高耗能工业企业节能改造 能源管理系统设计与实操应用方案

安科瑞 刘迈

　　摘要：为助力铸造企业落地各事业部能耗精细化核算、准确管控产品能源成本，量身搭建一体化能源管理系统。系统以智能模块化架构为基础，自动采集全域用能数据，联动生产产量信息，分层分级统计分析各生产区域、生产线及设备能耗，实现用能全过程可视化、精细化管理，帮助企业优化用能结构、降低能耗支出。

　　关键词：工业企业；能源管理；成本管控；精细化管理

　　当前，环境恶化与能源紧缺已成为全球亟待解决的难题。全球经济的迅猛增长在带来显著成就的同时，也进一步加剧了能源供应的紧张。这一现状迫切要求个人、企业乃至整个社会采取积极措施，有效降低能源消耗。

　　在此背景下，全球经济一体化的浪潮推动全球压铸生产不断向中国靠拢，至2016年，我国铸造铝合金行业产量已高达550万吨，压铸厂（车间）数量近8000家，市场竞争异常激烈。因此，加强企业管理，提升成本管控能力，实现精细化管理，已成为我国铸造企业面临的关键任务和挑战。

　　本文结合某大型铸造企业的实际情况，介绍能源管控系统的设计方案，可为同类企业的能源管控系统设计提供参考。

　　1 项目现状及需求

　　某大型铸造企业随着生产规模持续扩张，现有能源供应与安全保障条件，已难以适配企业发展节奏。企业虽布设了部分用能计量装置，但日常数据统计仍以人工抄表为主，传统用能管理模式不够规范，难以开展精细化管控，也不利于推进节能降耗相关工作。

　　该企业已落地阿米巴管理模式，将整体发展目标拆解至五大事业部，依托该管理体系开展各事业部产品能源成本核算与能源绩效考核，方便各部门负责人查阅运营数据，做好能源成本管控。但落地运行过程中逐步显现短板：企业能源计量基础体系建设，重要用能环节多依靠传统机械式仪表人工读数统计，整体投入大、工作效率不足。同时，各事业部存在能源共用混用的情况，只能依靠统计报表按比例分摊能耗费用，数据更新滞后、准确度不足，制约各事业部能耗细分统计，也造成产品能源成本核算存在偏差。

　　结合企业实际运营现状，当前亟需改善的问题主要有：

　　① 采用人工抄表模式，人力投入大、工作效率偏低，能耗数据无法保障准确同步；

　　② 能源计量体系建设，整体能耗管控缺乏依据，难以准确定位能耗偏高问题，无法满足各事业部能耗精细化核算的数据要求；

　　③ 缺少量化参照标准，难以判定单位产品能耗合理范围；

　　④ 高耗能生产设备用能管控薄弱，用能损耗问题明显，设备运行效能无法有效研判；

　　⑤ 节能优化工作缺少真实数据支撑，各类技术改进措施的落地效果，无法开展量化分析与评估。

　　2 系统设计

　　首先对企业建立能源管理系统，实现能耗数据可视化，然后通过能耗数据分析、指标体系、设备运维、能源审计、能耗评估等实现对能源消耗的过程控制，最后采取措施持续改进能源绩效。能耗节能并不是一蹴而就的，需要一个持续改进的过程，在这个过程中不断地发现节能空间、改进措施、验证结论。

　　根据该企业实际情况梳理清楚各类能源供给、使用流程，优化该企业的能源计量体系，建设该企业能源“神经网"，建设一套能源管理系统。按照“阿米巴"管理模式，需要划分事业部、生产工艺、区域、能源供给等多个用能维度，准确地统计出各个事业部能耗，完成准确的能耗成本核算；对生产设备能耗进行综合管理；对日常用能的行为方式实施有效管理，帮助企业将用能状态做到精细化、实时化、多方面化的管理，提高设备用能效率，减少用能成本。

　　2.1 计量器具配备设计

　　系统建设阶段就是要建立能源管理系统，实现能耗数据可视化，实现能源生产过程和消费过程的管理。管理的基础就是对能源消耗数据进行采集。结合该企业的实际用能情况，能源计量设计配备率

　　2.2 关键绩效指标设计

　　建立能够反映厂区用能水平的关键指标，从多个角度对能耗进行统计、分析，以关键绩效指标（KPI）的形式反映厂区的能源利用状况，评估厂区能源绩效等级，发现和挖掘节能空间，通过指标考核，提高企业节能意识。

　　2.3 多维度能耗模型设计

　　根据某大型铸造企业的用能类别，采集电能指标数据，电能分项相关数据经校验后进入能源管理系统数据库。系统对各个区域供配电用能数据采集统计，完成实时用能监测，为管理中心系统的能效评估分析提供数据支撑。该项目电能分项维度设计如下。

