浅谈能耗在线监测系统在煤层气企业中的应用

安科瑞 刘迈

　　摘要：随着国家节能政策不断出台，企业节能减排的压力逐年增加，加强对企业能源利用状况、任务指标完成情况动态跟踪势在必行。该文从需求分析、设计思想、功能架构设计、网络架构设计到功能设计与应用、应用效果等方面介绍了某煤层气企业建设能耗在线监测系统全过程，对其他能源公司建设能耗在线监测系统有重要借鉴意义。

　　关键词：节能减排；煤层气企业；能耗在线监测系统；能源管理

　　0、引言

　　随着节能工作向系统化、精细化、信息化方向发展，运用物联网、大数据等信息技术手段深挖、细挖节能潜力成为必然趋势。为此国家平台+省级平台+重点用能单位接入端系统"的架构，加快推进重点用能单位能耗在线监测系统建设,是推进能源生产和消费革命、深化创新节能工作的必然选择，是企业进一步挖掘节能潜力、提高能源管理精细化水平的客观需要，也有利于培育和发展节能环保战略性新兴产业，促进经济结构转型升级。

　　案例企业能耗现状及问题

　　案例企业所消耗的能源包括煤层气、电力、柴油、汽油和新水；其中，电力和新水是公司购入的主要能源。煤层气全部是自产自用，主要用于气动机及燃气发电机组；柴油主要用于柴油发电机组；电力大部分为外购所得，主要为生产生活供电，少部分通过燃气发电获得；新水通过市政管网供应；汽油为日常办公车辆所使用。用能系统如图1所示。

图1 用能系统结构

　　目前案例企业能源管理相对粗放，在能源管理过程中存在一些问题：1)时间数据以月度为主，粒度不足。部分能流数据未进行时间精细化分析，且受人为因素影响显著,不利于实时监管。2)空间数据以全厂级为主，粒度不足。案例企业上报的数据多为全厂级别的能耗数据，能耗数据无法准确到采气厂和单井，不能满足能耗对比对标分析。3)数据采集质量问题。手工填报可能存在录入错误、月度数据准确性差，缺少指标优劣评估依据。

　　2、需求分析

　　2.1 国家要求

　　根据《重点用能单位能耗在线监测系统技术规范(实行)》,全国重点用能单位能耗在线监测系统包括政府系统平台。

　　2.2企业需求

　　目前案例企业能源管理相对粗放，因此需要建设自身的能源管理系统，采用信息化、自动化技术集成企业能源系统数据采集、分析处理和管理等功能，从而提高能源利用效率完成节能任务目标。

　　3、设计要求

　　3.1可用性

　　系统设计要充分考虑整个工程环境中的不同因素，以保证在现场安装调试后系统能够立即稳定可靠运行。

　　3.2可维护性

　　系统的硬件、软件设备便于维护，各部件都具有自检和联机诊断校验的能力。软件有备份，便于工程师安装启动，应用程序易于扩充，数据库存取为用户程序留有接口并提供二次开发的数据库资料，便于用户自行编制的程序加入系统中运行。

　　3.3容错能力

　　软、硬件设备具有良好的容错能力。当各软、硬件功能与数据采集处理系统的通讯出错，以及当运行人员或工程师在操作过程中发生一般性错误时，均不影响系统的正常运行；对意外情况引起的故障，系统具备恢复能力。

　　3.4安全性

　　软、硬件设备的运行均不会危及变电所的安全稳定运行和工作人员的安全。软件系统各程序模块交互接口均采用参数编码加密处理和参数有效性验证处理、防SQL注入检测的技术确保系统安全正常运行。通过加装网络防火墙对系统通信传输网络及其通讯端口进行集中管理，较大程序减低病毒入侵和破坏。用户访问系统功能和数据采用严格的用户角色分级授权管理，登录用户仅能够查看对应的授权方案功能和数据。确保系统数据访问的安全性和合法性。

