韓仁德 陳 龍 張仕通

(1.寶鋼湛江鋼鐵能源環(huán)保部，2.大連理工大學)

近年來隨著鋼鐵企業(yè)節(jié)能技術(shù)的發(fā)展，鋼鐵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量余能、余熱得到了充分地回收，多以蒸汽、電的形式進行應(yīng)用。在“碳達峰，碳中和”、能耗“雙控”宏觀政策背景下，鋼鐵企業(yè)紛紛加強低溫余熱回收利用，產(chǎn)生大量的低壓蒸汽并入蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)。一些穩(wěn)定性較差的蒸汽汽源會對蒸汽管網(wǎng)產(chǎn)生較大的沖擊，導致蒸汽系統(tǒng)壓力波動過大，進而引發(fā)部分汽源的低壓余熱蒸汽無法并網(wǎng)，出現(xiàn)階段性放散，不利于余熱蒸汽的回收利用。

文章針對湛江鋼鐵蒸汽系統(tǒng)不確定性因素多、壓力頻繁大幅波動等運行特征，基于現(xiàn)場采集的大量歷史和實時數(shù)據(jù)，構(gòu)建了蒸汽系統(tǒng)智慧運行優(yōu)化決策軟件系統(tǒng)。應(yīng)用效果表明，該系統(tǒng)可實現(xiàn)蒸汽零放散和煉鋼蒸汽精細化自平衡，提高蒸汽的梯級利用率，可有效降低海水淡化制水成本。

1 湛鋼蒸汽系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問題

1.1 蒸汽系統(tǒng)現(xiàn)狀

湛鋼蒸汽系統(tǒng)包含中、低壓系統(tǒng)，設(shè)計額定壓力分別為4.0、1.25 MPa。中壓蒸汽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，主要汽源是干熄焦(CDQ)高壓蒸汽和CDQ發(fā)電機組抽汽，用戶為煉鋼RH精煉和化產(chǎn)。為了提高CDQ發(fā)電量、減少中壓蒸汽管網(wǎng)固有冷凝損失成本，在經(jīng)過多次試驗研究及技術(shù)改進后，中壓蒸汽系統(tǒng)實現(xiàn)了停用急備，為此煉鋼采取蒸汽自產(chǎn)自保，化產(chǎn)蒸汽利用內(nèi)部炭黑余能回收，每年降本增效千萬元。

低壓蒸汽系統(tǒng)汽源包括各類余熱回收蒸汽、燃氣鍋爐蒸汽和電廠抽汽，如圖1所示。燃氣鍋爐和電廠是整個蒸汽系統(tǒng)最重要調(diào)整汽源，通過對產(chǎn)汽量、抽汽量動態(tài)實時調(diào)整，消納和吸收其它汽源對管網(wǎng)的沖擊性負荷，保障整個系統(tǒng)壓力相對穩(wěn)定和余熱蒸汽的高效回收。低壓蒸汽用戶主要為煤氣精制、焦爐、海水淡化、制氧制氫站、冷軋、高爐、化工和一些環(huán)保設(shè)施，除海水淡化外，均為不可調(diào)整用戶。其中制氧站蒸汽使用具有一定的周期性，冷軋蒸汽使用具有一定的沖擊性負荷。隨著各類余熱蒸汽回收節(jié)能技術(shù)推廣使用，余熱回收效率的提升，余熱蒸汽在整個系統(tǒng)中占比逐步達到90%以上，沖擊性的負荷比重增加，低壓蒸汽系統(tǒng)供需平衡和壓力調(diào)整難度大大增加。

1.2 存在的問題

(1)蒸汽放散損失

湛鋼位于熱帶地區(qū)，相比于中北部地區(qū)鋼鐵廠，對蒸汽的需求較小，因此湛鋼蒸汽系統(tǒng)用戶容量較小，而余熱蒸汽的產(chǎn)量反而有所增加，整個系統(tǒng)抗沖擊性負荷能力減弱。目前蒸汽系統(tǒng)的壓力波動主要來源于煉鋼蓄熱器沖擊性送汽，其最高沖擊負荷占整個系統(tǒng)容量的40%以上。采取的事后調(diào)整措施存在一定的滯后性，系統(tǒng)壓力經(jīng)常快速上升至熱軋汽源的設(shè)計并網(wǎng)壓力，熱軋內(nèi)部出現(xiàn)階段性的蒸汽放散損失。

