水泥企业节能降耗中电能管理系统设计与实现

摘 要：文中从电气设计角度说明了电能管理系统的实施方案，以南京凯盛国际工程有限公司设计的某5000t/d水泥生产线中电能管理系统的应用，介绍系统在实际运行中所实现的功能和效果。此系统对于工厂的节能降耗和提高自动化管理水平，起到了非常积极的作用，获得良好的使用效果和经济效益。 

关键词：电能管理系统；电气设计；水泥生产线；节能降耗

 

      水泥企业作为传统的高能耗高污染企业，节能减排一直是其转型改革的重点。随着智能制造概念的提出，加快推动新一代信息技能和制造技术融合发展，使得水泥工厂的信息化技术不断提高。在新型水泥工厂中，电能采集使用智能化电表，传输信号由传统的4～20mA信号更换为ModBus总线通讯，可传输的数据更多，并且有效保证了数据的实时性和准确性。电能管理系统将采集到的数据进行记录存储，通过数据的计算、分析、查询和整合，以报表和图形的方式展示给生产管理者。本文以国内某5000t/d水泥熟料生产线为例，介绍电能管理系统在水泥厂中的设计实施及应用。

 

      本项目是从石灰石破碎至水泥磨的整个水泥熟料工艺生产线。全厂共设计150多块智能电表，分布在石灰石破碎电气室、原料处理电气室、原料磨电气室、窑尾电气室、窑头电气室、煤磨电气室和水泥磨电气室共七个电气室中。智能电表采用标准ModBus-RTU总线通讯，将数据传输至DCS系统。电能管理系统通过OPC协议与DCS控制系统通讯，获取相关数据，进行数据存储，通过数据的计算、分析、查询和整合，以报表和图形的形式展示给生产管理层，管理层通过对数值的对比分析，获取不同工况或不同的操作方式产生的能耗差别，去指导生产从而达到节能降耗的目的。

 

2 电气设计 

2.1　电表设计

      根据工艺生产车间分布，全厂设七个电气室，电表根据对应设备或电源所属车间，统一安装在各电气室中。电表的主要目的是为计算电耗参数提供数据，因此，电表的设计应满足工厂生产时所需的各项电耗指标。以原料磨电气室为例，高压总进线柜设计一块电表，用来测量整个原料磨车间的总用电量。车间内重要设备如原料磨主电机、高温风机、窑尾排风机等单独设计电表，用来计算单个设备的电耗。车间照明、检修电源和维修用电动葫芦等统一设置一块电表，在计算生产电耗时，可以将这类数据减去。其它电气室也遵循这一原则来设计。

2.2　电表选型

      根据国家标准《电力装置的电测量仪表装置设计规范》，电表应按其所计量对象的重要程度和计量电能的多少分类。如表1所示，水泥厂的电表准确度应不低于三类标准。中性点有效接地系统的电表应采用三相四线的接线方式，中性点非有效接地系统的电表宜采用三相三线的接线方式。根据电能管理系统以及水泥厂DCS控制系统的需求，多功能电表可测量各种常用电力参数、有功电能、无功电能，并具有数字通讯、越限报警、监测开关状态、电能脉冲输出和模拟量输出等功能，能够完成工控系统不同PLC，工业控制计算机通信软件的组网。

2.3　数据采集

      电表采用ModBus总线串联，经过ModBus-RTU协议传送至DCS控制系统。考虑到通讯速率、现场安装条件易扰性和保证数据实时性等因素，在设计时一条总线配置20多块电表。如窑头站一共有38块电表，分配成两条ModBus总线连接至DCS系统。由于单条总线通讯量少，总线距离短，很大地提高了通讯系统的抗干扰性，而且在后期维护中，对单个电表的更换和维修，也不会影响到整个站的数据通讯。DCS系统负责采集电表传输的各项数据，经过数据转换和编程工作，在监控画面上实时显示各设备的电流、功率等运行参数，并且通过OPC标准协议可为第三方电能管理系统共享数据。

