趙 磊 武 雙 張 琦

(東北大學(xué) 國家環(huán)境保護(hù)生態(tài)工業(yè)重點(diǎn)實驗室)

作為國家經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，中國鋼鐵工業(yè)以技術(shù)創(chuàng)新為引領(lǐng)，正為新時代中國特色社會主義經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展注入強(qiáng)勁動力。盡管我國的鋼鐵工業(yè)已經(jīng)具有較高的成本效益，但在節(jié)能減排方面依然存在諸多挑戰(zhàn)。中國鋼鐵工業(yè)規(guī)模大，占全球鋼鐵產(chǎn)量的50%以上[1-3]。低質(zhì)產(chǎn)能高、效率低是鋼鐵產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)上的主要難題[4-6]，能耗高不僅造成了能源浪費(fèi)和環(huán)境污染，同時也增加了生產(chǎn)成本。

鋼鐵企業(yè)節(jié)能工作既有利于降低生產(chǎn)成本，也有利于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。其中，蒸汽作為鋼鐵企業(yè)重要的二次能源，是動力、電力、熱能等能源轉(zhuǎn)換的重要介質(zhì)，焦化、燒結(jié)、轉(zhuǎn)爐和軋鋼環(huán)節(jié)直接將蒸汽供應(yīng)給各生產(chǎn)和生活用戶的過程中使用了大量蒸汽和低品位余熱資源，具有很大的節(jié)能潛力。對于國內(nèi)大中型鋼鐵企業(yè)而言，蒸汽能耗約占企業(yè)總能耗的10%[7]，蒸汽系統(tǒng)正成為鋼鐵企業(yè)能源管理的重要對象。

國內(nèi)外學(xué)者針對蒸汽系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究。Liu等人[8]通過連續(xù)性方程、運(yùn)動方程、能量方程、狀態(tài)方程和焓方程，建立了蒸汽管網(wǎng)的耦合熱工水力數(shù)學(xué)模型。根據(jù)管網(wǎng)蒸汽流量特征對模型進(jìn)行了簡化，采用標(biāo)準(zhǔn)四階龍格庫塔法求解控制方程。Luo等人[9]提出了利用單管水力模型和熱力模型建立管網(wǎng)水力—熱力綜合模型的方法，在此基礎(chǔ)上針對迭代計算有時無法得到收斂合理結(jié)果的問題，將計算值與測量值進(jìn)行比較，證明了該模型和算法的有效性。殷瑞鈺[10-11]指出鋼鐵工業(yè)面向新世紀(jì)的時代命題之一是走綠色制造的道路，構(gòu)筑符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的鋼鐵工業(yè)，并論述了鋼鐵制造流程的本質(zhì)。李佳佳[12]對蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行了機(jī)理分析，總結(jié)了蒸汽管網(wǎng)壓力特點(diǎn)，基于歷史數(shù)據(jù)提出采用小波變換對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立貝葉斯改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實現(xiàn)了管網(wǎng)壓力預(yù)測。朱寅等人[7]對鋼鐵企業(yè)蒸汽管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)下的水力和熱力工況進(jìn)行了分析,根據(jù)流量連續(xù)方程、溫降和壓降的環(huán)路平衡方程以及管段壓降和溫降計算公式等，建立了多汽源蒸汽管網(wǎng)的水力熱力聯(lián)合計算模型。通過迭代校正節(jié)點(diǎn)壓力、溫度的方式，采用牛頓—拉夫遜法求解各獨(dú)立節(jié)點(diǎn)的蒸汽壓力、溫度，各參考節(jié)點(diǎn)的蒸汽流量，以及各管段的蒸汽流量、凝結(jié)水流量。張增剛[13]研究的蒸汽管網(wǎng)水力熱力計算模型，采用節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)方程求解節(jié)點(diǎn)的壓力與溫度，校正蒸汽管網(wǎng)管段的流量、平均密度與定壓比熱，成功應(yīng)用于蒸汽管網(wǎng)的設(shè)計調(diào)節(jié)與數(shù)值模擬。以水力熱力耦合計算模型和求解方法的探索為研究主線，系統(tǒng)地對蒸汽的熱力性質(zhì)計算方法、蒸汽管網(wǎng)熱損失分析、水力熱力耦合計算理論進(jìn)行了深入研究。以往的蒸汽管網(wǎng)計算往往采用理想化的計算方法，忽視了實際運(yùn)行過程中的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化，難以實現(xiàn)管網(wǎng)損失量的計算和漏損定位，不能對管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)測，導(dǎo)致蒸汽供需不平衡的現(xiàn)象時有發(fā)生，浪費(fèi)了大量的能源。

