王璇 楊浩澤 施燦濤
能源作為鋼鐵企業(yè)重要的資源消耗,在生產(chǎn)成本中占有較大的比重,作為鋼鐵企業(yè)二次能源的燃氣,能源成本比例高達30%以上。一直以來,我國鋼鐵企業(yè)能源消耗與德、美、英、法、日等發(fā)達國家相比仍存在較大的差距。企業(yè)能源浪費現(xiàn)象嚴重,環(huán)保壓力日趨加大。針對我國鋼鐵行業(yè)能耗高、污染嚴重、能源設備維護成本高等痛點,在保證企業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定運行的前提下,通過燃氣預測與優(yōu)化調(diào)度,企業(yè)可以實現(xiàn)合理用能,減少燃氣放散,防止環(huán)境污染和能源浪費,有效降低企業(yè)二次能源成本,提高燃氣綜合利用率。因此,加強燃氣預測與優(yōu)化調(diào)度已成為企業(yè)節(jié)能增效的主攻方向。
現(xiàn)狀分析
目前,鋼鐵企業(yè)燃氣管理方面主要存在的問題及具體分析如下:
1.儀表數(shù)量多,計量誤差大。
鋼鐵企業(yè)燃氣從產(chǎn)生、傳輸、存儲、交換、消耗等過程,經(jīng)過管網(wǎng)、煤氣柜等,流程較為繁瑣和復雜,各個環(huán)節(jié)的計量儀表數(shù)量較多,計量儀表數(shù)量達千臺以上;部分儀表計量精度不夠導致計量不準;計量總表與分表之間存在誤差,有的誤差率高達10%~20%;通過采集系統(tǒng)采集上來的儀表數(shù)據(jù)信息還需要能源部門進行二次修正。計量的誤差和人為干預導致能源數(shù)據(jù)信息不準確、不及時,不能為各生產(chǎn)工序的成本核算、單體設備產(chǎn)能、用能優(yōu)化提供準確的基礎數(shù)據(jù)支撐。
2.影響因素多,預測難度大。
在實際生產(chǎn)過程中,燃氣的供需隨著生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)實際和檢修計劃等變化的影響,燃氣的產(chǎn)生與消耗量也隨之動態(tài)波動;異常情況下(如高爐全部停爐)也會造成燃氣的產(chǎn)生和消耗出現(xiàn)巨大的波動。同時,燃氣的產(chǎn)生和耗用的各個環(huán)節(jié)影響因素較多,以高爐熱風爐為例,單個熱風爐預測煤氣消耗量的影響參數(shù)包括各種狀態(tài)、壓力、溫度、流量等,眾多的影響因素增加了燃氣預測的難度。
3.人為干預多,優(yōu)化局限性大。
由于鋼鐵企業(yè)業(yè)務信息化建設各成體系,與能源相關的業(yè)務系統(tǒng)之間缺乏有效溝通,集成性差。一些用能單元之間存在信息壁壘,導致信息傳遞不順暢、不及時,人機協(xié)同能力差,尚未形成用能單元間的高效信息共享和協(xié)同機制,導致燃氣調(diào)度人為干預較多,主要依靠人工經(jīng)驗計算完成用以指導能源預測、平衡、調(diào)度,在問題大小、約束條件、優(yōu)化程度等方面存在很大的局限性。
解決思路
針對一些鋼鐵企業(yè)存在的上述現(xiàn)狀,燃氣預測與優(yōu)化調(diào)度的實現(xiàn)建議從3個方面開展:
1.梳理基礎信息,夯實基礎工作。
?。?)梳理儀器儀表。
對鋼鐵企業(yè)所有與燃氣相關的計量儀表進行查漏補缺,找出計量不準或老化的儀表進行更新、升級改造,實現(xiàn)重要計量儀表數(shù)據(jù)的自動采集,同時加強計量儀表的日常維護管理,對計量儀表定期進行檢定和維護,將能源計量的輸差率控制在產(chǎn)能和用能雙方約定的范圍內(nèi)。
(2)梳理燃氣用戶。
對鋼鐵企業(yè)所有與燃氣相關的用戶,按對生產(chǎn)影響的重要程度、產(chǎn)氣量和用氣量等進行分類,可分為4種類別:一是產(chǎn)氣用戶:主要是燃氣的產(chǎn)生單元,如高爐、焦爐、轉爐等。二是存儲用戶:包括高爐煤氣柜、焦爐煤氣柜、轉爐煤氣柜等,每種煤氣柜的柜容有上下限約束,通過柜容可以判斷各種燃氣的使用量是否充足。三是消耗用戶:主要是燃氣的使用單元,如高爐熱風爐、熱軋加熱爐等。按可使用燃氣的類別、耗氣量多少、耗氣量受外界影響大小等因素進行分類管理,比如高爐熱風爐占高爐煤氣產(chǎn)量約40%,且耗氣量受外界影響因素較多,屬于比較重要的剛性用戶。四是調(diào)節(jié)用戶:主要是燃氣的調(diào)節(jié)單元。為保證燃氣生產(chǎn)、消耗平衡,該類用戶在指定生產(chǎn)任務條件下,可采用不同組合和配比的方式,對燃氣的生產(chǎn)、消耗進行調(diào)整。
(3)梳理燃氣流向。
要想做好燃氣預測和優(yōu)化調(diào)度,必須要清楚燃氣的來龍去脈,燃氣從哪里來,通過什么傳遞,存儲在哪里,消耗在哪里?
