吳萌,馬光宇,李志鋒,金耀輝
(鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院,遼寧鞍山114009 )
摘要: 為了實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣的發(fā)生量及消耗量預(yù)測(cè)和優(yōu)化調(diào)度兩大功能, 采用數(shù)據(jù)庫(kù)和模塊化設(shè)計(jì)方法開(kāi)發(fā)了煤氣預(yù)測(cè)及優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣的日平衡,解決了鋼鐵企業(yè)冬、夏季節(jié)性煤氣平衡矛盾突出的問(wèn)題,降低了煤氣的放散率,提高了煤氣預(yù)測(cè)精度,為煤氣管理提供指導(dǎo)和依據(jù)。
關(guān)鍵詞: 鋼鐵企業(yè);煤氣系統(tǒng);預(yù)測(cè);調(diào)度;放散
煤氣是鋼鐵企業(yè)中最重要的二次能源之一,占企業(yè)能源消耗的30%左右。由高爐煤氣(BFG)、焦?fàn)t煤氣(COG)和轉(zhuǎn)爐煤氣(LDG)等組成的煤氣系統(tǒng)不僅涉及煤氣生產(chǎn)、配比、輸送、貯存、分配、使用、調(diào)整運(yùn)行等諸多環(huán)節(jié),而且還關(guān)系到多種工序產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的提高、原材料成本的降低、環(huán)境污染的改善等一系列問(wèn)題。如何有效預(yù)測(cè)煤氣的供需變化關(guān)系,合理利用煤氣、減少煤氣放散,成為近年來(lái)研究的重點(diǎn)。隨著我國(guó)鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展, 越來(lái)越受到能源、資源和環(huán)境因素的制約,煤氣資源逐漸成為企業(yè)節(jié)能降耗、降低成本、提高效益的突破口。
目前, 我國(guó)主要鋼企的主體生產(chǎn)工藝和主要技術(shù)裝備雖達(dá)到先進(jìn)水平, 但煤氣系統(tǒng)在供需平衡、緩沖能力、系統(tǒng)優(yōu)化等方面還存在許多問(wèn)題。尤其是地處北方的鋼鐵企業(yè),冬、夏季節(jié)性煤氣平衡矛盾突出,煤氣放散率一直居高不下,與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)相比,煤氣資源利用潛力很大。煤氣產(chǎn)、供、用之間的平衡, 對(duì)新一代高爐—轉(zhuǎn)爐流程的能源消耗影響極大。煤氣有效利用程度是反映鋼鐵企業(yè)能源管理水平的“晴雨表”,其回收利用水平與供需平衡程度對(duì)企業(yè)節(jié)能降耗有重要意義[1]。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)是在鞍鋼管控中心現(xiàn)有信息資源平臺(tái)基礎(chǔ)上,對(duì)3 種介質(zhì)高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣需求的全過(guò)程信息匯總、確立影響參數(shù)和預(yù)測(cè)優(yōu)化模型,建立離線的決策和調(diào)控系統(tǒng)。
系統(tǒng)采用軟件工程的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。按功能將系統(tǒng)自上而下逐步分解為相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)和模塊。系統(tǒng)分為5 個(gè)子系統(tǒng),結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
該系統(tǒng)管理軟件綜合考慮了系統(tǒng)功能、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、界面和模塊設(shè)計(jì)等。操作上考慮了系統(tǒng)運(yùn)行性能及安全、用戶操作方便性等一系列問(wèn)題。
2 系統(tǒng)功能
系統(tǒng)的核心功能是煤氣預(yù)測(cè)和優(yōu)化調(diào)度兩大功能。要求對(duì)煤氣的發(fā)生量、消耗量以及煤氣富余量進(jìn)行年、月、日及小時(shí)預(yù)測(cè),并能對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢和曲線顯示。在預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上對(duì)煤氣預(yù)調(diào)度,按要求給出煤氣優(yōu)化平衡報(bào)表。
