吳萌，馬光宇，李志鋒，金耀輝
(鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009 )
摘要： 為了實現鋼鐵企業高爐煤氣、焦爐煤氣、轉爐煤氣的發生量及消耗量預測和優化調度兩大功能， 采用數據庫和模塊化設計方法開發了煤氣預測及優化調度系統， 實現了高爐煤氣、焦爐煤氣、轉爐煤氣的日平衡，解決了鋼鐵企業冬、夏季節性煤氣平衡矛盾突出的問題，降低了煤氣的放散率，提高了煤氣預測精度，為煤氣管理提供指導和依據。
關鍵詞： 鋼鐵企業；煤氣系統；預測；調度；放散
煤氣是鋼鐵企業中最重要的二次能源之一，占企業能源消耗的30％左右。由高爐煤氣（BFG）、焦爐煤氣（COG）和轉爐煤氣（LDG）等組成的煤氣系統不僅涉及煤氣生產、配比、輸送、貯存、分配、使用、調整運行等諸多環節，而且還關系到多種工序產品產量和質量的提高、原材料成本的降低、環境污染的改善等一系列問題。如何有效預測煤氣的供需變化關系，合理利用煤氣、減少煤氣放散，成為近年來研究的重點。隨著我國鋼鐵工業的快速發展， 越來越受到能源、資源和環境因素的制約，煤氣資源逐漸成為企業節能降耗、降低成本、提高效益的突破口。
目前， 我國主要鋼企的主體生產工藝和主要技術裝備雖達到先進水平， 但煤氣系統在供需平衡、緩沖能力、系統優化等方面還存在許多問題。尤其是地處北方的鋼鐵企業，冬、夏季節性煤氣平衡矛盾突出，煤氣放散率一直居高不下，與國外先進企業相比，煤氣資源利用潛力很大。煤氣產、供、用之間的平衡， 對新一代高爐—轉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企業節能降耗有重要意義［1］。
1 系統設計
系統是在鞍鋼管控中心現有信息資源平臺基礎上，對3 種介質高爐煤氣、焦爐煤氣、轉爐煤氣需求的全過程信息匯總、確立影響參數和預測優化模型，建立離線的決策和調控系統。
系統采用軟件工程的模塊化結構設計。按功能將系統自上而下逐步分解為相對獨立的子系統和模塊。系統分為5 個子系統，結構如圖1 所示。
該系統管理軟件綜合考慮了系統功能、數據庫設計、界面和模塊設計等。操作上考慮了系統運行性能及安全、用戶操作方便性等一系列問題。
2 系統功能
系統的核心功能是煤氣預測和優化調度兩大功能。要求對煤氣的發生量、消耗量以及煤氣富余量進行年、月、日及小時預測，并能對其進行數據查詢和曲線顯示。在預測數據的基礎之上對煤氣預調度，按要求給出煤氣優化平衡報表。
2.1 系統管理
系統登錄界面， 根據不同權限的用戶名可以進入到不同權限的系統操作管理界面， 權限的設定可根據實際要求進行。
2.2 生產數據
該模塊是本系統的基礎數據模塊， 主要實現數據的采集、分析及數據的查詢與修改。
數據采集包括數據采集子模塊、數據除干擾子模塊；數據分析包括煤氣發生量標定子模塊、煤氣消耗量標定子模塊、標定數據存儲子模塊。分別從系統歷史數據庫中讀取高爐煤氣、焦爐煤氣、轉爐煤氣發生設備與煤氣消耗設備的歷史數據，運用小波分析及濾波方法， 將煤氣歷史數據中的干擾數據剔除。對經過處理后的數據進行分析，采用各高爐煤氣、焦爐煤氣、轉爐煤氣發生量與消耗量數據及其主要運行指標和運行狀態數據， 進行煤氣發生量與消耗量的數據標定， 對于正常生產狀態，將相同標準工況下的數據進行歸類標定；對于非正常生產狀態， 將相同非標準工況下的數據進行歸類標定，標定后的數據存儲到標定數據庫中。
系統提供了生產計劃、定修計劃、煤氣發生量及消耗量定額數據的查詢與修改。實際在生產中遇到臨時調整檢修計劃或生產計劃， 可通過修改檢修計劃更新預測數據。檢修計劃初步確定前，通過該功能可以查看檢修計劃對煤氣系統的影響，確定更合理的檢修計劃， 避免由于檢修計劃安排不當而發生的煤氣放散情況。由于季節對煤氣用戶單耗有很大影響， 系統將煤氣定額按冬夏季區分， 而且考慮到對于同一單體設備由于各種操作條件的變化對煤氣單耗的影響。
2.3 煤氣預測模型
煤氣的生產與使用隨時都在發生著變化，供需之間的不平衡現象總在發生。在實際生產中,影響煤氣產生量與消耗量的因素很多， 通過對歷史數據進行研究發現， 煤氣量與相關因素的線性關系并不明顯，且無必然規律［2］。基于以上特點，本系統根據生產計劃、檢修計劃及煤氣平均定額數據，充分考慮了煤氣發生和消耗工序的不同， 針對高爐、焦爐、轉爐三種煤氣的發生量和消耗量進行年、月、日及小時預測，同時通過發生量和消耗量的供需預測， 對檢修計劃或生產計劃進行合理性判斷。
