關(guān)鍵詞：一鍵綠色運轉(zhuǎn)；機組預(yù)測；產(chǎn)線優(yōu)化；基地平衡；預(yù)測控制；工藝參數(shù)優(yōu)化；間隙式生產(chǎn)

0 引言

鋼鐵工業(yè)是典型的資源能源密集型流程工業(yè)，我國鋼鐵工業(yè)CO2排放占全國CO2排放總量的15%左右，占全球總排放量的5%～7%，如何實現(xiàn)在相同產(chǎn)量、質(zhì)量的前提下以最優(yōu)能耗生產(chǎn)，是各鋼鐵企業(yè)探索的主題。當(dāng)前寶武集團正著力推進冶金工藝流程極致能效提升，打造低碳冶金原創(chuàng)技術(shù)策源地，熱軋極致能效解決方案是工序極致能效提升的探索與實踐。

1 熱軋生產(chǎn)能源現(xiàn)狀

熱軋生產(chǎn)能源介質(zhì)及消耗見圖1，加熱爐煤氣消耗占比最大達85.12%，其次為軋線、水處理、精整、煤氣站、空壓站的電耗占比為26.56%，第三為蒸汽回收貢獻約11.85%（抵扣），其他如工業(yè)水、純水、氧氣、氮氣合計占比0.17%。

寶武集團各熱軋產(chǎn)線噸鋼電耗見圖2（2022年2月數(shù)據(jù)）。目前，我國鋼鐵企業(yè)熱軋產(chǎn)線噸鋼電耗與國外（日本）先進水平相比，有10%～15%的差距，大部分熱軋產(chǎn)線仍有較大的節(jié)電空間。

2 解決方案系統(tǒng)架構(gòu)及功能

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

熱軋極致能效解決方案系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖3，分為基礎(chǔ)設(shè)施、機組預(yù)測、產(chǎn)線優(yōu)化及基地平衡4個層次，分別從不同的維度提升熱軋產(chǎn)線能效。

2.2 功能說明

基礎(chǔ)設(shè)施：通過使用高效電氣設(shè)備、裝置調(diào)速改造、基于生產(chǎn)計劃的“一鍵綠色運轉(zhuǎn)”等，實現(xiàn)設(shè)備精細(xì)化能源管控。

機組預(yù)測：基于工藝模型及生產(chǎn)計劃，對主軋機電動機溫升、除鱗壓力、層流水量、加熱爐爐溫等進行預(yù)測，開發(fā)預(yù)測控制模型，按軋制規(guī)格、生產(chǎn)節(jié)奏所需提供必要的風(fēng)量、壓力、水量、空燃比，實現(xiàn)基于預(yù)測模型的最優(yōu)控制，使機組能效最優(yōu)。

產(chǎn)線優(yōu)化：基于能耗預(yù)測優(yōu)化系統(tǒng)、材質(zhì)性能預(yù)測系統(tǒng)等，優(yōu)化產(chǎn)品制造過程參數(shù)，如加熱爐出爐溫度、中間坯厚度、軋制負(fù)載均衡等，實現(xiàn)軋線全局能耗最優(yōu)。

基地平衡：匯聚能耗數(shù)據(jù)，進行能源介質(zhì)平衡分析、電力負(fù)荷需求分析，基于智能排程、電池儲能，實現(xiàn)基地峰谷平衡、負(fù)荷均衡。

3 解決方案系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 基礎(chǔ)設(shè)施

基礎(chǔ)設(shè)施是指高效節(jié)能設(shè)備及對應(yīng)的基礎(chǔ)自動化功能。

高效電氣設(shè)備：更新淘汰低效電動機及高耗電設(shè)備，推廣高效節(jié)能電動機，高效風(fēng)機、泵、壓縮機、高效傳動裝置等。

變工況電氣設(shè)備調(diào)速改造：助燃風(fēng)機、主電動機冷卻風(fēng)機、除塵風(fēng)機、除鱗高壓泵等設(shè)備，早期多為工頻設(shè)計，其運行不能隨負(fù)載、軋制節(jié)奏等條件變化，效率低下且損耗設(shè)備，對此類大中型變工況電動機系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計、調(diào)速改造，合理匹配，避免大馬拉小車，實現(xiàn)電動機變頻調(diào)速，提高電動機運行效率、延長設(shè)備使用壽命。

