煤氣動態預測方法的應用

馬 瑩，李志宏，劉華峰

（山西云時代太鋼信息自動化技術有限公司，山西 太原030003）

鋼鐵企業是煤氣產耗大戶，其煤氣的生產、儲存、分配和使用是一個很復雜的動態過程，影響煤氣產、需量的因素很多，且時有發生。例如高爐非計劃的減休風狀況，轉爐間歇式生產模式，軋鋼車間臨時的檢修、換輥與生產中的臨時待料、待軋等，以及高爐換爐、焦爐換向等都會造成煤氣產、耗量的波動。

為此一段時間以來，各鋼鐵企業都在實施煤氣的動態平衡，以便實現煤氣的合理調配與轉化，提高煤氣使用效率，減少煤氣放散和浪費。而實現煤氣的動態平衡，首先要對煤氣的產耗進行預測。要進行煤氣預測，尤其是煤氣的短期預測，先要對鋼鐵企業各生產環節中影響煤氣生產、使用量波動的因素有一個全面的考慮，鋼鐵企業屬于流程型企業，造成煤氣產耗量波動的因素很多，每個生產環節煤氣的生產、使用量波動情況怎樣，其波動究竟與哪些因素相關，關聯程度有多深，這些都很難在技術書籍和相關資料上找到答案。現有的煤氣預測方法有時間序列分析法和因果關系回歸分析法兩種。由于造成短期煤產耗量波動的原因非常復雜，幾乎不可能用因果關系來表征某一工藝參數的變化規律。即使能做出一個相關工藝參數的回歸方程，也可能不能用于煤氣的產耗預測。而時間序列分析方法基于一定規模的歷史數據，采用這種方法實施煤氣合理預測，必須保證生產工況正常，在生產異常情況下或者工況發生變化，則生產的規律性遭到破壞，預測的偏差就會很大。鑒于此，必須改進煤氣預測方法。

1 基于統計學習理論和群智能的煤氣預測模型應用

通過能源載體和能源介質預測技術的研究，對能源載體和能源介質未來一段時間內的產生量和消耗量進行預測，為能源調配優化提供依據。

預測介質包括煤氣、天然氣，預測的間隔與時長見表1。

表1 預測介質的間隔與時長

1.1 煤氣產生量時間序列預測模型應用

鋼鐵企業煤氣產生量的預測對于煤氣優化調度至關重要。采用自回歸滑動平均（auto regressive moving average，ARMA）時間序列分析方法對高爐煤氣、焦爐煤氣、轉爐煤氣這三種副產煤氣進行產生量預測。具體預測方法如下：

預測高爐副產煤氣產生量，首先進行二階差分處理高爐煤氣產生量的原始序列，然后使用ARMA模型預測高爐副產煤氣的產生量。

預測焦爐副產煤氣產生量，首先進行一階差分處理焦爐煤氣產生量的原始序列，然后使用滑動平均（movingaverage，MA）模型預測焦爐副產煤氣的產生量。

預測轉爐副產煤氣產生量，首先進行二階差分求對數處理轉爐煤氣產生量的原始序列，然后使用ARMA-ARCH模型預測轉爐副產煤氣的產生量。

以焦爐煤氣產生量為例，下頁圖1為焦爐煤氣產生量預測結果。

下頁圖1中，同時給出了焦爐煤氣產生量的實際測量值與預測值。焦爐煤氣產生量預測結果表明：焦爐煤氣小時級產生量預測最小相對誤差0.48%，最大相對誤差8.36%，平均相對誤差5.14%，預測結果在10%以內的占100%；焦爐煤氣小時級預測結果平均相對誤差為0.70%，最大相對誤差為1.59%，最小相對誤差為0.06%，所有相對誤差均在2%以內。

圖1 焦爐煤氣產生量預測結果

1.2 煤氣消耗的粒子群—核偏最小二乘模型應用

在鋼鐵企業中，產消系統的煤氣用戶大體上可以分為兩大類。其中第一類煤氣用戶因為受生產工藝設備所限，這類用戶只能消耗高爐煤氣、焦爐煤氣、轉爐煤氣這三種煤氣中的一種。對于這類用戶而言，如果采用一種煤氣預測模型，勢必會造成預測效率低下的問題。為此必須對不同用戶煤氣的消耗預測采用不同的且有針對性的預測模型，從而提高預測效率和預測準確度。根據預測的的需要，將第一類煤氣用戶又細分為三種：1）相對固定消耗量用戶，如燒結；2）線性關系和簡單非線性關系消耗用戶，如加熱爐；3）嚴重非線性及關系非常復雜的消耗用戶，如高爐熱風爐和回轉窯等。

對第一種固定消耗量用戶，采用指數平滑法建立預測模型；第二種線性和簡單非線性關系消耗用戶，采用主成分回歸法建立預測模型；第三種嚴重非線性復雜消耗用戶，采用粒子群耦合核偏最小二乘法建立預測模型。圖2給出了對于第三種用戶，采用粒子群耦合核偏最小二乘法建立預測模型，得出的煤氣短期使用量預測結果。

通過現場實際煤氣使用量數據驗證，煤氣的產生量和使用量預測的平均相對誤差小于6.2%，并且即便是生產工藝過程發生了變動，也能夠取得滿意的預測結果。

圖2 煤氣短期使用量預測結果

1.3 煤氣的動態平衡

根據煤氣預測的結果，合理分配、使用和轉化高爐煤氣、焦爐煤氣、轉爐煤氣等各種燃氣，從而提高燃氣的實際使用效率，盡量減少煤氣的排放。尤其值得一提的是，生產操作人員需要掌握產生煤氣的機理，深刻認識高爐煤氣熱值低且燃燒溫度也低這個特性，正因為這個特性，鋼鐵企業的高爐煤氣一般放散比較多，所以必須注意協調考慮好高爐煤氣的動態平衡。

2 應用效果

通過以上方法，在某鋼鐵廠實現了對煉鐵高爐煤氣、煉焦焦爐煤氣、煉鋼轉爐煤氣及天然氣等燃氣能源介質的實時動態平衡，達到了合理分配、使用和轉化燃氣能源介質的目的，從而提高了鋼鐵企業能源利用率，焦爐煤氣和轉爐煤氣實現了零排放，高爐煤氣放散率則由7.5%降至0.22%，大大提高了燃氣的使用效率，減少了煤氣放散。

3 結語

鋼鐵企業煤氣產耗量的預測，在優化能源介質的動態平衡、實現能源最優化輸配和使用、減少放散、提高環境質量、降低能耗、提高能源率和能源環境管理水平等方面起到了十分顯著的促進作用，具有很強的示范和推廣應用價值。