盧元春，朱新雄

（山東萊鋼永鋒鋼鐵有限公司動力能源部，山東德州 251100）

引言

制氧生產(chǎn)系統(tǒng)的負荷調(diào)節(jié)，必須適配后續(xù)用戶的氧氣、氮氣介質(zhì)的動態(tài)耗量變化。對于鋼鐵企業(yè)來說，煉鋼轉爐吹煉是間斷式用氧，而高爐富氧的消耗一般是比較穩(wěn)定的，但隨爐況的變化也存在耗量增加或降低，造成供耗不平衡。因此，在考慮氧氣生產(chǎn)負荷變化時，主要跟蹤高爐富氧量以及煉鋼的吹煉節(jié)奏，計算每爐次鋼產(chǎn)量及耗氧量；統(tǒng)計計算某段時間的氧氣平均耗量，作為對制氧機組調(diào)節(jié)的依據(jù)進行人為干預，進行綜合平衡。人為調(diào)節(jié)存在調(diào)節(jié)滯后、精準度低，造成氧氣時有放散或管網(wǎng)壓力偏低影響后續(xù)生產(chǎn)。通過開發(fā)氧氣負荷智能預測系統(tǒng)，將制氧機組的產(chǎn)能變化，變?yōu)檎{(diào)節(jié)氧氣外供能力的靈活適應手段。此程序的開發(fā)主要從球罐的容積、用戶的消耗量變化，管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定，以及制氧機組生產(chǎn)系統(tǒng)可調(diào)節(jié)負荷范圍進行綜合分析，制定具體的邏輯和算法，結合以往人工精準成功調(diào)節(jié)經(jīng)驗和方法，匯集成負荷預測系統(tǒng)。系統(tǒng)建立后，將對氧氣產(chǎn)、耗平衡進行自動預測，精確指揮，及時準確地對制氧機組進行加、減負荷操作，最大限度地發(fā)揮出球罐的緩存能力，同時減少氧氣放散和降低能源消耗。

1 制氧機組面臨的氧氣負荷變化環(huán)境及煉鋼生產(chǎn)情況

山東萊鋼永鋒鋼鐵有限公司動力能源部制氧車間共配置5 套制氧機組，分別是內(nèi)壓流程10 000 m3/h制氧機組2套，外壓流程20 000 m3/h制氧機組3套，設計總產(chǎn)能為80 000 m3/h。適配后續(xù)5 座高爐及4 座轉爐的生產(chǎn)用氧。高爐富氧總耗量平均為4.2 萬～4.3 萬m3/h，基本處于平穩(wěn)消耗狀態(tài)，對于制氧機組的生產(chǎn)負荷調(diào)節(jié)比較容易應對。永鋒煉鋼廠配套一煉鋼1#、2#轉爐均為60 t，二煉鋼3#、4#轉爐均為120 t，每個冶煉爐次基本在28～30 min。吹煉過程中，經(jīng)常出現(xiàn)2 座或2 座以上同時吹煉、同時停吹的情況，4 座轉爐同步吹煉的情況也每天都在發(fā)生。這對于氧氣調(diào)壓站的供應能力和球罐緩存能力是一個挑戰(zhàn)。當前永鋒制氧配置2個氧氣調(diào)壓站、8 臺球罐，分別為4 臺1 000 m3氧氣球罐和1 臺650 m3氧氣球罐，以及1 臺1 000 m3氮氣球罐和2 臺650 m3氮氣球罐，基本滿足煉鋼和煉鐵的氧氣供應和緩存需要。2019 年經(jīng)過降本挖潛和升級改造，新建設1 套20 000 m3/h 制氧機組，氧透由原設計中壓改為低壓氧透，一是降低了調(diào)壓站的送氧壓力，二是降低了電能損耗，低壓氧透直接并網(wǎng)至調(diào)壓站后低壓富氧管道。

