在线能源管理系统工具及应用

能源管理在优化工业过程和运营中发挥着至关重要的作用,需要EMS结合能源实时优化、连接工厂数据库的KPI监控以及在线分布式控制系统等领域的经验。

能源管理对优化工业过程和运营的重要性是毋庸置疑的。一个工业能源系统包含相互作用的不同网络,其中包括蒸汽、水、电力、燃料源和排放量。操作决策受到环境、操作、电力价格频繁变化、过程加热/冷却需求和设备可用性等因素限制。不同层次的优化(实时优化,离线模拟与优化,监控关键绩效指标(KPI))有时会采用不同模型和软件工具,这可能产生相互矛盾的解决方案,致使难以在整个工厂范围内共享信息和结果。

集成能源管理系统(EMS)的工业应用支持多层次决策,包括运营优化(在线、实时、开环或闭环)、用于工程研究的离线用途以及KPI监控。一个基于严格的质量、能量和热力学方程的详细非线性模型可以被用于所有的最佳决策和监测目的。通过用于过程控制的OLE(OPC)标准协议,EMS工具可以连接到现场工厂信息系统或分布式控制系统(DCS),使用在线测量更新模型,并为工厂导出可视化、数据分析或执行的结果。

采用过程模拟器计算关键绩效指标以及蒸汽、水、燃料流、排放量的质量与能量平衡,该模拟器专为能源系统设计,并已在行业内应用超过30年。通过软件图形界面可以查看结果,还能导出到电子表格、工厂数据库和仪表板工具。

能源系统是非线性的,涉及离散决策,因此必须通过一个与模拟器集成的混合整数非线性规划(MINLP)求解器进行实时优化。它可以在开环中运行,也就是最佳操作由操作员执行,或者利用最佳目标或工厂DCS的设定点在闭环中运行。目标函数用于涵盖运营成本和所有过程限制。

本文提供的例子说明了EMS的具体应用,包括在炼油厂、化工厂、糖与乙醇设施、地区供热与冷却设施、热电厂的工业实施情况。

一个在线的实时EMS

全工厂EMS技术在世界范围内已使用超过30年,用于降低能源成本。纵观其发展史,EMS已经从离线过程模拟器和性能指标计算发展到包含模拟、优化功能,监测功能,DCS连接和实时数据库的完整在线工具。图1展示的例子是一项领先EMS技术的时间演化过程,还包括了采用该技术的主要公司。

 

图1:EMS技术进化史,包括监控、开环和闭环实时优化以及多阶段规划(由Soteica Visual MESA公司提供)

EMS结构

一般结构

图2展示了一个典型的EMS结构图。该系统从实时工厂的测量值、燃料、电力/公用事业供应、出口合同(也可在高度自由的市场中实时更新)以及环境立法(必要时更新)中获取信息。利用这些信息,EMS计算引擎为工厂能源系统计算出KPI,还能为能源系统变量计算出最佳值。通过能源实时优化(ERTO)获得的数值可以用于闭环(作为工厂控制系统的输入值)或开环模式(为操作员提供包含可操作项目的报告)。

 

图2:能源实时优化器的结构(由Soteica Visual MESA公司提供)

系统生成的结果可以被导出到实时数据库和分布式控制系统,还能生成不同格式的报表(HTML、PDF、微软Excel文件)。

在线功能

系统包括一个标准的OPC接口协议。它能与适当数据源进行简单、流畅的通信,比如DCS、工厂信息系统、历史学家或实时数据库。

该接口用于获取在线数据,更新能源系统模型,并且将从EMS获取的KPI和优化变量导出到分布式控制系统、历史学家或数据库。
EMS包括验证并过滤原始在线测量值,利用当前与过去数据进行稳态检测等功能,这是闭环实时优化的必要条件。

软件架构

EMS应用程序通常在服务器上运行,服务器利用在线测量值定期更新模型数据,模拟工厂当前的能源系统状态,并解决优化问题。通过图3所示的网页界面,用户可以查看可视化结果。图4展示了针对完整客户端-服务器和闭环实时优化的网络架构。

图3:EMS实时优化器客户端网页界面(由Soteica Visual MESA公司提供)

图4:EMS网络架构(由Soteica Visual MESA公司提供)

EMS使用的模型必须利用独立的图形用户界面(GUI)进行创建和编辑,例如微软Visio。图5是一个GUI的截图。在控制模板上拖放设备可以将其添加并连接到模型。一旦区块被添加到模型中就可以配置其设备属性、操作条件和限制。所有与DCS和实时数据库的连接都通过该GUI进行配置。

