钢化联合企业生产能源一体化智能管控系统探讨

刘书文 欧 燕

（中冶南方工程技术有限公司 钢铁公司技术研究院，湖北 武汉430023）

1 概述

钢铁生产企业消耗大量的煤炭等化石燃料，在冶炼的同时也产生大量的煤气。如今，钢铁生产冶炼过程中产生的高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气回收利用技术在钢铁行业中已经成熟运用，以往通常被放散的低热值纯高炉煤气已经完全能够满足轧钢加热炉、高炉热风炉以及动力燃烧等工序的燃料需求，而剩余的焦炉煤气、转炉煤气中分别富含氢气和一氧化碳，仅用来作为燃烧燃料，热能利用效率有限，且在燃烧过程中排放大量温室气体及污染物增加了环境负荷。[1]

由于变压吸附分离气体技术日渐成熟，可以经济地将化工合成气H2和CO、CO2分别从焦炉煤气和转炉煤气中分离出来并予以净化；伴随碳一化工合成技术的发展，不少化工研究单位和高等院校拥有自己的专利技术；同时当下快速增长的碳一化工产品市场，为以冶金副产煤气为资源发展化工产业，创造了前所未有的好条件。[2]

本文提出的钢化联合企业生产能源一体化智能管控系统思路，望能为促进钢铁企业优化配置煤气资源，发展非钢铁产业，合理调度钢铁与化工的生产节奏，提高钢铁企业能源利用率有所裨益。

2 解决方案

钢化联产企业的生产能源一体化智能管控系统是一个全局性的生产能源管理系统，构成覆盖基础自动化、过程监控及管理三个功能层次，并建立数据通讯网络，完成监测、控制、分析等各类应用软件。

该解决方案立足于既有的钢铁企业能源管理、预测及优化调度系统，并在此之上进行针对钢化联合企业生产能源高度耦合的特点进行的生产能源优化调度的升级完善，以达到优化能源系统结构，减少煤气放散，保障化工生产的安全、稳定运行，实现钢铁、化工产品最优化生产的目的。

2.1 应用架构

系统自下而上分为四层：

基础自动化层：采集实时数据；

数据层：存储、压缩、汇总基础自动化层采集的实时数据以及从其它方式获取的数据；

应用支援层：使用全流程业务开发平台提供对系统应用的支持；

应用层：系统的主要功能，包括：综合监控系统、基础能源管理系统、生产能源一体化管控系统、能源动态预测模型、能源动态平衡与优化调度。

2.2 基础能源管控系统

2.2.1 数据采集及实时监控

能源数据采集和监控功能是对企业的能源产耗数据、能源设施的运行信号、重要耗能设备的运行信号采集处理，实现能源信息的集中监视和能源设备的远程监控的平台。

能源实时监控需做到对能源介质产耗的能流监视及平衡监视，重要耗能设备的运行状态、故障报警监视以及能源公辅设施远程监控等。

2.2.2 基础能源管理

基础能源管理系统包含的主要功能有供需计划管理，生产运行管理，能源实绩管理，质量管理和产耗分析；

能源供需计划是依据企业生产计划和能源历史单耗为能源需求和供给制定计划，是能源管理的发起过程；

能源生产运行管理是在企业生产过程中对能源调度和能源设备的运行进行记录，是能源管理的执行过程；

能源质量管理是采集能源本身的质量数据，为能源使用提供参考数据，是能源管理的跟踪过程；

能源实绩管理是采集能源的发生与消耗数据，为产耗分析提供基本数据，是能源管理的数据归集功能；

能源产耗分析是结合企业生产实绩和能源产耗实绩进行综合分析，为能源供需计划提供各工序的能源单耗数据，是能源管理的深入分析功能。

以上五个主要功能完成了从计划到执行，从跟踪到数据归集，从分析再到指导计划的闭环管理流程，能够有效的集中能源管理和控制，优化能源调度和运行，达到节能增效的管理目的。

2.3 生产能源一体化智能管控

化工的能源特性有：生产原料来源为钢铁的副产能源，焦炉煤气和转炉煤气，同时为保证焦炉煤气的供给，需要给焦炉生产提供高炉煤气以置换焦炉煤气。化工生产需要稳定的高压蒸汽供给，由干熄焦余热锅炉、燃气锅炉的发生蒸汽构成母管供化工使用，多余蒸汽发电。

化工的生产特性有：化工的连续生产不允许有频繁、剧烈的工况波动，其生产产量最低也限制在机组能力的50%，同时，能源供给的不稳定，尤其是蒸汽的供给波动，会造成机组设备的损坏。

由于以上生产与能源的耦合关系，造成化工生产对能源的需求，使得化工和焦炉不再是单纯的生产单元，还起到能源转换单元的作用。而在高炉、转炉或焦炉生产出现检修、突发事故时，如何在钢铁生产和化工生产间进行合理的取舍，以达到最理想的能源利用效率，成了钢化联合生产能源一体化智能管控所需解决的核心问题。

本文所探讨的钢化联合生产能源一体化智能管控系统的设计思路为：从MES 的生产排程获取生产计划、检修计划，从各生产工序的MES 端口获取突发的生产异常事件，按照高炉、转炉、焦炉的计划产量，利用预测模型获取三种煤气发生量，在保证能源平衡的前提下，综合各类生产成品的利润、销售需求等因素，对化工产量、钢材成品产量、锅炉产汽量、发电量等进行优化求解，给出生产调度和能源调度的指导性策略。

