娄清辉,牛洪海，耿 欣，陈 俊，李 兵，张 冰

(南京南瑞继保工程技术有限公司，江苏 南京 211102)

0 引言

本文依托国内某大型浮法玻璃生产企业厂区能源系统，研究玻璃企业智慧能源一体化管控关键技术。以能源互联网思维与理念构建智慧能源系统，将分布式产能装置(包括天然气分布式能源、光伏、余热发电等)、储能、暖通系统一体化采集监控，将电力、热力和天然气等网络和控制性能源节点互联；并根据玻璃生产的用能特点，深入分析玻璃炉窑能效水平，提出优化调度算法及评估指标，使系统中的每条生产线、设备获得最佳能源供应和使用效率[1-2]。

熔窑是浮法玻璃厂的主要耗能设备，其能耗占全厂的80%左右，燃料成本占玻璃生产成本的1/2以上。发达国家的先进浮法玻璃熔窑具有30%～40%的热效率，而我国的浮法玻璃熔窑只有25%～30%的热效率[3-4]。玻璃熔窑能耗在线评估可帮助调度人员了解炉窑的运行效率，形成玻璃熔窑系统各运行工况下的能效数据库，为熔窑系统优化运行提供数据支撑[4-5]。但传统的热量平衡分析难以实现系统在线计算，本文提出基于玻璃熔化能力的评估指标和玻璃单位产品综合能耗评估指标，实现玻璃熔窑及整个企业能源系统效率的在线评估。

1 能源系统现状

1.1 厂区能源系统

厂区主要能源供应包含电力、蒸汽、供冷、供热、压缩空气。电力主要来源包含市电、光伏、余热发电和柴发：市电由厂区变电站引入，光伏利用玻璃厂房屋顶面积搭建，玻璃熔窑余热实现回收发电。柴油发电机为安保电源，储能和光伏配合实现经济用电。余热锅炉为厂区提供蒸汽，并驱动溴化锂机组制冷，为厂区办公楼集中制冷，其余为分体式电空调。厂区设天然气计量调度站和循环水泵房，实现厂区天然气和水的供应。压缩空气通过空压站产生，满足生产用压缩空气。能源供应如图1所示，通过电气母线、烟气母线、蒸汽母线及冷水母线，实现能源设备的互联互通，满足厂区电、气、冷、热、水的综合能源利用需求。

图1 玻璃厂区综合能源系统图Fig.1 Integrated energy system diagram of glass plant area

1.2 厂区工艺系统

浮法玻璃生产包含原料混合、融化、澄清、成型、退火、切裁、包装。其原理是以石英砂岩、长石、白云石、纯碱、芒硝等原料，经混合料仓混合均匀后送入高温熔窑进行熔化生成玻璃液，进入锡槽后经机械拉引，形成符合宽度和厚度要求的玻璃带。冷却后经退火、冷却、切割，检验后为成品。工艺流程如图2所示。

图2 浮法玻璃工艺流程示意图Fig.2 Diagram of float glass process flow

浮法玻璃主要用能包含电力、天然气、压缩空气。配料和输料环节主要消耗电力；融化环节主要消耗天然气；成型退化环节主要消耗电力、压缩空气等；在窑炉尾气处安装了余热锅炉自产蒸汽，用来满足工艺及后勤生活热负荷需求。

2 玻璃厂区智慧能源系统

本文在全面梳理该玻璃生产厂区的能源流、信息流的运行机制及交互机制的基础上，基于多能互补及能源互联网的理念，构建玻璃企业智慧能源一体化管控系统，覆盖玻璃生产厂区的生产-转换-存储-配送-消费。

2.1 一体化管控系统架构

智慧能源系统采用分层调控机制，实现分层协同和优化，保障厂区能源系统的安全经济运行，实现 “ 电、 热、 冷、 水” 多能统的协同优化[6-9]。采用多维度能效分析，实现主要工序能效分析和优化，提升用能终端的能源利用管理水平及整个能源系统的效率。系统架构如图3所示。

图3 玻璃厂区智慧能源系统架构Fig.3 Intelligent energy system architecture of glass factory area

系统采用3层网络架构。底层是就地控制层，中层是协调控制层，上层是优化分析层。

就地控制层，主要通过控制器就地单位，完成分散仪表及子系统的数据接入，控制指令出口，实现配电、光伏、储能、余热锅炉、制冷站、水泵站、以及玻璃炉窑、玻璃锡槽系统的远程监视和控制。

协调控制器采用分层分布式设计，包含协调控制器、冗余配置，一方面将就地层采集设备及负荷信息上送到智慧能源控制平台，另一方面根据既定的约束规则对余热锅炉、制冷站、光伏、储能等的负荷进行协调控制，保证能源供应系统的经济运行，同时对玻璃炉窑、空压机、泵与风机等重要负荷设备进行优化控制。

优化分析层主要依托能源集中监控、多维度能效分析、在线能效评估、能源调度与管理，实现整个厂区的综合能源分析、调度和管理，形成评估指标，下发调度指令。在数据采集与监视、调度计划、负荷预测等相关系统提供的数据基础上，实现冷、热、汽、水负荷管理和经济调度等功能，为实现平台能源综合利用效率的最大化提供保障。

