一种智能制造的能效评估方法及系统与流程

本发明涉及节能领域，特别是涉及一种智能制造的能效评估方法及系统。

背景技术：

为了改善粗放型的经济发展方式，缓解能源资源短缺、生态环境恶化，大部分工厂开始采用智能制造的方法；智能制造不仅使产业组织更高效、生产更科学化、生产组织更便捷化，而且能够最大化提高生产效率以及能源利用效率。为了详细了解智能制造的能源利用效率，需要对智能制造进行能效评估。目前，由于对同一个自动化生产线，采用的模型和方法的不一致，导致评估结果的差别比较大；或者采用的方法和模型一致，但是评估环境的不一致，导致评估结果的差别也比较大，降低了评估结果的准确度。针对上述的不足，如何得到一种统一的能效评估方法，且评估结果的准确度高，是目前全面了解智能制造能源利用效率急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种智能制造的能效评估方法及系统，该方法及系统，综合考虑智能制造生产过程中，智能制造中的设备、工艺、环境以及产品对能效的影响因素下，得到一种统一的能效评估方法，且评估结果的准确度高。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种智能制造的能效评估方法，包括：

确定评估对象；所述评估对象是综合考虑了设备、工艺、产品以及环境因素所确定的评估对象；

根据所述评估对象，确定评估边界、能效基准指标、评估对象能源流以及评估对象物料流；

根据所述评估边界、所述评估对象能源流以及所述评估对象物料流，建立能效评估模型；

根据所述能效评估模型，计算所述评估对象的实际能效指标；

对比所述实际能效指标和所述能效基准指标，评估所述能效评估模型的准确度。

可选的，所述确定能效基准指标，具体包括：

根据智能制造生产过程中的生产流程和工艺特点，将所述评估对象划分为不同的组成部分及设备；

根据所述组成部分及设备，选取相应的能效评估指标体系；

根据所述能效评估指标体系，确定能效基准指标。

可选的，所述确定评估对象能源流以及评估对象物料流，具体包括：

根据所述组成部分及设备，确定评估对象能源流以及评估对象物料流。

可选的，所述能效评估模型，具体包括

主物料要素单元、辅助物料要素单元以及能量要素单元；

所述主物料要素单元，包括：输入物料、输出产品、可回收物料、输出废品；

所述辅助物料要素单元，包括：输入辅助物料、回收辅助物料、辅助废料；

所述能量要素单元，包括：物料输入能量、物料输出能量、输入能量、输出能量、可回收能量、消耗能量。

可选的，所述计算所述评估对象的实际能效指标，具体包括：

根据所述能效评估模型，获取能量平衡方程和物料平衡方程；

根据所述能量平衡方程、所述物料平衡方程以及所述组成部分，计算所述评估对象的实际能效指标。

本发明还提供了一种智能制造的能效评估系统，包括：

评估对象确定模块，用于确定评估对象；所述评估对象是综合考虑了设备、工艺、产品以及环境因素所确定的评估对象；

评估边界确定模块，用于根据所述评估对象，确定评估边界；

能效基准指标确定模块，用于根据所述评估对象，确定能效基准指标；

评估对象能源流以及评估对象物料流确定模块，用于根据所述评估对象，确定评估对象能源流以及评估对象物料流；

能效评估模型建立模块，用于根据所述评估边界、所述评估对象能源流以及所述评估对象物料流，建立能效评估模型；所述能效评估模型包括主物料要素单元、辅助物料要素单元以及能量要素单元；

