煤气动态预测方法的应用

2021-01-22李志宏刘华峰

山西冶金 2020年6期

马莹，李志宏，刘华峰

（山西云时代太钢信息自动化技术有限公司，山西太原030003）

钢铁企业是煤气产耗大户，其煤气的生产、储存、分配和使用是一个很复杂的动态过程，影响煤气产、需量的因素很多，且时有发生。例如高炉非计划的减休风状况，转炉间歇式生产模式，轧钢车间临时的检修、换辊与生产中的临时待料、待轧等，以及高炉换炉、焦炉换向等都会造成煤气产、耗量的波动。

为此一段时间以来，各钢铁企业都在实施煤气的动态平衡，以便实现煤气的合理调配与转化，提高煤气使用效率，减少煤气放散和浪费。而实现煤气的动态平衡，首先要对煤气的产耗进行预测。要进行煤气预测，尤其是煤气的短期预测，先要对钢铁企业各生产环节中影响煤气生产、使用量波动的因素有一个全面的考虑，钢铁企业属于流程型企业，造成煤气产耗量波动的因素很多，每个生产环节煤气的生产、使用量波动情况怎样，其波动究竟与哪些因素相关，关联程度有多深，这些都很难在技术书籍和相关资料上找到答案。现有的煤气预测方法有时间序列分析法和因果关系回归分析法两种。由于造成短期煤产耗量波动的原因非常复杂，几乎不可能用因果关系来表征某一工艺参数的变化规律。即使能做出一个相关工艺参数的回归方程，也可能不能用于煤气的产耗预测。而时间序列分析方法基于一定规模的历史数据，采用这种方法实施煤气合理预测，必须保证生产工况正常，在生产异常情况下或者工况发生变化，则生产的规律性遭到破坏，预测的偏差就会很大。鉴于此，必须改进煤气预测方法。

1 基于统计学习理论和群智能的煤气预测模型应用

通过能源载体和能源介质预测技术的研究，对能源载体和能源介质未来一段时间内的产生量和消耗量进行预测，为能源调配优化提供依据。

预测介质包括煤气、天然气，预测的间隔与时长见表1。

表1 预测介质的间隔与时长

1.1 煤气产生量时间序列预测模型应用

钢铁企业煤气产生量的预测对于煤气优化调度至关重要。采用自回归滑动平均（auto regressive moving average，ARMA）时间序列分析方法对高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气这三种副产煤气进行产生量预测。具体预测方法如下：

预测高炉副产煤气产生量，首先进行二阶差分处理高炉煤气产生量的原始序列，然后使用ARMA模型预测高炉副产煤气的产生量。

预测焦炉副产煤气产生量，首先进行一阶差分处理焦炉煤气产生量的原始序列，然后使用滑动平均（movingaverage，MA）模型预测焦炉副产煤气的产生量。

预测转炉副产煤气产生量，首先进行二阶差分求对数处理转炉煤气产生量的原始序列，然后使用ARMA-ARCH模型预测转炉副产煤气的产生量。

以焦炉煤气产生量为例，下页图1为焦炉煤气产生量预测结果。

下页图1中，同时给出了焦炉煤气产生量的实际测量值与预测值。焦炉煤气产生量预测结果表明：焦炉煤气小时级产生量预测最小相对误差0.48%，最大相对误差8.36%，平均相对误差5.14%，预测结果在10%以内的占100%；焦炉煤气小时级预测结果平均相对误差为0.70%，最大相对误差为1.59%，最小相对误差为0.06%，所有相对误差均在2%以内。

图1 焦炉煤气产生量预测结果

1.2 煤气消耗的粒子群—核偏最小二乘模型应用

在钢铁企业中，产消系统的煤气用户大体上可以分为两大类。其中第一类煤气用户因为受生产工艺设备所限，这类用户只能消耗高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气这三种煤气中的一种。对于这类用户而言，如果采用一种煤气预测模型，势必会造成预测效率低下的问题。为此必须对不同用户煤气的消耗预测采用不同的且有针对性的预测模型，从而提高预测效率和预测准确度。根据预测的的需要，将第一类煤气用户又细分为三种：1）相对固定消耗量用户，如烧结；2）线性关系和简单非线性关系消耗用户，如加热炉；3）严重非线性及关系非常复杂的消耗用户，如高炉热风炉和回转窑等。

对第一种固定消耗量用户，采用指数平滑法建立预测模型；第二种线性和简单非线性关系消耗用户，采用主成分回归法建立预测模型；第三种严重非线性复杂消耗用户，采用粒子群耦合核偏最小二乘法建立预测模型。图2给出了对于第三种用户，采用粒子群耦合核偏最小二乘法建立预测模型，得出的煤气短期使用量预测结果。

通过现场实际煤气使用量数据验证，煤气的产生量和使用量预测的平均相对误差小于6.2%，并且即便是生产工艺过程发生了变动，也能够取得满意的预测结果。

图2 煤气短期使用量预测结果

1.3 煤气的动态平衡

根据煤气预测的结果，合理分配、使用和转化高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气等各种燃气，从而提高燃气的实际使用效率，尽量减少煤气的排放。尤其值得一提的是，生产操作人员需要掌握产生煤气的机理，深刻认识高炉煤气热值低且燃烧温度也低这个特性，正因为这个特性，钢铁企业的高炉煤气一般放散比较多，所以必须注意协调考虑好高炉煤气的动态平衡。

2 应用效果

通过以上方法，在某钢铁厂实现了对炼铁高炉煤气、炼焦焦炉煤气、炼钢转炉煤气及天然气等燃气能源介质的实时动态平衡，达到了合理分配、使用和转化燃气能源介质的目的，从而提高了钢铁企业能源利用率，焦炉煤气和转炉煤气实现了零排放，高炉煤气放散率则由7.5%降至0.22%，大大提高了燃气的使用效率，减少了煤气放散。