鋼化聯合企業生產能源一體化智能管控系統探討

劉書文 歐 燕

（中冶南方工程技術有限公司 鋼鐵公司技術研究院，湖北 武漢430023）

1 概述

鋼鐵生產企業消耗大量的煤炭等化石燃料，在冶煉的同時也產生大量的煤氣。如今，鋼鐵生產冶煉過程中產生的高爐煤氣、轉爐煤氣、焦爐煤氣回收利用技術在鋼鐵行業中已經成熟運用，以往通常被放散的低熱值純高爐煤氣已經完全能夠滿足軋鋼加熱爐、高爐熱風爐以及動力燃燒等工序的燃料需求，而剩余的焦爐煤氣、轉爐煤氣中分別富含氫氣和一氧化碳，僅用來作為燃燒燃料，熱能利用效率有限，且在燃燒過程中排放大量溫室氣體及污染物增加了環境負荷。[1]

由于變壓吸附分離氣體技術日漸成熟，可以經濟地將化工合成氣H2和CO、CO2分別從焦爐煤氣和轉爐煤氣中分離出來并予以凈化；伴隨碳一化工合成技術的發展，不少化工研究單位和高等院校擁有自己的專利技術；同時當下快速增長的碳一化工產品市場，為以冶金副產煤氣為資源發展化工產業，創造了前所未有的好條件。[2]

本文提出的鋼化聯合企業生產能源一體化智能管控系統思路，望能為促進鋼鐵企業優化配置煤氣資源，發展非鋼鐵產業，合理調度鋼鐵與化工的生產節奏，提高鋼鐵企業能源利用率有所裨益。

2 解決方案

鋼化聯產企業的生產能源一體化智能管控系統是一個全局性的生產能源管理系統，構成覆蓋基礎自動化、過程監控及管理三個功能層次，并建立數據通訊網絡，完成監測、控制、分析等各類應用軟件。

該解決方案立足于既有的鋼鐵企業能源管理、預測及優化調度系統，并在此之上進行針對鋼化聯合企業生產能源高度耦合的特點進行的生產能源優化調度的升級完善，以達到優化能源系統結構，減少煤氣放散，保障化工生產的安全、穩定運行，實現鋼鐵、化工產品最優化生產的目的。

2.1 應用架構

系統自下而上分為四層：

基礎自動化層：采集實時數據；

數據層：存儲、壓縮、匯總基礎自動化層采集的實時數據以及從其它方式獲取的數據；

應用支援層：使用全流程業務開發平臺提供對系統應用的支持；

應用層：系統的主要功能，包括：綜合監控系統、基礎能源管理系統、生產能源一體化管控系統、能源動態預測模型、能源動態平衡與優化調度。

2.2 基礎能源管控系統

2.2.1 數據采集及實時監控

能源數據采集和監控功能是對企業的能源產耗數據、能源設施的運行信號、重要耗能設備的運行信號采集處理，實現能源信息的集中監視和能源設備的遠程監控的平臺。

能源實時監控需做到對能源介質產耗的能流監視及平衡監視，重要耗能設備的運行狀態、故障報警監視以及能源公輔設施遠程監控等。

2.2.2 基礎能源管理

基礎能源管理系統包含的主要功能有供需計劃管理，生產運行管理，能源實績管理，質量管理和產耗分析；

能源供需計劃是依據企業生產計劃和能源歷史單耗為能源需求和供給制定計劃，是能源管理的發起過程；

能源生產運行管理是在企業生產過程中對能源調度和能源設備的運行進行記錄，是能源管理的執行過程；

能源質量管理是采集能源本身的質量數據，為能源使用提供參考數據，是能源管理的跟蹤過程；

能源實績管理是采集能源的發生與消耗數據，為產耗分析提供基本數據，是能源管理的數據歸集功能；

能源產耗分析是結合企業生產實績和能源產耗實績進行綜合分析，為能源供需計劃提供各工序的能源單耗數據，是能源管理的深入分析功能。

以上五個主要功能完成了從計劃到執行，從跟蹤到數據歸集，從分析再到指導計劃的閉環管理流程，能夠有效的集中能源管理和控制，優化能源調度和運行，達到節能增效的管理目的。