实际能效指标计算模块，用于根据所述能效评估模型，计算所述评估对象的实际能效指标；

准确度评估模块，用于对比所述实际能效指标和所述能效基准指标，评估所述能效评估模型的准确度。

可选的，所述能效基准指标确定模块，具体包括：

划分子模块，用于根据智能制造生产过程中的生产流程和工艺特点，将所述评估对象划分为不同的组成部分及设备；

能效评估指标体系选取子模块，用于根据所述组成部分及设备，选取相应的能效评估指标体系；

能效基准指标确定子模块，用于根据所述能效评估指标体系，确定能效基准指标。

可选的，所述评估对象能源流以及评估对象物料流确定模块，具体包括：

评估对象能源流以及评估对象物料流确定子模块，用于根据所述组成部分及设备，确定评估对象能源流以及评估对象物料流。

可选的，所述实际能效指标计算模块，具体包括：

能量平衡方程和物料平衡方程获取子模块，用于根据所述能效评估模型，获取能量平衡方程和物料平衡方程；

实际能效指标计算子模块，用于根据所述能量平衡方程、所述物料平衡方程以及所述组成部分，计算所述评估对象的实际能效指标。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种智能制造的能效评估方法及系统，该方法及系统，是在综合考虑智能制造生产过程中，智能制造中的设备、工艺、环境以及产品对能效的影响因素下，提供一种统一的能效评估方法。所述能效评估方法具体包括：确定评估对象，然后根据评估对象，获取评估边界、能效基准指标、评估对象能源流以及评估对象物料流，建立能效评估模型；并通过能效评估模型，计算评估对象的实际能效指标；对比实际能效指标和能效基准指标，得到评估结果，其能效评估模型的准确度保证评估结果的可信度，证明采用本发明提供的方法或者系统，能够为智能制造的提供一种统一的能效评估方法，且评估结果的准确度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的能效评估方法流程图；

图2为本发明实施例的能效评估系统结构图；

图3为本发明实施例一的能效评估模型示意图；

图4为本发明实施例一的物料、能源消耗分析模型示意图；

图5为本发明实施例二的乙烯生产系统物质平衡图；

图6为本发明实施例二的乙烯生产系统能量平衡图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种智能制造的能效评估方法及系统，该方法和系统在综合考虑智能制造生产过程中，智能制造中的设备、工艺、环境以及产品对能效的影响因素下，得到一种统一的能效评估方法，且评估结果的准确度高。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例的能效评估方法流程示意图，如图1所示，本实施例提供的一种能效评估方法，包括：

步骤101：确定评估对象；所述评估对象是综合考虑了设备、工艺、产品以及环境因素所确定的评估对象。

步骤102：根据所述评估对象，确定评估边界、能效基准指标、评估对象能源流以及评估对象物料流；

其中，确定能效基准指标，具体包括：

根据智能制造生产过程中的生产流程和工艺特点，将所述评估对象划分为不同的组成部分及设备；

根据所述组成部分及设备，选取相应的能效评估指标体系；

根据所述能效评估指标体系，确定能效基准指标。

确定评估对象能源流以及评估对象物料流，具体包括：

根据所述组成部分及设备，确定评估对象能源流以及评估对象物料流。

步骤103：根据所述评估边界、所述评估对象能源流以及所述评估对象物料流，建立能效评估模型；

其中，所述能效评估模型，具体包括

主物料要素单元、辅助物料要素单元以及能量要素单元；

所述主物料要素单元，包括：输入物料、输出产品、可回收物料、输出废品；

所述辅助物料要素单元，包括：输入辅助物料、回收辅助物料、辅助废料；

所述能量要素单元，包括：物料输入能量、物料输出能量、输入能量、输出能量、可回收能量、消耗能量。

步骤104：根据所述能效评估模型，计算所述评估对象的实际能效指标；

其中，计算所述评估对象的实际能效指标，具体包括：

根据所述能效评估模型，获取能量平衡方程和物料平衡方程；

根据所述能量平衡方程、所述物料平衡方程以及所述组成部分，计算所述评估对象的实际能效指标。

步骤105：对比所述实际能效指标和所述能效基准指标，评估所述能效评估模型的准确度。

本实施例提供一种智能制造的能效评估方法，该方法是在综合考虑智能制造生产过程期间，设备级、工艺级以及产品级对能效的影响因素下，确定评估对象，然后根据评估对象，获取评估边界、能效基准指标、评估对象能源流以及评估对象物料流，建立能效评估模型；并通过能效评估模型，计算评估对象的实际能效指标；对比实际能效指标和能效基准指标，得到评估结果，其能效评估模型的准确度保证评估结果的可信度，证明采用本发明提供的方法，能够为智能制造的提供一种统一的能效评估方法，且评估结果的准确度高。

为达到上述目的，本发明还提供了一种能效评估系统，图2为本发明实施例能效评估系统结构图，如图2所示，所述系统包括：

评估对象确定模块201，用于确定评估对象；所述评估对象是综合考虑了设备、工艺、产品以及环境因素所确定的评估对象；

评估边界确定模块202，用于根据所述评估对象，确定评估边界。

能效基准指标确定模块203，用于根据所述评估对象，确定能效基准指标；

其中，能效基准指标确定模块203，具体包括：

划分子模块，用于根据智能制造生产过程中的生产流程和工艺特点，将所述评估对象划分为不同的组成部分及设备；

能效评估指标体系选取子模块，用于根据所述组成部分及设备，选取相应的能效评估指标体系；

能效基准指标确定子模块，用于根据所述能效评估指标体系，确定能效基准指标。

评估对象能源流以及评估对象物料流确定模块204，用于根据所述评估对象，确定评估对象能源流以及评估对象物料流；

其中，评估对象能源流以及评估对象物料流确定模块204，具体包括：

评估对象能源流以及评估对象物料流确定子模块，用于根据所述组成部分及设备，确定评估对象能源流以及评估对象物料流。

能效评估模型建立模块205，用于根据所述评估边界、所述评估对象能源流以及所述评估对象物料流，建立能效评估模型；所述能效评估模型包括主物料要素单元、辅助物料要素单元以及能量要素单元。