(2)煉鋼蒸汽自平衡與回收矛盾

中壓蒸汽管網(wǎng)停用后，只能通過自產(chǎn)蒸汽合理分配保障內(nèi)部蒸汽的自平衡。而煉鋼節(jié)奏具有半離散性特征，轉(zhuǎn)爐吹煉、RH生產(chǎn)計劃與實績又有一定的差異，蒸汽的產(chǎn)生、內(nèi)部自用和并網(wǎng)自平衡難度較大，一般采取保守的自平衡方案，留有較大的余量，導致蒸汽不能及時并網(wǎng)或存在不確定的沖擊性并離網(wǎng)負荷，進而給煉鋼內(nèi)部蒸汽回收帶來不利影響。

(3)蒸汽利用效率低

鋼鐵企業(yè)蒸汽使用途徑廣泛，各用戶對蒸汽壓力、溫度等需求不一。但所有蒸汽并入管網(wǎng)系統(tǒng)必須滿足用汽參數(shù)最高的用戶需求，而對于溫壓參數(shù)較低的用戶則需要減溫減壓使用，蒸汽利用效率大幅降低，例如：CDQ蒸汽參數(shù)為9.8 MPa、540 ℃，減溫減壓到1.25 MPa、280 ℃送入低壓蒸汽管網(wǎng)，能量損失高達70%以上。

(4)蒸汽系統(tǒng)成本較高

蒸汽系統(tǒng)投運后內(nèi)部核算的加工轉(zhuǎn)換單位成本一直偏高，深入研究蒸汽成本后發(fā)現(xiàn)，蒸汽各汽源單價和單耗結(jié)構(gòu)是影響成本的關(guān)鍵因素。經(jīng)過核算，蒸汽單位成本降低1元，全年可以降低蒸汽成本約200萬元。

(5)海水淡化成本較高

海水淡化作為蒸汽系統(tǒng)重要調(diào)整用戶，蒸汽成本占制水成本60%以上，蒸汽由管網(wǎng)系統(tǒng)和電廠抽汽供應(yīng)，前者的單價是后者的2倍，且管網(wǎng)蒸汽需要減壓到0.45 MPa使用。相較于膜系統(tǒng)，目前海水淡化的制水成本依舊偏高，存在很大的優(yōu)化空間。

2 開發(fā)思路與方案

2.1 智慧蒸汽系統(tǒng)設(shè)計思路

借鑒寶鋼能源管理系統(tǒng)、電廠熱力管理系統(tǒng)技術(shù)和經(jīng)驗[1]，結(jié)合能源調(diào)度對蒸汽系統(tǒng)的智能調(diào)控和成本控制需求，分別從蒸汽智慧潮流、多能智慧協(xié)同、成本控制、智慧預測與決策4個方面建立智慧蒸汽預測與優(yōu)化決策系統(tǒng)的構(gòu)架，如圖2所示。

圖2 智慧蒸汽系統(tǒng)設(shè)計思路

(1)蒸汽智慧潮流。依據(jù)企業(yè)蒸汽管網(wǎng)布局、發(fā)生源和用戶構(gòu)建的數(shù)字化工藝拓撲圖，以及產(chǎn)消用戶的流量、壓力數(shù)據(jù)構(gòu)建的供需平衡潮流圖，以靈活、實物化、動態(tài)化的形式展示當前蒸汽系統(tǒng)的潮流[2]。

(2)多能智慧協(xié)同。在充分研究蒸汽的最優(yōu)用途、梯級使用和轉(zhuǎn)化效率基礎(chǔ)上，分別從蒸汽—電、蒸汽—煤氣、蒸汽—純水等能源介質(zhì)之間的相互轉(zhuǎn)換入手[3]，實現(xiàn)多能介質(zhì)之間的智慧協(xié)同調(diào)整、能源耦合回收利用最大化、蒸汽調(diào)整決策體系化。