2.3 生產能源一體化智能管控

化工的能源特性有：生產原料來源為鋼鐵的副產能源，焦爐煤氣和轉爐煤氣，同時為保證焦爐煤氣的供給，需要給焦爐生產提供高爐煤氣以置換焦爐煤氣。化工生產需要穩定的高壓蒸汽供給，由干熄焦余熱鍋爐、燃氣鍋爐的發生蒸汽構成母管供化工使用，多余蒸汽發電。

化工的生產特性有：化工的連續生產不允許有頻繁、劇烈的工況波動，其生產產量最低也限制在機組能力的50%，同時，能源供給的不穩定，尤其是蒸汽的供給波動，會造成機組設備的損壞。

由于以上生產與能源的耦合關系，造成化工生產對能源的需求，使得化工和焦爐不再是單純的生產單元，還起到能源轉換單元的作用。而在高爐、轉爐或焦爐生產出現檢修、突發事故時，如何在鋼鐵生產和化工生產間進行合理的取舍，以達到最理想的能源利用效率，成了鋼化聯合生產能源一體化智能管控所需解決的核心問題。

本文所探討的鋼化聯合生產能源一體化智能管控系統的設計思路為：從MES 的生產排程獲取生產計劃、檢修計劃，從各生產工序的MES 端口獲取突發的生產異常事件，按照高爐、轉爐、焦爐的計劃產量，利用預測模型獲取三種煤氣發生量，在保證能源平衡的前提下，綜合各類生產成品的利潤、銷售需求等因素，對化工產量、鋼材成品產量、鍋爐產汽量、發電量等進行優化求解，給出生產調度和能源調度的指導性策略。

2.3.1 能源動態預測

能源動態預測功能依據各工序的能源應用策略，結合生產計劃、檢修計劃、設備異常數據等，對能源的生產和消耗數據進行變負荷狀態下的短時預測，為能源介質動態平衡分配和能源優化調度提供理論數據支持。

預測模型包含的主要能源介質有：電、煤氣、蒸汽。

各工序單元模型設計是基于機理、并具有參數自學習功能，該模型依據生產過程反應機理建立產品產量與能源產耗的對應關系，并利用歷史生產數據對模型參數進行修正。

2.3.2 能源動態平衡與調度

能源動態平衡與調度模型是以給定生產、檢修計劃、系統狀態和能源介質的預測結果等為前提條件，綜合考慮煤氣、蒸汽和電力各個子系統中能源產耗、儲存和轉換等單元設備的工藝約束，以及能源介質自身的供需周期變化和物料平衡、能量守恒等物理約束，以全局生產利潤最大化為目標，優化分配軋材生產線、化工生產線、煤氣柜、加壓混合站、鍋爐、發電設備等的生產產量。

能源動態平衡與調度模型應用多目標優化的基本思想，將鋼化聯合企業生產能源一體化能源動態平衡與調度這一復雜的約束優化問題轉化為多目標優化問題來求解，提出了一種多目標- 約束優化進化算法的求解方法；針對復雜約束條件下調度問題的可行解難于獲取的現實，提出了一種以蒙特卡羅（Monte Carlo）隨機模擬和啟發式算法結合為特征的鋼化聯合企業生產能源一體化能源動態平衡與調度可行解設計方法；此外，針對優化算法的規整性和實際工藝問題多樣性之間的矛盾，為了實現二者之間的松散耦合，還設計了功能完備的接口程序集。對模型求解得出的調度決策方案將指導各能源介質按最優化方式分配、轉換和使用，在提高能源綜合利用效率的同時，也使鋼鐵企業獲得最大的經濟效益。