　　4、总体设计

　　4.1总体架构

　　如图2所示，能耗在线监测系统分为四个层次，底层为数据采集层，包括OPC协议、 Modbus协议、串口协议、数据库采集或第三方系统采集等。在采集数据的基础上建立数据传输、数据计算、数据清洗及数据治理使数据标准化，然后进行数据加工计算，形成方便应用的关系型数据库、时序数据、大数据。以数据为基础建立微服务平台，提供统一的网关入口，进行统一的认证，注册机构对所有的API统一管理，配置机构保存所有的配置数据，提供各种数据服务，为应用层提供支持。在平台服务层上为应用服务层，创建了丰富的应用服务，包括用户登录，权限管理，设备管理，数据可视化服务综合展示，能源综合管理，能耗实绩管理，能源报表管理等等。

图2 系统总体架构

　　4.2网络拓扑

　　如图3所示，整个拓扑网络主要包含工控网、数采网、办公网、政府能源监管需求。

图3 网络拓扑架构

　　4.3功能架构

　　如图4所示，能耗在线监测系统基于过程信息集成平台的业务应用系统开发，可以方便地配置所需要的功能和特性，能大限度地开发适应企业自身特点的系统。其功能架构主要分为仪表采集层、国家管理平台，为其能源监管提供数据支撑。

图4 系统功能架构

　　5、功能设计与应用

　　5.1综合展示

　　综合展示基于各类指标的数据统计，为用户提供全过程多维度、多角度的生产数据和信息数据综合展示。通过该模块，上级公司用户能够方便直观地浏览目前的能源消耗总量、各类能源消耗量以及下属分公司关键指标使用情况。包括当月累计和全年时间粒度的油气总产量、累计综合能耗和累计碳排放量的数据展示，以及基于GIS地图的各下属分公司的关键指标对比。

　　5.2能源计划与实绩

　　根据年度节能计划，将能耗指标逐级分解、落实到下属各分公司。上级公司结合政府和自有要求配置目标指标并输入系统。能源指标参数包括综合能耗、碳排放量、新水用量、节能量、节水量、单位油气生产能耗、单位油气生产水耗七个指标。能源实绩管理指标参数包括综合能耗、碳排放量、新水用量、节能量、节水量、单位油气生产能耗、单位油气生产水耗七个指标。

　　5.3能耗统计管理

　　集中展示公司的总能耗产量、节能/节水量统计、分类能耗统计，并可按照时间、介质种类、分公司构成等多个维度需求生成表格、饼图等合理的可视化展示内容。页面可按照年度和月度选择查询并进行可视化展示和对比。

　　5.4能耗数据预测

　　基于能耗数据统计，选用合理的时间序列建立数学计算模型实现能耗数据的预测，并根据实际情况不断学习修正。

　　5.5对标分析

　　如图5所示，以采气厂为单位，横向对标“单位开采量电耗"、“单位外输量电耗"、“单位开采量综合能耗"、“单位外输量综合能耗"等关键指标。以同类耗能设备为主体，横向对标设备的运行效率和主要能效参数，并可根据相似工况设置各区域的“突出值"、“较优值"等数值的方式与实际情况形成对比。

图5 采气厂对标

　　5.6集气站监测

　　实现集气站内煤层气关键点处温度、压力、流量等工艺参数的监测。实现集气站内透平压缩机能效参数及能耗参数的实时监测。

　　6、应用成效

　　(1)提升了能源数据时间颗粒度。案例企业能耗数据颗粒度由月度数据精细到分钟级，耗能设备甚至到秒级，能耗数据采集更加有效，提高了案例企业节能工作的实时监管。

　　(2)提升了能耗数据空间粒度。案例企业能耗数据空间粒度大大提升，数据较大采集粒度可到单井，扩大了案例企业实时监测范围。

　　(3)提高了能耗数据采集质量。案例企业通过自动采集大部分实物量并相应计算能耗数据，提升了能耗数据时效性和数据准确性。

　　7、后续改进思路

　　案例企业能耗在线监测系统基本实现企业自身用能监管要求，但生产工艺、耗能设备等能量优化还存在空白，仍需长期的实践应用和不断完善。案例企业能耗在线监测系统二期建设将以能量优化为抓手，利用数据预测技术和控制优化技术，提升能源数据的使用水平，建立能源系统对生产工艺系统的有效支撑，实现企业能源系统安全稳定运行。