1 鋼鐵企業(yè)蒸汽系統(tǒng)

蒸汽管網(wǎng)是鋼鐵企業(yè)輸送蒸汽的重要載體，一般為多汽源、多用戶、覆蓋面積廣、包含多級壓力并具有許多環(huán)路的復(fù)雜管網(wǎng)系統(tǒng)，其運(yùn)行狀態(tài)將直接影響蒸汽品質(zhì)和系統(tǒng)能量利用率。同時，管網(wǎng)安全運(yùn)行需要精確掌握蒸汽壓力、溫度、流量等實時狀態(tài)參數(shù)，只有構(gòu)建完整的蒸汽系統(tǒng)數(shù)據(jù)流網(wǎng)絡(luò)，才能為運(yùn)行人員優(yōu)化調(diào)度提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

目前鋼鐵企業(yè)蒸汽系統(tǒng)在實際運(yùn)行中仍然存在一些問題：

(1)在實際生產(chǎn)過程中，蒸汽管網(wǎng)多汽源、多用戶、多環(huán)路、多級壓力的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，普遍存在蒸汽泄漏、管道保溫老化、蒸汽狀態(tài)參數(shù)波動大、調(diào)度水平低等問題，運(yùn)行管理人員難以掌握可靠的運(yùn)行數(shù)據(jù)；

(2)由于汽源點(diǎn)固定，為滿足中、低壓蒸汽用戶需求，蒸汽通常要經(jīng)過減溫減壓器后再使用，導(dǎo)致蒸汽熵值增加，不能實現(xiàn)按質(zhì)用能和蒸汽資源梯級利用。同時，燒結(jié)、焦化等工序余熱蒸汽品位低，不能充分回收利用，高品位蒸汽又貶值嚴(yán)重，蒸汽使用效率低，難以實現(xiàn)蒸汽資源的合理分配利用；

(3)蒸汽消耗量波動大；蒸汽用戶多，且對蒸汽的需求不盡相同，時序波動大；冬夏季供需不平衡，夏季蒸汽需求量小、放散量大。

總體來看，鋼鐵生產(chǎn)過程的波動性使能源介質(zhì)的供需呈現(xiàn)動態(tài)變化，為實現(xiàn)蒸汽系統(tǒng)節(jié)能，提升企業(yè)蒸汽系統(tǒng)調(diào)度水平，蒸汽系統(tǒng)管理人員必須及時準(zhǔn)確地掌握各生產(chǎn)設(shè)備、用戶、管網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)，才能進(jìn)一步優(yōu)化管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高能源的使用效率，實現(xiàn)蒸汽的合理分配調(diào)度和梯級利用。鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)實質(zhì)上是物質(zhì)、能量以及相應(yīng)信息的流動和轉(zhuǎn)變過程，其動態(tài)運(yùn)行的本質(zhì)是物質(zhì)流在能量流的驅(qū)動下，按照設(shè)定的“程序”，沿著特定的“流程網(wǎng)絡(luò)”動態(tài)、有序地運(yùn)行。對于鋼鐵企業(yè)蒸汽系統(tǒng)來說，就是指蒸汽在熱能、勢能、動能的推動下，沿蒸汽輸送管網(wǎng)的動態(tài)運(yùn)行過程。

