劉書文 歐 燕

（中冶南方工程技術(shù)有限公司 鋼鐵公司技術(shù)研究院，湖北 武漢430023）

1 概述

鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)消耗大量的煤炭等化石燃料，在冶煉的同時也產(chǎn)生大量的煤氣。如今，鋼鐵生產(chǎn)冶煉過程中產(chǎn)生的高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、焦爐煤氣回收利用技術(shù)在鋼鐵行業(yè)中已經(jīng)成熟運用，以往通常被放散的低熱值純高爐煤氣已經(jīng)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(zhuǎn)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(huán)境負荷。[1]

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

本文提出的鋼化聯(lián)合企業(yè)生產(chǎn)能源一體化智能管控系統(tǒng)思路，望能為促進鋼鐵企業(yè)優(yōu)化配置煤氣資源，發(fā)展非鋼鐵產(chǎn)業(yè)，合理調(diào)度鋼鐵與化工的生產(chǎn)節(jié)奏，提高鋼鐵企業(yè)能源利用率有所裨益。

2 解決方案

鋼化聯(lián)產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)能源一體化智能管控系統(tǒng)是一個全局性的生產(chǎn)能源管理系統(tǒng)，構(gòu)成覆蓋基礎(chǔ)自動化、過程監(jiān)控及管理三個功能層次，并建立數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)，完成監(jiān)測、控制、分析等各類應(yīng)用軟件。

該解決方案立足于既有的鋼鐵企業(yè)能源管理、預(yù)測及優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，并在此之上進行針對鋼化聯(lián)合企業(yè)生產(chǎn)能源高度耦合的特點進行的生產(chǎn)能源優(yōu)化調(diào)度的升級完善，以達到優(yōu)化能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少煤氣放散，保障化工生產(chǎn)的安全、穩(wěn)定運行，實現(xiàn)鋼鐵、化工產(chǎn)品最優(yōu)化生產(chǎn)的目的。

2.1 應(yīng)用架構(gòu)

系統(tǒng)自下而上分為四層：

基礎(chǔ)自動化層：采集實時數(shù)據(jù)；

數(shù)據(jù)層：存儲、壓縮、匯總基礎(chǔ)自動化層采集的實時數(shù)據(jù)以及從其它方式獲取的數(shù)據(jù)；

應(yīng)用支援層：使用全流程業(yè)務(wù)開發(fā)平臺提供對系統(tǒng)應(yīng)用的支持；

應(yīng)用層：系統(tǒng)的主要功能，包括：綜合監(jiān)控系統(tǒng)、基礎(chǔ)能源管理系統(tǒng)、生產(chǎn)能源一體化管控系統(tǒng)、能源動態(tài)預(yù)測模型、能源動態(tài)平衡與優(yōu)化調(diào)度。

2.2 基礎(chǔ)能源管控系統(tǒng)

2.2.1 數(shù)據(jù)采集及實時監(jiān)控

能源數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控功能是對企業(yè)的能源產(chǎn)耗數(shù)據(jù)、能源設(shè)施的運行信號、重要耗能設(shè)備的運行信號采集處理，實現(xiàn)能源信息的集中監(jiān)視和能源設(shè)備的遠程監(jiān)控的平臺。

能源實時監(jiān)控需做到對能源介質(zhì)產(chǎn)耗的能流監(jiān)視及平衡監(jiān)視，重要耗能設(shè)備的運行狀態(tài)、故障報警監(jiān)視以及能源公輔設(shè)施遠程監(jiān)控等。

2.2.2 基礎(chǔ)能源管理

基礎(chǔ)能源管理系統(tǒng)包含的主要功能有供需計劃管理，生產(chǎn)運行管理，能源實績管理，質(zhì)量管理和產(chǎn)耗分析；

能源供需計劃是依據(jù)企業(yè)生產(chǎn)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(fā)起過程；

能源生產(chǎn)運行管理是在企業(yè)生產(chǎn)過程中對能源調(diào)度和能源設(shè)備的運行進行記錄，是能源管理的執(zhí)行過程；

能源質(zhì)量管理是采集能源本身的質(zhì)量數(shù)據(jù)，為能源使用提供參考數(shù)據(jù)，是能源管理的跟蹤過程；

能源實績管理是采集能源的發(fā)生與消耗數(shù)據(jù)，為產(chǎn)耗分析提供基本數(shù)據(jù)，是能源管理的數(shù)據(jù)歸集功能；

