摘 要:新疆目前社会经济相对较落后,但水土、光温、能源、矿产等资源非常丰富,若具备先进的产业技术,则具有广阔的开发利用和潜力经济效益潜力。因此,开展新疆优势资源转换的产业技术研究,分析技术对优势资源转换的作用,了解新疆优势资源及其产业技术状况,找出新疆实施优势资源转换战略在产业技术方面存在的问题及原因,提出提高新疆优势资源转换的产业技术水平的对策,从总体上把握新疆优势资源转换的产业技术发展趋势,对富民固边、建设繁荣富裕和谐的新疆、推动新疆经济社会又好又快发展具有重大意义。通过可靠实时的采集能源介质的信息数据,攻克能源数据融合技术、能源管理网络的实时动态平衡分析技术、能源系统运行状况的多尺度分析技术,完成能源的协调配置。能源管理算法具有很强的通用性,可以对目前各类能源企业进行设备运行状态监测、现场数据采集与分析、评估、故障诊断与报警,最优节能控制等主要功能。
关键字:资源转换 数据融合 节能算法
新疆是我国最重要的一个矿产资源省区。目前已发现矿产138种,占全国已知矿种的80.7%,居全国第二位。探明资源储量的矿种为79种,其中有8种列全国首位。新疆石油资源量208.6亿吨,占全国陆上石油资源量的30%;天然气资源量为10.3万亿立方米,占全国陆上天然气资源量的34%。新疆油气勘探开发潜力巨大,远景十分可观。全疆煤炭预测资源量2.19万亿吨,占全国的40%。
我区近年来在节能减排上花了不少气力,也取得了一定的成绩,但是成效并不显著,下面这组数字就能说明问题。从“十一五”我区GDP能耗下降趋势来看,2006年,万元GDP能耗2.092吨标准煤,比上年度下降1.06%;2007年,万元GDP能耗2.0276吨标准煤,比上年度下降3.08%,连续两年均未能完成能耗下降4%的国家指标。《国家中长期科学和技术发展纲要》把能源技术放在优先发展的位置,按照自主创新、重点跨越、支撑发展、引领未来的方针,加快推进能源技术。自治区鼓励和支持企业用科技手段,积极实施系统节能改造,提高终端用能效率,是今后节能工作的一大任务。
除了设备节能、工序节能,还要靠技术管理节能对企业流程进行全面、动态分析和优化,实现能源的管理和节约,因此能源企业节能算法将是技术管理节能的重要手段。
一、主要研究内容
能源企业节能算法研究开发的内容主要包括:节能算法的研究和评估分析;能源管理系统的开发;能源数据融合、能源管理网络的实时动态平衡分析技术、能源系统运行状态的多尺度的分析技术。
1、节能算法的研究和评估分析
企业合理供电技术评估分析
⑴、降低企业供配电线损
从电网送到企业的电能,经压降后分配到各个用电车间或用电设备,这就构成企业内部的配电系统。它由压降主变压器和配电变压器、低压配电线路、高低压变(配)电装置中的各种电气设备组成。
一般大、中型企业均设有总压降,将35~110kV电压降为6~10kV,向变(配)电所供电。
变(配)电所中的主要电气设备是变压器和高低压配电装置,包括汇流母线、隔离刀闸、开关、电力电容器、保护电器、测量仪表及其他电气设备等。
在企业内部的电能输送和分配过程中,电流经过线路和变压器等设备时,会产生功率损耗和电能损耗,这些损耗称为供电损耗。其损耗电能占输入电能的百分比(或功率损耗占输入功率的百分比),称为线路损失率,简称线损率。由于企业的负荷类型、供配电系统的电压等级、电力网络结构、供电方式的不同,将使线损率有所差异。
线损率的计算公式为
线损率 =(线损电量/供电量)*100%
企业线损主要由以下因素构成:
①、总降压变电所主变压器的损耗,如果企业内部有二次变压、三次变压,则还应包括配电变压器损耗;
②、高压架容线路的损耗;
③、低压架容线路的损耗;
④、高压电缆线路损耗;
⑤、低电缆线路损耗;
⑥、车间配电线路的损耗;
⑦、高低压配电装置的损耗,包括汇流母线、隔离刀闸、开关、电力电容器、保护电路、测量仪表及其他电气设备等损耗。
企业供电损耗中,主变压器、配电变压器和高低压线路的损耗,约占企业供电损耗的95%左右,而高低压配电装置的损耗所占的比重较小,因此没有必要逐一加以计算。
为了降低用电的电能损耗,我们需要从三个方面入手降低线损,具体措施包括减少变压次数、合理提高供电电压、提高功率因数、均衡三相负荷、合理调整运行方式避免超负荷及迂回供电,按照经济电流密度来选择导线的截面积。
《评价企业合理用电技术导则》3.3规定,企业根据受电端至用电设备的变压级数,其总线损率分别应不超过以下指标:
⑴ 一级 3.5%
⑵ 二级 5.5%
⑶ 三级 7%
⑵、供配电网负载经济调配
配电网负载经济调配主要包括两个方面:一是在时间上对负载进行调整包括提高负荷率和削峰填谷,使配电网中负载曲线接近均衡。二是在空间上对负载进行调整,使配电网中变压器间及电力线路间负载实现经济分配,从而降低配电网损耗。
用电体系的日平均负荷与日最大负荷之百分比称为日负荷率。负荷率是衡量企业用电单位平均负荷与最高负荷的差异程度,反映企业用电均衡程度的一个重要指标。日负荷率按以下公式计算:
负荷率=(日负荷曲线的平均值/日负荷曲线的最大值)*100%
提高负荷率对节约用电、降低成本、减少供电网络中的电能损耗等具有重要意义。其方法很多,如采用轮流周休日,实行避峰用电,安排填谷负荷等。
⑶、供配电网电能质量控制
电能质量指标是电能质量各个方面的具体描述,不同的指标有不同的定义,参考IEC标准,从电磁现象及相互作用和影响角度考虑给出的引起干扰的基本现象分类如下:低频传导现象,低频辐射现象,高频传导现象,高频辐射现象,静电放电现象。
电力污染及电力品质恶化主要表现在:电压波动和闪变、浪涌冲击和雷击、谐波、三相不平衡等。其中低频传导现象中的谐波是影响供配电网电能质量的主要因素。谐波源的主要设备包括:电力变压器、电弧炉、气体放电光源等,此外除上述谐波源外,感应加热设备、旋转电机、电机车、电焊机、家用电器(如电视机)以及使用电力、电子装置的用电设备,也都会产生谐波。
电源污染会带来一系列的危害,包括干扰通讯设备、计算机系统的正常工作、影响无线电发射、雷达系统、引起电气自动装置误动作、使电气设备过热,振动噪音加大,加速绝缘老化,缩短使用寿命等等。
电源污染的治理主要方法包括:
串联电抗器
有源滤波补偿(功能多,适应性好响应快)
无源滤波补偿(应用最多,效果较好,价格低)
增加整流设备的相数
安装各种吸收和保护装
企业合理用热技术评价分析
1、燃料燃烧合理化
燃料燃烧合理化是根据各种燃烧技术具有的特点和使用范围,根据热工基本理论与实践经验来评价燃料使用效率和燃烧设备的运行水平。为了评价燃料燃烧合理化,应从两个方面入手,一是采用适当的燃烧技术/设备和燃烧方式,二是对燃料燃烧的主要控制指标进行管理控制。
采用适当的燃烧技术/设备和燃烧方式是燃烧合理化的基础。燃烧方式可分为火室燃烧、沸腾燃烧、火床燃烧。而由这些不同的燃烧方式所派生出的燃烧技术/设备则多种多样,对于这些设备可以参照标准所提出的原则来贯彻本标准的精神。
⑴、燃料燃烧的主要控制指标
在采用了适当的燃烧技术/设备和燃烧方式的基础上,燃料燃烧过程中的几个主要控制指标直接影响了燃料的燃烧效率和燃烧技术/设备的使用效率。
① 空气系数
Excess air coefficient 亦称“过剩空气系数”、“空气过剩系数”。指实际供给燃料燃烧的空气量与理论空气量之比。是反映燃料与空气配合比的一个重要参数,常用小写希腊字符“α”表示。其值可借助气体分析仪进行测算。
实际的操作和运行经验表明,最佳空气系数指在运行过程中根据运行人员的长期经验积累的操作数据,进行分析整理而得的各种常见工况下锅炉效率最高点所对应的空气系数。理论上讲最佳空气系数是指既要使燃料中的可燃成分完全燃烧又不应使燃烧产生的烟气中过多的多余空气。由于燃烧设备实际情况差别很大,影响最佳空气系数的因素较多也较为复杂,需根据燃料及燃烧设备的变化情况不定期的进行适当调整,这个最佳空气系数的分析整理过程应该是不断进行的。目前,随着自动化控制技术的逐步发展,先进的锅炉控制系统可以完成上述功能。
② 排渣含碳量
排渣含碳量是指在排渣(燃烧残留物)中含有的可燃物(主要是元素形态的碳)的量,一般以占有燃烧残留物总量的百分数的形式表示。
灰渣里面含碳量大的原因主要是燃烧不充分,造成燃烧不充分的原因很多:配风原因,燃料原因,炉压控制,燃料粉碎程度,炉膛温度控制等等。
当然,采用了适当的燃烧技术/设备和燃烧方式,控制好燃料燃烧的主要指标,也并不能完全保证燃料使用效率和燃烧设备的运行水平。有必要对燃烧设备运行工况的控制与调整的基础之上采取一些其他措施,主要有以下几个方面:
助燃剂的使用;避免燃烧设备运行中的结焦和结垢。
⑵、燃料燃烧方面的测量与记录:
分析与记录燃料的成分(包括煤的工业分析)及发热量,以作为制定与调整燃烧控制参数的依据。
为了掌握燃料燃烧状况,应配备必要的计量仪表,测量与记录燃烧装置的德燃料、助燃空气与雾化机的用量、温度与压力,并测量与记录排除烟气中的含氧量(或二氧化碳量)。