二煉鋼轉爐同步吹煉期間、一般球罐壓力下降幅度在0.24 MPa 左右。但遇上與一煉鋼同步吹煉的時候，氧氣球罐壓力下降幅度最大可達0.36 MPa，導致球罐壓力短時間內(nèi)下降至允許范圍以下，必須投用備用液氧汽化系統(tǒng)，方能滿足煉鋼生產(chǎn)需要，對制氧車間成本造成極大浪費。液氧產(chǎn)品屬于優(yōu)質(zhì)高附加值產(chǎn)品，汽化后用于管網(wǎng)屬于高質(zhì)低用，因此應避免或減少液氧汽化。

煉鐵高爐系統(tǒng)，出現(xiàn)因爐況波動或突然休風造成的富氧量變化，有時也會造成球罐壓力異常升高及氧氣放散的情形，遇上定修也會出現(xiàn)單、雙爐同時停爐，甚至3爐及以上的極端停氧情況，氧氣放散就不可避免。因高爐的異?；蚨ㄐ迺殡S鐵水量下降，進而造成轉爐吹煉節(jié)奏的減緩或停爐，氧氣耗量的減少就會進一步疊加，導致球罐壓力偏高，氧氣大量放散，除調(diào)整氧氣負荷外，有時必須停運某一套制氧機組來平衡。另一種情形，由于鐵水計劃產(chǎn)量的提升以及高爐爐況的順行，增加富氧耗量也時有發(fā)生，需要大大增加氧氣生產(chǎn)單位的供氧能力。

開發(fā)氧氣負荷的智能預測，指導崗位操作調(diào)整，可有利于解決上述供需矛盾

2 氧氣負荷智能預測

2.1 氧氣負荷預測建模

根據(jù)用戶的氧氣耗量歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，找出規(guī)律。首先建立表格版的模型，計算一段時間來5個高爐、4 個轉爐各自的小時平均耗氧量，作為預測使用的基礎數(shù)據(jù)；同時制定規(guī)則確定出球罐壓力允許的最低和最高數(shù)值，作為球罐緩存數(shù)據(jù)使用；統(tǒng)計出所有制氧機組總的氧氣產(chǎn)量及制氧機組最大及最低產(chǎn)量負荷，作為制氧機組的產(chǎn)量負荷數(shù)據(jù)，以此產(chǎn)量負荷數(shù)據(jù)為基準，編制預測計算公式。在電子表格中對應位置輸入公式，便于預測數(shù)據(jù)的自動生成。

外部影響因素的考慮是預測建模的關鍵。高爐、轉爐的定修信息機制的建成，有利于數(shù)據(jù)建模的生成和完善。項目初期，可利用轉爐定修計劃表與調(diào)度信息進行結合，確定停止用氧的爐次，準確了解定修時間或停氧時間段，可計算出定修時間段內(nèi)從始至終球罐壓力變化幅度及實時的數(shù)值，幫助操作人員判斷外供量變化，進而可以準確調(diào)整制氧機組的產(chǎn)能。

此時，可能存在兩種情況：一是定修時間段內(nèi)，球罐壓力未達到允許最高值；二是球罐壓力超過允許最高值。對不同預測結果需要采取不同的應對方式，當預測結果為第一種情況時，制氧機組不需要進行調(diào)整，維持現(xiàn)狀即可；當預測結果為第二種情況時，制氧機組需要降負荷操作。

降負荷操作又分為兩種情況：一是單純的降低制氧機組產(chǎn)量，是一種短時間臨時性操作行為；二是全流程降負荷操作，即從空壓機到分餾塔、再到氧透的全流程操作，降負荷操作過程中需要注意防止氬系統(tǒng)發(fā)生氮塞事故。降負荷操作步驟是反向操作，也就是先氧透，再到分餾塔，最后降低空氣壓縮機負荷，這樣可以保證分餾塔系統(tǒng)工況穩(wěn)定，氧、氮產(chǎn)品及液氬產(chǎn)品質(zhì)量影響最小。

