

表2 企業(yè)能耗在線評估結(jié)果Table 2 Results of enterprise energy online assessment

從表2可看出，平板玻璃單位產(chǎn)品綜合能耗12.35 kgce/重量箱，進一步對該企業(yè)全年的指標進行對標分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 企業(yè)綜合能耗評估結(jié)果全年對標Fig.6 Benchmarking of enterprise energy use assessment results

該企業(yè)全年玻璃單位產(chǎn)品綜合能耗的最小值為12.35 kgce/重量箱，最大值為16.35 kgce/重量箱。查詢相關運行記錄，1—6月份，指標下降的原因主要為產(chǎn)量增加使得平均能耗降低，6—9月份的指標增加主要由空調(diào)夏季制冷和熔窯保溫材料損壞導致。智慧能源管控系統(tǒng)于9月份投入，系統(tǒng)試運行后，11及12月在與10月份產(chǎn)量相差不大的情況下，明顯實現(xiàn)了玻璃單位產(chǎn)品綜合能耗的下降。綜上，玻璃單位產(chǎn)品綜合能耗能較好地反應企業(yè)的能源利用狀況。

4 結(jié)論

本文結(jié)合玻璃企業(yè)能源需求及平板玻璃的工藝系統(tǒng)特征，提出了玻璃企業(yè)智慧能源系統(tǒng)架構(gòu)和廠區(qū)能源優(yōu)化調(diào)度方法；打破傳統(tǒng)各種能源供應完全孤立的現(xiàn)狀，通過智慧能源平臺實現(xiàn)玻璃企業(yè)能源系統(tǒng)的一體化管控。智慧能源平臺針對玻璃企業(yè)最主要的用能設備——玻璃熔窯，建立評估指標，實現(xiàn)能效的在線評估。最后，提出了以玻璃單位產(chǎn)品綜合能耗為玻璃企業(yè)綜合評估指標，反應整個企業(yè)的綜合能源系統(tǒng)運行狀況。智慧能源平臺和在線評估指標的建立，將推進玻璃企業(yè)能源系統(tǒng)的運行優(yōu)化管理水平和能源利用效率的提升。