 

3 功能效果

       以南京凯盛国际工程有限公司自主开发的水泥工厂电能管理系统为例，详细介绍其主要功能和运行效果。通常来说，水泥工厂电能绩效指标，包括厂区内各关键设备电耗、工序电耗、综合电耗、单位熟料发电量、单位煤耗发电量等[1]。根据这些关键指标，结合生产过程中影响各指标的重要因素，电能管理系统通过内部分析计算，以报表和图表形式，发布电能统计报告，并针对各工艺车间段，各主要设备，各班次提供能耗分析，从而帮助工厂管理人员及时发现能耗异常，解决问题，降低生产成本。表2为熟料烧成工艺车间的月电耗报表，图１为原料磨车间及相关设备的电耗柱状图。电能分析管理主要包括以下几方面：（1）用电量管理：系统自动统计各工艺段以及整个工厂的用电量，当总用电量到达上，系统会自动发出预警，生产管理者可以根据预警信息，选择相应的措施，保证用电量控制在要求范围内。（2）电能异常管理：长期记录连续正常生产时的各项数据，智能分析并建立一整套电能消耗规则，当出现电能使用异常情况时，系统会自动发出预警，并标识出与此异常相关的设备，帮助管理者和操作人员及时调整生产参数，保证生产的正常和连续性。（3）重要设备负荷管理：全厂重要的大型电机设备，例如窑尾排风机、高温风机等，通过采集电机的各项运行数据，建立一套以负荷率和运转率为基础的数据模型，以直观的图形展现给生产管理者，对今后的生产改造具有积极的指导意义。目前该套系统已在生产线成功投入运行，其实际运行效果主要体现在以下几个方面：（1）通过对生产数据的采集、分析和量化，客观呈现了各生产环节的能耗情况，为全厂的进一步节能降耗措施，提供了科学、实际的指导作用。（2）可定制的各种数据报表和图形界面，自动生成和推送，替代了传统的人工抄写记录工作，节约了人工成本，也提高了数据的准确性和实时性。（3）智能化分析和预警，实时地标识出能耗异常情况以及相关的设备，保证了正常连续的生产，避免因设备或者工艺原因造成生产损失。（4）提高了操作人员的工作效率，通过长期大量的生产数据采集和分析，得出参数模型，人工与自动化相结合，使生产长期保持高效、稳定地状态。 

 

图1　车间及设备电耗柱状图

 

4.1概述

       用户端消耗着整个电网80%的电能，用户端智能化用电管理对用户可靠、节约用电有十分重要的意义。构建智能用电服务体系，推广用户端智能仪表、智能用电管理终端等设备用电管理解决方案，实现电网与用户的双向良性互动。用户端急需解决的研究内容主要包括：先进的表计，智能楼宇、智能电器、增值服务、客户用电管理系统、需求侧管理等课题。

       Acrel-3000WEB电能管理解决方案通过对用户端用电情况进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各分项用电的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约电能，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。

4.2应用场所

       （1）办公建筑（商务办公、大型公共建筑等）；

       （2）商业建筑（商场、金融机构建筑等）；

       （3）旅游建筑（宾馆饭店、娱乐场所等）；

       （4）科教文卫建筑（文化、教育、科研、医疗卫生、体育建筑等）；

       （5）通信建筑（邮电、通信、广播、电视等）；

       （6）交通运输建筑（机场、车站、码头建筑等）。

4.3系统结构

4.4系统功能

      1）实时监测

      系统人机界面友好，以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数、电能等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分状态，以及有关故障、告警等信号。

 

      2）电能统计报表

      系统以丰富的报表支撑计量体系的完整性。系统具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。该功能使得用电可视透明，并在用电误差偏大时可分析追溯，维护计量体系的正确性。

 

 