2.1 系統(tǒng)管理
系統(tǒng)登錄界面, 根據(jù)不同權(quán)限的用戶名可以進(jìn)入到不同權(quán)限的系統(tǒng)操作管理界面, 權(quán)限的設(shè)定可根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行。
2.2 生產(chǎn)數(shù)據(jù)
該模塊是本系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊, 主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析及數(shù)據(jù)的查詢與修改。
數(shù)據(jù)采集包括數(shù)據(jù)采集子模塊、數(shù)據(jù)除干擾子模塊;數(shù)據(jù)分析包括煤氣發(fā)生量標(biāo)定子模塊、煤氣消耗量標(biāo)定子模塊、標(biāo)定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子模塊。分別從系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣發(fā)生設(shè)備與煤氣消耗設(shè)備的歷史數(shù)據(jù),運(yùn)用小波分析及濾波方法, 將煤氣歷史數(shù)據(jù)中的干擾數(shù)據(jù)剔除。對(duì)經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,采用各高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣發(fā)生量與消耗量數(shù)據(jù)及其主要運(yùn)行指標(biāo)和運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù), 進(jìn)行煤氣發(fā)生量與消耗量的數(shù)據(jù)標(biāo)定, 對(duì)于正常生產(chǎn)狀態(tài),將相同標(biāo)準(zhǔn)工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類(lèi)標(biāo)定;對(duì)于非正常生產(chǎn)狀態(tài), 將相同非標(biāo)準(zhǔn)工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類(lèi)標(biāo)定,標(biāo)定后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到標(biāo)定數(shù)據(jù)庫(kù)中。
系統(tǒng)提供了生產(chǎn)計(jì)劃、定修計(jì)劃、煤氣發(fā)生量及消耗量定額數(shù)據(jù)的查詢與修改。實(shí)際在生產(chǎn)中遇到臨時(shí)調(diào)整檢修計(jì)劃或生產(chǎn)計(jì)劃, 可通過(guò)修改檢修計(jì)劃更新預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。檢修計(jì)劃初步確定前,通過(guò)該功能可以查看檢修計(jì)劃對(duì)煤氣系統(tǒng)的影響,確定更合理的檢修計(jì)劃, 避免由于檢修計(jì)劃安排不當(dāng)而發(fā)生的煤氣放散情況。由于季節(jié)對(duì)煤氣用戶單耗有很大影響, 系統(tǒng)將煤氣定額按冬夏季區(qū)分, 而且考慮到對(duì)于同一單體設(shè)備由于各種操作條件的變化對(duì)煤氣單耗的影響。
2.3 煤氣預(yù)測(cè)模型
煤氣的生產(chǎn)與使用隨時(shí)都在發(fā)生著變化,供需之間的不平衡現(xiàn)象總在發(fā)生。在實(shí)際生產(chǎn)中,影響煤氣產(chǎn)生量與消耗量的因素很多, 通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn), 煤氣量與相關(guān)因素的線性關(guān)系并不明顯,且無(wú)必然規(guī)律[2]。基于以上特點(diǎn),本系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃、檢修計(jì)劃及煤氣平均定額數(shù)據(jù),充分考慮了煤氣發(fā)生和消耗工序的不同, 針對(duì)高爐、焦?fàn)t、轉(zhuǎn)爐三種煤氣的發(fā)生量和消耗量進(jìn)行年、月、日及小時(shí)預(yù)測(cè),同時(shí)通過(guò)發(fā)生量和消耗量的供需預(yù)測(cè), 對(duì)檢修計(jì)劃或生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行合理性判斷。