蒸汽系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的本質(zhì)就是當(dāng)蒸汽供需不平衡時，在有限的時間范圍內(nèi)，對可調(diào)節(jié)生產(chǎn)設(shè)備和用戶的供需量進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。難點(diǎn)在于要準(zhǔn)確掌握未來一段時間內(nèi)蒸汽供需量的波動趨勢、起止時間、波動量等數(shù)據(jù)。實現(xiàn)基于工況的蒸汽供需量預(yù)測、蒸汽管網(wǎng)仿真計算，是構(gòu)建鋼鐵企業(yè)蒸汽系統(tǒng)信息化、數(shù)據(jù)化智慧能源系統(tǒng)的基礎(chǔ)。構(gòu)建蒸汽系統(tǒng)物質(zhì)流、能量流、信息流網(wǎng)絡(luò)，對蒸汽發(fā)生、輸送、使用環(huán)節(jié)的全過程跟蹤監(jiān)測具有極大的現(xiàn)實意義。

1.1 建模方法

將蒸汽系統(tǒng)按照運(yùn)行結(jié)構(gòu)劃分為蒸汽發(fā)生與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、用戶系統(tǒng)、冷凝水回收系統(tǒng)。發(fā)生與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是把不同形式的能量轉(zhuǎn)換為工藝所需的蒸汽，主要包括各生產(chǎn)工序的各種產(chǎn)汽設(shè)備和轉(zhuǎn)換設(shè)備，例如余熱鍋爐產(chǎn)汽和發(fā)電機(jī)組抽汽。輸送系統(tǒng)主要指蒸汽輸送管網(wǎng)。用戶系統(tǒng)主要是指生產(chǎn)用戶和生活用戶，典型的生產(chǎn)用戶包括爐料預(yù)熱、伴熱、高爐鼓風(fēng)、取暖等，這些用戶對蒸汽的利用方式在一定程度上影響著蒸汽的發(fā)生與轉(zhuǎn)換。凝結(jié)水回收系統(tǒng)是對蒸汽輸送過程中產(chǎn)生的冷凝水進(jìn)行回收利用。其中，蒸汽管網(wǎng)作為連接各生產(chǎn)設(shè)備和用戶的重要中間環(huán)節(jié)，直接影響蒸汽品質(zhì)和系統(tǒng)效率。蒸汽管網(wǎng)安全運(yùn)行需要精確掌握蒸汽壓力、溫度、流量等實時狀態(tài)參數(shù)，才能為運(yùn)行人員優(yōu)化調(diào)度提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。通過多汽源復(fù)雜管網(wǎng)的耦合計算模型所得的蒸汽狀態(tài)參數(shù)可以有效指導(dǎo)運(yùn)行人員。通過優(yōu)化管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、提升管網(wǎng)運(yùn)行管理水平、合理分配調(diào)度蒸汽資源可以顯著提高蒸汽利用率。

為了精確獲得管網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，實現(xiàn)蒸汽資源優(yōu)化調(diào)度，采用LSTM方法對蒸汽產(chǎn)耗量進(jìn)行預(yù)測，采用數(shù)學(xué)建模的方式對蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行仿真計算。通過建立蒸汽系統(tǒng)供需分析及預(yù)測模型、管網(wǎng)耦合計算模型、管網(wǎng)損失量計算模型，構(gòu)建完整的蒸汽系統(tǒng)物質(zhì)流、能量流、信息流網(wǎng)絡(luò)。

在構(gòu)建蒸汽管網(wǎng)耦合計算模型時，首先基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理，建立蒸汽管網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ蛠砻枋鰧嶋H管段和節(jié)點(diǎn)的連接狀態(tài)，便于準(zhǔn)確描述管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系，而且還能考慮到實際管網(wǎng)可能發(fā)生的改造和變動，既便于數(shù)學(xué)建模，又可以實現(xiàn)對管網(wǎng)連接狀態(tài)的準(zhǔn)確描述和靈活變動。

將汽源節(jié)點(diǎn)、不同管徑或不同材質(zhì)管段相連接的點(diǎn)、用汽點(diǎn)等作為管網(wǎng)計算模型中的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)又分為普通節(jié)點(diǎn)、參考節(jié)點(diǎn)、獨(dú)立節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。普通節(jié)點(diǎn)是指參數(shù)未知，需要進(jìn)行計算的節(jié)點(diǎn)；獨(dú)立節(jié)點(diǎn)是指蒸汽流量已知的節(jié)點(diǎn)；參考節(jié)點(diǎn)是指壓力和溫度已知的節(jié)點(diǎn)；監(jiān)測節(jié)點(diǎn)是指用于提供實時數(shù)據(jù)來進(jìn)行管網(wǎng)預(yù)警分析的節(jié)點(diǎn)。為使計算結(jié)果更加精確，消除累計誤差對管網(wǎng)計算的影響，除管網(wǎng)關(guān)鍵位置外，盡可能將監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和獨(dú)立節(jié)點(diǎn)平均分布于管網(wǎng)各處。