2.2 建立軟件模型，確定預測算法

數(shù)據(jù)建模完成后試運行，驗證預測結果。在模型中預留時間輸入，對應高爐或轉爐定修停爐時間，系統(tǒng)自動得出定修時間末期的預測結果。因此基于此種思路，在軟件設計中，將定修時間列為輸入項或定義為預測干預項。同時軟件設計至少具備4大功能模塊，分別為：基礎功能、智能預測功能、輔助功能、數(shù)據(jù)實施監(jiān)控功能，做到安全應急預警和處置功能。

（1）軟件的基礎功能：動態(tài)監(jiān)視并跟蹤所有制氧機組的氧氣產(chǎn)量、液氧汽化量、氧氣純度等的實時曲線和數(shù)值，展示氧氣球罐壓力數(shù)值跟蹤及變化曲線。展示氧氣所有用戶（5個高爐、4臺轉爐）的實時用量曲線及數(shù)值，可方便使用者及時掌握氧氣產(chǎn)、供、耗的實時變化。系統(tǒng)自動計算氧氣用戶在特定時間段（如1 h、2 h、4 h、8 h）的平均氧氣耗量，并與氧氣供量、實時氧氣產(chǎn)量進行對比，判斷耗量與產(chǎn)能是否匹配。

系統(tǒng)借助定修或停爐時間的輸入單元，自動計算球罐緩存數(shù)據(jù)空間，來預測氧氣產(chǎn)能需調(diào)整的數(shù)據(jù)，并給出所有5 套制氧機組的產(chǎn)能調(diào)整方向或預測調(diào)整數(shù)據(jù)值。然后系統(tǒng)自動生成產(chǎn)量與耗量的兩條預測曲線和實時曲線，以及氧氣球罐實時變化曲線及預測曲線。當預測線與實時線無限接近時，可認為匹配最佳。操作人員通過觀察兩條線之間距離，可直觀判斷產(chǎn)、耗量是否匹配。當兩條曲線無限接近時，可認為操作最佳。

（2）軟件智能預測功能：當后續(xù)系統(tǒng)出現(xiàn)停爐中斷用氧時，對氧氣產(chǎn)能系統(tǒng)進行預測。分為多種情況進行預測和計算：如高爐系統(tǒng)的單停、雙停、三停等停爐模式的氧氣消耗變化規(guī)律；轉爐系統(tǒng)的單停、雙停等停爐模式的氧氣消耗變化規(guī)律；以及高爐與轉爐同步停爐的組合停爐方式進行歸類和計算。系統(tǒng)自動分別計算出各種情況下的耗量變化，球罐壓力的預測，并智能化給出操作人員氧氣產(chǎn)能的調(diào)整建議。

當制氧自身系統(tǒng)出現(xiàn)設備跳機，對制氧產(chǎn)能造成影響時，系統(tǒng)可對制氧產(chǎn)能變化發(fā)出預警提醒，預測曲線給出明確預測變化趨勢，并顯示提醒信息窗口。氧氣缺口數(shù)值，需投用汽化器，并根據(jù)球罐壓力當前數(shù)據(jù)，自動給出需要的汽化建議，以維持氧氣供應。氧氣缺口與氧氣產(chǎn)能通過實時及預測曲線進行展示。操作人員可根據(jù)此信息向調(diào)度進行匯報，通過調(diào)度系統(tǒng)對富氧量做出人為調(diào)整和干預，以維持球罐壓力，保證煉鋼生產(chǎn)用氧。根據(jù)制氧機組的配置，系統(tǒng)對制氧機組跳機或定修停機的方式進行分類，制氧機組單?；蚨嗤７绞椒謩e進行產(chǎn)能計算，在系統(tǒng)預測曲線中表現(xiàn)出來，同時對球罐壓力進行預測，方便后續(xù)氧氣用戶的生產(chǎn)組織。