“一鍵綠色運轉(zhuǎn)”：實現(xiàn)基于熱軋軋制節(jié)奏計劃的設(shè)備運轉(zhuǎn)精準(zhǔn)控制，可極大程度減少設(shè)備生產(chǎn)間歇和停機時無效運轉(zhuǎn)時間，減少能耗，控制功能圖見圖4。包含兩部分：生產(chǎn)過程綠色運轉(zhuǎn)，包括電動機速度控制和泵啟停等，根據(jù)L2軋制節(jié)奏計算，依據(jù)軋制間隔長短及位置跟蹤，控制所需運行參數(shù)；計劃停機綠色運轉(zhuǎn)，根據(jù)停機時長、停機規(guī)范表，計算距離計劃停機的時間，L1倒計時結(jié)束且當(dāng)前區(qū)域無鋼，按照停機時長對應(yīng)停機規(guī)范表，依次停止相關(guān)設(shè)備。

3.2 機組預(yù)測

3.2.1 主電動機冷卻溫升預(yù)測

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)風(fēng)機工作頻率由電樞溫度PID控制，為大滯后系統(tǒng)，存在欠冷或過熱的現(xiàn)象。針對大滯后系統(tǒng)，采用預(yù)測控制的方法，根據(jù)熱軋主電動機負(fù)荷及環(huán)境溫度的變化情況構(gòu)建電動機溫升預(yù)測模型，預(yù)測出合適的電動機溫升工作點，估算對應(yīng)的冷卻風(fēng)機運行頻率，使冷卻風(fēng)機運行狀態(tài)最佳，預(yù)測控制功能圖見圖5。

電動機溫升預(yù)測模型包含以下功能：

（1） 電動機發(fā)熱量計算。

利用焦耳定律計算銅耗，其他損耗如鐵耗、機械損耗和附加損耗占比較小，簡化為經(jīng)驗公式，這些損耗最終都變成熱量從而使電動機溫度升高。

（2） 溫升計算。

機理分析與機器學(xué)習(xí)相結(jié)合，機理模型將電動機等效為等溫均值發(fā)熱體，考慮線圈發(fā)熱的滯后系數(shù)，推導(dǎo)出電動機工況不變下的暫態(tài)溫升，通過變工況下的暫態(tài)溫升離散化處理，得到多個工況不變情況下的暫態(tài)溫升，獲取溫升預(yù)測機理模型；采用機器學(xué)習(xí)算法（如最小二乘法、支持向量機回歸算法）對機理模型中的參數(shù)整定擬合，并利用現(xiàn)場數(shù)據(jù)反復(fù)迭代訓(xùn)練，實現(xiàn)對現(xiàn)場電動機溫升的準(zhǔn)確預(yù)測。

（3） 風(fēng)量計算模型。

根據(jù)熱交換原理，結(jié)合冷卻室進出口溫差和預(yù)測的電動機溫升，反算需多少風(fēng)量才能帶走電動機的這些熱量。

（4） 電動機工作頻率計算。

根據(jù)風(fēng)機流量系數(shù)計算達到對應(yīng)風(fēng)量所需轉(zhuǎn)速頻率，避免過冷或欠冷，實現(xiàn)冷卻風(fēng)機的能效最優(yōu)。

3.2.2 層流冷卻水量預(yù)測

層流冷卻供水系統(tǒng)魯棒性強，為大滯后系統(tǒng)，通過構(gòu)建水量預(yù)測模型，根據(jù)CTC預(yù)測的需求冷卻水量、冷卻強度，模型計算出供水量、水壓、高位水箱水位及最小溢出水量，據(jù)此計算高位水箱供水泵最優(yōu)組數(shù)和頻率，實現(xiàn)按需按時精確供水，盡可能使泵工作在高效區(qū)域，減少泵的緊急啟動、非高效區(qū)域運轉(zhuǎn)來節(jié)能。層流冷卻供水控制方案圖見圖6。

水量計算模型包含以下功能：

（1） 供水量計算。

以滿足CTC模型所預(yù)測的冷卻水量、用水時間為目標(biāo)，結(jié)合生產(chǎn)計劃、軋制節(jié)奏，計算出基于軋制節(jié)奏的供水量曲線，保證在必要的時刻供必要的水量至高位水箱來冷卻帶材。

（2） 水壓、水箱水位及溢出水量計算。

根據(jù)供水量曲線，在保證進出水平衡的情況下，以滿足CTC所需冷卻強度為前提，保持水箱水位在一定水位以上以提供足夠的水壓，同時以溢流水最小為目標(biāo)，計算基于軋制節(jié)奏的高位水箱水位曲線、水壓和必要的溢出水量。

