鋼鐵工業(yè)加熱爐能效評估系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

陳旺　凌衛(wèi)青　戴毅茹

摘要：加熱爐是鋼鐵工業(yè)的重要能耗設(shè)備，該文結(jié)合加熱爐的熱工理論構(gòu)建了一套包含加熱爐能耗、生產(chǎn)、狀態(tài)和環(huán)境四個方面指標體系，并基于層次分析法（AHP）研究了加熱爐能效評估模型，該模型包含無量綱化、指標賦權(quán)、加權(quán)計算和鉆取分析這四個過程。基于指標體系和評估模型的研究，開發(fā)實現(xiàn)了加熱爐能效綜合評估系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用于上海某鋼鐵工業(yè)爐工程技術(shù)有限公司，對該公司步進式加熱爐進行能效評估，通過向下鉆取找到了造成能效低下的指標，為提高加熱爐能效提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：加熱爐；能效評估；指標體系；層次分析法

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A文章編號：1009-3044（2017）02-0210-03

Research and Implementation of Energy Efficiency Evaluation System for Reheating Furnace in Iron and Steel Industry

CHEN Wang， LING Wei-qing， DAI Yi-ru

（CIMS Research Center， Tongji University，Shanghai 201804，China）

Abstract：Heating furnace is an important energy consumption equipment. This paper constructed a set of index system that includes energy consumption， production， state and environment combined with thermal theory. At the same time， based on AHP， this paper studied an evaluation model that includes dimensionless， indicator empowerment and weighted calculation. Based on the above researches， a comprehensive energy efficiency evaluation system of the heating furnace was realized and applied to an Iron and Steel Industry Furnace Engineering Technology Co in ShangHai. An evaluation of the Stepping heating furnace was conducted .The index that lead to low energy efficiency was founded and provided to improve heating furnace's energy efficiency as a basis.

Key words： heating furnace； energy efficiency evaluation； index system； AHP method

1 背景

能效評估技術(shù)從上世紀70年代始源于美國，在我國也得到了長足發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鋼鐵、建筑、電力等各個行業(yè)。加熱爐是鋼鐵工業(yè)軋鋼工序的重點能耗設(shè)備，其能耗占整個軋鋼工序的60%-70%，加熱爐的能源消耗和設(shè)備狀態(tài)都會影響其生產(chǎn)效率，同時其排放的二氧化硫等污染物對環(huán)境污染嚴重[1]。盡管很多鋼鐵企業(yè)已經(jīng)加強對加熱爐的管理，但仍然缺乏一套信息化系統(tǒng)來綜合評估加熱爐生產(chǎn)中的能效水平。因此，需要研究并實現(xiàn)一套能從多角度綜合評估加熱爐能效水平的系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 加熱爐能效評估指標體系

構(gòu)建加熱爐能效指標體系需要根據(jù)評價目的反映有關(guān)加熱爐的各方面狀況，本文結(jié)合爐子熱工理論，從能耗、設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)和排放四個方面研究影響加熱爐能效的關(guān)鍵因素[2]，構(gòu)建如圖1所示的能效指標體系結(jié)構(gòu)，該體系為層次化結(jié)構(gòu)，分為三個層次，頂層為目標層：加熱爐綜合能效指標；中間層為準則層：四種類型的能效指標；底層為指標層：可經(jīng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算的具體指標。

下面對體系結(jié)構(gòu)圖中的四類指標做詳細說明：

1）加熱爐能耗指標

在實際生產(chǎn)過程中，加熱爐內(nèi)的燃燒需要使用混合煤氣和助燃空氣，余熱回收使用凈環(huán)水，同一型號的爐子在對同一鋼種進行加熱時使用的工藝是固定的，所使用煤氣的成分和比例、助燃空氣的消耗系數(shù)都是工藝中的固定參數(shù)。因此加熱爐的能耗指標要包含混合煤氣流量、助燃空氣流量和凈環(huán)水流量，這三項指標互不重疊又便于計算，以混合煤氣流量的計算為例：

[B=LT] （1）

其中，B：流量，Nm3/h；L：一段時間內(nèi)的總消耗量，Nm3；T：時間段，h。

2）加熱爐生產(chǎn)指標

加熱爐生產(chǎn)指標研究加熱爐在生產(chǎn)過程中的熱收入、熱支出、板胚的裝入裝出、氧化燒損、爐體散熱等要素之間的關(guān)系，生產(chǎn)指標可以包含爐子熱效率、爐子平均產(chǎn)量和氧化燒損率等。以爐子熱效率計算為例：

3）加熱爐狀態(tài)指標研究

加熱爐設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)會影響生產(chǎn)效率和能源消耗，將設(shè)備狀態(tài)作為評估的一部分，可通過能效評估結(jié)果診斷出換熱器破損、水梁結(jié)垢等設(shè)備異常。具體指標有換熱器效率、空氣過剩系數(shù)和煙氣含氧量等。以換熱器效率為例：

4）加熱爐排放指標研究

加熱爐排放指標主要研究二氧化硫、氮氧化物和粉塵等廢氣排放，廢氣的排放情況直接反應(yīng)了加熱質(zhì)量和能源利用率，對廢氣排放進行評估，可促進加熱爐的節(jié)能減排。這方面的指標有二氧化硫濃度、氮氧化物濃度和粉塵濃度等。以二氧化硫濃度為例：

2.2基于AHP的加熱爐能效評估模型

結(jié)合指標體系的分層次、多指標的特點，基于層次分析法（AHP）構(gòu)建了如圖2所示的加熱爐能效評估模型：

該模型有如下幾個過程：

1）加熱爐基礎(chǔ)數(shù)據(jù)->統(tǒng)計數(shù)據(jù)