蒸汽產(chǎn)耗量預(yù)測模型和管網(wǎng)仿真計算模型構(gòu)建了完整的蒸汽系統(tǒng)物質(zhì)流、能量流、信息流網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了蒸汽從產(chǎn)生、輸送、使用三個環(huán)節(jié)的全流程、全覆蓋，在此基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)蒸汽產(chǎn)耗調(diào)整、管網(wǎng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，極大地提高了蒸汽資源的利用率。

1.2 蒸汽產(chǎn)耗量預(yù)測模型

蒸汽產(chǎn)耗量預(yù)測及蒸汽系統(tǒng)供需分析模型，著眼于蒸汽的生產(chǎn)與消耗環(huán)節(jié)，通過對主要生產(chǎn)和消耗設(shè)備的蒸汽量預(yù)測，在宏觀上實現(xiàn)對蒸汽系統(tǒng)總體供需量的把控，為蒸汽管網(wǎng)仿真計算和管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行提供依據(jù)。

蒸汽系統(tǒng)供需量預(yù)測模型，綜合考慮蒸汽系統(tǒng)各生產(chǎn)工序設(shè)備受不同工況的影響，基于各工序主要生產(chǎn)設(shè)備蒸汽產(chǎn)生量和主要蒸汽用戶蒸汽消耗量歷史數(shù)據(jù)，利用長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，實現(xiàn)復(fù)雜工況下的蒸汽產(chǎn)生量和消耗量預(yù)測。

蒸汽產(chǎn)耗量預(yù)測流程如圖1所示。一般按照設(shè)備的生產(chǎn)工況設(shè)立工況點(diǎn)，根據(jù)設(shè)備和工況對獲取到的蒸汽量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，對不同設(shè)備不同工況下的蒸汽數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記。對設(shè)備的歷史蒸汽量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，合理設(shè)定長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的參數(shù)，并利用預(yù)處理的歷史蒸汽數(shù)據(jù)訓(xùn)練長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)蒸汽量預(yù)測模型，訓(xùn)練好的蒸汽產(chǎn)耗量預(yù)測模型可以預(yù)測指定時間間隔的蒸汽量。

圖1 蒸汽產(chǎn)耗量預(yù)測流程

1.3 管網(wǎng)耦合計算模型

蒸汽管網(wǎng)耦合計算模型主要著眼于管網(wǎng)系統(tǒng)，利用管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來描述復(fù)雜多變的管網(wǎng)系統(tǒng)，更加準(zhǔn)確地對各管段流量進(jìn)行分配以及實現(xiàn)水力熱力耦合計算。

實際管網(wǎng)系統(tǒng)往往錯綜復(fù)雜，需要對管網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新梳理和相應(yīng)簡化，以便構(gòu)建管網(wǎng)拓?fù)淠Ｐ?。在對管網(wǎng)進(jìn)行簡化時，記錄簡化的節(jié)點(diǎn)編號，在耦合計算完成后，針對這些節(jié)點(diǎn)重新進(jìn)行流量分配。之后，基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本原理，將蒸汽管網(wǎng)中的設(shè)備、用戶和管線抽象為點(diǎn)和線組成的有向圖，用關(guān)聯(lián)矩陣描述管網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)和管段的連接關(guān)系，用鄰接矩陣描述管網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系。其中，關(guān)聯(lián)矩陣是利用矩陣中元素的取值來定義節(jié)點(diǎn)和管段的連接關(guān)系，并且遵循：“一個節(jié)點(diǎn)最少連接一根管段，而一根管段只能連接一組唯一確定的首尾節(jié)點(diǎn)”。同時，在使用鄰接矩陣描述節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系時，需要考慮管網(wǎng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)的變化，如對管網(wǎng)進(jìn)行增加、刪除節(jié)點(diǎn)操作時，反映于管網(wǎng)耦合計算中，首先體現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)流量的變化。在刪除節(jié)點(diǎn)時，賦權(quán)矩陣中反映為矩陣相應(yīng)位置元素值的變化。在增加節(jié)點(diǎn)時，需要在原有節(jié)點(diǎn)編號的基礎(chǔ)上，繼續(xù)對新增加的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號，在鄰接矩陣、賦權(quán)矩陣中表現(xiàn)為在矩陣相應(yīng)位置增加相應(yīng)的行列元素。利用鄰接矩陣和權(quán)值矩陣可以快速方便地描述變化后的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地對管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合計算，更加符合實際生產(chǎn)過程。