2.理清前提條件,確認平衡原則。
?。?)理清影響因素。
燃氣生命期中的生產(chǎn)、消耗、儲存都會受到多種因素影響,在做燃氣預測優(yōu)化調(diào)度之前要理清各種燃氣的影響因素,并對影響因素進行分類、綜合排序,對燃氣產(chǎn)生和消耗的影響程度有針對性地制訂優(yōu)化模型。以高爐熱風爐為例,其影響因素分為3種:一是內(nèi)部影響因素:正常生產(chǎn)情況下,高爐熱風爐煤氣消耗量的影響因素包括熱風爐狀態(tài)、冷風閥狀態(tài)、煙道溫度、拱頂溫度、圍管溫度、熱風流量、助燃空氣溫度、助燃空氣流量。二是外部影響因素:如區(qū)域政策性限產(chǎn)、北方鋼鐵企業(yè)冬天采暖季。三是異常情況:如高爐(包括對應的熱風爐)全部停爐、大規(guī)模停電,造成燃氣消耗出現(xiàn)大波動,短期內(nèi)表現(xiàn)為不平衡狀態(tài)。
?。?)理清約束條件。
在燃氣優(yōu)化調(diào)度過程中,會受到各種約束條件的限制。因此,要弄清楚各種約束條件及約束范圍。具體約束分為5種:一是平衡約束:包括產(chǎn)生、存儲、消耗變化量之間的平衡,以及熱能與電能相互轉化之間的平衡。二是操作約束:生產(chǎn)過程中,產(chǎn)線上與能源相關設備的操作規(guī)范,輸入和輸出量的上下限要求。三是能量約束:用戶(單一燃氣用戶、混合燃氣用戶)對于燃氣的產(chǎn)生量和使用量、配比、熱值等限制在符合生產(chǎn)需求的范圍內(nèi)。四是優(yōu)先級約束:燃氣供應順序滿足不同優(yōu)先級的用戶需求。五是關聯(lián)約束:不同產(chǎn)能或用能設備之間的具體約束以及用于對外供應時的某些特定約束。
?。?)明確平衡原則。
燃氣平衡原則主要保證燃氣的發(fā)生量和各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的用氣量之間的平衡,對所產(chǎn)出的燃氣全部回收利用,既保證燃氣不會因為富裕而進行放散,也不會因為供應不足而需要額外購買。因此,鋼鐵企業(yè)需要充分發(fā)揮煤氣柜的緩沖作用和管網(wǎng)的壓力調(diào)節(jié)作用,盡可能保持煤氣柜或管網(wǎng)的穩(wěn)定,防止設備的損耗,減少燃氣的放散和不足的風險。
燃氣的具體平衡原則分為靜態(tài)平衡和動態(tài)平衡:
靜態(tài)平衡:CCPP和自備電站作為調(diào)節(jié)用戶,燃氣在滿足生產(chǎn)過程的用氣條件下,富裕燃氣可供CCPP和自備電站使用。在正常生產(chǎn)情況下,燃氣不放散。
動態(tài)平衡:在實際生產(chǎn)運行過程中,燃氣生產(chǎn)和消耗量會出現(xiàn)波動,導致燃氣供應和燃氣消耗都在動態(tài)變化,能源調(diào)度根據(jù)生產(chǎn)實際情況對波動進行判斷,針對不同類型的波動選擇合適的調(diào)度策略,并指導各用戶及時調(diào)整,實現(xiàn)動態(tài)平衡。
3.找出優(yōu)化環(huán)節(jié),實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度。
?。?)找出優(yōu)化環(huán)節(jié)。
根據(jù)燃氣流向、影響因素、用戶類別、用氣特點等因素和約束條件,結合企業(yè)生產(chǎn)實際情況(包括燃氣歷史的生產(chǎn)、消耗),找出所有的燃氣優(yōu)化點,考慮優(yōu)化的難度和可操作性,對所有優(yōu)化點進行綜合排序。以高爐煤氣為例,熱風爐和熱軋對高爐煤氣影響最大,因此,可以將熱風爐均衡燃燒和熱軋質(zhì)量控制作為重點優(yōu)化環(huán)節(jié)。同時,設定優(yōu)化目標,以便于對優(yōu)化結果進行對比分析和評估改進。
(2)建立模型算法。
針對可優(yōu)化的環(huán)節(jié),選取相應的模型算法。因此,在產(chǎn)生與消耗預測的基礎上,充分考慮影響因素、約束條件、平衡原則,采用遺傳、粒子群優(yōu)化等智能優(yōu)化算法進行優(yōu)化求解以實現(xiàn)優(yōu)化目標。
(3)打通系統(tǒng)壁壘。
燃氣預測與優(yōu)化調(diào)度需要與企業(yè)內(nèi)多個信息系統(tǒng)(如能源系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、產(chǎn)銷系統(tǒng))產(chǎn)生信息交互(如生產(chǎn)計劃、歷史數(shù)據(jù)、檢修計劃)。因此,需要將其與關聯(lián)系統(tǒng)打通,保證數(shù)據(jù)及時準確交互的同時,要充分考慮與之關聯(lián)系統(tǒng)的安全性,避免對其他業(yè)務系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生負面影響。
結 論
通過上述方法的運用,保證鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)穩(wěn)定運行的情況下,可有效降低人工勞動強度,避免人為誤差,減少用能安全隱患;調(diào)度人員可以準確掌握產(chǎn)能和耗能數(shù)據(jù)及變化趨勢并及時下達調(diào)度指令,提升調(diào)度效率,實現(xiàn)能源管理全局最優(yōu)化;可減少燃氣放散造成的浪費,增加發(fā)電量,提高燃氣綜合利用效率,有效降低企業(yè)能源成本,對于鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排和綠色可持續(xù)發(fā)展意義重大。