以高爐煤氣發生量和消耗量預測模型為例，根據煤氣發生量和消耗量在不同生產狀態、不同工況下的標定數據， 通過煤氣發生量和消耗量預測模型計算出計劃事件時間內或突發事件時間內的各種煤氣發生和消耗預測量。
（1） 高爐煤氣發生量預測模型如下：
上式中，i 表示第i 座高爐；n 表示共有n 座高爐；j 表示標準工況下的第j 個影響事件；s 表示標準工況下共有s 個影響事件；k 表示非標準工況下的第k 個影響事件；t 表示非標準工況下共有t 個影響事件。當爐子i 在標準工況下運行時：
上式中，i 表示熱風爐、焦爐、發電設備等消耗高爐煤氣用戶；n 表示共有n 個高爐煤氣消耗用戶；j 表示對應i 高爐煤氣消耗用戶在標準工況下的第j 個影響事件；s 表示對應i 個高爐煤氣消耗用戶在標準工況下共有s 個影響事件；k 表示對應i 個高爐煤氣消耗用戶在非標準工況下的第k 個影響事件；t 表示對應i 個高爐煤氣消耗用戶在非標準工況下共有t 個影響事件。對應的i 個高爐煤氣消耗用戶在標準工況下運行時：
通過以上高爐煤氣發生量預測模型和高爐煤氣消耗量預測模型，對鞍鋼2013 年高爐煤氣的實際發生量、消耗量與模型預測發生量、消耗量的結果進行了對比。表1 為高爐煤氣實際發生量與預測發生量的對比結果。
以上對比結果表明， 實際結果與預測結果的誤差在±5%以內，煤氣優化調度系統可以較好滿足生產對煤氣發生量、消耗量預測的需求；在計劃階段和發生運行變化前，隨時進行煤氣平衡。
2.4 優化調度
優化調度是系統的核心模塊， 系統通過導入的月生產計劃和維修計劃自動生成該月的日生產計劃， 再根據生成的日生產計劃及煤氣平均定額數據對每日的高、焦、轉煤氣發生量和消耗量進行預測、比較，將預測結果作為對維修計劃或生產計劃合理性判斷的依據。調整流程如圖2 所示。
當煤氣大量富余或大量不足的情況下可依據預測結果對維修計劃或生產計劃進行調整， 防止出現煤氣的大量放散或缺口， 但由于考慮到各個廠實際情況及合同額等因素， 維修計劃和生產計劃的調整需要與各煤氣發生和消耗用戶間進行協商解決， 由于不確定性因素的影響目前系統對維修計劃或生產計劃還無法實現自動調整。實際情況及合同額等因素， 檢修計劃和生產計劃的調整需要與煤氣發生量和消耗量用戶進行協商。因此，該系統僅能對檢修計劃和生產計劃的合理性進行評價，并對一定檢修計劃和生產計劃條件下，煤氣的富余量或不足量進行預測。
2.5 平衡報表
鞍鋼歷史形成的較為復雜的煤氣系統，原有的長遠規劃和月計劃等煤氣平衡管理方法， 不能真正反映煤氣實際運行狀況， 不可能避免煤氣時而過剩、時而緊缺的情況發生。針對這種情況，對煤氣系統各工況點進行數據匯總， 按各工況點基準工況和非基準工況的標定， 形成煤氣產供用過程標準化，建立系統模型和基礎數據庫。平衡報表將依據月生產計劃、檢修計劃，根據煤氣系統優化調度結果，從數據庫中讀取預測結果，實現年、月、日煤氣系統運行狀況和變化趨勢分析預測， 從被動平衡轉變為預防性優化平衡， 避免階段性不平衡，出現煤氣放散和使用制限。
3 實際應用
系統指導鞍鋼各項煤氣節能技術及煤氣設施逐步完善，使煤氣指標得到極大改善。表2 為鞍鋼2010～2014 年部分煤氣指標。
從表2 可以看出，高爐煤氣放散率從1.94%降至0.38%； 焦爐煤氣放散率從1.97%降至0.03%，接近零放散；轉爐煤氣回收量從75.26 m3/t 鋼升至91.11 m3/t 鋼，使煤氣管網波動降低，減少了煤氣放散及能源浪費，全面提升了煤氣系統管理水平，實現了煤氣的資源優化， 為煤氣基礎設施建設和煤氣系統節能改造，實現煤氣系統經濟運行提供了技術支撐和依據。
4 結論
（1） 煤氣預測及優化系統的開發與應用，對高爐、焦爐、轉爐氣源從發生到各產線煤氣消耗進行平衡和分析， 可滿足各種工況變化的技術分析需要， 并通過歷史數據驗證了該系統的可行性和準確性，實現了煤氣系統平衡預測，提高了預測精度。
（2） 依據生產安排和設備檢修需求計劃，預測峰谷平，充分利用緩沖用戶進行調整，規范不同區域和產線煤氣運行管理，系統集中調控，實現系統最佳的運行方式， 對煤氣可調整用戶充分進行運行調整，使煤氣產、供、用更符合實際需求，促進了節能減排，提高了能源利用率。
參考文獻
［1］ 張琦, 蔡九菊, 王建軍， 等. 鋼鐵廠煤氣資源的回收與利用［J］. 鋼鐵, 2009, 43（12）: 95-99.
［2］ 張琦, 谷延良, 提威， 等. 鋼鐵企業高爐煤氣供需預測模型及應用［J］. 東北大學學報（自然科學版），2010， 12， 31（12）：1737-1740.