（3） 泵組最優(yōu)組數(shù)及頻率計算。

根據(jù)水泵特性功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比（這意味低轉(zhuǎn)速低能耗），結(jié)合高位水箱水位需求，以預(yù)測持續(xù)時間內(nèi)的能耗最小化為原則，計算所需泵數(shù)量和泵速度，通過前饋控制盡可能使泵工作在高效區(qū)域，避免電動機速度突然升降動作、減少不必要的溢流，同時準(zhǔn)備好反饋控制，如果低于最低水位，將激活反饋控制，快速恢復(fù)液位。

3.2.3 除鱗水量預(yù)測

除鱗系統(tǒng)存在緩沖區(qū)不足、壓力大（14～30 MPa）、大容量、小流量、間歇式（空載時間最高達40%）、大能耗、熱保護泄壓等特點，通過構(gòu)建除鱗壓力預(yù)測模型，根據(jù)軋制節(jié)奏、軋線跟蹤數(shù)據(jù)、鋼種參數(shù)、除鱗策略、設(shè)備參數(shù)對除鱗泵工作頻率進行實時優(yōu)化，在保證除鱗效果基礎(chǔ)上，最大限度降低水量節(jié)約電能。模型分為打擊力計算、用水量計算、水壓計算、頻率計算、節(jié)能量分析及預(yù)測5個模塊及專家規(guī)則，除鱗預(yù)測控制方案圖見圖7。

打擊力、流量、壓力計算：根據(jù)軋制參數(shù)設(shè)定、鋼種參數(shù)、除鱗策略、板坯厚度/溫度，結(jié)合專家規(guī)則、實踐經(jīng)驗，計算各除鱗點恰好將鱗皮除掉的最小打擊力；根據(jù)流體力學(xué)原理，打擊力主要與以下4個因素相關(guān)：噴射壓力、噴嘴的出流量、噴嘴的噴射角和噴嘴到鋼坯的噴射距離，其中噴射角、噴射距離在設(shè)備設(shè)計時已確定，打擊力與流量成正比、與噴射壓力平方根成反比，在滿足最小打擊力的前提下，以系統(tǒng)壓力上限為約束，結(jié)合專家規(guī)則，尋找流量、壓力的平衡點，計算滿足板坯除鱗最小打擊力所需的瞬時流量、壓力。

用水量預(yù)測及優(yōu)化：通過生產(chǎn)軋制計劃、軋制節(jié)奏、軋線跟蹤數(shù)據(jù)對板坯在軋線上的運動進行準(zhǔn)確預(yù)測，得到板坯各除鱗點除鱗預(yù)計到達時刻和離開時刻，結(jié)合各除鱗點流量需求，累計計算得到對應(yīng)各時刻的除鱗用水量分布曲線，多個除鱗點同時除鱗時，用水量需疊加計算；預(yù)測所得除鱗用水量曲線為柱狀階躍曲線，波動較大，對相鄰相差較小的單位用水量，進行水量歸并優(yōu)化計算，平緩用水量曲線，盡量延長單位水量持續(xù)時間，減少變頻器變化頻率的次數(shù)，節(jié)能降耗。

頻率及加速度計算模型：依據(jù)除鱗用水量曲線，結(jié)合變頻器設(shè)定響應(yīng)速度，計算出板坯到達除鱗點時對應(yīng)的運行頻率，在必要時刻提供必要水量，減少水資源、電能的浪費；在換輥、待機時，除鱗泵最小頻率運行；軋鋼但鋼板不在除鱗點時，降頻至等待狀態(tài)；在鋼板進入除鱗點前，泵提前動作，加速度根據(jù)現(xiàn)場反饋的實際壓力與設(shè)定壓力之差，結(jié)合設(shè)定壓差和設(shè)定極限壓差做出的線性計算得到，實現(xiàn)平穩(wěn)的加、減速控制。在達到除鱗效果的同時，實現(xiàn)除鱗泵工作頻率最優(yōu)，釋放工藝、設(shè)備、電氣設(shè)計裕量，節(jié)水節(jié)電。

3.2.4 板坯出爐溫度預(yù)測

加熱爐為熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射共同作用的復(fù)雜、高能耗設(shè)備，工況如熱裝溫度、軋制節(jié)奏、鋼種、規(guī)格等變化頻繁，燃?xì)鈮毫Α嶂挡▌虞^大，構(gòu)建加熱爐智能燃燒控制系統(tǒng)，根據(jù)生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)實績、工藝參數(shù)、設(shè)備參數(shù)，對溫度（爐膛、蓄熱）、流量（煤氣、空氣）、空燃比等參數(shù)進行優(yōu)化，提升燃燒效率節(jié)能降耗，提高板坯出爐溫度命中率，降低氧化損耗和操作人員勞動強度。板坯出爐溫度預(yù)測控制方案圖如圖8。

