钢铁企业蒸汽系统仿真建模及产耗量预测

赵 磊 武 双 张 琦

(东北大学 国家环境保护生态工业重点实验室)

作为国家经济基础产业和技术密集型产业，中国钢铁工业以技术创新为引领，正为新时代中国特色社会主义经济的快速发展注入强劲动力。尽管我国的钢铁工业已经具有较高的成本效益，但在节能减排方面依然存在诸多挑战。中国钢铁工业规模大，占全球钢铁产量的50%以上[1-3]。低质产能高、效率低是钢铁产业结构上的主要难题[4-6]，能耗高不仅造成了能源浪费和环境污染，同时也增加了生产成本。

钢铁企业节能工作既有利于降低生产成本，也有利于环境保护和可持续发展。其中，蒸汽作为钢铁企业重要的二次能源，是动力、电力、热能等能源转换的重要介质，焦化、烧结、转炉和轧钢环节直接将蒸汽供应给各生产和生活用户的过程中使用了大量蒸汽和低品位余热资源，具有很大的节能潜力。对于国内大中型钢铁企业而言，蒸汽能耗约占企业总能耗的10%[7]，蒸汽系统正成为钢铁企业能源管理的重要对象。

国内外学者针对蒸汽系统进行了相关研究。Liu等人[8]通过连续性方程、运动方程、能量方程、状态方程和焓方程，建立了蒸汽管网的耦合热工水力数学模型。根据管网蒸汽流量特征对模型进行了简化，采用标准四阶龙格库塔法求解控制方程。Luo等人[9]提出了利用单管水力模型和热力模型建立管网水力—热力综合模型的方法，在此基础上针对迭代计算有时无法得到收敛合理结果的问题，将计算值与测量值进行比较，证明了该模型和算法的有效性。殷瑞钰[10-11]指出钢铁工业面向新世纪的时代命题之一是走绿色制造的道路，构筑符合可持续发展战略的钢铁工业，并论述了钢铁制造流程的本质。李佳佳[12]对蒸汽管网进行了机理分析，总结了蒸汽管网压力特点，基于历史数据提出采用小波变换对数据进行处理，建立贝叶斯改进BP神经网络模型，实现了管网压力预测。朱寅等人[7]对钢铁企业蒸汽管网稳态下的水力和热力工况进行了分析,根据流量连续方程、温降和压降的环路平衡方程以及管段压降和温降计算公式等，建立了多汽源蒸汽管网的水力热力联合计算模型。通过迭代校正节点压力、温度的方式，采用牛顿—拉夫逊法求解各独立节点的蒸汽压力、温度，各参考节点的蒸汽流量，以及各管段的蒸汽流量、凝结水流量。张增刚[13]研究的蒸汽管网水力热力计算模型，采用节点关联方程求解节点的压力与温度，校正蒸汽管网管段的流量、平均密度与定压比热，成功应用于蒸汽管网的设计调节与数值模拟。以水力热力耦合计算模型和求解方法的探索为研究主线，系统地对蒸汽的热力性质计算方法、蒸汽管网热损失分析、水力热力耦合计算理论进行了深入研究。以往的蒸汽管网计算往往采用理想化的计算方法，忽视了实际运行过程中的管网结构变化，难以实现管网损失量的计算和漏损定位，不能对管网运行状态进行全面监测，导致蒸汽供需不平衡的现象时有发生，浪费了大量的能源。

1 钢铁企业蒸汽系统

蒸汽管网是钢铁企业输送蒸汽的重要载体，一般为多汽源、多用户、覆盖面积广、包含多级压力并具有许多环路的复杂管网系统，其运行状态将直接影响蒸汽品质和系统能量利用率。同时，管网安全运行需要精确掌握蒸汽压力、温度、流量等实时状态参数，只有构建完整的蒸汽系统数据流网络，才能为运行人员优化调度提供可靠的数据支撑。

目前钢铁企业蒸汽系统在实际运行中仍然存在一些问题：

(1)在实际生产过程中，蒸汽管网多汽源、多用户、多环路、多级压力的结构过于复杂，普遍存在蒸汽泄漏、管道保温老化、蒸汽状态参数波动大、调度水平低等问题，运行管理人员难以掌握可靠的运行数据；

