鋼鐵企業區域性煤氣平衡實踐

陳曉偉，陳 偉，王榮耀，田 朝

（唐山鋼鐵集團有限責任公司動力部，河北唐山 063000）

引言

隨著《國務院關于化解產能嚴重過剩矛盾的指導意見》和《國務院關于鋼鐵行業化解過剩產能實現脫困發展的意見》等政策發布，河北省積極化解重點行業過剩產能，優化鋼鐵產業臨港臨鐵布局，鋼鐵企業集群化、聚落化加強。

煤氣作為聯合鋼鐵企業重要二次能源，約占企業總能耗的35%［1］，以充分利用和減少放散為目標的煤氣平衡管理已經成為鋼鐵企業節能降耗和深度挖潛的重要手段［2］。2021年全國重點鋼鐵企業煤氣資源利用率維持在98%左右，表明單一企業富裕煤氣的緩沖手段和能力有限，存在資源浪費和環境污染問題［3］，因此充分發揮鋼鐵企業集群化、聚落化優勢，打造煤氣資源共享網絡，探究區域化煤氣平衡技術對于鋼鐵企業節能降耗和深度挖潛顯得尤為重要［4］。

結合唐山鋼鐵集團實際情況（以下簡稱唐鋼），就其在唐山市樂亭經濟開發區建立的涵蓋唐鋼新區、唐鋼中厚板和佳華焦化的高爐煤氣、焦爐煤氣互通管廊，開展區域性煤氣平衡技術研究，以期在鋼鐵企業集群化、聚落化背景下，降低外購能源成本，同時減少污染排放，提高經濟效益與社會效益。

1 唐鋼樂亭區域煤氣平衡現狀分析

1.1 設備配置情況

唐鋼新區運行2 922 m3高爐3 座。配有煤氣柜4 座，30×104m3高爐煤氣柜1 座，15×104m3轉爐煤氣柜2 座，5×104m3焦爐煤氣柜1 座。三管式放散塔1座，單管放散能力20×104m3/h。煤氣緩沖設施為100 MW發電機組1座，78 MW發電機組2座［3］。

唐鋼中厚板運行1780 m3高爐1座、1580 m3高爐1 座。配有煤氣柜3 座，10×104m3高爐煤氣柜1 座（故障，長期停用），5×104m3和8×104m3轉爐煤氣柜各1 座，無焦爐煤氣柜。三管式放散塔2 座，單管放散能力6×104m3/h。煤氣緩沖80 MW發電機組1座，35 MW發電機組1座。

佳華焦化運行60孔7 m頂裝焦爐2座，配有10×104m3焦爐煤氣柜1 座，單管式放散塔1 座，放散能力2×104m3/h，煤氣緩沖用戶為135MW發電機組1座。

1.2 煤氣平衡情況

從煤氣發生量數據來看，唐鋼新區、唐鋼中厚板和佳華焦化各煤氣發生量相對穩定，數據如表1所示。

表1 煤氣發生量狀況

唐鋼新區、唐鋼中厚板內各用戶高爐煤氣用量計劃值和實際用量波動范圍情況如表2所列。唐鋼新區高爐煤氣典型用戶如熱風爐、加熱爐，用量浮動較大，緩沖用戶如發電機組基本處于滿發狀態，后備緩沖空間不足，且發電機組緩沖煤氣峰谷用量的時間存在一定的滯后性，管網沖擊放散可能性高，能源浪費嚴重。唐鋼中厚板也存在用戶用量波動幅度問題，由于其氣柜未投用，煤氣系統抗負荷沖擊能力差，發電機組啟機和切換頻繁。

表2 唐鋼新區、唐鋼中厚板高爐煤氣用量狀況

唐鋼新區、唐鋼中厚板和佳華焦化內各用戶焦爐煤氣用量計劃值和實際用量波動范圍情況如表3所示。各用戶焦爐煤氣用量較為穩定，唐鋼新區和唐鋼中厚板使用外購焦爐煤氣，用量缺口較大，受限嚴重。而佳華焦化由于其自身135 MW 發電機組設計限制，焦爐煤氣最大用量5.9×104m3/h，完全使用焦爐煤氣，機組所能達到的最大負荷只有80%。因此焦爐煤氣存在較大裕量和反送燃氣公司問題。