      3）详细电参量查询

      在配电一次图中，当鼠标移动到每个回路附近时，鼠标指针变为手形，鼠标单击可查看该回路详细电参量，包括三相电流、三相电压、三相总有功功率、总无功功率、总功率因数、正向有功电能，并可以查看24小时相电流趋势曲线及24小时电压趋势曲线。

 

      4）运行报表

      系统具有实时电力参数和历史电力参数的存储和管理功能，所有实时采集的数据、顺序事件记录等均可保存到数据库，在查询界面中能够自定义需要查询的参数、时间或选择查询更新的记录数据等，并通过报表方式显示出来。用户可以根据需要定制运行日报、月报，支持导出Excel格式文件，还可以根据用户要求导出PDF格式文件。

 

      5）变压器运行监视

      系统对配电系统总进线、主变压器、重要负荷出线的运行状态进行在线实时监视，用曲线显示电流、变压器运行温度、有功需量、有功功率、视在功率、变压器负荷率等运行趋势，分析变压器负荷率及损耗，方便运行维护人员及时掌握运行水平和用电需求，确保供电安全可靠。

 

      6）实时报警

      系统具有实时报警功能，系统能够对配电回路断路器、隔离开关、接地刀分、合动作等遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件进行实时监测，并根据事件等级发出告警。系统报警时自动弹出实时报警窗口，并发出声音或语音提醒。

 

      7）历史事件查询

      系统能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

 

      8）电能质量监测

      系统可以对整个配电系统范围内的电能质量进行持续性的监测，运行维护人员可以通过谐波分析棒图、报表掌握进线、变压器、重要回路的电压、电流谐波畸变率、谐波含量、电压不平衡度等，及时采取相应的措施，降低谐波损耗，减少因谐波造成的异常和事故(该功能需要选配带谐波监测功能的电力仪表，不需要可删除。

 

      9）遥控操作

      系统支持对断路器、隔离开关、接地刀等进行分、合遥控操作。系统具有严格的密码保护和操作权限管理功能，对于每次遥控操作，系统自动生成操作记录，记录内容包含操作人、操作时间、操作类型等。实现该功能需要断路器本身具有电操机构及保护保测控装置具备遥控功能等硬件设备的支持。

 

      10）用户权限管理

      系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如配电回路名称修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

 

      11）通讯状态图

      系统支持实时监视接入系统的各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通讯状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。从而方便运行维护人员实时掌握现场各设备的通讯状态，及时维护出现异常的设备，保证系统的稳定运行。

 

      12）视频监控

      视频监控展示了当前实时画面（视频直播），选中某一个变配电站，即可查看该变配电站内视频信息。

 

      13）用户报告

      用户报告页面主要用于对选定的变配电站自动汇总一个月的运行数据，对变压器负荷、配电回路用电量、功率因数、报警事件等进行统计分析。

 

      14）APP支持

      电力运维手机支持“监控系统"、“设备档案"、“待办事项"、“巡检记录"和“缺陷记录"五大模块，支持一次图、需量、用电量、视频、曲线、温湿度、同比、环比、电能质量、各种事件报警查询，设备档案查询、待办事件处理、巡检记录查询等。

 

4.5系统硬件配置

 

 

      电能管理系统的成功运行，提高了水泥工厂的自动化、智能化和信息化水平。企业人员在熟悉使用系统的过程中，也在不断提升自身的管理水平和生产水平，通过实时的能耗分析和预警，达到了节能降耗的目标，提高了企业的经济效益。目前，新型智慧型工厂的设计方案已普遍采用此类系统，相信这类系统也会逐渐应用在今后传统工厂的节能改造项目中，并且为各个水泥厂带来越来越多的经济效益。。

 

【1】诸晓进，吴行秋.水泥项目电能管理系统的基本设计与实现.

【2】俞岳灿.信息化在水泥厂电能管理方面的几点应用[J].水泥工程，2013（6）：84-86.

【3】安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05