一、研究背景與問題

近年來，在國家供給側(cè)改革的新形勢下，尤其是新的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)的飛速發(fā)展，以新技術(shù)開發(fā)為支撐、以綠色發(fā)展為約束、以智能化發(fā)展為方向、以效益最大化為目標(biāo)已經(jīng)成為鋼鐵行業(yè)發(fā)展和國家調(diào)控的重點(diǎn)方向。其中數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智慧化能源管控系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用已成為新的引領(lǐng)方向，能源效率、能源成本的深度分析將成為鋼鐵企業(yè)精細(xì)化管理的主要內(nèi)容，而國內(nèi)目前運(yùn)行的企業(yè)能源中心已無法支撐能源集約化和精細(xì)化的管理需求，急需在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)支撐下，開展鋼鐵企業(yè)智慧能源管控系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用研究。

鞍鋼股份鲅魚圈鋼鐵分公司于2008年9月10日建成投產(chǎn)，同年完成能源管理中心建設(shè)，實現(xiàn)能源數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測和統(tǒng)計報表打印等功能。受當(dāng)時技術(shù)條件的制約，能源中心功能單一，不能實現(xiàn)在線管控與優(yōu)化，數(shù)據(jù)分散、缺乏系統(tǒng)整合、共享和利用，能源管理和生產(chǎn)管理完全分離，各自為政，智能化程度低，完全依靠人工經(jīng)驗進(jìn)行協(xié)調(diào)生產(chǎn)。以上問題嚴(yán)重制約了鲅魚圈鋼鐵分公司的能源管理提升，能耗指標(biāo)處于全國中下游水平，項目實施前，2017年鲅魚圈分公司能耗指標(biāo)達(dá)到600kgce/t鋼以上。2017年項目組在經(jīng)過大量的國內(nèi)外信息調(diào)研基礎(chǔ)上，形成項目可行性研究報告；鞍鋼集團(tuán)公司多次組織專家論證，決定以鲅魚圈鋼鐵分公司為試點(diǎn)，對能源管理中心進(jìn)行全方位技術(shù)升級改造。2018年初，自籌資金1.2億元，率先放行了“鋼鐵企業(yè)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智慧能源管控系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用”項目。作為首批兩化融合項目，以“集約化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化”為目標(biāo)，采用產(chǎn)、學(xué)、研合作模式進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)，按著“頂層設(shè)計”、“分步實施”、“重點(diǎn)突破”、“全面提升”的總體原則進(jìn)行強(qiáng)力推進(jìn)，項目實施以來取得了預(yù)期效果。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

1、建設(shè)思路

針對鋼鐵企業(yè)能源管控中心功能單一，管而不控，無法滿足能源管理數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展需要的問題，充分利用大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、知識圖譜、5G等新一代信息技術(shù)，基于鞍鋼“精鋼”工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)能源生產(chǎn)全站所室遠(yuǎn)程操控，物質(zhì)流、能源流、信息流全維度數(shù)據(jù)融合，能源知識顯性化、模型化、圖譜化，全系統(tǒng)能耗動態(tài)評價優(yōu)化，多時空尺度能源流預(yù)測及耦合優(yōu)化，生產(chǎn)與能源計劃調(diào)度一體化優(yōu)化，全流程碳排放核算與分析等能源全生命周期智能服務(wù)，通過云邊端協(xié)同的方式建立適用于具有自感知、自分析、自決策、自優(yōu)化控制能力的鋼鐵企業(yè)智能化能源管控系統(tǒng)及工業(yè)軟件，達(dá)到實時全面了解鋼鐵企業(yè)能源全生命周期管理和應(yīng)用現(xiàn)狀，診斷能源應(yīng)用各環(huán)節(jié)出現(xiàn)的異常問題，預(yù)知能源流產(chǎn)生和消耗的變化趨勢，提出能源綜合優(yōu)化方案的目的。