图5:用于模型构建的EMS图形用户界面(由Soteica Visual MESA公司提供)

模拟

能源系统可以平衡质量和能量,因此利用严格的第一性原理模型和热力学性质计算排放量、效率和性能因素。在运行模拟之前,利用现有的在线测量值更新模型中的不确定参数。

模拟工具可以对购买和销售燃料、电力、水、氢以及其他公用事业等复杂的合同进行建模。这包括价格、季节、当日时间、峰谷结构和合同违约处罚等数据的实时变化。因此,能源系统的优化可以准确评估运营成本和潜在节约量。

能源实时优化

由于能源系统是非线性的,涉及离散决策,因此一个混合整数非线性规划优化算法(MINLP)应当与模拟引擎充分结合。模型中必须包括所有操作、合同和环境限制,从而生成逼真的优化结果,并直接用于工厂运营。

优化变量(能源系统的自由度)包括:
•双燃料或多燃料锅炉的蒸汽产量和燃料消耗率
•燃气轮机发电
•多级汽轮机中的抽汽和凝汽流
•用于驱动泵、风扇和压缩机的汽轮机/电机选择
•并联运行的启动/停止设备,比如区域冷却机组中的冷却装置

限制包括:
•设备运行限制
•过程所需电力和蒸汽
•管道的最大流量
•每次运行优化的最大启动/停止切换次数
•锅炉的燃料比限制
•锅炉平衡
•排放限制
•合同限制
•可靠性限制(蒸汽垫)

优化器利用实时更新的模型来查找优化变量的值,从而最大限度降低运营成本,同时适应过程中的限制。

当一个EMS优化器作为能源闭环实时优化器(ECLRTO)运行时,优化目标将直接导出为DCS的设定点。ECLRTO只包含连续变量;不允许设备启动和停止。每次执行实时优化后可以设置额外限制,从而限制每个优化变量的最大变化值。在ECLRTO结果中应用EMS的典型频率是15分钟。

实时优化器开环运行时,最佳操作变量取决于操作员,他将决定是否遵循软件的建议。在这些类型的应用中,运行范围比ECLRTO更广;它还包含了离散(启动/停止)变量,从而增加自由度。然而,结果的应用频率比ECLRTO(通常每班一次)低得多。通过网页界面、报告和/或DCS屏幕将结果提交给操作员。

即使采用了EMS ECLRTO,开环优化通常在同一时间执行。这样闭环部分将连续变量保持在最佳点,而操作员可以利用开环建议来选择最佳的启动-停止时机,这能将工厂的运营成本降至最低,同时适应运营中的限制。

KPI监测

每一次运行EMS都可以计算(存储于工厂历史数据库)各种与能源相关的KPI。这些性能指标可以用于监测与管理能源系统,并对理想目标和主要低效来源的偏差进行检测和预警。

可以单独或者与EMS ERTO一起使用KPI监控模块。它包括KPI计算与显示,以及为能源系统(工厂范围内,按面积和单位计算)生成质量与能量平衡报告的功能。

可以有层次地组织和展示计算出的KPI:
•监控现场性能的高层KPI用于现场和企业管理。例如,公用事业系统的总成本、预期效益、主蒸汽头失衡,以及排放量。
•监控个人单元性能的单元级KPI用于单元管理和技术专家。例如,工厂或区域成本、锅炉和加热器效率、冷凝水回收率,以及单位生产所使用的能源。

KPI可视化与报警可以嵌入EMS网页界面(如图6所示),通过微软Excel报表和/或一个集成的仪表板工具(如图7所示)。

图6:针对单一KPI的网页界面的报警可视化(由Soteica Visual MESA公司提供)

图7:模型和仪表板工具中显示的EMS KPI(由Soteica Visual MESA公司提供)

其他用途

EMS的独立建模工具应当应用于进行离线个案研究,这可以预测将来的情况,并评估项目的技术和经济可行性。能源多阶段优化器(EMPO)等其他EMS模块可用于规划和调度能源系统,包括随时间变化的决策和限制。

EMS是用于政策和工作流程的关键工具,可以提升能源性能。ISO 50001标准定义了EMS的一个框架:计划、执行、检查、行动(PDCA)。驱动PDCA的关键因素是可视化,它可以将工厂数据转化为操作员、工程师和管理层所需的有用信息,从而促进决策过程。

