科技新进展：基于工业互联网平台的全流程智慧能碳管控解决方案

一、研究的背景与问题

钢铁工业是典型的流程制造工业，具有生产工艺复杂、多工序流程耦合关联等典型特征，在能源管控方面存在点多面广、效率低、多目标协同优化困难等问题。目前生产操作及决策依赖人工经验，严重制约了钢铁工业能源生产过程的安全、高效、经济运行，具体表现为：

1、能源与生产数据的高效集成及治理困难：能源生产与管控需要大量数据支撑，涉及各生产工序及设备的生产实时数据、业务数据及非结构化数据，数据产生量大、频率高、保存周期要求长，对钢铁企业生产数据高效集成与开发治理提出了挑战。

2、管理节能的成效低：钢铁生产过程涵盖“全厂-工序-产线-设备”的多级能源管理，具有层级多、范围广的特点，由于数据信息繁杂，管理节能仅停留在指标统计、对标层面，缺乏对指标进一步的根因分析导致节能潜力未充分挖掘，管理节能工作成效不高。

3、多能源介质的协同优化调度难：钢铁生产过程中的能源产耗与主工序生产耦合密切，不同能源介质之间还存在相互转换，目前在全厂层面的能源调度多依赖于人工经验，根据生产动态变化做事后调节，造成能源供需平衡困难与能源放散浪费。

4、能源设备设施的动态节能调控不充分：钢铁生产涉及众多的耗能及能源回收设备系统，设备节能调控的场景多、机理复杂，且与生产工况关系密切，传统依赖人工观察或预设工况的调控方式难以实现设备节能运行空间的充分挖掘。

因此，钢铁行业迫切需要通过信息化、数字化等手段，构建基于工业互联网平台的智慧能碳管控系统，以能源精细化管理、全局层面能源优化调度以及重点用能设备提效节能调控为抓手，推进钢铁工业能源生产过程的集成和高效管控，节能降碳。

二、解决问题的思路与技术方案

本解决方案通过将冶金能源工艺知识理论及工程实践经验与先进智能制造技术深度融合，实现能源生产信息流和控制流全面融合与再造；同时，基于工业互联网平台支撑能源精细化管理、全局层面能源优化调度、重点用能设备提效节能调控技术、碳排放管理，形成智慧能碳管控平台，最终实现能源的动态高效管控、降低生产成本，助力企业低碳、环保、智能发展，整体技术架构如图1所示。

图1 总体技术架构

技术方案：

1、运用跨工序跨系统的大规模远距离能源动力集控技术，融合通信系统、综合安全控制系统、集散联动系统，针对钢铁生产煤气、氧氮氩、水、电等能源动力生产操作室数量多、区域跨度大、分布散的特点，研发远距离大规模能源生产集中操作监控技术。

 图2 集控中心布局

2、基于工业互联网技术打造融合能量流、物质流及信息流耦合的钢铁全流程能源数字化平台，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。

（1）元数据的规范定义与全流程管理

图3 元数据规范定义及全流程管理

（2）多协议数据集成

图4 多种工业数据采集协议的配置

（3）多样化数据储存与加工策略

图5 平台数据加工技术能力

（4）统一数据共享服务

 图6 平台数据服务功能

基于上述技术建立的全流程能源大数据平台，针对钢铁全流程（包含原料、炼铁、炼钢、轧钢和能源）生产设备进行数字化，能支持全厂几万个设备定义、上千多个设备模型建模以及几十条工艺产线的主要生产设备实例化，并结合大数据技术以设备数字化形式采集、存储、处理几十万个数据点位，每日采集数据条数上千万条，为实现精益能效管理提供了统一、规范、完整、高效的数据服务，奠定了智能应用的数据基础。

3、依托工业互联网平台打造的包含能源精细化管理、能源平衡及协同优化、碳排放及碳减排管控智慧能碳系统管控：

（1）能源精细化管理系统

①能源精细计量管理。实现及时、准确、透明的分时、分项、分区域、分产品的计量统计计算及能源实绩服务，为能源其他应用或报表服务等提供开放、标准的耗能数据服务接口服务，提供数据质量标注、计量统计追踪、数据重算服务并支持人工修正。

②能源精细指标计算。该模块可根据业务数字化模型配置按日/月自动计算各生产组织机构的综合能耗、介质单产/单耗、介质总产耗等指标，以及按产品种类自动计算单个产品介质单耗、同类产品介质单耗指标，可查询指标历史结果以及结果对应支撑数据。

③多维度能耗分析诊断。多维度能耗分析根据能耗指标的数据特点，从时间、生产组织机构、能源介质种类、指标类型及产品种类等多个维度组织全厂各层级能耗指标数据，并通过可视化图表展示，方便用户从多个视角进行能耗对标。