(2)由于汽源点固定，为满足中、低压蒸汽用户需求，蒸汽通常要经过减温减压器后再使用，导致蒸汽熵值增加，不能实现按质用能和蒸汽资源梯级利用。同时，烧结、焦化等工序余热蒸汽品位低，不能充分回收利用，高品位蒸汽又贬值严重，蒸汽使用效率低，难以实现蒸汽资源的合理分配利用；

(3)蒸汽消耗量波动大；蒸汽用户多，且对蒸汽的需求不尽相同，时序波动大；冬夏季供需不平衡，夏季蒸汽需求量小、放散量大。

总体来看，钢铁生产过程的波动性使能源介质的供需呈现动态变化，为实现蒸汽系统节能，提升企业蒸汽系统调度水平，蒸汽系统管理人员必须及时准确地掌握各生产设备、用户、管网的运行参数，才能进一步优化管网结构，提高能源的使用效率，实现蒸汽的合理分配调度和梯级利用。钢铁企业生产实质上是物质、能量以及相应信息的流动和转变过程，其动态运行的本质是物质流在能量流的驱动下，按照设定的“程序”，沿着特定的“流程网络”动态、有序地运行。对于钢铁企业蒸汽系统来说，就是指蒸汽在热能、势能、动能的推动下，沿蒸汽输送管网的动态运行过程。

蒸汽系统优化调度的本质就是当蒸汽供需不平衡时，在有限的时间范围内，对可调节生产设备和用户的供需量进行动态调整。难点在于要准确掌握未来一段时间内蒸汽供需量的波动趋势、起止时间、波动量等数据。实现基于工况的蒸汽供需量预测、蒸汽管网仿真计算，是构建钢铁企业蒸汽系统信息化、数据化智慧能源系统的基础。构建蒸汽系统物质流、能量流、信息流网络，对蒸汽发生、输送、使用环节的全过程跟踪监测具有极大的现实意义。

1.1 建模方法

将蒸汽系统按照运行结构划分为蒸汽发生与转换系统、输送系统、用户系统、冷凝水回收系统。发生与转换系统是把不同形式的能量转换为工艺所需的蒸汽，主要包括各生产工序的各种产汽设备和转换设备，例如余热锅炉产汽和发电机组抽汽。输送系统主要指蒸汽输送管网。用户系统主要是指生产用户和生活用户，典型的生产用户包括炉料预热、伴热、高炉鼓风、取暖等，这些用户对蒸汽的利用方式在一定程度上影响着蒸汽的发生与转换。凝结水回收系统是对蒸汽输送过程中产生的冷凝水进行回收利用。其中，蒸汽管网作为连接各生产设备和用户的重要中间环节，直接影响蒸汽品质和系统效率。蒸汽管网安全运行需要精确掌握蒸汽压力、温度、流量等实时状态参数，才能为运行人员优化调度提供可靠的数据支撑。通过多汽源复杂管网的耦合计算模型所得的蒸汽状态参数可以有效指导运行人员。通过优化管网结构、提升管网运行管理水平、合理分配调度蒸汽资源可以显著提高蒸汽利用率。

为了精确获得管网运行参数，实现蒸汽资源优化调度，采用LSTM方法对蒸汽产耗量进行预测，采用数学建模的方式对蒸汽管网进行仿真计算。通过建立蒸汽系统供需分析及预测模型、管网耦合计算模型、管网损失量计算模型，构建完整的蒸汽系统物质流、能量流、信息流网络。

在构建蒸汽管网耦合计算模型时，首先基于拓扑结构原理，建立蒸汽管网拓扑模型来描述实际管段和节点的连接状态，便于准确描述管网拓扑关系，而且还能考虑到实际管网可能发生的改造和变动，既便于数学建模，又可以实现对管网连接状态的准确描述和灵活变动。

将汽源节点、不同管径或不同材质管段相连接的点、用汽点等作为管网计算模型中的节点，这些节点又分为普通节点、参考节点、独立节点和监测节点。普通节点是指参数未知，需要进行计算的节点；独立节点是指蒸汽流量已知的节点；参考节点是指压力和温度已知的节点；监测节点是指用于提供实时数据来进行管网预警分析的节点。为使计算结果更加精确，消除累计误差对管网计算的影响，除管网关键位置外，尽可能将监测节点和独立节点平均分布于管网各处。