实际能效指标计算模块206，用于根据所述能效评估模型，计算所述评估对象的实际能效指标；

其中，实际能效指标计算模块，具体包括：

能量平衡方程和物料平衡方程获取子模块，用于根据所述能效评估模型，获取能量平衡方程和物料平衡方程；

实际能效指标计算子模块，用于根据所述能量平衡方程、所述物料平衡方程以及所述组成部分，计算所述评估对象的实际能效指标。

准确度评估模块207，用于对比所述实际能效指标和所述能效基准指标，评估所述能效评估模型的准确度。

本实施例提供的能效评估系统，该系统，是在综合考虑智能制造生产过程期间，设备级、工艺级以及产品级对能效的影响因素下，确定评估对象，然后根据评估对象，获取评估边界、能效基准指标、评估对象能源流以及评估对象物料流，建立能效评估模型；并通过能效评估模型，计算评估对象的实际能效指标；对比实际能效指标和能效基准指标，得到能效评估模型的准确度，得到评估结果，其能效评估模型的准确度保证评估结果的可信度，证明采用本发明提供的系统，能够为智能制造的提供一种统一的能效评估方法，且评估结果的准确度高。

为了更好的说明本发明提供的能效评估方法是在考虑经济、管理、生产和环境因素的能效评估方法，公开了如下实施例。

实施例一

本实施例提供的另一种能效评估方法，包括：

第一步：确定评估对象(评估对象包括：设备因素、工艺因素、产品因素、环境因素)；

第二步：根据评估对象，界定评估边界；并根据智能制造的生产流程和工艺特点，将评估对象划分为各组成部分及设备等，然后选取相应的能效评估指标体系，根据能效评估指标体系确定需要测量的能效数据和对应的能效基准指标；

第三步：梳理评估对象中各组成部分及设备的能源流和物料流，建立能效评估模型，获取物料平衡方程和能量平衡方程。

第四步：针对评估对象的各组成部分，基于已建立的能效指标体系，计算适用各个的实际能效指标。

第五步：将各个的实际能效指标的测量计算结果，与已建立的能效基准指标进行对比，并对结果进行分析。其中，能效基准指标是由设备、工艺或产品的理论值，或者是历史数据值或历史最优值。

第六步：对比分析实际能效指标和能效基准指标，评估能效评估模型的准确度，进而用于生产能效的优化。

其中，能效评估模型在考虑经济、生产、管理、环境因素等的系统评估方法和评估规程而建立的，能效评估模型主要是帮助分析设备、工艺过程及产品的物料流和能源流，为后续能效指标的计算以及能效评估打下基础，因此能效评估模型是建立在设备级、工艺级、产品级的三级能效评估模型。

能效评估模型包括物质流输入和输出、能源流输入和输出、辅助材料、排放、生产管理因素等多种能效影响因素，即能效评估模型包括主物料要素单元、辅助物料要素单元以及能量要素单元，如图3所示，主物料要素单元包括：输入物料M_i(T)、输出产品M_p(T)、可回收物料M_o(T)、输出废品M_wo(T)；辅助物料要素单元包括：输入辅助物料M_pi(T)、回收辅助物料M_rs(T)、辅助废料M_ws(T)。能量要素单元包括：物料输入能量E_mi(T)、物料输出能量E_mo(T)、输入能量E_i(T)、输出能量E_o(T)、可回收能量E_r(T)、消耗能量E_w(T)。需要注意几点：能效评估模型中包含的生产管理因素作用于设备/工艺/产品实体，会直接或间接地影响整个设备/工艺/产品的物料和能量消耗；使用能效评估模型时，可根据实际情况对模型中涉及的因素进行取舍，如有些设备级或工艺级是中间环节，无产品输出，则无需考虑；物料输入能量是指物料输入时本身携带的能量，如热量等，同理物料输出能量；能效评估模型体现了物料和能量的平衡。

并根据能效评估模型中的主物料要素单元、辅助物料要素单元以及能量要素单元，建立物料平衡方程和能量平衡方程；

物料平衡方程为：

M_i(T)+M_pi(T)＝M_rs(T)+M_ws(T)+M_P(T)+M_wo(T)+M_o(T)(1)