2、技術(shù)方案

鋼鐵企業(yè)能源智能管控系統(tǒng)采用先進(jìn)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，運(yùn)用云、邊、端協(xié)同的模式，實現(xiàn)通訊類型統(tǒng)一化、多維數(shù)據(jù)融合化、基礎(chǔ)設(shè)施虛擬化以及系統(tǒng)橫縱一體化。整體系統(tǒng)平臺架構(gòu)設(shè)計如下圖所示：

圖1 能源智能管控系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

（1）全站所室遠(yuǎn)程集控。遠(yuǎn)程集控技術(shù)在平臺中為重中之重，是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)保障，其承擔(dān)三項重點(diǎn)任務(wù)：一是保證現(xiàn)場操控的安全穩(wěn)定；二是實現(xiàn)集控中心對現(xiàn)場站、所的遠(yuǎn)程控制；三是要為計劃調(diào)度管理模塊和智能優(yōu)化模塊提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

遠(yuǎn)程集控模塊按照業(yè)務(wù)劃分為電力集控、動力集控兩部分，模塊功能包括：動力操控、電網(wǎng)操控、趨勢查詢、故障報警、歷史查詢等功能。

為保障系統(tǒng)的控制安全、網(wǎng)絡(luò)安全、供電安全、數(shù)據(jù)安全，并從根本上實現(xiàn)本地站所室的無人化，遠(yuǎn)程集控模塊研發(fā)和應(yīng)用了“多工業(yè)協(xié)議通訊轉(zhuǎn)換”、“虛擬化+分布式負(fù)載均衡策略”、“工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)”、“小型發(fā)電機(jī)組冗余危急遮斷控制”、“高、焦、轉(zhuǎn)三種煤氣混合的自動調(diào)節(jié)”、“制氧機(jī)組自動變負(fù)荷控制”、“移動點(diǎn)巡檢”等核心技術(shù)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的實用、精準(zhǔn)可靠和安全穩(wěn)定，大幅提高了生產(chǎn)效率和勞動效率。

（2）全維度數(shù)據(jù)融合。采集全流程能源管理相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源包括儀表、PLC、PCS、MES和ERP系統(tǒng)。將這些多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、整合和分類存儲，進(jìn)行統(tǒng)一的主數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)管理，形成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)視圖，消除數(shù)據(jù)孤島，實現(xiàn)全維度數(shù)據(jù)融合，為系統(tǒng)的智能應(yīng)用提供堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（3）鋼鐵企業(yè)能源知識圖譜化。對采集的制度文件、操作規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)等非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)處理，梳理出企業(yè)已形成顯性的知識。從海量數(shù)據(jù)中進(jìn)行挖掘和知識認(rèn)知，實現(xiàn)隱性知識顯性化。將二者有機(jī)融合在一起，實現(xiàn)全流程能源業(yè)務(wù)知識圖譜化和共享。重點(diǎn)是建立不同場景的動態(tài)專家知識庫，為能源管控應(yīng)用提供“智慧大腦”。

（4）全系統(tǒng)能耗在線評價優(yōu)化。利用“數(shù)據(jù)+機(jī)理+知識”相結(jié)合的技術(shù)，建立單體設(shè)備能耗優(yōu)化模型、工序能耗評價優(yōu)化模型、綜合能耗評價優(yōu)化模型，實現(xiàn)全系統(tǒng)多層次的在線能效計算、評價和動態(tài)優(yōu)化。從系統(tǒng)節(jié)能的角度出發(fā)，分析生產(chǎn)組織、工藝設(shè)計、產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備狀態(tài)等因素對能耗的影響，采用鐵素流與能源流協(xié)同優(yōu)化的思路，利用專家知識實現(xiàn)全系統(tǒng)的能耗優(yōu)化，降低能耗成本。

（5）多能源流預(yù)測及多介質(zhì)耦合優(yōu)化。建立復(fù)雜工況下多時空尺度能源流預(yù)測模型，特別是針對異常工況的識別、判斷和特征提取，進(jìn)而進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，實現(xiàn)對未來狀態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)判。通過對趨勢的預(yù)測，實現(xiàn)多能源流的耦合優(yōu)化調(diào)度，最終實現(xiàn)穩(wěn)定管網(wǎng)壓力、減少放散、滿足供應(yīng)和綜合價值最大化。