　　8、安科瑞企业能源管控系统概述

　　安科瑞企业能源管控系统采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理，监测企业电、水、燃气、蒸汽及压缩空气等各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业针对各种能源需求及用能情况、能源质量、产品能源单耗、各工序能耗、工艺、车间、产线、班组、重大能耗设备等的能源利用情况等进行能耗统计、同环比分析、能源成本分析、碳排分析，为企业加强能源管理，提高能源利用效率、挖掘节能潜力、节能评估提供基础数据和支持。

　　9、应用场所

　　钢铁、石化、冶金、有色金属、采矿、医药、水泥、煤炭、造纸、化工、物流、食品、水厂、电厂、供热站、轨道交通、航空工业、木材、工业园区、医院、学校、酒店、写字楼以及汽车制造、机电设备、电器产品、工器具制造等离散制造业。

　　10、系统结构

　　现场通过厂区局域网和平台通讯，平台搭建在客户自己配置的服务器上。搭建完成之后，客户可以在任意能与局域网联通的地方，通过有权限的账号登陆网页以及手机APP查看各处的运行情况。

　　系统可分为三层：即现场设备层、网络通讯层和平台管理层。

　　现场设备层：主要是连接于网络中用于水、电、气等参量采集测量的各类型的仪表等，也是构建该配电、耗水、耗气系统必要的基本组成元素。肩负着采集数据的重任，这些设备可为本公司各系列带通讯网络电力仪表、温湿度控制器、开关量监测模块以及合格供应商的水表、气表、冷热量表等。

　　网络通讯层：包含现场智能网关、网络交换机等设备。智能网关主动采集现场设备层设备的数据，并可进行规约转换，数据存储，并通过网络把数据上传至搭建好的数据库服务器，智能网关可在网络故障时将数据存储在本地，待网络恢复时从中断的位置继续上传数据，保证服务器端数据不丢失。

　　平台管理层：包含应用服务器、WEB服务器和数据服务器，一般应用服务器和WEB服务器可以合一配置。

　　平台采用分层分布式结构进行设计，详细拓扑结构如下：

11、系统功能

　　平台采用自动化、信息化技术和集中管理模式，对企业的生产、输配和消耗环节实行集中扁平化的动态监控和数据化管理。实时监测企业各类能源的消耗情况，通过数据分析、挖掘和趋势分析，帮助企业加强能源管理，提高能源利用效率和节能潜力，为节能改造提供数据依据。

　　11.1平台登录

　　在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未授权人员浏览有关信息。

11.2大屏展示

　　用户登录成功之后进入大屏展示页面，展示企业及各区域的能耗折标、产值、异常、排名、占比、通讯情况，点击区域展示该区域的分类能耗、产值等相关信息。

11.3首页

　　首页展示峰谷平用电、变压器情况、年能耗趋势、单耗趋势、分类能耗等企业级统计数据。

11.4数据监控

　　对企业各点位的能源使用、报警等情况进行实时的监控。以便企业用户能够实时的监测各个点位的运作情况，同时能更快的掌握点位的报警，并为企业削峰填谷、调整负载等技改措施提供数据支撑。

　　能源实时监控：对于水、电、气等能源消耗进行实时监测，确保用能环节的持续稳定运行，显示配电图、能流图、能源平衡网络图、能源计量网络图等功能。

　　能流图：需要在能流图上对水、电、气的消耗情况进行实时展示；当能源参数越限报警，可提供报警重要性等级分类，同时支持APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗报警提示等；