板坯溫度跟蹤：根據(jù)板坯入爐溫度、尺寸、爐內(nèi)溫度、板坯位置，采用一維非對稱中心差分熱傳導(dǎo)模型，實現(xiàn)板坯溫度跟蹤。

爐溫預(yù)報：根據(jù)每塊板坯剩余在爐時間、板坯溫度跟蹤模型計算的板坯溫度及板坯目標(biāo)溫度，迭代計算出板坯達到目標(biāo)溫度所要求的當(dāng)前段必要爐溫。

爐溫設(shè)定優(yōu)化：依據(jù)不同工況，通過專家規(guī)則確定權(quán)重，將當(dāng)前段所有板坯必要爐溫進行加權(quán)平均最終得到當(dāng)前段設(shè)定溫度。

空燃比優(yōu)化：根據(jù)熱值儀實測值得到理論空燃比，結(jié)合實際燃燒情況、修正氧含量參數(shù)，控制空燃比。

流量優(yōu)化：通過溫差與專家經(jīng)驗規(guī)則計算煤氣流量設(shè)定值，結(jié)合空燃比及爐溫梯度變化，計算空氣流量設(shè)定值。

3.3 產(chǎn)線優(yōu)化

3.3.1 系統(tǒng)功能圖

熱軋產(chǎn)線能耗優(yōu)化系統(tǒng)功能圖見圖9。使用模型預(yù)測技術(shù)，為目標(biāo)板坯提供最低能耗和最佳質(zhì)量的優(yōu)化軋制設(shè)定，將能耗預(yù)測優(yōu)化系統(tǒng)和材質(zhì)性能預(yù)測系統(tǒng)相結(jié)合，預(yù)先計算出產(chǎn)線最優(yōu)軋制設(shè)定：加熱爐出爐溫度、熱軋出口目標(biāo)溫度、中間坯厚度、道次計劃、負(fù)載均衡等，達到產(chǎn)線節(jié)能和材質(zhì)性能合理的目的。

3.3.2 能耗預(yù)測優(yōu)化功能

能耗預(yù)測：能耗預(yù)測優(yōu)化功能圖見圖10。從過程控制系統(tǒng)獲取加熱爐設(shè)定值、粗軋/精軋設(shè)定值（溫度、軋制力、速度、道次計劃、中間坯厚度等）、卷取設(shè)定值（速度、張力）、加減速信息，鋼種信息；對加熱爐到卷取全流程能耗進行預(yù)測，通過粗軋、精軋、卷取的設(shè)定，可獲取軋制扭矩、傳輸速度等信息，據(jù)此預(yù)測每塊板坯生產(chǎn)過程相關(guān)設(shè)備的能耗，包括粗軋、精軋主電動機、其他主電動機、感應(yīng)加熱器、輔助電動機，通過加熱爐出爐設(shè)定溫度，預(yù)測在爐內(nèi)加熱能耗，需考慮環(huán)境輻射、爐壁輻射等。

節(jié)能計算：結(jié)合材質(zhì)性能預(yù)測系統(tǒng)，在成品材質(zhì)性能滿足要求的前提下，調(diào)整部分軋制設(shè)定，如中間坯厚度、終軋溫度、卷取溫度，分別進行能耗預(yù)測，對比不同軋制設(shè)定的能耗差異，以產(chǎn)線整體能耗最低為目標(biāo)，尋求最優(yōu)軋制設(shè)定。不同軋制設(shè)定下節(jié)能計算圖如圖11。經(jīng)對比計算，中間坯目標(biāo)厚度與產(chǎn)線整體能耗正相關(guān)，RM高軋制力配比能耗降低；模型可自行多次計算比較得到最優(yōu)軋制設(shè)定并下發(fā)至L1系統(tǒng)執(zhí)行。

模型自學(xué)習(xí)：采集從加熱爐到卷取全產(chǎn)線生產(chǎn)實際數(shù)據(jù)，如電動機功率、電流、轉(zhuǎn)速、咬鋼/拋鋼信號、測厚數(shù)據(jù)、寬度數(shù)據(jù)、溫度、軋制力等，計算生產(chǎn)實際能耗。通過學(xué)習(xí)實際能耗對能耗預(yù)測模型參數(shù)進行更新，并將更新的模型用于下一塊預(yù)測；對用于自學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)進行濾波平滑處理。

3.3.3 能耗分析及優(yōu)化系統(tǒng)

能耗分析及優(yōu)化系統(tǒng)對產(chǎn)線能耗進行管理、通過分析識別能源浪費，據(jù)此制定節(jié)能方案對能耗進行優(yōu)化，并對執(zhí)行情況進行實時監(jiān)控。比較目標(biāo)與實際差異，對節(jié)能效果進行檢驗，以PDCA循環(huán)推進節(jié)能實現(xiàn)產(chǎn)線能耗最優(yōu)。