(3)成本控制。從各汽源單價和用戶單耗結(jié)構(gòu)入手，在保障蒸汽系統(tǒng)不放散的約束條件下，大數(shù)據(jù)分析獲得最佳的單耗結(jié)構(gòu)和成本控制目標，為智慧決策提供成本依據(jù)。

(4)智慧預測與決策。利用生產(chǎn)計劃、檢修計劃、蒸汽智慧潮流數(shù)據(jù)、多能耦合以及成本管控數(shù)據(jù)，結(jié)合崗位操作人員調(diào)整經(jīng)驗構(gòu)建蒸汽系統(tǒng)的日平衡和實時平衡的智慧預測與決策，指導員工做出最佳的調(diào)整，避免蒸汽壓力波動導致的放散，實現(xiàn)煉鋼蒸汽精細化自平衡和蒸汽系統(tǒng)最優(yōu)成本[4]。

2.2 技術(shù)支撐

基于鋼鐵企業(yè)智慧蒸汽系統(tǒng)的設(shè)計思路，采用智慧能源平臺軟件和寶鋼數(shù)據(jù)中臺，形成了“1個核心 + 4種支撐技術(shù)”的軟件系統(tǒng)架構(gòu)。

“1個核心”即能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)應(yīng)用中心，實現(xiàn)蒸汽系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、分析、展示和管理，充分結(jié)合“三流一態(tài)”的管理模式，引入生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)域，建立了智慧蒸汽系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)平臺，將統(tǒng)計分析、人工智能、數(shù)學模型、調(diào)控經(jīng)驗融入到大數(shù)據(jù)分析中，開發(fā)智慧預測與決策系統(tǒng)，通過積累以及不斷的自學習，提升系統(tǒng)準確率和智能化水平。

“4種支撐技術(shù)”分別為能源介質(zhì)潮流化統(tǒng)計、基于三流一態(tài)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及建模、歷史數(shù)據(jù)的自學習反饋、結(jié)合工作經(jīng)驗和能源管理的專家決策技術(shù)。

3 智慧蒸汽系統(tǒng)的優(yōu)化決策技術(shù)

基于蒸汽系統(tǒng)運行歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合蒸汽管網(wǎng)運行機理信息，建立了管網(wǎng)壓力的預測模型，根據(jù)系統(tǒng)實時采集的運行數(shù)據(jù)，給出管網(wǎng)壓力的實時預測結(jié)果?？紤]各蒸汽用戶的經(jīng)濟差異性，以及調(diào)整用戶的調(diào)整能力，構(gòu)建了基于專家經(jīng)驗規(guī)則的蒸汽優(yōu)化決策技術(shù)。

3.1 管網(wǎng)壓力預測

根據(jù)湛江鋼鐵蒸汽管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)分布，選擇2號高爐消耗蒸汽的壓力點(此點為管網(wǎng)中間壓力點)為管網(wǎng)壓力優(yōu)化的參照點。整個管網(wǎng)的汽源和耗汽用戶眾多，且分布范圍廣，均對管網(wǎng)壓力有不同程度的影響，因此，需選取管網(wǎng)壓力的主要影響因素。結(jié)合實際工況條件和歷史數(shù)據(jù)可知，煉鋼用戶對管網(wǎng)波動影響較大；海水淡化是平衡管網(wǎng)壓力的重要手段；CDQ和燒結(jié)的熱電聯(lián)產(chǎn)方式是優(yōu)化管網(wǎng)運行的主要手段。因此，選取管網(wǎng)內(nèi)的海水淡化、燒結(jié)、CDQ和煉鋼4個檢測點的蒸汽流量作為管網(wǎng)壓力建模的輸入因素。管網(wǎng)壓力預測流程如圖3所示。

