智能制造有色金屬冶煉企業(yè)能源管理系統(tǒng)的建設

張 煜，陳迎武，李俊杰

（1.陽谷祥光銅業(yè)有限公司，山東 聊城 252000；2.中南大學化學化工學院，湖南 長沙 410083）

有色金屬是國民經(jīng)濟發(fā)展必需的基礎材料，現(xiàn)代化建設離不開有色金屬，而且需求量是非常巨大的。我國銅、鉛、鋅、鋁等產(chǎn)量連續(xù)多年躍居世界前列，2019年，銅、鉛、鋅、鋁產(chǎn)量分別為978.4萬噸、579.7萬噸、623.6萬噸和3504.3萬噸。目前，我國工業(yè)日益發(fā)達，需要將有色金屬作為戰(zhàn)略儲備資源[1]。由于我國有色金屬冶煉復雜資源共生、原料品位波動大，而且屬于高耗能產(chǎn)業(yè)之一[2]，銅、鋁、鉛、鋅等冶煉單位產(chǎn)品能耗占全國有色金屬單位產(chǎn)品能耗的90%以上。因此，有色金屬冶煉企業(yè)在建有自動信息化基礎上，需要實現(xiàn)智能生產(chǎn)體系實時協(xié)同優(yōu)化[3]，優(yōu)化能效管理。

工業(yè)4.0報告明確指出，提高能源利用效率是智能制造的目的所在。本文以智能制造有色金屬冶煉企業(yè)的發(fā)展趨勢為背景，通過對建設能源管理系統(tǒng)進行分析，提出企業(yè)在能源精細化管理理念及思路，提升企業(yè)能源綜合管理水平，從節(jié)能降本方面率先實現(xiàn)有色金屬工業(yè)的智能制造。

1 有色金屬冶煉行業(yè)能源管理系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

1985年以來，以寶鋼為首的鋼鐵冶煉企業(yè)陸續(xù)建立了能源管理系統(tǒng)。雖然有色金屬冶煉行業(yè)的企業(yè)能源管理系統(tǒng)建設起步較晚，但是國內(nèi)有色金屬冶煉企業(yè)非常重視開展能源管理系統(tǒng)的建設工作，工信部也出臺了《有色金屬企業(yè)能源管理中心建設實施方案》。近幾年來，建立能源管理系統(tǒng)的有色金屬冶煉企業(yè)數(shù)量越來越多，其中已建立能源管理系統(tǒng)的有色金屬冶煉企業(yè)如表1所示。

表1 已建立能源管理系統(tǒng)的有色金屬冶煉企業(yè)名單

能源管理系統(tǒng)是一種能源綜合管理工具，在我國有色金屬冶煉企業(yè)范圍內(nèi)也得到了成功實施，以陽谷祥光銅業(yè)為例，采用現(xiàn)時最先進的能源管理技術，降低了能源消耗，壓縮了能源成本，取得了較好的經(jīng)濟效益，是有色金屬冶煉企業(yè)能源管理系統(tǒng)建設示范企業(yè)。陽谷祥光銅業(yè)憑借先進銅冶煉技術和能源管理系統(tǒng)管控，單位產(chǎn)品綜合能耗額、氧氣放散率等能源指標到達國際先進水平，而且“祥光能源集中管控節(jié)能實踐”也成功入選了國際“雙十佳”最佳節(jié)能實踐。

2 有色金屬冶煉行業(yè)能源管理系統(tǒng)的建設

能源管理系統(tǒng)通過對水、電、風等能源介質的生產(chǎn)、存儲、消費等過程的實時遠程監(jiān)控，形成能耗的統(tǒng)計分析，能源的調(diào)度和能源介質平衡，實現(xiàn)統(tǒng)一優(yōu)化，對減少氧氣放散和降低企業(yè)綜合能耗有重要作用，有利于實現(xiàn)“綠色節(jié)能、能效管理”。

2.1 能源計量和數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡系統(tǒng)

根據(jù)企業(yè)能源管理系統(tǒng)建設需求，完善有色金屬冶煉企業(yè)能源計量系統(tǒng)，對所有涉及水、電、風等能源介質的用能設備盡可能的加裝準確度等級高的能源計量器具，提高計量器具的配備率，完善現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)網(wǎng)絡系統(tǒng)。

2.2 能源綜合監(jiān)控系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)在能源計量和能源數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡系統(tǒng)完善的前提下，通過建設能源綜合監(jiān)控系統(tǒng)，升級能源綜合監(jiān)控軟硬件設施，滿足能源管理系統(tǒng)遠程監(jiān)控的要求。

2.3 關鍵用能設備節(jié)能優(yōu)化控制系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)建設過程中采用先進的預測和調(diào)控技術，實現(xiàn)有色金屬冶煉企業(yè)關鍵用能設備的節(jié)能優(yōu)化控制。