蒸汽管網(wǎng)耦合計算模型是基于節(jié)點(diǎn)流量守恒方程、管段壓降計算式、管段溫降計算式和IAPWS-IF97公式，并結(jié)合動力粘度、流速、雷諾數(shù)、摩擦阻力系數(shù)等計算公式，對節(jié)點(diǎn)壓力、溫度等狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行求解：

節(jié)點(diǎn)流量守恒方程：

AG+L=0

(1)

管段壓降計算公式：

ATP=ΔP

(2)

管段溫降計算公式：

ATT=ΔT

(3)

IAPWS-IF97公式：

(4)

(5)

(6)

當(dāng)管網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境發(fā)生改變時，依據(jù)相關(guān)參數(shù)的變化可以自動修正管網(wǎng)結(jié)構(gòu)矩陣、壓降系數(shù)、溫降系數(shù)，以保證模型計算精度。

1.4 管網(wǎng)損失量計算模型

管網(wǎng)損失量計算模型主要包括熱量守恒方程、管段流量計算式和熱損失計算式，在耦合計算的基礎(chǔ)上，利用求解所得的節(jié)點(diǎn)壓力、溫度等參數(shù)對冷凝水和蒸汽質(zhì)量流量進(jìn)行檢驗計算，并通過計算各管段的熱損失量來對管網(wǎng)進(jìn)行熱損失評價。

熱量守恒方程：

hi=ho+Qsr+Qln

(7)

管段流量計算式：

(8)

熱損失計算式：

(9)

其中：Ti為進(jìn)口溫度，K；To為出口溫度，K；hi為進(jìn)口蒸汽的熱量，kJ；ho為出口蒸汽的熱量，kJ；Qsr為散熱損失，kJ；Qln為冷凝水熱損失，kJ；cpi為進(jìn)口蒸汽定壓比熱容，kJ/(kg·K)；cpo為出口蒸汽定壓比熱容，kJ/(kg·K)；R為管段熱阻；tpj為管段蒸汽進(jìn)出口平均溫度，K；thj為環(huán)境溫度，K。

利用損失量計算模型對管線實際熱流密度和設(shè)計熱流密度進(jìn)行比較，依據(jù)保溫評價標(biāo)準(zhǔn)對保溫效果進(jìn)行評價，并對管網(wǎng)保溫改造節(jié)能潛力進(jìn)行分析，提出合理可行的保溫改造措施。

圖2 蒸汽流量實際值與預(yù)測值對比

2 模型應(yīng)用分析

以某鋼鐵企業(yè)蒸汽系統(tǒng)為例，在蒸汽產(chǎn)耗量預(yù)測的基礎(chǔ)上，通過對單汽源蒸汽管網(wǎng)的仿真計算，實現(xiàn)管網(wǎng)任意節(jié)點(diǎn)流量、壓力、溫度的軟測量，且計算誤差控制在5%之內(nèi)，可以實現(xiàn)管網(wǎng)熱損評價，為蒸汽系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