表3 唐鋼新區、唐鋼中厚板和佳華焦化焦爐煤氣用量狀況

因此充分考慮唐鋼新區、唐鋼中厚板和佳華焦化煤氣利用現狀，并兼顧周邊化工企業能源需求，整合優質能源，科學制定煤氣供需之間的平衡和共享策略，不僅對企業發展、降低能源消耗和改善環境都具有重要意義，也是區域應對能源緊張和環境治理的重要舉措。

2 唐鋼樂亭區域煤氣平衡措施

2.1 優勢互補，高效益生產

唐鋼新區、唐鋼中厚板和佳華焦化毗鄰，均處于唐山市樂亭經濟技術開發區，廠區邊界管線直線距離均小于1.0 km。因設計規范的一致性，三個廠區煤氣管網設計壓力均為50 kPa，其中高爐煤氣管道實際運行壓力6～15 kPa，焦爐煤氣管道實際運行壓力6～12 kPa，聯通管道壓力阻損約0.5 kPa，廠際間煤氣運行壓力匹配。管線相互連通后，在廠際入口近段均設置煤氣流量、壓力計量儀表，其中高爐煤氣流量儀表具備雙向計量功能，作為區域內各廠煤氣資源調度和用量結算依據。建成后，唐鋼樂亭區域煤氣資源共享網絡如圖1 所示，依托區域內多點位多用戶緩沖富裕高爐煤氣，提升高爐煤氣系統穩定性。同時使用高爐煤氣置換佳華焦化的焦爐煤氣，一方面使用高爐煤氣提升佳華焦化135 MW 發電機組負荷，減少其發電機組發電和焦爐加熱所消耗的焦爐煤氣。另一方面唐鋼新區和唐鋼中厚板球團、高爐和煉鋼等關鍵工藝使用佳華焦化的焦爐煤氣生產，實現焦爐煤氣零外購同時佳華焦化實現零放散和零反送。

圖1 唐鋼樂亭區域煤氣資源共享網絡圖

2.2 建立唐鋼樂亭區域燃氣調度中心，優化煤氣資源配置

唐鋼新區作為樂亭區域最大的高爐煤氣裕量輸出和焦爐煤氣需求廠區，是區域內的煤氣調度與平衡管理中關鍵，因此在唐鋼新區建立樂亭區域燃氣調度中心，對唐鋼新區、中厚板和佳華焦化行使公司級燃氣調度管理職能。區域調度原則為：各廠區應在不影響各自主產線用氣的基礎上，利用發電機組、焦爐煤氣外售等方式實現互補空缺，實現煤氣系統穩定且高效運行。

正常情況下，燃氣調度中心依據各廠生產計劃編制煤氣平衡方案，各廠按照平衡方案消耗區域內富裕煤氣。非正常情況下，一是如遇到大型煤氣用戶故障和檢修（含煤氣柜），由所在廠區向區域調度中心申請外送，由其他廠區主產線和發電機組消耗，直至放散。二是如遇到大型煤氣發生戶故障，由所區域內發電機機組按照35 MW、78 MW、80 MW、100 MW、135 MW 的先后順序減少用量緩沖主線用氣量，直至所在廠區管網保壓和恢復生產。

2.3 高效機組優先，能源利用最大化

佳華焦化135 MW、唐鋼新區100 MW 和唐鋼中厚板80 MW 均為超高溫亞臨界發電機組，唐鋼新區78 MW 和唐鋼中厚板35 MW 均為超溫超高壓機組，能源利用效率上存在較大差別［5］，超高溫亞臨界發電機組燃耗比超溫超高壓機組低0.42 m3/kW·h（高爐煤氣煤氣熱值3135 kJ/m3），執行“高效機組優先、高品質蒸汽優先”的富裕煤氣資源利用原則，高效機組優先高負荷運行，保證能源利用最大化，78 MW機組和35 MW 機組保持60%左右的負荷，保證一定的主線煤氣峰谷用量的緩沖高空間。