（6）電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測及需量優(yōu)化控制。 建立設(shè)備-工序-公司電力系統(tǒng)電耗分析和負(fù)荷預(yù)測模型，依據(jù)鋼鐵主流程的生產(chǎn)計劃、設(shè)備計劃預(yù)測電力系統(tǒng)的負(fù)荷變化，結(jié)合自發(fā)電的預(yù)測量，預(yù)測各電力配送關(guān)口的需量。對于預(yù)測需量出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)自動制定生產(chǎn)計劃優(yōu)化方案并推送給生產(chǎn)調(diào)度，構(gòu)建能源生產(chǎn)協(xié)同一體化優(yōu)化計劃，實現(xiàn)電力需量持續(xù)優(yōu)化。

（7）全流程碳排放核算和分析。建立碳排放核算模型，實現(xiàn)在線進(jìn)行公司級和工序級多口徑碳排放核算，為進(jìn)一步實現(xiàn)精準(zhǔn)統(tǒng)計企業(yè)碳排放量提供有效手段。通過碳排放影響因子關(guān)聯(lián)分析，明確企業(yè)碳排放變化的主要影響因素，為降低碳排放提供決策支撐。

（8）開發(fā)一體化鋼鐵企業(yè)智能化能源管控工業(yè)軟件。 以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)為核心、知識為動力，開發(fā)一套適用于鋼鐵企業(yè)智能化能源管控全過程的工業(yè)智能軟件。將技術(shù)、知識、經(jīng)驗等資源固化到可移植復(fù)用的工業(yè)微服務(wù)組件庫和軟件中，為鋼鐵企業(yè)能源各級管理者、操作者提供一站式解決方案。

三、主要創(chuàng)新性成果

本項目入選2019年工信部百家大數(shù)據(jù)優(yōu)秀案例、2019年度智能制造優(yōu)秀解決方案、2020年度國家工業(yè)技術(shù)節(jié)能裝備推薦目錄。項目在開展過程中共完成發(fā)明專利授權(quán)6項、受理6項、新型專利授權(quán)6項，軟件著作權(quán)3項、國家標(biāo)準(zhǔn)3項、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)7項，論文13篇。由多位院士和專家組成的遼寧省金屬學(xué)會技術(shù)成果評價委員會對本項目技術(shù)成果給予了高度評價，項目整體達(dá)到國際先進(jìn)水平，前三項創(chuàng)新點(diǎn)達(dá)到國際領(lǐng)先水平：

1、 該項目自主研發(fā)了多能流預(yù)測和多介質(zhì)耦合優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)了復(fù)雜工況下的煤氣、蒸汽、電力等多能源介質(zhì)在線動態(tài)協(xié)同優(yōu)化，進(jìn)一步降低了能源消耗。

2、建立了實用、精準(zhǔn)可靠、安全穩(wěn)定的能源智能自動化管控系統(tǒng)。包括：多介質(zhì)能源（煤氣、蒸汽、電、水、氬氮氧）智能自動化調(diào)控、能源計劃與調(diào)度、能源供需智能分析與優(yōu)化，以及企業(yè)能源互聯(lián)網(wǎng)平臺，通過開發(fā)小型發(fā)電機(jī)組冗余危急遮斷控制、混合煤氣在線智能調(diào)控、制氧機(jī)組自動變負(fù)荷控制等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了鲅魚圈鋼鐵分公司6大作業(yè)區(qū)、37個站所室的能源管控系統(tǒng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，確保公司高效平穩(wěn)安全運(yùn)行。

3、該項目自主研發(fā)了鋼鐵聯(lián)合企業(yè)全流程碳排放在線核算分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了在線計算和關(guān)聯(lián)分析，為進(jìn)一步減碳提供了重要數(shù)據(jù)依據(jù)。

