钢铁企业煤气-蒸汽-电力多介质管理模式研究与实践

王荣耀，陈 伟，陈晓伟，王雅莉

（河钢集团唐钢公司动力部，河北唐山 063000）

引言

随着我国钢铁行业进入高质量发展阶段，提高能源管控水平显得愈发重要。据统计，钢铁行业中煤气-蒸汽-电力介质的能耗占总能源消耗的70%以上，但在多种能源介质的综合管控与优化利用方面仍缺少实践案例。因此基于唐钢公司新区（以下简称唐钢新区）煤气-蒸汽-电力多介质综合管控实例，通过多项能源介质的平衡分配与调度优化，探究高利用率、高效益产出的介质管理模式。

1 煤气-蒸汽-电力多介质管理概述

1.1 多能源介质综合管理的意义

钢铁企业能源系统中煤气-蒸汽-电力等介质关系紧密且相互转化，介质流动网络如图1。若没有结构化、模型化、自动化的数据支撑，很难保证能源的合理分配和高效利用［1］。因此，设计出基于多产线工况组合下的能源介质耦合调度与平衡管理模式，利用数据采集与监视控制系统（SCADA 系统），对煤气-蒸汽-电力运行参数在线监测、分析和调度优化。该模式一方面可以帮助能源调度人员分析供需变化，提高调度水平和反应速度，另一方面可以优化钢铁企业多能源介质管理，推动钢铁企业用能方式的转变和智慧能源体系的建立，提升能源利用效率和节能减排水平。

图1 唐钢新区煤气-蒸汽-电力介质流动网络

1.2 建立各能源介质平衡模型

基于能源介质流动网络，完成煤气-蒸汽-电力相关运行数据采集，其中主要包括：主线系统工序或设备的关键参数、辅助系统工序或设备的关键参数、余能回收系统工序或设备的关键参数和缓冲系统、输送系统的关键参数等。在确定本单位重要能耗单元、关键能耗因素、控制措施清单后，依托SCADA 能源精细化管理系统，完成煤气-蒸汽-电力介质的数据管理，并基于各能源介质产生、消耗、转换的流动路径，建立煤气-蒸汽-电力等能源介质流的平衡模型并可视化呈现（部分模型图见图2～4），对煤气-蒸汽-电力能源介质运行数据在线监测、分析和调度优化，提供易于交互的能源调度系统平台。

图3 转炉煤气系统平衡模型图

图4 蒸汽系统平衡模型图

2 煤气高效利用管理

煤气作为煤气-蒸汽-电力多能源介质能量流动的起点，也是多能源介质平衡管理与优化的起点，实现煤气系统的稳定运行与优化管理至关重要，其中关键步骤在于提升系统的缓冲能力，因此需增加系统体量或缓冲用户。

2.1 建立区域煤气资源共享网络

随着国家政策调整，钢铁企业集群化发展趋势愈发明显，因此建立区域化富裕煤气资源共享网络已然成为单一钢铁企业应对资源瓶颈和环境压力的有效措施［2］。以唐钢公司乐亭区域煤气资源共享模式为例，依托唐钢新区、唐钢中厚板和佳华焦化区位优势并结合各自煤气资源利用状况，通过高炉煤气和焦炉煤气管线相互连通，建立了煤气资源共享网络，见图5，并建立区域燃气调度中心进行管理，实现了多用户点位富裕煤气的缓冲，提升系统整体的缓冲能力。

图5 唐钢乐亭区域煤气资源共享网络

2.2 降低煤气峰谷用量起伏

加热炉、热风炉的煤气峰谷用量波动是干扰煤气平衡的主要因素，二者用气量范围波动可达到总产气量的30.2%～61.5%。因此降低大用户峰谷用量起伏对于提升整个高炉煤气系统的稳定性至关重要。热风炉因具备规律性大小烧特点，可通过错峰烧炉实现多座加热炉总用气量的稳定。以唐钢新区热风炉为例，3 座热风炉未调整前总用气量波动范围为（30.5～46.5）×104m3/h，经错峰调整后总用气量基本维持在（34.1～38.7）×104m3/h，用气量波动显著改善。加热炉煤气用量波动起伏需依托区域燃气调度中心，根据唐钢新区、唐钢中厚生产计划编制煤气平衡方案，寻求煤气需求和供应最佳平衡点，确保富裕煤气完全由区域内各发电机组消耗。此外燃气调度中心根据用户优先用气等级进行调整和调度，优先次序为：热风炉>烧结、球团>轧钢、加热炉>煤气发电锅炉等用户，逐级压减至煤气达到平衡状态。同时，在实际运行中，煤气发电锅炉的调整级别和次序依据发电机组效率进行逐级压减调整，以唐钢新区为例，超高温亚临界发电机组燃耗比高温超高压机组低0.42 m3/kWh（煤气热值3 150 kJ/m3），故执行“高效机组优先”的富裕煤气资源利用原则，高效机组优先高负荷运行，保证能源利用最大化。