能量平衡方程：

E_i(T)+E_mi(T)＝E_r(T)+E_w(T)+E_mo(T)+E_o(T)(2)

其中，式(1)和式(2)中的T表示从能效评估模型开始0时刻到评估结束t时刻的时间段。

为确定每个工艺和整个系统的物料和能量关系以及为能效指标的计算建立基础，本实施例提供了物料、能源消耗分析模型示意图，如图4所示，其中

RI：输入资源；RQ：输出资源；RIi(i＝1…p):每个工艺的输入；RQi(i＝1…p):每个工艺的输出；RCi(i＝1…p):每个工艺的回收资源；RWi(i＝1…p):每个工艺的损失资源。

本实施例提供一个建立考虑经济、管理、生产和环境因素的能效评估方法，为智能制造的能效评估提供一个统一的方法。

实施例二

本实施例提供了一种乙烯生产系统，该乙烯生产系统主要由原料预热、裂解、急冷、压缩、冷分离、热分离、制冷、废碱氧化及汽油加氢等单元组成。依据系统能效评估模型得出乙烯生产系统物质平衡图和能量平衡图，如图5和图6所示。

乙烯生产系统输入能量包括燃料、水、电、蒸汽、风和氮气；其中燃料包括燃料油、燃料气、天然气、液态烃、氢气和煤；水包括工业水、生活水、软化水、脱盐水、循环水；蒸汽包括压力为3.5Mpa、1.0Mpa和0.3Mpa；风包括工业风和仪表风；输出能量包括除氧水、蒸汽和凝结水。

能效综合指标选取乙烯产量与输入能源的比值：

乙烯装置输入能量：

环境指标：

M_i—输入的第i种燃料、蒸汽、电、水或耗能工质的质量，单位为吨(t)，千瓦时(KW.h)，立方米(m₃)；

M_污染—污染物主要为污染水；

Q_j—外界输入乙烯装置的第j种能源量，单位为千克标准油(kgoe)；

R_i—折能系数；R_i折能系数即为输入的第i种燃料、蒸汽、电、水或耗能工质与千克标准油的换算关系。

为了能够实现具体数值计算，表1提供了GB20350-2013乙烯装置单位产品能源消耗限额对折能系数，如表1所示。

表1GB20350-2013乙烯装置单位产品能源消耗限额对折能系数表。

计算：

1)乙烯裂解装置

乙烯裂解系统包括乙烯裂解装置和汽油加氢装置。乙烯裂解装置耗能分摊系数0.7，汽油加氢装置的耗能分摊系数0.3。消耗能源种类包括燃料、水、电、蒸汽和氮气，所有能源都折算成标准油。

E₁＝M_燃料油*R_{燃料油折能系数}+M_燃料气*R_{燃料气折能系数}+M_天然气*R_{天然气折能系}数+M_液态烃*R_{液态烃折能系数}+M_氢气*R_{氢气折能系数}+M_煤*R_{煤折能系数}；

M_燃料气＝(M_{液化石油气}+M_石脑油+M_轻烃进料+M_{加氢裂化尾油}+M_{减一减顶油}+M_加氢碳五+M_{二厂供丙烷}+M_弛放丙烯+M_调质油)*12％-M_外供甲烷+M_{外补液化石油气}+M_{氢气转燃料}；

E₂＝M_工业水*R_{工业水折能系数}*0.7+M_生活水*R_{生活水折能系数}*0.7+M_软化水*R_{软化水折能系数}*0.7+M_脱盐水*R_{脱盐水折能系数}*0.7+M_循环水*R_{循环水折能系数}*0.7+M_热水*R_{热水折能系数}*0.7-M_凝结水*R_{凝结水折能系数}-M_除氧水*R_{除氧水折能系数}；

E₃＝M_电*R_{电折能系数}*0.7；

E₄＝M_蒸汽3.5Mpa*R_{蒸汽3.5Mpa折能系数}*0.7+M_{蒸汽消耗1.0Mpa}*R_{蒸汽消耗1.0Mpa折能系数}-M_{蒸汽产出1.0Mpa}*R_{蒸汽产出1.0Mpa折能系数}+M_{蒸汽消耗0.3Mpa}*R_{蒸汽消耗0.3Mpa折能系数}-M_{蒸汽产出0.3Mpa}*R_{蒸汽产出0.3Mpa折能系数}；

E₅＝M_氮气*R_{氮气折能系数}*0.7+M_{压缩空气(非净化空气)}*R_{压缩空气(非净化空气)折能系数}*0.7+M_{压缩空气(净化空气})*R_{压缩空气(净化空气)折能系数}*0.7+M_清焦空气*R_{清焦空气折能系数}*0.7。