以高爐煤氣發(fā)生量和消耗量預(yù)測(cè)模型為例,根據(jù)煤氣發(fā)生量和消耗量在不同生產(chǎn)狀態(tài)、不同工況下的標(biāo)定數(shù)據(jù), 通過(guò)煤氣發(fā)生量和消耗量預(yù)測(cè)模型計(jì)算出計(jì)劃事件時(shí)間內(nèi)或突發(fā)事件時(shí)間內(nèi)的各種煤氣發(fā)生和消耗預(yù)測(cè)量。
(1) 高爐煤氣發(fā)生量預(yù)測(cè)模型如下:
上式中,i 表示第i 座高爐;n 表示共有n 座高爐;j 表示標(biāo)準(zhǔn)工況下的第j 個(gè)影響事件;s 表示標(biāo)準(zhǔn)工況下共有s 個(gè)影響事件;k 表示非標(biāo)準(zhǔn)工況下的第k 個(gè)影響事件;t 表示非標(biāo)準(zhǔn)工況下共有t 個(gè)影響事件。當(dāng)爐子i 在標(biāo)準(zhǔn)工況下運(yùn)行時(shí):
上式中,i 表示熱風(fēng)爐、焦?fàn)t、發(fā)電設(shè)備等消耗高爐煤氣用戶;n 表示共有n 個(gè)高爐煤氣消耗用戶;j 表示對(duì)應(yīng)i 高爐煤氣消耗用戶在標(biāo)準(zhǔn)工況下的第j 個(gè)影響事件;s 表示對(duì)應(yīng)i 個(gè)高爐煤氣消耗用戶在標(biāo)準(zhǔn)工況下共有s 個(gè)影響事件;k 表示對(duì)應(yīng)i 個(gè)高爐煤氣消耗用戶在非標(biāo)準(zhǔn)工況下的第k 個(gè)影響事件;t 表示對(duì)應(yīng)i 個(gè)高爐煤氣消耗用戶在非標(biāo)準(zhǔn)工況下共有t 個(gè)影響事件。對(duì)應(yīng)的i 個(gè)高爐煤氣消耗用戶在標(biāo)準(zhǔn)工況下運(yùn)行時(shí):
通過(guò)以上高爐煤氣發(fā)生量預(yù)測(cè)模型和高爐煤氣消耗量預(yù)測(cè)模型,對(duì)鞍鋼2013 年高爐煤氣的實(shí)際發(fā)生量、消耗量與模型預(yù)測(cè)發(fā)生量、消耗量的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。表1 為高爐煤氣實(shí)際發(fā)生量與預(yù)測(cè)發(fā)生量的對(duì)比結(jié)果。
以上對(duì)比結(jié)果表明, 實(shí)際結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果的誤差在±5%以內(nèi),煤氣優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)可以較好滿足生產(chǎn)對(duì)煤氣發(fā)生量、消耗量預(yù)測(cè)的需求;在計(jì)劃階段和發(fā)生運(yùn)行變化前,隨時(shí)進(jìn)行煤氣平衡。
2.4 優(yōu)化調(diào)度
優(yōu)化調(diào)度是系統(tǒng)的核心模塊, 系統(tǒng)通過(guò)導(dǎo)入的月生產(chǎn)計(jì)劃和維修計(jì)劃自動(dòng)生成該月的日生產(chǎn)計(jì)劃, 再根據(jù)生成的日生產(chǎn)計(jì)劃及煤氣平均定額數(shù)據(jù)對(duì)每日的高、焦、轉(zhuǎn)煤氣發(fā)生量和消耗量進(jìn)行預(yù)測(cè)、比較,將預(yù)測(cè)結(jié)果作為對(duì)維修計(jì)劃或生產(chǎn)計(jì)劃合理性判斷的依據(jù)。調(diào)整流程如圖2 所示。
當(dāng)煤氣大量富余或大量不足的情況下可依據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)維修計(jì)劃或生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整, 防止出現(xiàn)煤氣的大量放散或缺口, 但由于考慮到各個(gè)廠實(shí)際情況及合同額等因素, 維修計(jì)劃和生產(chǎn)計(jì)劃的調(diào)整需要與各煤氣發(fā)生和消耗用戶間進(jìn)行協(xié)商解決, 由于不確定性因素的影響目前系統(tǒng)對(duì)維修計(jì)劃或生產(chǎn)計(jì)劃還無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。實(shí)際情況及合同額等因素, 檢修計(jì)劃和生產(chǎn)計(jì)劃的調(diào)整需要與煤氣發(fā)生量和消耗量用戶進(jìn)行協(xié)商。因此,該系統(tǒng)僅能對(duì)檢修計(jì)劃和生產(chǎn)計(jì)劃的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià),并對(duì)一定檢修計(jì)劃和生產(chǎn)計(jì)劃條件下,煤氣的富余量或不足量進(jìn)行預(yù)測(cè)。