分析与检验出烟气及灰渣中的可燃成分量,以确定燃烧的完全程度,作为调整燃烧过程、改进燃烧装置的依据。燃料燃烧监测仪器的配置应能满足评价用热合理性的需要,能反映燃料燃烧真实情况。
燃油设备及容量大于等于7MW的工业锅炉、燃耗1500t标煤/年以上的窑炉应配备燃烧过程自控系统,有条件者应装设燃烧过程微机控制和检测系统。
通过对企业使用的各类能源的评估分析,可以建立详细完备的节能算法评估系统,对企业合理使用各种能源起到监测和指导作用。
二、研究方案及可行性分析
1、节能算法的研究和评估分析
提高电能的质量,也可以起到节约电能的目的。具体的电能质量分析方法有时域仿真法、频域分析法、神经网络法、小波分析法等。
对于热能的节能成因,热量计本身并不节能,它是对热量进行计量的器具。由于它的使用,促进了节能意识的提高。用热方意识到节约用热就是节约支出,再不会出现阀门开到最大,而室内温度靠开关门窗来调节的浪费现象。而供热方因为用户实用热量有了计量,便于直接进行供热效率的考核,可以减少热能输送中的浪费现象。同时依照实际供热公平收费,收费的合理性大大加强,企业资金状况改善,促使了员工进一步提高技术、管理和服务水平。
2、能源数据融合技术、能源管理网络的实时动态平衡分析技术、能源系统运行状况的多尺度分析技术
⑴能源数据融合技术
EMS系统能源数据按来源划分为一次能源和二次能源。
一次能源是指企业从外部获取的能源。例如水、电、蒸汽、煤、煤气、天然气、汽油、柴油等。一次能源企业自身不能生产,需要从外部获取,为了获取该能源,需要付出相应的成本。
二次能源是指企业自身生产的能源。例如纯水、压缩空气、氮气、冷冻水、冷却水、采暖水等。该能源是企业用一次能源经过自身动力车间或分厂经过二次加工产生的能源,生产二次能源需要消耗企业一次能源和人工成本,同时二次能源供给企业其他的生产部门使用。但是对于企业各个核算单位,要独立核算各个部门的能源消耗。包括一次能源和二次能源。
利用SOM(self-organizing map自组织映射) 和Fuzzy-ART(adaptive resonance theory自适应谐振理论)等聚类方法对能源数据进行清洗、融合,并采用数据仓库技术和ETL(extract, transform and load)工具进行数据的抽取、转换和转载,完成数据集成平台的搭建,保证数据平台的一致性和完整性。
(2)、能源管网的实时动态平衡分析技术
目前能源系统的平衡分析大多是在每日、每周、每月等时间等级上完成的静态平衡分析,而对于以能源浪费最小为目标的平衡调度来讲,实现分钟级的实时动态平衡分析是最需要的。
根据不同能源介质的物理特性建立管网流量、压力动态平衡计算模型,利用时间序列预测和支撑向量机等先进建模方法建立各管网流量、压力的短期预测模型,结合动态平衡计算模型预测管网的峰值时刻,并进行预警;
(3)、能源系统运行状况的多尺度分析技术,在时间和空间尺度上进行量化
对于能源系统运行状况的分析由于数据的不完整和缺乏有效的技术手段,目前大多数系统只是停留在简单的数据统计和日常报表的制作这一层面,深层次的信息提取和运行优化分析还远远没有达到。在时间尺度上涉及到与年度、季度、月度、星期、日的能源组合调度的方案设计,同时还涉及在空间尺度(各个能源供应子系统之间的调度,如各个换热站所负责的区域不同,供热量的不同)上进行的调度和分析。
以能源数据集成平台为基础,针对不同的生产工序分别建立对应的数据集市,按能源介质种类、时间、分析课题等维度组织数据视图,应用相关分析、主元分析等数据挖掘工具进行工序能耗及成本分析,并以耗散最小或成本最优为系统优化目标建立优化模型,得出优化配置方案。
参考文献:
1.《基于实时历史数据库技术的钢铁能源管理系统》. 周永良, 李铁克 , 王伟玲 .冶金能源-2010年2期
2.《eDNA实时数据库在企业能源管理系统中的应用》. 雷益龙, 杨炯照, 张玉环,电脑编程技巧与维护-2010年6期.
3.《智能能源管理系统设计研究》, 吴兆明. 工业控制计算机-2009年11期.
4.《配电网动态无功补偿节能算法的研究》 . 熊友红 ,冶金动力-2007年6期.
5.《节能监测技术通则》 GB15316-94
6.《综合能耗计算通则》 GB2589-90
7.《工业企业能源管理导则》 GB/T 15587-1995