將測試數(shù)據(jù)代入優(yōu)化后的長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，得到模型預(yù)測結(jié)果，采用均方根誤差RMSE計算預(yù)測結(jié)果與實際值之間的誤差，選擇誤差最小的預(yù)測結(jié)果對應(yīng)的優(yōu)化預(yù)測模型作為最優(yōu)預(yù)測模型。企業(yè)某生產(chǎn)工序的中壓蒸汽實時流量實際值與預(yù)測值對比如2所示?？梢钥闯?，LSTM模型預(yù)測結(jié)果基本與實際值一致，雖然預(yù)測值存在短暫的滯后性，但預(yù)測值所反映的蒸汽量波動變化趨勢完全符合要求，可以用于蒸汽管網(wǎng)仿真計算和系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度分析。

蒸汽產(chǎn)耗量預(yù)測值與管網(wǎng)仿真計算模型相結(jié)合，不僅可以精確掌握當(dāng)前管網(wǎng)的實際運(yùn)行狀態(tài)，還可以對管網(wǎng)未來可能出現(xiàn)的供需失衡以及管網(wǎng)低壓、低溫、超壓、超溫等異常波動變化進(jìn)行預(yù)測，以便及早做出防范措施。計算時，通過基于廣度優(yōu)先搜索的深度搜索，可以實現(xiàn)管網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)的遍歷，同時對參數(shù)已知的節(jié)點(diǎn)和需要計算的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分，節(jié)點(diǎn)遍歷順序?qū)楹罄m(xù)管網(wǎng)耦合計算提供依據(jù)，可以大大提高計算速度和精度，避免同一節(jié)點(diǎn)在不同計算過程中的多次重復(fù)計算。管網(wǎng)耦合計算模型的另一優(yōu)勢體現(xiàn)在可以根據(jù)管網(wǎng)實際運(yùn)行情況進(jìn)行相關(guān)節(jié)點(diǎn)的增加、刪除和修改，靈活準(zhǔn)確地描述管網(wǎng)實時拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖3為該企業(yè)蒸汽管網(wǎng)中19個節(jié)點(diǎn)溫度和壓力的計算結(jié)果。

蒸汽在管道中流動時，由于沿途摩擦損失和熱損失，管內(nèi)蒸汽壓力、溫度不斷降低。部分管段壓力、溫度出現(xiàn)波動是因為管段連接方式和管段編號方式存在差異。當(dāng)管網(wǎng)出現(xiàn)分支時，各支管段之間壓力、溫度值會出現(xiàn)正常波動。在管網(wǎng)仿真計算結(jié)果基礎(chǔ)上，根據(jù)壓力等級將蒸汽分為高、中、低壓三級，除管網(wǎng)損耗和蒸汽放散外，蒸汽利用以低壓為主，可以對各級管網(wǎng)分布、蒸汽使用情況、供需平衡進(jìn)行分析，構(gòu)建完整的蒸汽系統(tǒng)數(shù)據(jù)流、能量流、信息流網(wǎng)絡(luò)。

圖3 管網(wǎng)19個節(jié)點(diǎn)溫度和壓力的計算結(jié)果

3 結(jié)論

蒸汽作為鋼鐵生產(chǎn)中重要的二次能源，其品質(zhì)、流量、壓力、溫度與實際生產(chǎn)息息相關(guān)，在各生產(chǎn)工序中都發(fā)揮著重要作用。通過管網(wǎng)耦合計算，準(zhǔn)確了解管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的蒸汽狀態(tài)，且耦合計算結(jié)果誤差小于5%，可以為蒸汽優(yōu)化調(diào)度提供依據(jù)，而且利用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來描述管段之間的連接關(guān)系，不僅可以準(zhǔn)確控制管網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，當(dāng)實際管網(wǎng)發(fā)生改動時也可以及時對耦合計算模型進(jìn)行修正，保證了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，建立了完整的蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫，通過友好的結(jié)果查詢和顯示界面，直觀地展示管網(wǎng)各管段基本屬性信息、各節(jié)點(diǎn)蒸汽實時狀態(tài)參數(shù)以及關(guān)鍵參數(shù)在一定生產(chǎn)周期內(nèi)的波動變化趨勢。利用數(shù)據(jù)化、智能化的管網(wǎng)運(yùn)行管理系統(tǒng)可以為運(yùn)行管理人員提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，為管網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和蒸汽合理分配調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)，既實現(xiàn)了蒸汽的科學(xué)管理，又提高了蒸汽利用率。