蒸汽产耗量预测模型和管网仿真计算模型构建了完整的蒸汽系统物质流、能量流、信息流网络，实现了蒸汽从产生、输送、使用三个环节的全流程、全覆盖，在此基础上，可以实现蒸汽产耗调整、管网运行结构优化，极大地提高了蒸汽资源的利用率。

1.2 蒸汽产耗量预测模型

蒸汽产耗量预测及蒸汽系统供需分析模型，着眼于蒸汽的生产与消耗环节，通过对主要生产和消耗设备的蒸汽量预测，在宏观上实现对蒸汽系统总体供需量的把控，为蒸汽管网仿真计算和管网优化运行提供依据。

蒸汽系统供需量预测模型，综合考虑蒸汽系统各生产工序设备受不同工况的影响，基于各工序主要生产设备蒸汽产生量和主要蒸汽用户蒸汽消耗量历史数据，利用长短期记忆神经网络预测模型，实现复杂工况下的蒸汽产生量和消耗量预测。

蒸汽产耗量预测流程如图1所示。一般按照设备的生产工况设立工况点，根据设备和工况对获取到的蒸汽量历史数据进行分类，对不同设备不同工况下的蒸汽数据进行标记。对设备的历史蒸汽量数据进行归一化，合理设定长短期记忆神经网络预测模型的参数，并利用预处理的历史蒸汽数据训练长短期记忆神经网络蒸汽量预测模型，训练好的蒸汽产耗量预测模型可以预测指定时间间隔的蒸汽量。

图1 蒸汽产耗量预测流程

1.3 管网耦合计算模型

蒸汽管网耦合计算模型主要着眼于管网系统，利用管网拓扑结构来描述复杂多变的管网系统，更加准确地对各管段流量进行分配以及实现水力热力耦合计算。

实际管网系统往往错综复杂，需要对管网结构进行重新梳理和相应简化，以便构建管网拓扑模型。在对管网进行简化时，记录简化的节点编号，在耦合计算完成后，针对这些节点重新进行流量分配。之后，基于拓扑结构基本原理，将蒸汽管网中的设备、用户和管线抽象为点和线组成的有向图，用关联矩阵描述管网中节点和管段的连接关系，用邻接矩阵描述管网中节点之间的连接关系。其中，关联矩阵是利用矩阵中元素的取值来定义节点和管段的连接关系，并且遵循：“一个节点最少连接一根管段，而一根管段只能连接一组唯一确定的首尾节点”。同时，在使用邻接矩阵描述节点之间的连接关系时，需要考虑管网运行结构的变化，如对管网进行增加、删除节点操作时，反映于管网耦合计算中，首先体现为节点流量的变化。在删除节点时，赋权矩阵中反映为矩阵相应位置元素值的变化。在增加节点时，需要在原有节点编号的基础上，继续对新增加的节点进行编号，在邻接矩阵、赋权矩阵中表现为在矩阵相应位置增加相应的行列元素。利用邻接矩阵和权值矩阵可以快速方便地描述变化后的管网结构，实现快速、准确地对管网各节点进行耦合计算，更加符合实际生产过程。

蒸汽管网耦合计算模型是基于节点流量守恒方程、管段压降计算式、管段温降计算式和IAPWS-IF97公式，并结合动力粘度、流速、雷诺数、摩擦阻力系数等计算公式，对节点压力、温度等状态参数进行求解：

节点流量守恒方程：

AG+L=0

(1)

管段压降计算公式：

ATP=ΔP

(2)

管段温降计算公式：

ATT=ΔT

(3)

IAPWS-IF97公式：

(4)

(5)

(6)

当管网运行环境发生改变时，依据相关参数的变化可以自动修正管网结构矩阵、压降系数、温降系数，以保证模型计算精度。

1.4 管网损失量计算模型

管网损失量计算模型主要包括热量守恒方程、管段流量计算式和热损失计算式，在耦合计算的基础上，利用求解所得的节点压力、温度等参数对冷凝水和蒸汽质量流量进行检验计算，并通过计算各管段的热损失量来对管网进行热损失评价。