选取抚顺乙烯厂2015.12.8的数据计算当日能效。乙烯产量2546.41吨，甲烷的自产率为12％，使用的燃料为燃料气。

M_燃料气＝(M_{液化石油气}+M_石脑油+M_轻烃进料+M_{加氢裂化尾油}+M_{减一减顶油}+M_加氢碳五+M_{二厂供丙烷}+M_弛放丙烯+M_调质油)*12％-M_外供甲烷+M_{外补液化石油气}+M_{氢气转燃料}＝(476.41+3970.75+0+1794.75+1194.69+0+0+0+0)*12％-16.10+0+7.44＝883.73吨；

(1)燃料：M_燃料油＝0；M_燃料气＝883.73吨；M_天然气＝156.83吨；M_液态烃＝0吨；M_氢气＝0吨；M_煤＝0吨。

(2)水：M_工业水＝26.73吨；M_生活水＝0.2吨；M_脱盐水＝4167.5吨；M_循环水＝1093056吨；M_除氧水＝219.25吨；M_热水＝16693GJ，其中，GJ表示吉焦10的9次方；M_凝结水＝4342.25吨。

(3)电：M_电＝85000KW.h。

(4)蒸汽：M_蒸汽3.5Mpa＝3380.25吨；M_{蒸汽产出1.0Mpa}＝679.72吨；M_{蒸汽产出0.3Mpa}＝347.02吨；M_{蒸汽消耗0.3Mpa}＝0.02吨；M_{蒸汽消耗1.0Mpa}＝0吨。

(5)空气：M_氮气＝89040吨；M_{压缩(非净化空气)}＝56336吨；M_{压缩(净化空气)}＝37305吨；M_清焦空气＝0吨。

则，根据上述数据，

E₁＝883.73*1000+156.83*930＝1029581.9kgoe；

E₂＝26.73*0.17*0.7+0.2*0.17*0.7+4167.5*2.3*0.7+1093056*0.1*0.7+16693*0.7-219.25*9.2-4342.25*3.65＝77045.58717kgoe；

E₃＝185000*0.2338*0.7＝30277.1kgoe；

E₄＝3380.25*88*0.7+0.02*66-679.72*76-347.02*66＝133662.68kgoe；

E₅＝89040*0.15*0.7+56336*0.028*0.7+37305*0.038*0.7＝11445.6986kgoe；

E_l＝E₁+E₂+E₃+E₄+E₅＝1293458.66437kgoe。

2)汽油加氢装置

汽油加氢装置消耗的能源种类包括水、电、蒸汽以及氮气。

E₁'＝M_工业水*R_{工业水折能系数}*0.3+M_生活水*R_{生活水折能系数}*0.3+M_软化水*R_{软化水折能系数}*0.3+M_脱盐水*R_{脱盐水折能系数}*0.3+M_循环水*R_{循环水折能系数}*0.3+M_热水*R_{热水折能系数}*0.3；

E'₂＝M_电*R_{电折能系数}*0.3；

E₃'＝M_蒸汽3.5Mpa*R_{蒸汽3.5Mpa折能系数}*0.3；

E'₄＝M_氮气*R_{氮气折能系数}*0.3+M_{压缩空气(非净化空气)}*R_{压缩空气(非净化空气)折能系数}*0.3+M_{压缩空气(净化空气)}*R_{压缩空气(净化空气)折能系数}*0.3+M_清焦空气*R_{清焦空气折能系数}*0.3。

选取抚顺乙烯厂2015.12.8的数据计算当日能效：

E₁'＝26.73*0.17*0.3+0.2*0.17*0.3+4167.5*2.3*0.3+1093056*0.1*0.3+16693*0.3＝40676.52843kgoe；

E'₂＝185000*0.2338*0.3＝12975.9kgoe；

E₃'＝3380.25*88*0.3＝89238.6kgoe；

E'₄＝89040*0.15*0.3+56336*0.028*0.3+37305*0.038*0.3＝4905.2994kgoe；

E_q＝E₁'+E'₂+E₃'+E'₄＝147796.32783kgoe。

3)乙烯裂解系统能效计算

综合能效指标：

环境指标：

乙烯单位产品能耗：

本实施例通过能效评估方法，得到乙烯生产系统中能源消耗为565.99kgoe/t；国家标准乙烯装置单位产品能源消耗限额规定单位乙烯能耗先进值610kgoe/t，本实施例提供的能效评估模型的准确度为92.79％，证明采用本发明提供的方法或者系统，能够为智能制造的提供一种统一的能效评估方法，且评估结果的准确度高。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。