能量可视化是这些操作的核心,用于确定改良的时机,管理操作过程,并了解成果。

能量可视化的关键功能:
•管理能源绩效指标(EnPIs)与能源基线(EnB)
•管理计划和实际的能源性能
•查找能量异常,深入分析,识别其原因
•数据库必须累积所有数据,以用于分析
•用图表、图形、表格、测量仪表等多种形式显示数据。

鉴于此,横河公司和Soteica Visual MESA公司合作开发了符合ISO 50001标准的EP分析解决方案。EP分析集成了Soteica公司开发的能源管理系统的所有功能以及横河公司提供的可视化解决方案。EP分析从EMS获取所有数据,然后采用多种类型的图表、计量器和数字显示能源性能和现场状态,这能让决策者识别异常情况并进行纠正。

工业实例

炼油厂

KNPC Mina Al-Ahmadi炼油厂的加工能力为460000桶/日,于2012年采用了EMS系统用于开环优化和KPI监控。近期他们公布的一份报告估计该炼油厂每年节约了440万美元,并且减少了27600吨二氧化碳排放量。采用了EMS能源实时优化器之后8个月内的成果如图8所示。

图8:进行能源实时优化后,KNPC Mina Al-Ahmadi炼油厂的节约量和二氧化碳减排量

热电厂

法国液化空气集团贝波特工厂是世界上最大的工业气体供应商,在美国德克萨斯和路易斯安那湾沿岸拥有大型管网(2000英里长的管道),该工厂生产氧、氮和氢。贝波特工厂是法国液化空气集团在全球最大的工业气体生产厂。其EMS模型包括蒸汽系统、热电联产、锅炉和抽汽凝汽式汽轮机。

使用开环EMS多年后,他们于2008年决定采用能源闭环RTO。这一决定是基于以往的成功经验,因为所选EMS已经以闭环模式应用于全球最大炼油厂中的多个设备。

在一个价格每15分钟就会变化的、高度自由的电力市场中,ECLRTO使法国液化空气集团贝波特工厂以最佳方式运行。图9是贝波特工厂使用的两种不同DCS屏幕,它显示了EMS的结果和设定点。

图9:法国液化空气集团贝波特工厂采用的能源闭环实时优化的DCS屏幕

石化企业

位于沙特阿拉伯王国朱拜勒工业城的SABIC Saudi Kayan石化公司是世界上最大的石化企业之一。它采用一个实时EMS模型来降低能源成本,并对石化企业进行能源管理。实时在线的能源管理系统能以最低成本识别那些影响生产和能源内部分配的经济折衷方案。图10显示了实施优化建议后一星期内的成本节约量。

图10:应用RTEMS实时优化计算操作后,SABIC Saudi Kayan的成本节约量

糖和乙醇设施

Usaçúcar Tapejara是一家糖和乙醇工厂,每天能加工约19500吨甘蔗,每季度能生产62000立方米酒精和316000吨糖。它是巴西Usaçúcar集团最大的生产厂。

该设施采用了EMS。其模型包括甘蔗渣锅炉、发电、甘蔗加工涡轮机、蒸发器、结晶、蒸馏蒸汽。测试阶段增加的利润约为90美元/小时。以每季度220个工作日计算,每年预计能节约475000美元的成本。

区域加热和冷却

位于德克萨斯休斯敦的热能源公司(TECO)是美国最大的区域冷冻水系统。它为德克萨斯医疗中心的45栋建筑提供服务,拥有35英里的分配管道。它能以850klb/小时的速度生产蒸汽为区域供热,还能产生高达64兆瓦的电力。

图11:Usaçúcar Tapejara糖和乙醇工厂的能源系统模型主视图

从2010年开始,TECO一直使用EMS来优化和监控冷冻水、蒸汽、电力、冷却水的生产和使用。通过管理其75000 ton-h的储热水箱,TECO最近集成了一个EMPO,用于扩大应用范围。

图12:TECO区域加热和冷却的模型主视图

结论

工业能源管理是一项复杂的任务,可以通过使用计算机辅助工具成功实现。在单一环境中集成了KPI监控和能源实时优化(ERTO)的在线能源管理系统连接了工厂数据库和分布式控制系统,可以获得在线测量值并导出结果,这有助于降低能源成本和总排放量。

Carlos Ruiz、Oscar Santollani和Kouji Matsuoka就职于美国德克萨斯休斯敦的Soteica Visual MESA公司和日本东京的横河电机公司。

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