2.3 煤气柜柜容与管网放散压力关系配置

煤气柜作为缓冲系统压力波动、收储煤气的重要装置，在保证其活塞升降速度、倾斜度、油泵启停等参数正常的前提下，应科学配置柜容与放散压力关系，实现装备效能利用最大化。以唐钢新区为例，煤气柜运行时以“柜容三段式配置放散压力”为原则，设定了联锁值（具体数值见图6），煤气柜因特殊情况解列后，放散塔收回管网压力控制权，放散塔放散压力分别为13.0 kPa、13.5 kPa、14.0 kPa。其他转炉煤气柜、焦炉煤气柜参照高炉煤气柜柜容与放散压力配置进行设置，以达到充分利用气柜谷吸峰吐能力的目的［3］。

图6 唐钢乐亭区域高炉煤气柜容对应放散压力配置图

3 蒸汽高效利用管理

钢铁企业蒸汽发生源数量较多，各蒸汽品质不一，高品质蒸汽可减温减压后补充至低品质蒸汽，如何合理利用各品质蒸汽成为钢铁企业能源利用的重要课题。以唐钢新区为例，各品质蒸汽来源与性质见表1，在蒸汽利用上执行“按质用能、能级匹配、梯级利用、就地用能”的原则［4］。具体执行措施如下：

表1 唐钢新区各蒸汽来源与性质统计表

（1）对于高品质的蒸汽全部用于高效发电，减少因能级差造成的不可逆损失。

（2）对用能过程进行优化，兼顾系统的节能效果和经济效益，厂区轧钢加热炉产生的低品质蒸汽用于生产需要和冬季伴热，冬季蒸汽不足时，使用炼钢转炉汽化蒸汽补充至外网。

（3）对烧结烟气余热进行回收，吨矿余热回收蒸汽90～110 kg全部用于发电。

（4）炼钢转炉汽化蒸汽综合利用，通过蓄热器来保持汽压的稳定，通过饱和余热发电实现转炉炼钢蒸汽的高效利用。

4 电力高效利用管理

为了减少电力成本以及提高电力供应的可靠性，钢铁企业大多建立了自备电厂。通常所发电量约占钢铁企业总用电量的40%～80%，其余电力需求由主电网供电。近年来，随着国家峰谷电价的实施，发电系统和煤气系统之间的协调调度愈发受到重视，需要充分利用煤气柜的储能功能，通过约束条件保证煤气柜的安全，实现发电负荷的峰谷转移，降低电力采购成本。

唐钢新区在保证主线生产的前提下，充分发挥技术管理和能源管理优势，制定错峰发电方案，增加尖峰段发电量，实现煤气资源效益最大化，具体执行措施如下：

（1）充分利用气柜谷吸峰吐能力，电价低谷时，暂时储存煤气，电价峰段时增加外供量，降低柜容，增加发电量。

（2）根据主产线躲峰生产计划，预判煤气裕量状况，提升发电机组负荷，增加峰段发电量，避免煤气裕量突增造成管网冲击放散。

（3）充分利用乐亭区域煤气资源共享网络，发电机组按70%的运行负荷参与煤气平衡方案的制定，保证煤气系统具备较强的缓冲能力。

5 结论

唐钢新区基于单一能源介质平衡管控模型，搭建了多种能源介质管控平台，依托集中控制，对煤气-蒸汽-电力进行实时管理，优化了能源的耦合调度与平衡管理，实现了单一介质模型化管控以及多种能源介质集中监控与管理相融合的系统建设。多种能源机制管控平台投用以及各能源介质高效利用措施实施后，区域能源利用效率显著提升，各流动环节管控更加全面，有效优化了管理流程，降低了运行管理成本，提高了自动化水平和劳动生产率，提升了全厂能源事故反应能力。

自2022 年10 月项目实施后，唐钢新区高炉煤气利用率达100.0%，转炉煤气利用率达100.0%，焦炉煤气利用率达到99.7%，高品质蒸汽100.0%供应对应能级的发电系统，低品质蒸汽全部用于厂区生产和伴热。依靠煤气系统、蒸汽系统以及发电系统的协同调整进行错峰发电，减少煤气放散创效和增加发电创效合计达到4 213.5 万元，同时避免了CO事故性排放造成的企业生产中断，有效缓解了区域性能源紧张和环境治理压力。