　　2.3.1 分类分项维度

　　分类电量数据采集指标包括：① 设备用电量：生产车间、数据中心、供应链生产设备、质检等由某个部门或用户独立使用的设备用电量，对每个用户独立计量，根据实际用量计费。② 公共设备用电量：除用户设备以外的用电，无须进行独立计量，由使用部门根据一定的分摊规则进行计费。

　　分项电量中，电量应分为 ４项，包括照明插座用电、空调用电、动力用电和特殊用电。电量的4项分项是必分项。各分项可根据建筑配电系统的实际情况细分为一级子项和二级子项，该项是可选分项。

　　2.3.2 事业部组织能耗

　　目前，该企业各事业部能源统计数据主要来源于供应、财务和生产管理部门的相关总量报表，缺乏能源消耗利用状况的分析，能源统计与日常管理未形成统一考核体系。

　　建立能源管理平台，对能源管理的组织架构维度进行分析，形成日常管理的能源考核体系，加强内部能源管理。

　　2.3.3 区域用能

　　区域用能指根据厂区地理规划，按其功能、工艺、管理等需求进行合理的地理区域划分，并按区域进行用能统计分析，以地图的形式直观显示厂区内不同区域能源消耗情况及各项能耗相关数据，便于用户掌握各个区域及设备的能耗量。该企业区域能耗维度按楼栋、楼层、重要功能区/设备进行三级、四级区域划分设计，区域能耗维度举例如表3所示。

2.3.4 工艺用能

　　铝铸件产品线用能流程如图2所示，对企业生产过程按车间（工艺段）进行划分，实现能源统计及能效考核。分析各车间、车间内各工艺段实时用能数据及同环比数据，计算、对标工艺段能效指标，评估工艺段能源绩效等级，再分析工艺段能耗因素，帮助企业寻找工序过程中的节能点。

　　2.3.5 重要设备用能

　　对各重要设备运行状态和能耗进行统计分析，生成相应图表。对分布在各个车间的重要生产设备进行监测，记录设备运行、待机及停机时间，评估设备使用率，生成能耗曲线，并计算性能系数（COP）等指标。

　　3 安科瑞企业能耗管理系统介绍

　　3.1 数据隐私与安全

　　化工企业在智能化能源管理中需采集与传输大量实时数据，数据隐私与安全尤为关键。在数据隐私方面，企业能耗、工艺、设备状态等信息涉及核心运营数据，未经授权泄露易引发竞争风险与合规问题，可通过强化身份认证、权限管控、数据加密与匿名化等手段降低泄露风险。在数据安全方面，智能系统与物联网设备易成为网络攻击对象，企业需部署防火墙、入侵检测等防护措施，并定期开展安全审计，保障系统与数据稳定可靠。

　　3.2 技术集成与人员培训

　　智能化技术在化工企业的落地涉及传感器、控制器、数据平台等多类软硬件系统协同，技术集成与人员适配是重要环节。技术集成需解决多厂商设备与系统的互联互通问题，通过统一接口与通信协议保障数据顺畅流转和集中管理。同时，新型智能系统对操作人员技能提出更高要求，企业应制定针对性培训计划，提升员工操作与运维能力，并组建专业技术团队，保障系统稳定运行与持续优化。

　　3.3 投资与成本效益

　　智能化技术改造涉及硬件采购、软件开发、系统集成及人员培训等大额投入，开展投资与成本效益分析是项目可行的重要前提。企业需量化智能化改造带来的生产效率提升、能耗降低、设备停机减少、产品质量改善等收益，并估算前期与实施成本，通过收益与成本对比测算投资回收期与经济效益。此外，应兼顾短期投入与长期价值，开展全生命周期成本效益评估，确保智能化升级具备长期可行性。

　　4 安科瑞企业能耗管理系统介绍

　　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。

　　5 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。

　　6 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：

7 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。

　　7.1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。

7.2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。

7.3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。

7.4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；

7.5视频监控

　　接入摄像头，实时掌控企业内实际情况。

7.6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。

7.7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。

7.8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。

7.9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。

7.10 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。

7.11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。

7.12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、规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。

　　7.13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。

7.14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。

7.15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

　　7.16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。

7.17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。

7.18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。

7.19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。

　　7.20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。

　　7.21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。

7.22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。

7.23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。

7.24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。

7.25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。

　　7.26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。

7.27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。

7.28 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。

7.29 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。

7.30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。

7.31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。

7.32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、进行用户添加和授权管理、合同管理。

7.33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。

7.34知识产权证书

8 系统硬件配置

　　9 结论

　　智慧能源管理系统可对企业能源供应、能源转换、能源消耗全流程，开展动态平衡管控，及时排查能源浪费与用能利用不佳等问题。依托多方面、准确的能耗数据，清晰掌握能耗分布与用能水平，搭建单位产品能耗等 KPI 考核体系。借助系统对各项指标进行监测与优化，推动企业用能管理转向主动化、精细化，助力搭建长效且可持续的能源管理运行体系。

　　参考文献

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　　[4]安科瑞企业微电网设计与选型手册.2022.05版.