對產(chǎn)線中各種能源如煤氣、蒸汽、電、水、壓縮空氣、氧、氮、氬等能源的消耗數(shù)據(jù)進行采集，對能耗數(shù)據(jù)進行計算、監(jiān)控，并通過系統(tǒng)交互實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)與能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理；對能源數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析，自動計算出生產(chǎn)每卷鋼的能耗，根據(jù)鋼卷類型、寬度、厚度和重量對鋼卷能耗進行分類，通過分析工具確定能耗與工藝、生產(chǎn)之間的關(guān)系，識別能源浪費及其關(guān)聯(lián)因素；根據(jù)所分析的浪費原因，推薦對應(yīng)的能耗優(yōu)化方案和策略，在管理者確認(rèn)后執(zhí)行；實時監(jiān)控優(yōu)化方案實施效果，對比實施前后能耗差異檢驗節(jié)能效果，推動進一步的改善優(yōu)化工作。

3.4 基地平衡

建立需求響應(yīng)負(fù)荷調(diào)度與熱軋生產(chǎn)控制之間的關(guān)聯(lián)，在保證生產(chǎn)工藝約束前提下，研究兼顧用電經(jīng)濟性目標(biāo)的熱軋負(fù)荷調(diào)度方法，將鋼鐵的間歇性生產(chǎn)負(fù)荷納入電力調(diào)度體系。電力用戶對電網(wǎng)動態(tài)價格進行主動響應(yīng)，改變原有電力消耗模式，參與電力系統(tǒng)運行，通過“光伏+儲能”技術(shù)接入大規(guī)模可再生能源，具備削峰填谷、調(diào)頻調(diào)壓、電能質(zhì)量治理等功能，通過生產(chǎn)負(fù)荷的主動縮減和峰谷轉(zhuǎn)移實現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定，促進基地電力平衡，減少用電成本。

基地平衡方案示意圖見圖12。在產(chǎn)線能力滿足生產(chǎn)需求的前提下，以最小化生產(chǎn)用電成本為目標(biāo)，構(gòu)建基于價格需求響應(yīng)的多機并行間歇負(fù)荷調(diào)度的泛化模型，建立由整數(shù)變量和連續(xù)時間變量表達的需求分批、產(chǎn)線分配、批量調(diào)度的約束關(guān)系。針對模型中的非線性約束條件進行線性化轉(zhuǎn)換，并對模型進行實例求解，獲取最優(yōu)負(fù)荷調(diào)度方案，節(jié)約用電成本實現(xiàn)負(fù)荷調(diào)峰。采用電池儲能技術(shù)，實現(xiàn)風(fēng)電、光伏等清潔低碳可再生的新能源的大規(guī)模介入，減少自發(fā)電及外購電力比例，促進新能源消納。

4 實踐驗證

寶鋼股份寶山基地某熱軋產(chǎn)線，在規(guī)劃期內(nèi)分別對主軋機冷卻風(fēng)機、層流冷卻泵、除鱗泵等機組實施節(jié)能改造及軋制工藝參數(shù)優(yōu)化，該產(chǎn)線改造后年節(jié)電量947萬kWh， 實現(xiàn)經(jīng)濟效益568萬元/a， 噸鋼消耗降低3.38 kWh （電費以0.6元/kWh， 年產(chǎn)量以280萬t計），年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤379萬kg， 年減少二氧化碳排放743萬kg， 噸鋼減排2.65 kg。其中：主軋機冷卻風(fēng)機節(jié)電率39.85%，年節(jié)電340萬kWh； 除鱗節(jié)電率20%，年節(jié)電231萬kWh； 層流冷卻節(jié)電率31%，年節(jié)電200萬kWh； 軋制設(shè)定優(yōu)化節(jié)電率9%，年節(jié)電176萬kWh。

5 結(jié)語

工序極致能效解決方案基于冶金機理模型及技術(shù)工藝包，以預(yù)測控制、工藝參數(shù)優(yōu)化為主要技術(shù)手段，通過工序、機組精細(xì)化能源分析，開發(fā)工序智能預(yù)測、工藝參數(shù)優(yōu)化模型，提高工序用能調(diào)度優(yōu)化精度、用能在線平衡，實現(xiàn)工序極致能效。以煉鋼、熱軋工序為特色的全流程極致能效解決方案是實現(xiàn)“3060”的碳達峰、碳中和的重要探索之一。

本文摘自《寶鋼技術(shù)》2024年第1期