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(lái)，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(diǎn)，在保證企業(yè)生產(chǎn)穩定運行的前提下，通過(guò)燃氣預測與優(yōu)化調度，企業(yè)可以實(shí)現合理用能，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)化調度已成為企業(yè)節能增效的主攻方向。
現狀分析
目前，鋼鐵企業(yè)燃氣管理方面主要存在的問(wèn)題及具體分析如下：
1.儀表數量多，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(guò)程，經(jīng)過(guò)管網(wǎng)、煤氣柜等，流程較為繁瑣和復雜，各個(gè)環(huán)節的計量?jì)x表數量較多，計量?jì)x表數量達千臺以上；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(guò)采集系統采集上來(lái)的儀表數據信息還需要能源部門(mén)進(jìn)行二次修正。計量的誤差和人為干預導致能源數據信息不準確、不及時(shí)，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據支撐。
2.影響因素多，預測難度大。
在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，燃氣的供需隨著(zhù)生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)實(shí)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(dòng)態(tài)波動(dòng)；異常情況下（如高爐全部停爐）也會(huì )造成燃氣的產(chǎn)生和消耗出現巨大的波動(dòng)。同時(shí)，燃氣的產(chǎn)生和耗用的各個(gè)環(huán)節影響因素較多，以高爐熱風(fēng)爐為例，單個(gè)熱風(fēng)爐預測煤氣消耗量的影響參數包括各種狀態(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(wù)信息化建設各成體系，與能源相關(guān)的業(yè)務(wù)系統之間缺乏有效溝通，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(shí)，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、調度，在問(wèn)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)存在的上述現狀，燃氣預測與優(yōu)化調度的實(shí)現建議從3個(gè)方面開(kāi)展：
1.梳理基礎信息，夯實(shí)基礎工作。
?。?）梳理儀器儀表。
對鋼鐵企業(yè)所有與燃氣相關(guān)的計量?jì)x表進(jìn)行查漏補缺，找出計量不準或老化的儀表進(jìn)行更新、升級改造，實(shí)現重要計量?jì)x表數據的自動(dòng)采集，同時(shí)加強計量?jì)x表的日常維護管理，對計量?jì)x表定期進(jìn)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。
?。?）梳理燃氣用戶(hù)。
對鋼鐵企業(yè)所有與燃氣相關(guān)的用戶(hù)，按對生產(chǎn)影響的重要程度、產(chǎn)氣量和用氣量等進(jìn)行分類(lèi)，可分為4種類(lèi)別：一是產(chǎn)氣用戶(hù)：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(hù)：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(guò)柜容可以判斷各種燃氣的使用量是否充足。三是消耗用戶(hù)：主要是燃氣的使用單元，如高爐熱風(fēng)爐、熱軋加熱爐等。按可使用燃氣的類(lèi)別、耗氣量多少、耗氣量受外界影響大小等因素進(jìn)行分類(lèi)管理，比如高爐熱風(fēng)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(hù)。四是調節用戶(hù)：主要是燃氣的調節單元。為保證燃氣生產(chǎn)、消耗平衡，該類(lèi)用戶(hù)在指定生產(chǎn)任務(wù)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(jìn)行調整。
?。?）梳理燃氣流向。
要想做好燃氣預測和優(yōu)化調度，必須要清楚燃氣的來(lái)龍去脈，燃氣從哪里來(lái)，通過(guò)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(huì )受到多種因素影響，在做燃氣預測優(yōu)化調度之前要理清各種燃氣的影響因素，并對影響因素進(jìn)行分類(lèi)、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(fēng)爐為例，其影響因素分為3種：一是內部影響因素：正常生產(chǎn)情況下，高爐熱風(fēng)爐煤氣消耗量的影響因素包括熱風(fēng)爐狀態(tài)、冷風(fēng)閥狀態(tài)、煙道溫度、拱頂溫度、圍管溫度、熱風(fēng)流量、助燃空氣溫度、助燃空氣流量。二是外部影響因素：如區域政策性限產(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(fēng)爐）全部停爐、大規模停電，造成燃氣消耗出現大波動(dòng)，短期內表現為不平衡狀態(tài)。
?。?）理清約束條件。
在燃氣優(yōu)化調度過(guò)程中，會(huì )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(guò)程中，產(chǎn)線(xiàn)上與能源相關(guān)設備的操作規范，輸入和輸出量的上下限要求。三是能量約束：用戶(hù)（單一燃氣用戶(hù)、混合燃氣用戶(hù)）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。四是優(yōu)先級約束：燃氣供應順序滿(mǎn)足不同優(yōu)先級的用戶(hù)需求。五是關(guān)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(shí)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(huì )因為富裕而進(jìn)行放散，也不會(huì )因為供應不足而需要額外購買(mǎi)。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)的壓力調節作用，盡可能保持煤氣柜或管網(wǎng)的穩定，防止設備的損耗，減少燃氣的放散和不足的風(fēng)險。
燃氣的具體平衡原則分為靜態(tài)平衡和動(dòng)態(tài)平衡：
靜態(tài)平衡：CCPP和自備電站作為調節用戶(hù)，燃氣在滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)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(dòng)態(tài)平衡：在實(shí)際生產(chǎn)運行過(guò)程中，燃氣生產(chǎn)和消耗量會(huì )出現波動(dòng)，導致燃氣供應和燃氣消耗都在動(dòng)態(tài)變化，能源調度根據生產(chǎn)實(shí)際情況對波動(dòng)進(jìn)行判斷，針對不同類(lèi)型的波動(dòng)選擇合適的調度策略，并指導各用戶(hù)及時(shí)調整，實(shí)現動(dòng)態(tài)平衡。
3.找出優(yōu)化環(huán)節，實(shí)現優(yōu)化調度。
?。?）找出優(yōu)化環(huán)節。
根據燃氣流向、影響因素、用戶(hù)類(lèi)別、用氣特點(diǎn)等因素和約束條件，結合企業(yè)生產(chǎn)實(shí)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(diǎn)，考慮優(yōu)化的難度和可操作性，對所有優(yōu)化點(diǎn)進(jìn)行綜合排序。以高爐煤氣為例，熱風(fēng)爐和熱軋對高爐煤氣影響最大，因此，可以將熱風(fēng)爐均衡燃燒和熱軋質(zhì)量控制作為重點(diǎn)優(yōu)化環(huán)節。同時(shí)，設定優(yōu)化目標，以便于對優(yōu)化結果進(jìn)行對比分析和評估改進(jìn)。
?。?）建立模型算法。
針對可優(yōu)化的環(huán)節，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(jìn)行優(yōu)化求解以實(shí)現優(yōu)化目標。
?。?）打通系統壁壘。
燃氣預測與優(yōu)化調度需要與企業(yè)內多個(gè)信息系統（如能源系統、生產(chǎn)系統、產(chǎn)銷(xiāo)系統）產(chǎn)生信息交互（如生產(chǎn)計劃、歷史數據、檢修計劃）。因此，需要將其與關(guān)聯(lián)系統打通，保證數據及時(shí)準確交互的同時(shí)，要充分考慮與之關(guān)聯(lián)系統的安全性，避免對其他業(yè)務(wù)系統的正常運行產(chǎn)生負面影響。
結 論
通過(guò)上述方法的運用，保證鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)穩定運行的情況下，可有效降低人工勞動(dòng)強度，避免人為誤差，減少用能安全隱患；調度人員可以準確掌握產(chǎn)能和耗能數據及變化趨勢并及時(shí)下達調度指令，提升調度效率，實(shí)現能源管理全局最優(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)節能減排和綠色可持續發(fā)展意義重大。