热量守恒方程：

hi=ho+Qsr+Qln

(7)

管段流量计算式：

(8)

热损失计算式：

(9)

其中：Ti为进口温度，K；To为出口温度，K；hi为进口蒸汽的热量，kJ；ho为出口蒸汽的热量，kJ；Qsr为散热损失，kJ；Qln为冷凝水热损失，kJ；cpi为进口蒸汽定压比热容，kJ/(kg·K)；cpo为出口蒸汽定压比热容，kJ/(kg·K)；R为管段热阻；tpj为管段蒸汽进出口平均温度，K；thj为环境温度，K。

利用损失量计算模型对管线实际热流密度和设计热流密度进行比较，依据保温评价标准对保温效果进行评价，并对管网保温改造节能潜力进行分析，提出合理可行的保温改造措施。

图2 蒸汽流量实际值与预测值对比

2 模型应用分析

以某钢铁企业蒸汽系统为例，在蒸汽产耗量预测的基础上，通过对单汽源蒸汽管网的仿真计算，实现管网任意节点流量、压力、温度的软测量，且计算误差控制在5%之内，可以实现管网热损评价，为蒸汽系统优化调度提供可靠的数据支撑。

将测试数据代入优化后的长短期记忆神经网络预测模型，得到模型预测结果，采用均方根误差RMSE计算预测结果与实际值之间的误差，选择误差最小的预测结果对应的优化预测模型作为最优预测模型。企业某生产工序的中压蒸汽实时流量实际值与预测值对比如2所示。可以看出，LSTM模型预测结果基本与实际值一致，虽然预测值存在短暂的滞后性，但预测值所反映的蒸汽量波动变化趋势完全符合要求，可以用于蒸汽管网仿真计算和系统优化调度分析。

蒸汽产耗量预测值与管网仿真计算模型相结合，不仅可以精确掌握当前管网的实际运行状态，还可以对管网未来可能出现的供需失衡以及管网低压、低温、超压、超温等异常波动变化进行预测，以便及早做出防范措施。计算时，通过基于广度优先搜索的深度搜索，可以实现管网所有节点的遍历，同时对参数已知的节点和需要计算的节点进行区分，节点遍历顺序将为后续管网耦合计算提供依据，可以大大提高计算速度和精度，避免同一节点在不同计算过程中的多次重复计算。管网耦合计算模型的另一优势体现在可以根据管网实际运行情况进行相关节点的增加、删除和修改，灵活准确地描述管网实时拓扑结构。图3为该企业蒸汽管网中19个节点温度和压力的计算结果。

蒸汽在管道中流动时，由于沿途摩擦损失和热损失，管内蒸汽压力、温度不断降低。部分管段压力、温度出现波动是因为管段连接方式和管段编号方式存在差异。当管网出现分支时，各支管段之间压力、温度值会出现正常波动。在管网仿真计算结果基础上，根据压力等级将蒸汽分为高、中、低压三级，除管网损耗和蒸汽放散外，蒸汽利用以低压为主，可以对各级管网分布、蒸汽使用情况、供需平衡进行分析，构建完整的蒸汽系统数据流、能量流、信息流网络。

图3 管网19个节点温度和压力的计算结果

3 结论

蒸汽作为钢铁生产中重要的二次能源，其品质、流量、压力、温度与实际生产息息相关，在各生产工序中都发挥着重要作用。通过管网耦合计算，准确了解管网各节点的蒸汽状态，且耦合计算结果误差小于5%，可以为蒸汽优化调度提供依据，而且利用拓扑结构来描述管段之间的连接关系，不仅可以准确控制管网的稳态运行，当实际管网发生改动时也可以及时对耦合计算模型进行修正，保证了计算结果的准确性。在此基础上，建立了完整的蒸汽管网运行数据库，通过友好的结果查询和显示界面，直观地展示管网各管段基本属性信息、各节点蒸汽实时状态参数以及关键参数在一定生产周期内的波动变化趋势。利用数据化、智能化的管网运行管理系统可以为运行管理人员提供可靠的数据支撑，为管网结构优化和蒸汽合理分配调度提供科学依据，既实现了蒸汽的科学管理，又提高了蒸汽利用率。