④重点用能设备能效分析。基于对重点用能设备的经济运行指标监测及能源平衡分析计算，对设备能效进行动态评估，包括工业炉窑（如锅炉、加热炉等）、大型公辅设备（如风机、水泵、空压机）等，并实时分析各能效影响因素，以提升能效为目标，提供能效优化操控策略。

⑤能源KPI看板。能源KPI看板是按树状层级结构动态展示企业能源关键绩效指标对标情况。用户可根据需要自定义多个主题看板，定制各看板显示内容，并支持企业灵活配置2~4项横向分级对标值。

（2）能源平衡及协同优化

①能源生产综合监控。主要面向能源调度岗位人员，能够对能源设备的运行状态、运行参数，以及能源管网的压力、温度、流量等信息进行统一监控。

分别针对制水及废水处理系统的平衡调控、全厂供水优化调度、氧气系统优化调度、煤气-热电系统优化调度以及蒸汽-发电优化调度几个典型场景，基于能量流数字化建模，结合能源介质产耗预测及能源调度优化模型/算法，开发形成相应的能源平衡及调度优化系列应用模块，实现相应能源介质产耗实时监视、预测、预警及优化决策建议等功能。

图7 多能源协同优化

②重点耗能系统能效优化管控。基于工业互联网平台对大型除尘系统、锅炉、加热炉等重点耗能设备进行工艺机理建模，结合数据分析、智能算法、机器视觉等技术手段，实现对重点耗能设备的优化调控，实现节能提效。

 图8 除尘系统智能管控模型

（3）碳排放及碳减排管理

①碳排放计算。根据钢铁行业温室气体排放核算和报告指南计算，按日/月进行碳排放指标数据计算。可以快捷、准确地自动生成符合国家主管部门数据报送要求的排放报告和补充数据表，为钢铁控排企业应对全国碳排放管理体系的报告、核查等环节提供技术支撑。

②全厂碳素流计算及可视化。按企业生产层级结构解析企业各层级碳排放构成，以及其与生产工艺过程中物质流与能量流的关系。基于物质流和能量流、排放流相耦合的全过程碳素流分析模型，分析钢铁企业全厂及内部不同生产单元的碳排放情况。

三、主要创新性成果

开展面向钢铁行业的能碳智能管控解决方案攻关，突破多能源介质协同优化调度、基于全流程的能源数字化、全流程碳素流建模分析等技术。有以下关键核心技术：

1、基于能量流、物质流及信息流耦合的钢铁全流程能源数字化技术，研究基于钢铁生产及能源系统运行特征的钢铁生产流程网络和能源介质网络能源数字化技术，能解决能源介质网络实时、异构、多源数据的精确感知、稳定存储和大数据运算等难题。

2、基于能源介质管网仿真-能源产耗预测-多能源协同的能源调度优化技术，研究基于工艺机理与机器学习算法的能源介质管网运行仿真、能源产耗动态预测等关键技术，能建立多能源介质优化调度模型，有效调控煤气系统优化运行，降低煤气放散。

3、基于物质流和能量流、排放流耦合的碳素流分析和碳排放诊断技术，研究以物质和能量流动为基础的碳代谢分析方法，精准识别企业各类碳源及内部碳素流转情况，能建立含碳物质及能源介质在企业内部各工序之间迁移和转化的企业碳全景画像。

本解决方案成果在工业互联网平台、能源智能管控、碳排放管理及能源动力集控等方面均达到国际领先水平，与国内外同类型技术对比如下表：

四、应用情况与效果

“基于工业互联网平台的全流程智慧能碳管控解决方案”项目，适合应用于钢铁企业为代表的流程工业场景中，可为企业提供整体解决方案。目前已成功推广到永锋临港钢铁、宝武韶钢、宝武湛江钢铁、镔鑫钢铁、铜陵特材、日照钢铁、山钢日照、天柱、云南德胜钢铁等国内重点钢铁企业的能源管理场景，市场规模几十亿元。

图9 煤气系统运行优化效果

基于本解决方案建立能碳能管控系统于2021年6月在永锋临港有限公司成功上线投用。该系统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、碳排放及碳减排管理等多项智能管控应用，包括：管网潮流模型、高炉煤气平衡智能模型、转炉煤气平衡智能模型、氧气平衡智能模型、电量预测模型、水系统智能模型、基于机器视觉的除尘智能管控模型等10余项关键智能化应用（煤气、氧气、电力等智能模型预测精度达90%以上），实现了“集中管理、集中操作”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，吨钢动力介质成本降低额超20元，年降低CO2排放超15万吨，具备非常可观经济效益和环保效益，为永锋临港低碳经济发展做出突出贡献。（中冶赛迪信息技术（重庆）有限公司）