圖3 蒸汽管網(wǎng)壓力預測流程

CDQ和燒結(jié)為產(chǎn)汽用戶，海水淡化為耗汽用戶，均可作為調(diào)節(jié)手段?；跁r間序列預測的方法來建立上述用戶的蒸汽流量預測模型。而煉鋼蒸汽并網(wǎng)流量與轉(zhuǎn)爐吹煉、RH以及蓄熱器等密切相關(guān)，其具體預測方式見3.2節(jié)?；谏鲜鲇绊懸蛩貥?gòu)建管網(wǎng)壓力預測模型，采用機理經(jīng)驗公式[5]進行計算，蒸汽管網(wǎng)壓力變化如下：

Δp=sgn(q)Rqa

(1)

式中：Δp為管段的壓降，Pa；sgn()為符號函數(shù)，與q符號一致；q為管段的流量，當流體由管段始端流向末端時為正值，反之為負，kg/s；a為常數(shù)，由蒸汽的流態(tài)確定；R為管段的壓降阻抗，Pa·s2/kg2。

(2)

(4)

式中：λ為管段的摩擦阻力系數(shù)；β為管段的局部壓降修正系數(shù)；l為管段的長度，m；le為管段所含閥門、彎頭等的當量長度，m；d為管段的內(nèi)徑，m；ρ為管段內(nèi)的蒸汽密度，kg/m3。

未來一段時間K內(nèi)的管段壓降，通過每個單位采樣間隔進行累加得到。

(3)

式中：ΔP為一段時間K內(nèi)管段壓降，Pa。

治療經(jīng)過：給予伐昔洛韋片2片3次/d、利巴韋林針抗病毒 250 mg 2次/d，復方甘草酸苷針80 mg 1次/d抗炎，枸地氯雷他定片 1片1次/d抗過敏，卡介菌多糖核酸針 2 mL 2天1次調(diào)節(jié)免疫；皮膚科專項護理，保持創(chuàng)面清潔干燥，外用夫西地酸乳膏+泛昔洛韋乳膏+蓖麻油混合外用。治療7 d后，患者面部水皰、膿皰干癟結(jié)痂，部分脫落，臨床痊愈出院，1周后門診隨診觀察。

在不同區(qū)間內(nèi)煉鋼產(chǎn)生蒸汽流量不同，對管網(wǎng)壓力變化的影響也不同，因此，采用分段參數(shù)設(shè)置的方法對管網(wǎng)壓力進行預測。在蒸汽流量不同階段，R存在不同的取值。對于煉鋼用戶，當sgn(q)=1且當前煉鋼蒸汽流量為0～50 t/h時取R1；當sgn(q)=1且當前煉鋼蒸汽流量為50～60 t/h時取R2；當sgn(q)=-1時取R3。首先預測得到各個影響因素的流量預測值，結(jié)合當前管網(wǎng)壓力實時測量值，根據(jù)式(1)和式(4)來計算管網(wǎng)未來一段時間的壓力預測值。

3.2 煉鋼蒸汽并網(wǎng)量預測

由于煉鋼蒸汽并網(wǎng)過程存在間歇性強、沖擊大等特點，且蒸汽蓄熱器容量有限，湛鋼采用蓄熱器壓力三級調(diào)控(其具體設(shè)置見表1)的策略來減輕煉鋼蒸汽沖擊的影響。湛鋼在兩個區(qū)域設(shè)置蓄熱器，對于不同的壓力區(qū)間，蓄熱器送管網(wǎng)蒸汽流量不同，這樣可以實現(xiàn)煉鋼廠內(nèi)部蒸汽自平衡。

表1 蓄熱器三級調(diào)控設(shè)定

由于蓄熱器壓力同時受到轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽流量、RH使用蒸汽流量和煉鋼蒸汽并網(wǎng)量的影響，文章將蒸汽并網(wǎng)量預測分為轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐蒸汽發(fā)生量預測、RH蒸汽使用量預測以及煉鋼蒸汽并網(wǎng)量預測，總體流程見圖4。