4、該項目自主研發(fā)了針對鋼鐵生產(chǎn)系統(tǒng)能耗優(yōu)化為目標(biāo)的分析、調(diào)度、評價、預(yù)測、預(yù)警等多功能的數(shù)據(jù)模型，運(yùn)用了大數(shù)據(jù)和機(jī)理相結(jié)合的技術(shù)，從系統(tǒng)節(jié)能的角度出發(fā)，成功實現(xiàn)了在鲅魚圈鋼鐵分公司的全流程能耗在線分析、評價及動態(tài)優(yōu)化。

四、應(yīng)用情況與效果

“鋼鐵聯(lián)合企業(yè)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化能源管控系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用”項目開始于2016年1月，并于2017年正式立項放行，2018年底完成全部項目建設(shè)內(nèi)容，2019年在鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司能源中心正式上線運(yùn)行。項目按照自動化運(yùn)行、集約化操控和數(shù)字化管理三個層次，建立基于大數(shù)據(jù)和知識驅(qū)動的智慧能源管理系統(tǒng)，通過采集和整合電、水、煤氣、氧氣、蒸汽等能源流數(shù)據(jù)，生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)實績等物質(zhì)流數(shù)據(jù)，打造能源流、物質(zhì)流和信息流三流合一、協(xié)同優(yōu)化的能源大數(shù)據(jù)平臺，為鋼鐵企業(yè)能源管理提供特征提取、規(guī)律分析、優(yōu)化決策一站式大數(shù)據(jù)服務(wù)。系統(tǒng)充分運(yùn)用“大數(shù)據(jù)+機(jī)理”的手段，提供能耗評價分析、能效影響分析、平衡預(yù)測分析和耦合優(yōu)化分析服務(wù)，達(dá)到實時全面了解企業(yè)能源全生命周期管理和應(yīng)用現(xiàn)狀，診斷能源應(yīng)用各環(huán)節(jié)出現(xiàn)的異常問題，預(yù)知能源流產(chǎn)生和消耗的變化趨勢，提出能源綜合優(yōu)化方案，進(jìn)而有效降低能源介質(zhì)放散損失，提高能源介質(zhì)的相互轉(zhuǎn)化效率，降低企業(yè)能源成本，實現(xiàn)能源價值最大化。項目通過自主開發(fā)小型發(fā)電機(jī)組冗余危機(jī)遮斷控制技術(shù)、高-焦-轉(zhuǎn)三種煤氣混合熱值自動調(diào)節(jié)技術(shù)、“全流程能耗能效管理”、“能源流預(yù)測及優(yōu)化調(diào)度管理”、“全流程碳排放管理”、“水介質(zhì)透明化管理”、“能源業(yè)務(wù)知識圖譜”等多項關(guān)鍵核心技術(shù)，通過項目的實施，實現(xiàn)了鲅魚圈鋼鐵分公司六大作業(yè)區(qū)、37個站所室的能源管控系統(tǒng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，從人員管理、設(shè)備運(yùn)行、優(yōu)化操作等方面多管齊下，大幅降低鲅魚圈分公司能源生產(chǎn)的人工成本及能源成本，精簡崗位操作人員131人，有效降低了煤氣、水、氧等能源消耗，提高了煤氣系統(tǒng)和余熱余能系統(tǒng)的自發(fā)電量，減少了月度節(jié)本電費(fèi)的支出，運(yùn)行兩年合計創(chuàng)效33478.1萬元。

該技術(shù)整體移植到鞍鋼本部，項目正在調(diào)試運(yùn)行，按本部產(chǎn)量1800萬t鋼計算，年可實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益2.53億元。同時該項目正在向朝陽鋼鐵、本鋼、酒鋼集團(tuán)和攀鋼集團(tuán)等同類鋼鐵企業(yè)推廣應(yīng)用，已完成技術(shù)交流及合作框架協(xié)議的編制，同行業(yè)對該項技術(shù)表示認(rèn)可，項目的實施可以帶來更大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)效益。