（3）軟件系統(tǒng)的輔助功能：一是設備報警及應急處置功能。主要是對制氧機組各主要設備運行信號采集并跟蹤（如增壓機、膨脹機、高壓氧泵、氧透、氮透、汽拖空壓機、循環(huán)水泵等），當設備出現(xiàn)故障跳機時，系統(tǒng)實時監(jiān)測到后發(fā)出報警，并提示操作人員正確的應急處置步驟，提高應急處置效率，最大限度降低損失。二是安全預警功能。系統(tǒng)自動采集直接影響制氧系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關鍵工藝參數(shù)，如各機組空冷塔出口溫度、分子篩出口溫度、二氧化碳含量、水池水位、水壓、蒸汽壓力、空氣壓力、球罐壓力、儲槽液位等關鍵參數(shù)，后臺生成實際運行曲線，供操作人員和管理人員調(diào)用分析。另外系統(tǒng)還需重點采集各制氧機組安全運行參數(shù)，如主冷總碳含量、冷箱密封氣壓力、冷箱密封氣氧含量、基礎溫度、主冷液位、儲槽夾層壓力、儲槽內(nèi)筒壓力、液氧泵軸承溫度、汽化器出口溫度等參數(shù)，并生成歷史曲線、記錄數(shù)值。當運行數(shù)據(jù)偏離超過允許范圍時，系統(tǒng)自動發(fā)生報警，提醒做好安全措施。

（4）數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控功能：主要通過DCS 系統(tǒng)與能源網(wǎng)實時監(jiān)控系統(tǒng)相結合，采用數(shù)據(jù)關口獲取必要的監(jiān)控，并自動生成歷史曲線和報警信息。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊單元：全部數(shù)據(jù)通過面向對象的工業(yè)自動化數(shù)據(jù)采集協(xié)議OPC 進行現(xiàn)場采集，以確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場過程控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)一致?，F(xiàn)場采集的原始數(shù)據(jù)進入MySQL 數(shù)據(jù)庫，進行數(shù)據(jù)整理和篩選，通過數(shù)據(jù)回溯、動態(tài)規(guī)劃對氧氣的預測消耗量進行實時計算，然后與各機組實際產(chǎn)量進行比對，進而得出各機組的負荷調(diào)整幅度數(shù)據(jù)，最后通過AF SDK 建立PI System 數(shù)據(jù)管理管道，通過對數(shù)據(jù)點變化事件的狀態(tài)進行監(jiān)控，主動進行數(shù)據(jù)推送。

數(shù)據(jù)的獲取與處理：使用PI AF 進行數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)點位信息轉換為數(shù)據(jù)資產(chǎn)模型，可以較方便地調(diào)整相關點位數(shù)據(jù)。

實時數(shù)據(jù)推送服務采用AF SDK 建立PI System數(shù)據(jù)采集管道，然后通過對數(shù)據(jù)點變化事件的狀態(tài)進行監(jiān)控，主動進行數(shù)據(jù)推送。數(shù)據(jù)推送采用EMQ2.0作為MQTT消息服務器。

歷史數(shù)據(jù)查詢服務采用PI 本身自帶的API 服務進行查詢。Web API服務用于處理系統(tǒng)基本操作業(yè)務，采用Restful風格建立url請求，包括數(shù)據(jù)查詢、參數(shù)修改等業(yè)務。

Socket 服務用于接收實時數(shù)據(jù)服務傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并與Web頁面建立Socket通訊，將實時數(shù)據(jù)推送到Web頁面。

數(shù)據(jù)修訂系統(tǒng)/模塊：為防止數(shù)據(jù)失真，系統(tǒng)利用生產(chǎn)計劃輸入單元模塊，主要對煉鐵五臺高爐、煉鋼四座轉爐的停產(chǎn)計劃進行人為輸入。當系統(tǒng)傳輸未能自動接收到高爐、轉爐的停爐計劃時，本單元模塊通過人工輸入可進行修正，確保預測結果的準確性和可執(zhí)行性。

另外，系統(tǒng)通過捕捉高爐耗氧量的變化、轉爐吹煉時間間隔時長，進行判斷其節(jié)奏是否發(fā)生變化，給出節(jié)奏變化的預警信息。同時系統(tǒng)對節(jié)奏變化按照預先設定當前時間點前2 h 的加權平均值判斷后2 h的變化幅度，計算預測壓力。

