基于物质—能量流协同的铁水智能调度系统研究与开发

2022-11-17范天骄柯长松徐永权龙泉泉

冶金能源 2022年3期

范天骄柯长松徐永权赵健龙泉泉

(1.中钢集团鞍山热能研究院有限公司，2.中国农业机械化科学研究院有限公司，3.辽宁冶金设计研究院有限公司)

“界面技术”是指相邻工序之间的衔接—匹配、协调—缓冲的技术、物质流的物理和化学性质调控技术及其相关装置[1-5]。铁水智能调度技术是炼铁—炼钢之间重要的“界面技术”之一。该技术涵盖炼铁、炼钢等主体工序的衔接缓冲，包含物质流(流量、成分)、能量流、温度、时间等基本参数衔接、匹配、协调、稳定，包括工序、装置、容量、输送设备、运输路线、调度管理等诸多内容。文章在对某钢铁企业现场铁水调度管理现状进行深入调研的基础上，设计开发以客观数据为依据的铁水智能调度系统，通过适应性改造、硬件建设和软件建设，建成基于物质—能量流协同的铁水智能调度系统，达到车辆调度、铁水罐调度、行车调度管理等的协调统一，实现对铁水运输调度过程的规范管理，提高运输效率，减少铁水运输过程温降，提高铁水入转炉温度，达到节能降耗减碳的目的。

1 某企业铁水调度现状及问题

某企业炼钢工序分老区和新区，老区建有75 t转炉2座，新区建有150 t转炉2座。现有高炉6座，在正常生产情况下，2座高炉铁水供给炼钢老区，4座高炉铁水供给炼钢新区。

(1)铁路线

该企业铁路运输系统主要由1条主干道、2片道岔区域及若干条支道组成，整体呈两个“人”字形。该铁路线不仅承担着运输铁水罐任务，而且担负着钢渣罐、钢渣盆的运输任务。

(2)机车与罐车

参与铁路运输的机车共有10台，负责运送铁水和铁渣。参与铁水运输的铁水罐共有96个，型号分为90 t铁水罐和75 t铁水罐。

(3)铁水调度

目前参与铁水调度的人员包括：总调度室调度员、炼钢的铁水调度员、炼铁厂看包人员、炼铁厂工段长、铁水罐机车司机、钢渣罐机车司机以及各机车的连接员。

(4)主要问题及原因

企业铁路线要同时承担铁水重罐、轻罐运输任务以及转炉钢渣重罐、轻罐运输任务，尤其是钢渣运输和铁水运输方向相反，炼钢车间进站处经常有重罐积压，使得后续机车无法进站而占用铁路主干道，导致铁路主线上的交通近乎停滞。同时频繁出现铁路拥堵现象，大大增加了铁水重罐、轻罐的运输时间，产生了较大的铁水温降。

究其原因，主要由于铁路资源有限，支撑调度手段不足，没有专门的信息化监测平台，炼铁—炼钢界面的重要信息尚未实现全局共享，铁路运输部门、炼钢调度和炼铁调度等均采用点对点方式进行沟通，相关信息共享的及时性、准确性受到很大制约。

2 铁水智能调度系统研究总体思路

随着信息化、智能化技术在企业中的广泛应用，根据铁水调度监控、调度、预警及分析功能需求，系统一方面需要通过工业网络改造，实现与企业已有信息化系统的互联互通，实现铁水调度相关的生产数据、设备运行数据和其他重要物流数据的自动采集；另一方面应用RFID技术、GPS技术及仿真建模等智能化手段，实现机车、铁水罐准确定位跟踪、铁水信息的智能识别，将炼铁—炼钢工序紧密衔接，铁—钢界面铁水调运科学、预判及时、组织有序，实现对铁水运输过程的规范化、精细化、智能化管理。

铁水智能调度系统主要包括决策层、管理层、调度层和操作层。操作层主要进行铁水调度相关数据采集及相关系统日常运行安全检查与维护等；调度层主要按照调度计划处理铁水、机车、渣罐日常运行调度等；管理层主要制定与下达铁水调度指标、炼铁车间、炼钢车间、铁水调度生产计划、生产实绩跟踪等；决策层主要进行铁水调度决策与调度系统发生故障时的应急决策。