2.5 平衡報(bào)表
鞍鋼歷史形成的較為復(fù)雜的煤氣系統(tǒng),原有的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃和月計(jì)劃等煤氣平衡管理方法, 不能真正反映煤氣實(shí)際運(yùn)行狀況, 不可能避免煤氣時(shí)而過(guò)剩、時(shí)而緊缺的情況發(fā)生。針對(duì)這種情況,對(duì)煤氣系統(tǒng)各工況點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總, 按各工況點(diǎn)基準(zhǔn)工況和非基準(zhǔn)工況的標(biāo)定, 形成煤氣產(chǎn)供用過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化,建立系統(tǒng)模型和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。平衡報(bào)表將依據(jù)月生產(chǎn)計(jì)劃、檢修計(jì)劃,根據(jù)煤氣系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果,從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取預(yù)測(cè)結(jié)果,實(shí)現(xiàn)年、月、日煤氣系統(tǒng)運(yùn)行狀況和變化趨勢(shì)分析預(yù)測(cè), 從被動(dòng)平衡轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)防性優(yōu)化平衡, 避免階段性不平衡,出現(xiàn)煤氣放散和使用制限。
3 實(shí)際應(yīng)用
系統(tǒng)指導(dǎo)鞍鋼各項(xiàng)煤氣節(jié)能技術(shù)及煤氣設(shè)施逐步完善,使煤氣指標(biāo)得到極大改善。表2 為鞍鋼2010~2014 年部分煤氣指標(biāo)。
從表2 可以看出,高爐煤氣放散率從1.94%降至0.38%; 焦?fàn)t煤氣放散率從1.97%降至0.03%,接近零放散;轉(zhuǎn)爐煤氣回收量從75.26 m3/t 鋼升至91.11 m3/t 鋼,使煤氣管網(wǎng)波動(dòng)降低,減少了煤氣放散及能源浪費(fèi),全面提升了煤氣系統(tǒng)管理水平,實(shí)現(xiàn)了煤氣的資源優(yōu)化, 為煤氣基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和煤氣系統(tǒng)節(jié)能改造,實(shí)現(xiàn)煤氣系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了技術(shù)支撐和依據(jù)。
4 結(jié)論
(1) 煤氣預(yù)測(cè)及優(yōu)化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,對(duì)高爐、焦?fàn)t、轉(zhuǎn)爐氣源從發(fā)生到各產(chǎn)線煤氣消耗進(jìn)行平衡和分析, 可滿足各種工況變化的技術(shù)分析需要, 并通過(guò)歷史數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和準(zhǔn)確性,實(shí)現(xiàn)了煤氣系統(tǒng)平衡預(yù)測(cè),提高了預(yù)測(cè)精度。
(2) 依據(jù)生產(chǎn)安排和設(shè)備檢修需求計(jì)劃,預(yù)測(cè)峰谷平,充分利用緩沖用戶進(jìn)行調(diào)整,規(guī)范不同區(qū)域和產(chǎn)線煤氣運(yùn)行管理,系統(tǒng)集中調(diào)控,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳的運(yùn)行方式, 對(duì)煤氣可調(diào)整用戶充分進(jìn)行運(yùn)行調(diào)整,使煤氣產(chǎn)、供、用更符合實(shí)際需求,促進(jìn)了節(jié)能減排,提高了能源利用率。
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