3 氧氣負荷智能預測系統(tǒng)的上線運行及效果驗證

建立智能預測系統(tǒng)模型，確立預測算法后，由公司IT 工作人員進行編程，逐步實現(xiàn)以上功能。軟件的編程首先建立基于調(diào)度系統(tǒng)的日生產(chǎn)計劃作為輸入模型，計算出各用戶的氧氣消耗數(shù)據(jù)；建立基于制氧機組總生產(chǎn)負荷平穩(wěn)調(diào)節(jié)的預測輸出模型。在模型算法中建立應遵守的基本原則：球罐壓力按照兩級控制算法，當氧氣球罐壓力預測超出1.5～2.0 MPa 區(qū)間時報警，預測超出1.45～2.3 MPa 區(qū)間時系統(tǒng)將自動給出投用汽化或調(diào)節(jié)制氧機組負荷建議。

預測系統(tǒng)分為歷史及實時曲線生成、用戶生產(chǎn)節(jié)奏監(jiān)控、制氧機組生產(chǎn)節(jié)奏監(jiān)控、預測報警部分、預測建議部分等。曲線部分包括：用戶消耗數(shù)據(jù)實時監(jiān)控及預測、球罐壓力實時監(jiān)控及預測曲線、生產(chǎn)負荷數(shù)據(jù)實時監(jiān)控及需求預測。用戶生產(chǎn)節(jié)奏部分包括：煉鋼生產(chǎn)節(jié)奏及數(shù)據(jù)監(jiān)控、高爐生產(chǎn)節(jié)奏及消耗數(shù)據(jù)監(jiān)控。制氧機組生產(chǎn)節(jié)奏部分包括所有制氧機組產(chǎn)量實時監(jiān)控、汽化量監(jiān)控、儲槽液位監(jiān)控等。預測報警部分包括安全保障監(jiān)控報警、設備運行報警，以及報警創(chuàng)建時間等；預測建議部分包括：歷史平均、預測平均、生產(chǎn)負荷建議內(nèi)容等。

4 系統(tǒng)運行效果

系統(tǒng)上線需要經(jīng)過數(shù)據(jù)上傳、系統(tǒng)試運行、調(diào)試再完善、復盤驗收、正式投運等環(huán)節(jié)。自該系統(tǒng)在永鋒鋼鐵有限公司制氧廠上線運行以來，對于生產(chǎn)指導、調(diào)度帶來極大的方便，實現(xiàn)了調(diào)度生產(chǎn)從模糊調(diào)度到量化調(diào)度，精確調(diào)度的轉變，生產(chǎn)成本和氧氣放散得到了良好的控制。氧氣放散率從軟件上線之前的4%～5%，下降至當前的3.1%～3.5%。當氧氣出現(xiàn)放散時，從氧透出口放散閥開度記錄曲線看，放散閥開度從原來放散時最大開度45%下降至5%～10%。球罐壓力處于系統(tǒng)1.5～2.0 MPa的時間段由16 h/d左右增加至22 h/d左右,超出1.45～2.3 MPa的時間段下降至1.5～2 h/d。換句話說，就是氧氣球罐壓力處于最佳允許范圍之內(nèi)，氧透機組恰好處于經(jīng)濟運行區(qū)間，壓縮機電流很好地控制在額定電流的88.7%～98.8%之間。

5 結束語

氧氣負荷調(diào)節(jié)與穩(wěn)定供應，是高爐和轉爐穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的最根本保證；降低氧氣放散率是最大限度減少浪費，降低成本的措施。

氧氣負荷智能預測系統(tǒng)具有廣泛的推廣價值，尤其適合用戶氧氣耗量變化劇烈、用氧不均衡的中、大型企業(yè)。有利于實現(xiàn)制氧生產(chǎn)系統(tǒng)的精準調(diào)節(jié)，減少氧氣放散浪費，降低生產(chǎn)成本，提高管理效益。對氣體公司總調(diào)度系統(tǒng)來說，本系統(tǒng)將彌補生產(chǎn)組織管理方面的不足。