2.3.1 能源动态预测

能源动态预测功能依据各工序的能源应用策略，结合生产计划、检修计划、设备异常数据等，对能源的生产和消耗数据进行变负荷状态下的短时预测，为能源介质动态平衡分配和能源优化调度提供理论数据支持。

预测模型包含的主要能源介质有：电、煤气、蒸汽。

各工序单元模型设计是基于机理、并具有参数自学习功能，该模型依据生产过程反应机理建立产品产量与能源产耗的对应关系，并利用历史生产数据对模型参数进行修正。

2.3.2 能源动态平衡与调度

能源动态平衡与调度模型是以给定生产、检修计划、系统状态和能源介质的预测结果等为前提条件，综合考虑煤气、蒸汽和电力各个子系统中能源产耗、储存和转换等单元设备的工艺约束，以及能源介质自身的供需周期变化和物料平衡、能量守恒等物理约束，以全局生产利润最大化为目标，优化分配轧材生产线、化工生产线、煤气柜、加压混合站、锅炉、发电设备等的生产产量。

能源动态平衡与调度模型应用多目标优化的基本思想，将钢化联合企业生产能源一体化能源动态平衡与调度这一复杂的约束优化问题转化为多目标优化问题来求解，提出了一种多目标- 约束优化进化算法的求解方法；针对复杂约束条件下调度问题的可行解难于获取的现实，提出了一种以蒙特卡罗（Monte Carlo）随机模拟和启发式算法结合为特征的钢化联合企业生产能源一体化能源动态平衡与调度可行解设计方法；此外，针对优化算法的规整性和实际工艺问题多样性之间的矛盾，为了实现二者之间的松散耦合，还设计了功能完备的接口程序集。对模型求解得出的调度决策方案将指导各能源介质按最优化方式分配、转换和使用，在提高能源综合利用效率的同时，也使钢铁企业获得最大的经济效益。

将钢化企业能源系统用简化的网络拓扑结构描述，其中包含两类基本要素：能源介质管网和与可调度的能源公辅设备对应的单元模型。

传统钢铁企业的主要副产煤气有高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气，它们分别由高炉、焦炉和转炉产生。其中焦炉煤气和转炉煤气作为生产原料供给化工，高炉煤气置换了焦化原本使用的焦炉煤气，各种煤气介质的主管网上配备有对应的煤气柜和放散塔，同时还可能存在混合煤气，以供给热电厂所需。

图1 为典型钢化企业蒸汽和发电子系统拓扑结构图。

由图1 可见，钢化联合企业的蒸汽管网分为两类：低压蒸汽和高压蒸汽。低压蒸汽来源主要有转炉、轧线等钢铁生产工艺的副产蒸汽及锅炉的高压蒸汽通过减温减压阀以后并入低压蒸汽管网。低压蒸汽的主要用户也是钢铁生产中的烧结、焦化、高炉等工序。高压蒸汽来源主要有燃烧高炉煤气的高温高压锅炉产生的高压蒸汽、干熄焦和焦炉废气的余热锅炉产生的高压蒸汽，并入高压蒸汽管网，主要供化工使用，富余的高压蒸汽可用来发电。参与生产能源动态平衡与调度的主要是高压蒸汽。

另外，钢化联合企业的能源动态平衡与调度是区别于普通钢铁企业的。以往钢铁企业的能源平衡与调度是在保障生产能力的前提下，对能源使用与调度进行最优化求解，以达到能源使用率最高、能源使用成本最经济的效果。钢化联合企业的生产能源平衡与调度将轧线生产单元、化工生产单元与能源管网统一考虑，对生产调度与能源使用综合求解，优化能源系统结构，充分利用二次能源，减少煤气放散、蒸汽盲目生产，优化外购电，保障化工生产的安全、稳定运行，实现钢铁、化工产品最优化生产，达到提高能源综合利用效率，最终实现调度周期内总的能源利用效益最高的目的。

图1 典型钢化企业蒸汽和发电子系统拓扑结构图

3 系统应用及前景

钢化联合为钢铁企业提供了一种循环经济耦合发展的模式，也为钢铁企业开辟了一片全新的业务领域和全新的投资渠道。这个新的领域和钢铁主业相互依托，相辅相成，既可以为企业增加产值利润，又能够提高企业抵抗周期风险的能力。除此之外，钢化联合所带来的社会效益也不容忽视，从最基本的层面上讲，首先解决了超低排放的问题，不仅仅是控制了二氧化硫和氮氧化物、粉尘排放，还有碳的减排效果也十分明显，其次钢化联合是整合资源利用、降低一次能源消耗、减少污染排放的新型模式，是跨行业耦合、企业绿色发展、创造循环经济效益的参考思路。

钢化联合企业生产能源一体化智能管控系统可通过人工输入吨钢利润、化工产品利润、生产产品等级排序、指定产品产量等先决条件，对钢化企业的生产及能源调度进行短期的预测及优化调度模拟，给出优化后的生产产量及对应利润，对能源公辅设施的生产调度提出合理建议，并可以建立紧急生产联络信息平台，在应急状态下，给出调度指导策略。

该管控系统可在检修情况下计算各工序产能，并根据模型内定义的不同检修状态下的煤气使用规则，给出生产、能源调度的调整步骤规程；或于钢材成品及化工产品价格发生变化时，计算出最经济的产品生产结构，为生产管理及生产调度人员提供指导；同时也可成为各工序、产线生产能力匹配过程中的综合成本核算工具。