　　配电图：将配电房真实情况画入配电图，实时展示接入的门禁、水浸、电水气等仪表的实时参数、门禁水浸状态及能耗数据。

　　实时统计：实时统计工厂、车间、工序、设备的当年、季度、月、周、日、班次等能耗值；

　　数据展示：通过实时曲线和历史曲线展示不同区域、不同设备的不同的能耗参数；

　　检测：对能源报警信息进行集中显示，可以对报警阈值信息进行相关处理操作，可以对报警参数进行在线设置，当能源参数越限报警，可提供报警重要性等级分类，具备APP推送、手机短信、邮件、钉钉、语音播报、系统弹窗等报警提示；

11.5视频监控

　　接入摄像头，实时掌控企业内实际情况。

11.6变压器监控

　　展示各电压器的负载情况，从而可以为变压器配备情况进行科学合理的规划。通过各种运行参数状态下用电效能的对比分析，找出更好的运行模式。根据运行模式调整负载，从而降低用电单耗，使电能损失降低。

11.7仪表实时监控

　　展示各个水电气仪表的实时参数变化，以曲线图的方式展示。

11.8能源中控

　　将所有有关能源的能源参数集中在一个看板中，能从多个维度对比分析，实现各个产业线的对比，帮助领导掌控整个工厂的能源消耗，能源成本，标煤排放等的情况。

11.9用能统计

　　从能源使用种类、监测区域、车间、生产工艺、工序、工段时间、设备、班组、分项等维度，采用曲线、饼图、直方图、累积图、数字表等方式对企业用能统计、同比、环比分析、实绩分析，折标对比、单位产品能耗、单位产值能耗统计，找出能源使用过程中的漏洞和不合理地方，从而调整能源分配策略，减少能源使用过程中的浪费。

11.10 分析

　　统计各个监测节点（工厂、车间）的当年、季度、月、周、日各类能源消耗费用，其中电包括峰电量、峰电费、谷电量、谷电费以及平均电量和平均电费。

11.11产品单耗统计

　　与企业MES系统对接，通过产品产量以及系统采集的能耗数据，在产品单耗中生成产品单耗趋势图，并进行同比和环比分析。同时将产品单耗与行业/国家/国际指标对标，以便企业能够根据产品单耗情况来调整生产工艺，从而降低能耗。

11.12绩效分析

　　对各类能源使用、消耗、转换，按班组、区域、车间，产线、工段、设备等进行日、周、月、年、指定时段绩效统计按照能源计划或定额制定的绩效指标进行KPI比较考核，帮助企业了解内部能效水平和节能潜力，评定能源消耗是否合理。

　　11.13运行监测

　　系统对区域、工段、设备能源消耗进行数据采集，监测设备及工艺运行状态，如温度、湿度、流量、压力、速度等，并支持变配电系统一次运行监视。可直接从动态监测平面图快速浏览到所管理的能耗数据，支持按能源种类、车间、工段、时间等维度查询相关能源用量。

11.14自定义能耗报表

　　用户可通过自定义报表头与列，灵活生产各种报表，查看企业各个节点的能耗，单耗，成本，综合能耗等信息，并同比、环比报表，支持导出报表。

11.15同比、环比

　　提供能耗成本的图形对比分析，包括分时段（日、月、年）的同比、环比分析，分类、分时段、分项（地点、机构、设备）统计图形对比分析（柱状图、饼图、堆积图等）。

同比

环比

　　11.16分析报告

　　以年、月、日对企业的能源利用情况、线路损耗情况、设备运行情况、运维情况等进行仔细的统计分析，让用户更加了解系统的运行情况，并为用户提供数据基础，方便用户发现设备异常，从而找出改善点，以及针对用能情况挖掘节能潜力。