3 建設有色金屬冶煉行業(yè)能源管理系統(tǒng)的作用

有色金屬冶煉企業(yè)通過建設能源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)能源計劃、能源采集、能源遠程監(jiān)控、能耗分析、重點設備能耗管理等功能，達到企業(yè)能源優(yōu)化控制，最終實現(xiàn)能源的調(diào)控和節(jié)約，在能量流網(wǎng)絡和信息流網(wǎng)絡優(yōu)化及協(xié)同運行上實現(xiàn)智能制造。

有色金屬冶煉行業(yè)的能源管理系統(tǒng)的建設，能夠滿足在正常生產(chǎn)條件下對能源進行遠程監(jiān)控和調(diào)度，有效實現(xiàn)能源的優(yōu)化控制；通過生產(chǎn)計劃調(diào)度能源按照分區(qū)消耗管理，提高計劃用能水平，并對能源做出定量、客觀的成本分析；同時，為企業(yè)、政府的管理和服務提供數(shù)據(jù)支持和技術保障。

3.1 余熱能量高效轉換

有色金屬冶煉的能源調(diào)控和節(jié)約直接影響企業(yè)自身效益。有色金屬冶煉過程中大部分的能源以余熱的方式流失，所以余熱回收利用技術顯得尤為重要。目前，我國有色冶金企業(yè)煙氣余熱回收利用的設備主要采用余熱鍋爐，如表2所示。

表2 有色金屬冶煉企業(yè)余熱鍋爐的應用情況

依據(jù)爐窯余熱回收特點，設計合適的余熱回收利用系統(tǒng)，并在實踐中持續(xù)改進，不斷提高冶煉余熱的回收利用效率[4]。目前，有色金屬冶煉企業(yè)主要根據(jù)煙氣溫度合理地對煙氣余熱進行分級回收。有色金屬冶煉企業(yè)余熱能量高效利用見表3。

表3 余熱回收利用去向

3.2 重點耗能設備節(jié)能遠程監(jiān)測

大功率設備是有色金屬冶煉企業(yè)電能消耗量大的主要原因之一，在企業(yè)正常生產(chǎn)過程中加強對大功率設備的監(jiān)測管理，杜絕簡單粗放，全憑人員經(jīng)驗，需要提升監(jiān)測內(nèi)容，保障大功率設備的健康運行，全面考察其供電性能。

有色金屬冶煉企業(yè)的能源管理系統(tǒng)，通過設計搭建一套大功率設備遠程能耗監(jiān)測系統(tǒng)，幫助企業(yè)智能化管理和優(yōu)化設備，以及通過數(shù)據(jù)分析，合理評估每臺大功率設備的供電性能（圖1）。

圖1 重點耗能設備遠程能耗監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

3.3 能源介質動態(tài)平衡

有色金屬冶煉企業(yè)生產(chǎn)過程中需要的水、電、氣等能源介質使用量的變化均對能源介質的生產(chǎn)和使用起到影響或制約作用。因此動態(tài)調(diào)控有色金屬冶煉所需的各種能源介質對于有色金屬冶煉企業(yè)的能源優(yōu)化、合理利用具有重要的意義[5]。

有色金屬冶煉企業(yè)的能源管理系統(tǒng)，在整個有色金屬冶煉企業(yè)中通過將電力系統(tǒng)、水系統(tǒng)、燃氣系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、氧（氮、氬、空）系統(tǒng)、主工藝系統(tǒng)及能源設施等信息與計算機網(wǎng)絡連接（表4）。

能源的實時監(jiān)控、集中管理和優(yōu)化分配，實現(xiàn)能源介質的動態(tài)平衡，達到節(jié)約能源的目的。

表4 能源管理系統(tǒng)與現(xiàn)場各能源介質系統(tǒng)接入站點

4 有色金屬冶煉行業(yè)能源管理系統(tǒng)建設的不足及展望

我國有色金屬冶煉行業(yè)雖然重視能源管理系統(tǒng)的建設，然而各有色金屬冶煉企業(yè)的能源管理系統(tǒng)發(fā)展進度參差不齊，部分企業(yè)能源管理系統(tǒng)的功能模塊并不健全，比如：部分企業(yè)的能源管理系統(tǒng)的功能僅局限于數(shù)據(jù)自動采集功能；建設時間較早企業(yè)甚至數(shù)據(jù)采集功能也不能覆蓋到所有用能設備尤其關鍵耗能設備，依然需要人工完成；雖然已經(jīng)具備技術自動化采集和監(jiān)控功能，但是對于能源管理認識膚淺，責任不到位，致使能源管理系統(tǒng)成為一項對外展示的面子工程，沒有發(fā)揮應有的節(jié)能效果。

建設有色金屬冶煉行業(yè)能源智能化管理系統(tǒng)，應充分利用先進技術設備實現(xiàn)對能源生產(chǎn)、輸配和消耗環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)收集、儲存和分析，達到企業(yè)能源綜合管理水平的提升。通過能源綜合管理，挖掘節(jié)能潛力，及時對生產(chǎn)過程中不合理能源消耗進行調(diào)整，實現(xiàn)企業(yè)能源利用最大化。正真做到扁平化、數(shù)字化，適應智能制造的戰(zhàn)略發(fā)展需要。