圖4 煉鋼蓄熱器壓力及蒸汽并網(wǎng)量預測模型

分別建立轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐蒸汽發(fā)生量模型和RH蒸汽使用量模型，以生產(chǎn)計劃獲得轉(zhuǎn)爐和RH的未來生產(chǎn)節(jié)奏，并通過統(tǒng)計分析分別獲得轉(zhuǎn)爐和RH的每爐蒸汽發(fā)生量和使用量，進而構(gòu)造蒸汽流量的預測曲線。基于其預測結(jié)果，采用反向傳播(Back Propagation，BP)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[6]建立轉(zhuǎn)爐蒸汽發(fā)生量、RH蒸汽使用量和煉鋼蒸汽并網(wǎng)量與蓄熱器壓力的關(guān)系模型。首先采集大量的上述變量的歷史數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)濾波等預處理后得到模型的訓練樣本輸入輸出集，進而訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測模型，其中預測模型中的學習率、隱含層節(jié)點個數(shù)等參數(shù)采用網(wǎng)格搜索的方式進行尋優(yōu)。最終得到的預測表達式為：

yt=f(x1,x2,x3,yt-1)

(5)

式中：yt為t時刻蓄熱器壓力；f()為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測模型；x1為轉(zhuǎn)爐蒸汽發(fā)生量；x2為RH蒸汽使用量；x3為蒸汽并網(wǎng)量；yt-1為t-1時刻蓄熱器壓力值。

預測得到下一時刻蓄熱器壓力值后，由當前時刻蓄熱器壓力經(jīng)表1中的三級調(diào)控規(guī)則得到下一時刻的蒸汽并網(wǎng)量，進而根據(jù)轉(zhuǎn)爐蒸汽發(fā)生量和RH蒸汽使用量預測值計算下一時刻的蓄熱器壓力，依次類推得到未來一段時間的煉鋼蒸汽并網(wǎng)量預測值。

3.3 優(yōu)化決策技術(shù)

基于蒸汽管網(wǎng)壓力預測結(jié)果，評估管網(wǎng)各蒸汽用戶(如海水淡化等)蒸汽使用成本，以及各調(diào)整用戶的調(diào)整能力，及時對蒸汽系統(tǒng)進行調(diào)整干預，形成蒸汽系統(tǒng)的實時優(yōu)化方案。這樣不僅實現(xiàn)了蒸汽管網(wǎng)的實時壓力平衡，避免壓力過高帶來的蒸汽放散，而且取得了較高的經(jīng)濟效益。

具體實施方案以2號高爐處蒸汽壓力為參照值，設(shè)定壓力優(yōu)化運行區(qū)間[PL，PH]。若預測未來管網(wǎng)壓力P>PH，需要計算蒸汽調(diào)整量，使管網(wǎng)運行壓力降低到區(qū)間[PL，PH]；若預測未來管網(wǎng)壓力PPH或P

圖5 蒸汽系統(tǒng)優(yōu)化順序

4 結(jié)論和展望

(1)湛鋼智慧蒸汽預測系統(tǒng)建立在蒸汽潮流供需平衡和系統(tǒng)節(jié)能理論基礎(chǔ)上，通過大數(shù)據(jù)分析和自學習功能對系統(tǒng)做出未來30 min壓力、流量等的預測，同時將崗位運行人員調(diào)整經(jīng)驗進行擬合，給出量化且可行的調(diào)整決策，蒸汽系統(tǒng)壓力波動下降75%，低壓蒸汽放散下降95%。

(2)該系統(tǒng)結(jié)合煉鋼生產(chǎn)節(jié)奏和送汽方式實現(xiàn)了對煉鋼內(nèi)部蒸汽產(chǎn)銷的預測，同時考慮蒸汽梯級利用、價值最優(yōu)和海水淡化成本控制，給出水、電、汽多能耦合的調(diào)整決策，海水淡化制水成本下降30%。

(3)該系統(tǒng)的預測和決策基本上避免了壓力過高導致的低壓蒸汽放散，煉鋼蒸汽回收量為100 kg/t。