11.17能耗设备用能

　　监控耗能设备运行、停机及异常状态，及时解决设备故障停运导致无法正常生产。

11.18线损分析

　　根据节点、能源分类，查询各个节点线路上的能源损耗数据，及时发现能量在使用过程中的跑冒滴漏和异常用能等浪费的问题，提醒用户及时进行干预。

11.19碳排放管理

　　按照区域对碳排放总量的变化趋势进行统计，并进行同环比分析。对单位产值碳排放量进行计算，并结合减排指标实现超标预警，提升区域减排水平，促进碳达峰目标实现。

　　11.20电能质量监测

　　实时监测谐波含量、三相不平衡度、功率因数等，确保功率因数不低于供电局考核指标，避免被罚款和设备出现故障。

　　11.21运维管理

　　系统支持设备日常巡检计划、派工、消缺、报修、派工等设备运维管理，方便运行管理人员的制定巡检计划、派工，巡检人员执行巡检、完成工单、巡检发现问题消缺，进行故障报修、跟进维修进度，满足日常巡检、设备维修保养需要。

11.22报警管理

　　针对于电气正常开展、限电和能耗双控，实现电参量异常报警、电气火灾隐患报警、能耗超标报警、限电报警等，帮助企业提前预警，避免发生火灾事故和被罚款导致用能成本过高。支持分级分类报警，可对报警进行派发与闭环处理。

11.23能耗抄表

　　可自定义时间段抄仪表的抄表值以及差值，可自定义抄表的分类分项。

11.24能耗分析自定义时间抄表

　　可自定义时间段内各个拓扑节点的能耗值，可自定义抄表能耗值的的分类分项。

11.25容需量报表

　　提供容需量报表，实时展示容量需量价格的变化情况，帮助企业实现容改需，降低基本电费。

　　11.26复费率报表

　　对尖、峰、平、谷用电量及成本费用进行统计分析，为企业分时用电，优化成本效益提供数据支持。

11.27文档管理

　　对国标、能源管理制度、能源指标体系等文件进行归档，可快速查询相关文档。对仪表台账进行系统管理，支持文件的上传和下载。

11.28 3D可视化大屏

　　对场景进行虚拟仿真，展示各区域运行及能源消耗情况，可实现分层预览、转场展示、风格切换、智能巡检等效果，支持模型与监测点位的自定义绑定。

11.29 3D子系统

　　对各动力子系统进行虚拟仿真，展示子系统的动力管线、设备的实时状态及能源消耗情况，可实现动态的能源流向效果。

11.30工业组态

　　可通过图形化的编辑方式自定义组态图，展示设备运行状态及能源消耗情况，可上传自定义素材及绑定监测数据。

11.31自定义驾驶舱

　　可通过图形化的操作方式自定义驾驶舱，以折线图、饼图、表格等图形展示采集数据及各类统计数据，数据源包括API、数据库查询、MQTT、Excel等方式。

11.32基础数据管理

　　对系统的项目、探测器、设备型号、电参量、节点、能源、公示、及相关参数进行配置、修改、删除等管理、进行用户添加和管理、合同管理。

11.33手机APP

　　APP支持Android、iOS操作系统，方便用户按能源分类、区域、车间、工序、班组、设备等不同维度掌握企业能源消耗、产线比对、效率分析、同环比分析、能耗折标、事件记录、运行监视、异常报警、配电图、工艺流程图、能流图。

11.34知识产权证书

12、系统硬件配置

　　13、结论

　　案例企业能耗在线监测系统基本实现了煤层气田用能实时监测、能源综合管理、多维指标对标、报表管理等功能，满足地方国家“双碳"目标实现。

　　参考文献

　　[1]《重点用能单位能耗在线监测系统推广建设工作方案》（发改环资〔2017〕1711号）

　　[2]王永昌.卢迪.张龙.卢鸿飞.张海滨.煤层气企业能耗在线监测系统设计与应用研究[J].石油石化绿色低碳，2022,7(5):74-78.

　　[3]安科瑞企业微电网设计与选型手册.2022.05版.

　　[4]安科瑞企业能源管控平台.2020.08版.