能源產(chǎn)耗分析是結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)實績和能源產(chǎn)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(shù)據(jù)，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(zhí)行，從跟蹤到數(shù)據(jù)歸集，從分析再到指導計劃的閉環(huán)管理流程，能夠有效的集中能源管理和控制，優(yōu)化能源調(diào)度和運行，達到節(jié)能增效的管理目的。

2.3 生產(chǎn)能源一體化智能管控

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

化工的生產(chǎn)特性有：化工的連續(xù)生產(chǎn)不允許有頻繁、劇烈的工況波動，其生產(chǎn)產(chǎn)量最低也限制在機組能力的50%，同時，能源供給的不穩(wěn)定，尤其是蒸汽的供給波動，會造成機組設(shè)備的損壞。

由于以上生產(chǎn)與能源的耦合關(guān)系，造成化工生產(chǎn)對能源的需求，使得化工和焦爐不再是單純的生產(chǎn)單元，還起到能源轉(zhuǎn)換單元的作用。而在高爐、轉(zhuǎn)爐或焦爐生產(chǎn)出現(xiàn)檢修、突發(fā)事故時，如何在鋼鐵生產(chǎn)和化工生產(chǎn)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(lián)合生產(chǎn)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(lián)合生產(chǎn)能源一體化智能管控系統(tǒng)的設(shè)計思路為：從MES 的生產(chǎn)排程獲取生產(chǎn)計劃、檢修計劃，從各生產(chǎn)工序的MES 端口獲取突發(fā)的生產(chǎn)異常事件，按照高爐、轉(zhuǎn)爐、焦爐的計劃產(chǎn)量，利用預(yù)測模型獲取三種煤氣發(fā)生量，在保證能源平衡的前提下，綜合各類生產(chǎn)成品的利潤、銷售需求等因素，對化工產(chǎn)量、鋼材成品產(chǎn)量、鍋爐產(chǎn)汽量、發(fā)電量等進行優(yōu)化求解，給出生產(chǎn)調(diào)度和能源調(diào)度的指導性策略。

2.3.1 能源動態(tài)預(yù)測

能源動態(tài)預(yù)測功能依據(jù)各工序的能源應(yīng)用策略，結(jié)合生產(chǎn)計劃、檢修計劃、設(shè)備異常數(shù)據(jù)等，對能源的生產(chǎn)和消耗數(shù)據(jù)進行變負荷狀態(tài)下的短時預(yù)測，為能源介質(zhì)動態(tài)平衡分配和能源優(yōu)化調(diào)度提供理論數(shù)據(jù)支持。

預(yù)測模型包含的主要能源介質(zhì)有：電、煤氣、蒸汽。

各工序單元模型設(shè)計是基于機理、并具有參數(shù)自學習功能，該模型依據(jù)生產(chǎn)過程反應(yīng)機理建立產(chǎn)品產(chǎn)量與能源產(chǎn)耗的對應(yīng)關(guān)系，并利用歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行修正。

2.3.2 能源動態(tài)平衡與調(diào)度

能源動態(tài)平衡與調(diào)度模型是以給定生產(chǎn)、檢修計劃、系統(tǒng)狀態(tài)和能源介質(zhì)的預(yù)測結(jié)果等為前提條件，綜合考慮煤氣、蒸汽和電力各個子系統(tǒng)中能源產(chǎn)耗、儲存和轉(zhuǎn)換等單元設(shè)備的工藝約束，以及能源介質(zhì)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(chǎn)利潤最大化為目標，優(yōu)化分配軋材生產(chǎn)線、化工生產(chǎn)線、煤氣柜、加壓混合站、鍋爐、發(fā)電設(shè)備等的生產(chǎn)產(chǎn)量。

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

將鋼化企業(yè)能源系統(tǒng)用簡化的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)描述，其中包含兩類基本要素：能源介質(zhì)管網(wǎng)和與可調(diào)度的能源公輔設(shè)備對應(yīng)的單元模型。

傳統(tǒng)鋼鐵企業(yè)的主要副產(chǎn)煤氣有高爐煤氣、焦爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣，它們分別由高爐、焦爐和轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生。其中焦爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣作為生產(chǎn)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(zhì)的主管網(wǎng)上配備有對應(yīng)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(yè)蒸汽和發(fā)電子系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖。