將鋼化企業能源系統用簡化的網絡拓撲結構描述，其中包含兩類基本要素：能源介質管網和與可調度的能源公輔設備對應的單元模型。

傳統鋼鐵企業的主要副產煤氣有高爐煤氣、焦爐煤氣和轉爐煤氣，它們分別由高爐、焦爐和轉爐產生。其中焦爐煤氣和轉爐煤氣作為生產原料供給化工，高爐煤氣置換了焦化原本使用的焦爐煤氣，各種煤氣介質的主管網上配備有對應的煤氣柜和放散塔，同時還可能存在混合煤氣，以供給熱電廠所需。

圖1 為典型鋼化企業蒸汽和發電子系統拓撲結構圖。

由圖1 可見，鋼化聯合企業的蒸汽管網分為兩類：低壓蒸汽和高壓蒸汽。低壓蒸汽來源主要有轉爐、軋線等鋼鐵生產工藝的副產蒸汽及鍋爐的高壓蒸汽通過減溫減壓閥以后并入低壓蒸汽管網。低壓蒸汽的主要用戶也是鋼鐵生產中的燒結、焦化、高爐等工序。高壓蒸汽來源主要有燃燒高爐煤氣的高溫高壓鍋爐產生的高壓蒸汽、干熄焦和焦爐廢氣的余熱鍋爐產生的高壓蒸汽，并入高壓蒸汽管網，主要供化工使用，富余的高壓蒸汽可用來發電。參與生產能源動態平衡與調度的主要是高壓蒸汽。

另外，鋼化聯合企業的能源動態平衡與調度是區別于普通鋼鐵企業的。以往鋼鐵企業的能源平衡與調度是在保障生產能力的前提下，對能源使用與調度進行最優化求解，以達到能源使用率最高、能源使用成本最經濟的效果。鋼化聯合企業的生產能源平衡與調度將軋線生產單元、化工生產單元與能源管網統一考慮，對生產調度與能源使用綜合求解，優化能源系統結構，充分利用二次能源，減少煤氣放散、蒸汽盲目生產，優化外購電，保障化工生產的安全、穩定運行，實現鋼鐵、化工產品最優化生產，達到提高能源綜合利用效率，最終實現調度周期內總的能源利用效益最高的目的。

圖1 典型鋼化企業蒸汽和發電子系統拓撲結構圖

3 系統應用及前景

鋼化聯合為鋼鐵企業提供了一種循環經濟耦合發展的模式，也為鋼鐵企業開辟了一片全新的業務領域和全新的投資渠道。這個新的領域和鋼鐵主業相互依托，相輔相成，既可以為企業增加產值利潤，又能夠提高企業抵抗周期風險的能力。除此之外，鋼化聯合所帶來的社會效益也不容忽視，從最基本的層面上講，首先解決了超低排放的問題，不僅僅是控制了二氧化硫和氮氧化物、粉塵排放，還有碳的減排效果也十分明顯，其次鋼化聯合是整合資源利用、降低一次能源消耗、減少污染排放的新型模式，是跨行業耦合、企業綠色發展、創造循環經濟效益的參考思路。

鋼化聯合企業生產能源一體化智能管控系統可通過人工輸入噸鋼利潤、化工產品利潤、生產產品等級排序、指定產品產量等先決條件，對鋼化企業的生產及能源調度進行短期的預測及優化調度模擬，給出優化后的生產產量及對應利潤，對能源公輔設施的生產調度提出合理建議，并可以建立緊急生產聯絡信息平臺，在應急狀態下，給出調度指導策略。

該管控系統可在檢修情況下計算各工序產能，并根據模型內定義的不同檢修狀態下的煤氣使用規則，給出生產、能源調度的調整步驟規程；或于鋼材成品及化工產品價格發生變化時，計算出最經濟的產品生產結構，為生產管理及生產調度人員提供指導；同時也可成為各工序、產線生產能力匹配過程中的綜合成本核算工具。