港口能耗在线监测及动态分析优化技术研究

摘要：该项目利用物联网、互联网技术以及系统优化理论，形成了港口作业机械能耗在线监测技术方法，构建了基于节能降耗角度的作业协调优化模型，实现了港口装卸运输设备能耗与运行状态的实时同步采集、能耗动态分析、能效考核以及生产运行优化，有利于精细化分析港口能源消耗状况，深入挖掘港口节能潜力，科学制定节能改造计划。可对企业现有岸桥、场桥、流动机械、辅助用能等设备进行能源在线监测和管理，实现能源消耗精准化考核管理。该技术可应用于全部年能源消耗量5000tce以上的港口企业，预计可实现每年节能20万吨，减少二氧化碳排放约50万吨。关键词：交通运输；低碳环保；港口设备；能耗监测；动态分析1技术概况在国家发改委推进重点用能单位能耗在线监测的背景下，天津港太平洋国际集装箱码头有限公司建立了能耗智能监控平台。该平台利用物联网、互联网技术以及系统优化理论，形成了港口作业机械能耗在线监测技术方法，构建了基于节能降耗角度的作业协调优化模型，实现了港口装卸运输设备能耗与运行状态的实时同步采集、能耗动态分析、能效考核以及生产运行优化，有利于精细化分析港口能源消耗状况，深入挖掘港口节能潜力，科学制定节能改造计划。该技术可对公司现有岸桥、场桥、流动机械、辅助用能等设备进行能源在线监测和管理，实现了公司能源消耗精准化考核管理。该项技术于2019年被交通运输部授予“交通运输重大科技创新成果库入库成果证书科技成果推广项目”。适用于港口生产装卸设备各类能源消耗统计监测和优化。2技术原理（1）港口用能设备能耗在线监测技术基于港口用能设备特点，确定了构建港口作业机械能耗在线监测系统所需的各类参数要求，包括能耗监测采集设备选型要求、监测指标确定、数据采集及传输系统设计要求、数据质量控制要求等。规范港口能耗监测系统建设，有利于能耗数据相互之间的比较，有利于企业层面与上级能源管理系统的对接。（2）能耗大数据分析技术基于设备用能情况和生产信息构建了港口作业设备能耗在线监测及分析优化系统平台，实现了港口各类设备运行状态和能耗情况同步采集、关联分析，实现了：①港口用能设备能耗、排放数据和运行状态的动态、图形化显示与统计分析；②以能耗监测数据为基础，采用遗传算法、退火算法以及遗传-蚁群算法等优化算法构建主要港作机械能耗模型，进行最优能耗及排放路径分析，实现货物最优搬运、转场，大幅提高港口作业效率；③建立港口码头各环节作业效率评价指标体系，利用基于物联网技术获取的各项评价指标体系的实时数据，对整个港口码头作业状况进行监控和预警，建立港区三级预警机制，提高生产及能源管理水平。（3）港口典型作业能源分析及协调优化技术重点针对集装箱码头装卸、水平运输环节开展能源利用分析，并构建了协调优化模型和能耗模型，主要包括港口码头作业环节能耗单元的构建、能耗与输入决策变量关系模型构建、能耗评价方法等。针对整体作业效率优化的码头作业能耗评价，以港口码头整体作业效率优化为目标，在协调优化基础上对能耗进行评价，提出基于效率目标的节能减排可行性建议。针对工艺能效优化的码头作业协调方法，以工艺能效最优化为目标，以效率和其他设施、环境等条件为约束进行优化，提出工艺能效最优化的码头作业协调方法，对集装箱码头岸桥、场桥等设备的能源消耗数据进行分析，建立能源消耗的概率密度函数，分析其统计特征。在此基础上，建立整数规划、随机整数规划或者两阶段随机整数规划模型。模型的目标函数反映出最小化系统的整体能耗（确定性条件下）或系统的整体期望能耗（随机条件下）。利用智能算法框架并根据求解问题进行合理的调整。根据模型的特点，构造出混合启发式算法的框架，结合禁忌搜索算法、模拟退火方法、遗传算法、粒子群算法等算法的自身特点，提高算法获得最优解的质量和收敛速度。核心问题是建立合适的邻域结构，对迭代过程中产生的大量解进行有效评价以及建立针对特定问题的解空间搜索策略等。（4）港口作业过程能源消耗预警技术通过对港口作业过程和运行能耗的监测，建立了港口作业效率评价指标体系，利用基于物联网技术获取的各项评价指标的实时数据，对港口作业状况进行监控和预警，对设备操作人员和管理人员发出警报和处理建议。3技术创新点（1）基于项目研究成果，该项目提出了《港口能源消耗在线监测系统建设规范》，对港口能耗在线监测系统建设进行指导，在港口能耗监测方面填补国内空白。（2）对传统燃油计量设备进行改进，经计量监督部门鉴定，误差小于0.5%。（3）基于港口机械能耗和运动状态同步监测，构建了港口作业机械能效优化模型和能耗三级预警机制。4技术应用情况目前，项目成果广泛应用于天津港（集团）有限公司，该公司已全面覆盖能耗在线监测系统，效果良好，有效提高港口生产效率；以依托工程为例，企业全年装卸生产能耗3216tce，按节能5%计算，年节能量可达160.8tce。同时，通过能耗监测，可有效监测企业耗能重点位置，结合异常报警等智能化控制，有效提高企业的生产效率和能源利用效率。在唐山港国际集装箱码头有限公司应用港口用能设备在线监测设备，用于港口流动机械燃油计量，具有计量准确度高、误差小、适合港口机械作业特点等特性，并且运行稳定。由于港口现场的设备较为分散，数据传输量较小，实时性要求不高，无线传输，避免了布线的麻烦，节约成本，成为港口能效采集最佳的传输方式。对于已有的生产系统，通过有线网络采集数据，与网络映射端口能效分析平台实现数据共享。现场采集设备数据通过无线公网传到服务器端的数据库，与平台服务器进行交互，对能耗分析数据进行查询、监视以及下载等管理操作。港口能耗监测与分析系统的网络拓扑结构如图1所示。图1港口能耗监测与分析系统拓扑结构系统的软硬件结构如图2所示。图2系统软硬件结构系统的主要功能模块有：能耗趋势界面（按日计算）；能耗趋势界面（按分钟计算）；信息查询；单台设备查询；统计分析；报警管理等。5节能降碳效益测算评价5.1节能降碳效益据权威统计数据，有效的能源管理系统能帮助企业节约5%~10%的能源。目前我国港口行业每年综合能源消耗量约为400万吨标准煤，按5%的节能效果测算，通过实施港口机械能源消耗在线监测与动态分析网络，每年可实现节能20万吨标准煤，减少二氧化碳排放约50万吨，同时节约能耗费用约1亿元，节能效益显著。通过对示范工程完成前生产单耗1.153吨标煤/标准箱，完成后为1.068吨标煤/标准箱，显著减少企业能源费用支出，同时降低温室气体和污染物排放水平，有力支撑国家温室气体减排和环境保护。5.2经济效益通过能耗在线监测及优化分析系统，可使港口企业加强对能耗的现代化管理手段，提高了能源使用效率，降低能源的费用支出，有效地节省生产成本；通过能耗数据与生产数据相结合，分析出能源消耗的合理性和有效性，有针对性地进行节能改造；基于能耗监测数据制定出切实可行的能耗考核指标和节能目标，实现对公司各部门、各岗位人员的能耗考核。5.3社会效益通过对港口能耗在线监测与动态分析，可有效提高企业的生产效率和能源利用效率；显著提升港