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)測和優(yōu)化調(diào)度兩大功能， 采用數(shù)據(jù)庫和模塊化設(shè)計(jì)方法開發(fā)了煤氣預(yù)測及優(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題，降低了煤氣的放散率，提高了煤氣預(yù)測精度，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；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題。如何有效預(yù)測煤氣的供需變化關(guān)系，合理利用煤氣、減少煤氣放散，成為近年來研究的重點(diǎn)。隨著我國鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展， 越來越受到能源、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3 種介質(zhì)高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣需求的全過程信息匯總、確立影響參數(shù)和預(yù)測優(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題。
2 系統(tǒng)功能
系統(tǒng)的核心功能是煤氣預(yù)測和優(yōu)化調(diào)度兩大功能。要求對煤氣的發(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，并能對其進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢和曲線顯示。在預(yù)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上對煤氣預(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。對經(jīng)過處理后的數(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)行歸類標(biāo)定；對于非正常生產(chǎn)狀態(tài)， 將相同非標(biāo)準(zhǔn)工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類標(biāo)定，標(biāo)定后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到標(biāo)定數(shù)據(jù)庫中。
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， 可通過修改檢修計(jì)劃更新預(yù)測數(shù)據(jù)。檢修計(jì)劃初步確定前，通過該功能可以查看檢修計(jì)劃對煤氣系統(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， 而且考慮到對于同一單體設(shè)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(yù)測模型
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， 通過對歷史數(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，且無必然規(guī)律［2］?；谝陨咸攸c(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，同時(shí)通過發(fā)生量和消耗量的供需預(yù)測， 對檢修計(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)， 通過煤氣發(fā)生量和消耗量預(yù)測模型計(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)測量。
（1） 高爐煤氣發(fā)生量預(yù)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(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)：
通過以上高爐煤氣發(fā)生量預(yù)測模型和高爐煤氣消耗量預(yù)測模型，對鞍鋼2013 年高爐煤氣的實(shí)際發(fā)生量、消耗量與模型預(yù)測發(fā)生量、消耗量的結(jié)果進(jìn)行了對比。表1 為高爐煤氣實(shí)際發(fā)生量與預(yù)測發(fā)生量的對比結(jié)果。
以上對比結(jié)果表明， 實(shí)際結(jié)果與預(yù)測結(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)對煤氣發(fā)生量、消耗量預(yù)測的需求；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)對每日的高、焦、轉(zhuǎn)煤氣發(fā)生量和消耗量進(jìn)行預(yù)測、比較，將預(yù)測結(jié)果作為對維修計(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)測結(jié)果對維修計(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)對維修計(jì)劃或生產(chǎn)計(jì)劃還無法實(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)僅能對檢修計(jì)劃和生產(chǎn)計(jì)劃的合理性進(jìn)行評價(jià)，并對一定檢修計(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。
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)而過剩、時(shí)而緊缺的情況發(fā)生。針對這種情況，對煤氣系統(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)供用過程標(biāo)準(zhǔn)化，建立系統(tǒng)模型和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。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)庫中讀取預(yù)測結(jié)果，實(shí)現(xiàn)年、月、日煤氣系統(tǒng)運(yùn)行狀況和變化趨勢分析預(yù)測， 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)測及優(yōu)化系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，對高爐、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，提高了預(yù)測精度。
（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。
參考文獻(xiàn)
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