2.4 降低高爐煤氣峰谷用量起伏

加熱爐、熱風爐等高爐煤氣大用戶的集中使用或停用是打亂煤氣平衡的主要因素。唐鋼新區大用戶用量占總產氣量的波動范圍為30%～61%，唐鋼中厚板大用戶用量占總產氣量的波動范圍為40%～79%。因此，降低大用戶峰谷用量起伏對于提升整個高爐煤氣系統的穩定性至關重要。因熱風爐具備規律性大小燒特點，通過對熱風爐的大小燒時間進行了整體的安排，避免時間重疊，解決了因熱風爐大燒、小燒時間重疊引起的高爐煤氣峰谷用量波動。通過將唐鋼新區、唐鋼中厚板生產計劃進行整體安排，燃氣調度室與軋線控制室建立信息聯絡機制，科學合理安排緩沖發電機組的運行方式，計劃性工作早安排，突發性用能有預案，尋求煤氣需求和供應狀況最佳平衡點，確保發電機組穩定運行。

2.5 充分利用氣柜谷吸峰吐能力

煤氣柜可對煤氣系統的失衡起補償作用，一是可以儲存系統中的過剩煤氣，二是當系統中的煤氣不足時，保證生產線的正常運行。

唐鋼樂亭區域高爐煤氣管線連通后，高爐煤氣系統具備多點位多用戶的緩沖能力，并且具備30×104m3高爐煤氣一座，唐鋼中厚板無高爐煤氣柜問題得以解決，系統穩定性得以提升。同時燃氣調度室以“高柜容、低放散壓力；低柜容、高放散壓力”為原則，將高爐煤氣柜運行狀態與管網放散壓力進行了綜合考慮，并結合近期運行情況設定了如下的連鎖值（如圖2所示）。

圖2 唐鋼樂亭區域高爐煤氣柜容-放散壓力配置

唐鋼樂亭區域焦爐煤氣管線連通后，系統具備5×104m3焦爐煤氣柜1 座，10×104m3焦爐煤氣柜1座，具備充足的富裕焦爐煤氣緩沖空間，實現了焦爐煤氣系統的穩定運行。

2.6 用戶壓限原則和用量波動限制

高爐煤氣使用優先級分為四級，依次為：熱風爐＞燒結、球團＞煉鋼加熱爐＞發電機組等用戶。高爐煤氣不足時，首先保證高效機組運行，按照35 MW、78 MW、80 MW、100 MW、135 MW 的先后順序壓減區域內四級低效發電機組，發電機組降至最低負荷后升為二級用戶，四級用戶壓減完不能保證高爐煤氣供氣量時，依次壓減三級用戶、二級用戶、一級用戶。由于發電機組在高爐煤氣用量的調節上存在一定的滯后性，同時各產線存在突發大量用氣情況，故需對各用戶用量波動進行限制，故在區域內建立計劃用氣量機制，根據各廠區生產計劃規定用氣量范圍，避免因緩沖用戶反應不及時造成管網壓力波動和氣柜的劇烈升降起伏。

2.7 內利產出激勵

富余煤氣主要用于發電，各發電機組均具備焦爐煤氣摻燒能力，一方面用于鍋爐點火和穩燃，另一方面用于增加發電量。因焦爐煤氣價值較高，使用焦爐煤氣生產一度電的成本較使用高爐煤氣高50%左右。因此降低發電機組焦爐煤氣摻燒量，將其用于球團、高爐、煉鋼和外供化產加工等高價值產線需求。此外，通過獎勵減少放散量等經濟手段引導各單位向有利于煤氣平衡方向發展。激勵各單位積極探究節能降耗措施，提高煤氣利用效率，增加各單位的內利產出。

3 結論

唐鋼樂亭區域高爐煤氣、焦爐煤氣管線于2021年8 月聯通，通過采用優勢互補、集中調度、高效機組優先、降低高爐煤氣峰谷用量起伏、充分利用氣柜谷吸峰吐能力和內利產出激勵等措施，焦爐煤氣實現100%利用，高爐煤氣利用率提升至99.9%，區域內煤氣系統更加高效益生產和高質量發展。隨著鋼鐵企業進入“微利時代”，加強區域合作已然成為應對資源瓶頸和環境壓力的有效措施［6］。唐鋼樂亭區域煤氣平衡探究是在國家鋼鐵企業集群化背景下，對區域性煤氣資源利用和管理的典型事例，對鋼鐵企業進一步挖潛降本具有重要意義。