3 系统开发功能

根据某企业铁水调度的实际需求，系统开发了监控预警、调度指令、生产实绩、生产计划、数据分析、历史信息、基础配置、系统管理八大管理功能。

(1)监控预警

监控预警是系统的核心模块之一，所有需要实时展现给用户的数据均集成于该功能下，主要包括监控总图、实时监控信息、实时预警信息。

采用3D建模技术对炼铁、炼钢车间，铁路线，渣场，以及高炉、转炉、火车、渣罐/车、铁水罐车进行外观建模；在炼铁厂出入口、炼钢厂出入口、铁水罐、渣罐等处加贴RFID标签；在铁水罐车上加装GPS定位装置，通过3D建模技术、智能识别技术、无线通信技术、自动跟踪技术等实现高炉出铁水、铁水罐车运输铁水、转炉接铁水全过程不同时间、空间维度下，物质流、能量流、信息流的24 h监控。

设计实时监控、预警信息面板，当满足实时监控、预警信息触发条件时，按照时间顺序(逆序)显示更新实时监控、预警信息。

(2)调度指令

调度指令台旨在为铁水全流程调度提供调度指挥沟通平台，可及时发布调度指令、协调调度，就铁水流转实时监控动作、预警信息开展调度指挥工作。

根据调度人员选择的不同调度对象，展示各级监控信息调度、预警信息调度。如高炉出铁、出铁完成、重罐离场、轻罐入场；出铁温度低于预警值、出铁量低于预警值、线上静止超时预警、累计接铁水次数达峰预警、兑铁温度低于预警值等。

(3)生产实绩

主要实现与铁水调度有关的生产实绩数据的统计、查询及导出功能。是原始数据沉淀、积累、归集共享的资源库，为数据分析挖掘、共享应用提供支撑。

生产实绩信息包括炉次号、铁水成分、铁水重量、出铁温度、出铁时间、兑铁温度、兑铁时间、承运铁水罐号、铁水温降、传搁时长等。

(4)生产计划

主要实现炼铁、炼钢、炼铁—炼钢界面与铁水调度相关的生产计划的编制功能，通过铁水调度计划的制定，使上下工序无缝衔接，提升铁水调度管理效率。

生产计划信息包括：计划编号、计划名称、开始时间、结束时间、计划对象；出铁量、最低出铁温度、平均出铁温度；最低兑铁温度、平均兑铁温度；铁水平均温降、铁水最长传搁时长、铁水平均传搁时长等。

(5)数据分析

主要实现按照不同时间、不同范围统计的炼铁车间、炼钢车间、炼铁—炼钢界面间各生产实绩构成的重要指标情况，并以趋势图等图形化的形式直观展示不同维度下指标对比情况。根据对比情况，通过绩效考核等手段进行铁水调度精细化管理。重要指标包括高炉出铁水准时率、铁水罐周转率、铁水运输温降等。

也可通过大数据分析等手段，挖掘铁水调度过程中尚未清晰的工艺规律，为进一步优化炼铁—炼钢界面衔接、缓冲提供支撑。

(6)历史信息

主要对监控历史信息、预警历史信息进行展示，便于信息归集、查询。

(7)基础配置

对铁水智能调度系统涉及到的工序、设备参数，监控、预警等参数进行设置，为功能管理模块提供基础支撑。

(8)系统管理

对铁水智能调度系统涉及到的用户、角色、权限进行设置，为功能管理模块提供基础支撑。

4 应用效果

(1)整合现有资源，构建炼铁—炼钢界面铁水智能调度平台，集成了铁水调度数据，实现了铁水运输过程实时跟踪、全程监控；

(2)提高了铁水罐周转率，提升了钢铁冶炼系统生产效率，生产组织更加顺行；

(3)铁水智能调度系统正常运行，温度、时间及位置等监测数据精度控制在合理范围内。经试验，铁水入转炉温度可提高10 ℃以上；

按入转炉铁水温度提高10 ℃，铁水比热为0.837 kJ/(kg·℃)计算，吨铁节约热量为8 370 kJ，折合0.28 kgce，减排CO20.73 kg ；同时，入转炉铁水温度提高10 ℃，可降低铁水比0.5%左右，按照炼铁工序能耗400 kgce/t估算，吨铁可节约2 kgce，减排CO25.2 kg。合计，入转炉铁水温度提高10°C，吨铁共可节约2.28 kgce，减排CO25.93 kg。