將加熱爐能耗、熱支出和廢氣排放等數(shù)據(jù)，通過計算公式轉(zhuǎn)換為煤氣流量、爐子熱效率和二氧化硫濃度等數(shù)據(jù)。

2）統(tǒng)計數(shù)據(jù)->指標

統(tǒng)計數(shù)據(jù)的計算依據(jù)指標定義，計算出的數(shù)據(jù)需要映射到相應(yīng)的指標上，例如計算出的爐子熱效率這一項數(shù)據(jù)可以映射到生產(chǎn)指標下的爐子熱效率這一項指標。但是，不同統(tǒng)計數(shù)據(jù)的量綱不同，映射到指標上之后需要進行無量綱化處理。將指標分為效益型和成本型，不同類型指標的無量綱化處理方法如下[3]：

①效益型指標：評價值隨著指標值的增大而增大的指標，它的無量綱處理方法如下：

[Z（j）=Xn（j）i=1，2，..，kXi（j）] （5）

其中，表示第j項指標在時間n下的統(tǒng)計值，表示第j項指標在評估時間段k內(nèi)的統(tǒng)計值之和。

②成本型指標：評價值隨著指標值的增大而減小的指標，它的無量綱處理方法如下：

[Z（j）=1-Xn（j）i=1，2，..，kXi（j）] （6）

3）指標->加熱爐能效綜合指數(shù)

這個過程需要使用層次分析法（AHP）為指標賦權(quán)，再將權(quán)值和指標無量綱處理后的值進行加權(quán)計算，可得出能效綜合指數(shù)。具體步驟如下[4]：

①構(gòu)造指標層判斷矩陣：以準則層中生產(chǎn)指標下的四個二級指標為例，需要構(gòu)造一個4*4判斷矩A[ij]，矩陣中的每一項a[ij]表示指標a[i]相對于a[j]的重要程度，重要度表示方法可參考AHP算法相關(guān)資料。

②由判斷矩陣計算權(quán)值：先使用公式（7）將矩陣的元素按列歸一

[Aij=aijj=1naij] （7）

再用公式（8）將歸一化后的元素按行相加

[A'i=i=1maij] （8）

最后用公式（9）將按行相加后的結(jié)果歸一化得到權(quán)重

[Wj=ajj=1naj] （9）

③一致性檢驗：一般認為，當一致性檢驗的結(jié)果小于0.1時判斷矩陣是可以接受的，一致性檢驗的方法可參考AHP算法相關(guān)資料。

④參照前三步，計算指標層其余指標的權(quán)值，再計算準則層指標權(quán)值。

⑤完成權(quán)值計算后，使用公式（10）計算出能效綜合指數(shù)。

[I=i=1mj=1nwijxij] （10）

其中，[wij]為指標的權(quán)值，[xij]為無量綱處理后的統(tǒng)計值。

4）加熱爐能效綜合指數(shù)->低能效指標

使用鉆取分析中的下鉆分析技術(shù)從指標維上分析評估結(jié)果，尋找造成能效低下的關(guān)鍵指標。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與應(yīng)用

3.1系統(tǒng)實現(xiàn)

鋼鐵加熱爐能效評估系統(tǒng)將加熱爐能耗、生產(chǎn)、狀態(tài)和排放這四類數(shù)據(jù)集中管理，系統(tǒng)提供計算模型對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算。此外，系統(tǒng)實現(xiàn)了基于指標模板靈活制定指標體系的功能，各項指標可以和統(tǒng)計數(shù)據(jù)綁定，無量綱化的過程在后臺自動進行。用戶可以直接調(diào)用系統(tǒng)集成的AHP算法進行能效評估，并分析評估結(jié)果，找到能效較低的指標。系統(tǒng)實現(xiàn)界面如圖3所示。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)在上海某鋼鐵工業(yè)爐工程技術(shù)有限公司進行了應(yīng)用，使用從2015年11月到2016年5月的數(shù)據(jù)對步進式加熱爐進行能效評估，評估結(jié)果如圖4所示，結(jié)果表明：環(huán)比這七個月的能效，呈現(xiàn)逐步下降的趨勢，其中2015年11月能效最高，2016年4月的能效最低。

接著，下鉆分析能效最低點，尋找造成能效低下的指標。如圖5所示，從2015年4月這個點可以向下鉆取到準則層四個指標，其中能效指標的貢獻率最低，再向下鉆取能效指標下的各個指標，發(fā)現(xiàn)混合煤氣流量這項指標是造成總體能效低下的關(guān)鍵指標。

4 結(jié)束語

本文研究與實現(xiàn)的加熱爐能效評估系統(tǒng)對鋼鐵工業(yè)加熱爐的能效進行了定量評估和定性分析，系統(tǒng)成功應(yīng)用于某鋼鐵工業(yè)爐公司，并可推廣到其他相關(guān)企業(yè)實施。但系統(tǒng)基于AHP建立的評估模型存在主觀性強、運算復(fù)雜等缺點，后續(xù)需要研究并集成其他模型。

參考文獻：

[1] SUN Wen-Qiang， XIE Guo-We. Thermal value theory and its application to energy-saving for continuous heating furnace[J]. Journal of Northeastern University，2009（10）：1454-1457.

[2] 陳光，蔡震綱，張紅光， 等. 大型加熱爐群能效指標評價診斷體系的建立與系統(tǒng)開發(fā)[C]. 第八屆全國能源與熱工學術(shù)年會論文集，2015.

[3] 田賀平，杜松懷，原東.基于AHP-熵權(quán)法的企業(yè)電力綜合能效評估[J].智能電網(wǎng)，2015（2）：112-118.

[4] 張翠珍，楊茉，盧玫，等. 基于混合層次分析法的加熱爐余熱利用綜合評價[J]. 熱力發(fā)電，2010（11）：22-26.