2.2 厂区能源优化调控

忽略设备维护和维修费用和设备运行的管理人员费用，本文研究的玻璃企业供能系统的运行费用主要包括消耗的天然气费用、电网购电费用和水费用3部分。优化调控层企业的历史运行数据, 以系统运行费用最小为优化目标[10-13], 结合设备运行状态、 工艺系统的状态，自动生成冷热电计划指令，优化调度模型如下：

(1)

式中：N为调度周期数；Ei,grid、Fi,g、Wi,w为第i个调度周期电网购电量(kW·h)、天然气用气量(m3)、用水量(t)；μi,e、μi,g、μi,w为第i个调度周期的平均电价(元/(kW·h))、天然气平均价格(元/m3)、平均水价(元/t)。

约束条件包括光伏、储能、玻璃熔窑、余热锅炉、溴化锂机组的运行状态约束，生产线负荷需求约束和生产排产约束等。优化调度模型的求解结果为各调度周期设备的出力。

3 能源系统在线评估

3.1 玻璃熔窑能耗在线评估

图4 玻璃熔窑热平衡示意图Fig.4 Thermal balance diagram of glass furnace

传统的玻璃熔窑分析，主要计算玻璃熔窑的热平衡效率，玻璃熔窑的热量平衡如图4所示。输入能耗包括燃料燃烧热、燃料显热、助燃空气显热、配合料显热等[14]；输出热量主要包括玻璃液带出潜热、玻璃液带出显热、表面散热、孔口辐射散热、冷却水带出热、冷却风带出热等[15]。效率计算需求的测点较多，增加传感器成本较高，一般通过实验测定，无法实现系统在线分析。

根据平板玻璃行业清洁生产标准，玻璃熔化能耗是评估玻璃企业熔窑能耗水平的重要指标，且计算方便。因此，本文提出以玻璃熔化能耗为玻璃熔窑的在线评估指标，智慧能源管控系统通过数据采集实现在线评估。指标定义为

(2)

(3)

研究企业共3条浮法生产线，玻璃熔窑的熔化能力为600 t/d玻璃液。对企业一个月运行数据系统进行滚动在线计算，取一个时间断面的结果如表1所示。本文数值为标准状态下取值。

从表1可看出，玻璃熔化能耗为6 171.35 kJ/kg，对计算结果进行对标分析，结果如图5所示。

该厂玻璃熔化能耗低于国家限额。与平板玻璃行业清洁生产标准(HJ/T 361—2007)相比，低于二级标准，处于国内先进水平。但与国际先进水平相比，还有一定的距离。分析玻璃熔化能耗的历史曲线，便可了解玻璃熔窑的运行状态。当效率下降或波动时，系统通过报警和提醒的方式告知运行人员进行相应的检修和维护。

表1 玻璃熔窑在线评估计算结果Table 1 Calculated results of on-line evaluation of glass melting furnaces

图5 玻璃熔窑评估结果对标Fig.5 Confirmation of evaluation results for glass melting furnaces

3.2 玻璃企业能耗综合评估

智慧能源平台对厂区电力、水、燃气，以及风机、水泵、炉窑、锡槽等设备的信息全覆盖采集，系统充分集成生产过程的能源相关数据和信息。依托智慧能源系统数据覆盖性，建立指标模型，实现对企业的能耗综合评估，反映企业的能耗水平。

玻璃单位产品综合能耗是整个企业能源投入和产出的综合体现，因此智慧能源管控系统依托玻璃的单位产品综合能耗指标计算模型，实现企业能耗的综合评估。

平板玻璃综合能耗计算如下：

(4)

平板玻璃单位产品综合能耗如下：

(5)

对研究企业1个月运行数据进行滚动在线计算，取一个时间断面的计算结果，如表2所示。

表2 企业能耗在线评估结果Table 2 Results of enterprise energy online assessment

从表2可看出，平板玻璃单位产品综合能耗12.35 kgce/重量箱，进一步对该企业全年的指标进行对标分析，结果如图6所示。

图6 企业综合能耗评估结果全年对标Fig.6 Benchmarking of enterprise energy use assessment results

该企业全年玻璃单位产品综合能耗的最小值为12.35 kgce/重量箱，最大值为16.35 kgce/重量箱。查询相关运行记录，1—6月份，指标下降的原因主要为产量增加使得平均能耗降低，6—9月份的指标增加主要由空调夏季制冷和熔窑保温材料损坏导致。智慧能源管控系统于9月份投入，系统试运行后，11及12月在与10月份产量相差不大的情况下，明显实现了玻璃单位产品综合能耗的下降。综上，玻璃单位产品综合能耗能较好地反应企业的能源利用状况。

4 结论

本文结合玻璃企业能源需求及平板玻璃的工艺系统特征，提出了玻璃企业智慧能源系统架构和厂区能源优化调度方法；打破传统各种能源供应完全孤立的现状，通过智慧能源平台实现玻璃企业能源系统的一体化管控。智慧能源平台针对玻璃企业最主要的用能设备——玻璃熔窑，建立评估指标，实现能效的在线评估。最后，提出了以玻璃单位产品综合能耗为玻璃企业综合评估指标，反应整个企业的综合能源系统运行状况。智慧能源平台和在线评估指标的建立，将推进玻璃企业能源系统的运行优化管理水平和能源利用效率的提升。