基于全流程数字化的钢铁企业能源一体化智能管控系统

一、研究的背景与问题

钢铁工业是典型的资源、能源密集型行业。钢铁生产过程伴随着高能耗、高排放，钢铁生产能源消耗约占全国能源消耗总量的12%，CO₂排放约占全国CO₂排放总量的15%，是我国节能减排的重点行业之一。

作为典型的流程制造工业，钢铁生产具有工艺复杂、多工序流程耦合关联等典型特征，复杂的生产工况要求能源管控系统具备与生产节奏高度匹配、能源与生产大数据联合决策等手段解决能源多源并入、转换和消纳带来的能源流的变化和系统扰动等难题。但目前钢铁生产的能源管控多依靠人工经验，生产操作及管理决策多依赖于岗位人员的知识储备和认知水平, 严重制约了钢铁工业能源生产的集约化、精细化及高效化提升。通过全流程信息化、数字化等手段，推进钢铁工业能源生产集成和高效管控成为钢铁行业绿色、低碳发展转型的一项重要课题。

图1 技术背景及主要问题

二、解决问题的思路与技术方案

针对钢铁企业能源管控层级多、效率低，能源与主生产动态协同优化难度大等难题，中冶赛迪将冶金热能工艺知识与先进智能制造技术深度融合，以钢铁能源生产的高度集成与高效管控为目标，重点开展全流程能源大数据平台、精益能效管理及动力能源集控等技术的研发，打造了基于全流程数字化的钢铁企业能源一体化智能管控系统。

图2 基于全流程数字化的钢铁企业能源一体化智能管控解决方案

本项目整体技术架构如图3所示，首先以能源生产的高效集成为目标，针对能源动力生产站所的大规模远距离集中操作监控需求研发能源动力集控技术，实现钢铁能源生产信息流和控制流全面融合与再造；同时，基于能量流、物质流与信息流高度耦合的全流程能源大数据平台的构建，支撑精细化节能管理、全局层面能源优化调度、重点用能设备提效节能调控技术与应用的研发，形成钢铁能效精益管控平台。最终，结合以上技术创新，基于工业互联网平台架构，进行能源生产管控组织变革的顶层设计研究，推进能源一体化智能闭环管控模式创新。

图3 基于全流程数字化的钢铁企业能源一体化智能管控系统架构

三、主要创新性成果

1、提出了融合数据驱动模型与机理模型的能量流数字化建模方法，支撑全流程能源大数据平台的构建

基于钢铁能源生产工艺特征，针对能量流与物质流强耦合复杂对象，构建反映其信息物理映射关系的数据驱动模型架构，并结合模块化与流程网络的机理建模基本原则，提出了融合数据驱动模型与机理模型的能量流数字化建模方法，以充分表征生产全流程能源产生、储配、转换及消耗过程及其静态与动态特征，为能源数据与精益能效管理应用的高效连接提供了统一的逻辑组织基础；同时，基于工业互联网技术针对钢铁生产过程中能源相关的多源异构数据的集成与开发，建立了动力能源生产与主生产全流程运行数据高度融合的数据平台，满足了企业精益能效管理对数据深度和广度的要求。

图4 全流程能源大数据平台的构建

2、研发了“能源智能管控大数据平台+能源集控+精益能效管理”的能源一体化智能闭环管控技术，促进能源“操管控”一体化协同。

通过能源集控突破传统能源调度、管理、操作、巡检业务边界，提高能源生产与管控协作效率。基于特征建模、安全配电、联锁控制、融合通讯、视频联动等核心技术的开发与应用，解决网络延时、丢包、网络安全隐患等问题，实现覆盖煤气、制氧、水处理、热电、供配电等全部能源工序的5km以上远距离集控。

 图5 全厂能源动力集控

同时，以数字化精益能效管理系统促进“操-管-控”各岗位的相互融合，形成管控闭环促进节能提效。采用基于B/S架构的可视化监视技术、管网智能感知模型、能耗能效多维诊断分析模型等多项技术，实现对全厂能源介质发生-输配-消耗的全流程、全要素实时跟踪监视；承载能耗数据实时监视、能耗能效管理和多项智能化应用功能，全面掌握能源平衡，对异常情况进行快速应急处置，推进钢铁企业能源精细化管理，提高能源利用效率，降低企业能源成本。

图6 数字化能碳管控应用促进“操-管-控”各岗位的相互融合

3、研发了基于能源产耗预测、管网运行仿真的多能源优化调度技术，为钢铁企业能源系统的安全生产保供、经济低碳运行提供了技术支撑

通过对钢铁企业能源系统产-储-配全流程生产工艺的研究，基于工艺机理与机器学习算法，研发了与生产协同的能源动态产耗预测等关键技术，充分将生产过程与能源系统联系起来，利用数据分析、数据预测等方法改善能源系统管控与主工序生产组织的耦合匹配。同时基于管网仿真技术，采用以“实时策略优化-在线仿真验证”为基础的全厂多能源介质平衡优化调度应用，提高了钢铁企业多能源介质调度决策的可操作性和可执行性，保证能源介质的柔性供应，为全厂能源系统生产安全保供、经济低碳运行提供技术支撑。

图7 多能源系统协同优化调度

4、研发了钢铁企业全流程碳代谢模型及碳素流分析技术，建立企业内部各工序碳排放全景画像，精准识别影响企业碳排放的关联因素，支撑企业科学制定碳减排技术路径及碳资产精细化管理。

依托能源智能管控大数据平台，协同推进用能数据与碳排放数据的收集、分析与管理，推动企业碳排放核算的精细化、高效化管理；同时，以描述系统中物质和能量流动为基础的碳代谢分析方法，通过精准识别企业各类碳源及内部碳素流转情况，基于含碳物质及能源介质在企业内部各工序之间的迁移和转化进行企业碳全景画像，并支持企业针对不同碳减排路径及低碳技术应用情景进行碳排放量化分析对比，帮助企业实现碳资产清晰、碳管控到位、碳分配合理、低碳路线、碳交易高效的低碳化管理，为企业实现碳中和战略目标提供科学、专业的技术支撑。

图8 精细管理促进节能降碳闭环

四、应用情况与效果

图9 永锋临港全流程管控中心

中冶赛迪在山东永锋临港依托全流程的工业互联网平台，构建了以全流程数字化平台+精益能效管控+动力能源集控的能源一体化管控系统，实施了动力能源-制氧（含压空）、煤气、水、发电、供电5大工序的专业化集控；建设了融合能源精细化管理、能效平衡优化、设备能效智能分析等多项智能管控应用，实现“集中管理、集中操作、集中调度”的智能闭环管控模式，岗位优化达30%，通过精益能效管理持续挖潜节能潜力，各项能源管理指标得到有效改善，实现了能源管控集中化、扁平化、精细化，提高了岗位作业效率，有效保障能源系统动态平衡和生产稳定顺行。

项目成果在永锋临港上线投用后，经过几个月的稳定运行，帮助企业实现了煤气、蒸汽、电以及氧气等系统的实时动态优化，实现了高炉煤气、氧气近零放散，转炉煤气零拒收，自发电率等指标提升10%以上，电力需量降低达30%，吨钢动力介质平均成本降低20元以上，年创效达8653万元。

近年来，本项目技术成果从钢铁冶金领域应用拓展到有色、市政能源领域已在山钢日照、镔鑫钢铁、弘盛铜业、中国一重、凤宝管业、铜陵泰富等项目落地实施，为用户节能减碳、降本增效持续创造价值。（中冶赛迪信息技术有限公司）