由圖1 可見，鋼化聯(lián)合企業(yè)的蒸汽管網(wǎng)分為兩類：低壓蒸汽和高壓蒸汽。低壓蒸汽來源主要有轉(zhuǎn)爐、軋線等鋼鐵生產(chǎn)工藝的副產(chǎn)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(wǎng)。低壓蒸汽的主要用戶也是鋼鐵生產(chǎn)中的燒結(jié)、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(chǎn)生的高壓蒸汽、干熄焦和焦爐廢氣的余熱鍋爐產(chǎn)生的高壓蒸汽，并入高壓蒸汽管網(wǎng)，主要供化工使用，富余的高壓蒸汽可用來發(fā)電。參與生產(chǎn)能源動態(tài)平衡與調(diào)度的主要是高壓蒸汽。

另外，鋼化聯(lián)合企業(yè)的能源動態(tài)平衡與調(diào)度是區(qū)別于普通鋼鐵企業(yè)的。以往鋼鐵企業(yè)的能源平衡與調(diào)度是在保障生產(chǎn)能力的前提下，對能源使用與調(diào)度進行最優(yōu)化求解，以達到能源使用率最高、能源使用成本最經(jīng)濟的效果。鋼化聯(lián)合企業(yè)的生產(chǎn)能源平衡與調(diào)度將軋線生產(chǎn)單元、化工生產(chǎn)單元與能源管網(wǎng)統(tǒng)一考慮，對生產(chǎn)調(diào)度與能源使用綜合求解，優(yōu)化能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，充分利用二次能源，減少煤氣放散、蒸汽盲目生產(chǎn)，優(yōu)化外購電，保障化工生產(chǎn)的安全、穩(wěn)定運行，實現(xiàn)鋼鐵、化工產(chǎn)品最優(yōu)化生產(chǎn)，達到提高能源綜合利用效率，最終實現(xiàn)調(diào)度周期內(nèi)總的能源利用效益最高的目的。

圖1 典型鋼化企業(yè)蒸汽和發(fā)電子系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)應(yīng)用及前景

鋼化聯(lián)合為鋼鐵企業(yè)提供了一種循環(huán)經(jīng)濟耦合發(fā)展的模式，也為鋼鐵企業(yè)開辟了一片全新的業(yè)務(wù)領(lǐng)域和全新的投資渠道。這個新的領(lǐng)域和鋼鐵主業(yè)相互依托，相輔相成，既可以為企業(yè)增加產(chǎn)值利潤，又能夠提高企業(yè)抵抗周期風險的能力。除此之外，鋼化聯(lián)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(lián)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(yè)耦合、企業(yè)綠色發(fā)展、創(chuàng)造循環(huán)經(jīng)濟效益的參考思路。

鋼化聯(lián)合企業(yè)生產(chǎn)能源一體化智能管控系統(tǒng)可通過人工輸入噸鋼利潤、化工產(chǎn)品利潤、生產(chǎn)產(chǎn)品等級排序、指定產(chǎn)品產(chǎn)量等先決條件，對鋼化企業(yè)的生產(chǎn)及能源調(diào)度進行短期的預(yù)測及優(yōu)化調(diào)度模擬，給出優(yōu)化后的生產(chǎn)產(chǎn)量及對應(yīng)利潤，對能源公輔設(shè)施的生產(chǎn)調(diào)度提出合理建議，并可以建立緊急生產(chǎn)聯(lián)絡(luò)信息平臺，在應(yīng)急狀態(tài)下，給出調(diào)度指導策略。

該管控系統(tǒng)可在檢修情況下計算各工序產(chǎn)能，并根據(jù)模型內(nèi)定義的不同檢修狀態(tài)下的煤氣使用規(guī)則，給出生產(chǎn)、能源調(diào)度的調(diào)整步驟規(guī)程；或于鋼材成品及化工產(chǎn)品價格發(fā)生變化時，計算出最經(jīng)濟的產(chǎn)品生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，為生產(chǎn)管理及生產(chǎn)調(diào)度人員提供指導；同時也可成為各工序、產(chǎn)線生產(chǎn)能力匹配過程中的綜合成本核算工具。