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(shè)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(yù)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(yù)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(fù)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?qū)е掠嬃坎粶?；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(yù)導(dǎo)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(shè)備產(chǎn)能、用能優(yōu)化提供準確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。
2.影響因素多，預(yù)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(fēng)爐為例，單個熱風(fēng)爐預(yù)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(yù)測的難度。
3.人為干預(yù)多，優(yōu)化局限性大。
由于鋼鐵企業(yè)業(yè)務(wù)信息化建設(shè)各成體系，與能源相關(guān)的業(yè)務(wù)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(dǎo)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(dǎo)致燃氣調(diào)度人為干預(yù)較多，主要依靠人工經(jīng)驗計算完成用以指導(dǎo)能源預(yù)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(yù)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(chǔ)信息，夯實基礎(chǔ)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)。
?。?）梳理燃氣用戶。
對鋼鐵企業(yè)所有與燃氣相關(guān)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(zhuǎn)爐等。二是存儲用戶：包括高爐煤氣柜、焦爐煤氣柜、轉(zhuǎn)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(fēng)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(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。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(wù)條件下，可采用不同組合和配比的方式，對燃氣的生產(chǎn)、消耗進行調(diào)整。
?。?）梳理燃氣流向。
要想做好燃氣預(yù)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。
（1）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(yù)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(fēng)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(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(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(yīng)的熱風(fēng)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(zhuǎn)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(guān)設(shè)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(yīng)順序滿足不同優(yōu)先級的用戶需求。五是關(guān)聯(lián)約束：不同產(chǎn)能或用能設(shè)備之間的具體約束以及用于對外供應(yīng)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(yīng)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(shè)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(dǎo)致燃氣供應(yīng)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(dǎo)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(jié)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(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)量控制作為重點優(yōu)化環(huán)節(jié)。同時，設(shè)定優(yōu)化目標，以便于對優(yōu)化結(jié)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(yīng)的模型算法。因此，在產(chǎn)生與消耗預(yù)測的基礎(chǔ)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。
?。?）打通系統(tǒng)壁壘。
燃氣預(yù)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(guān)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(guān)聯(lián)系統(tǒng)的安全性，避免對其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生負面影響。
結(jié) 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。
