鋼鐵企業(yè)電力需量優(yōu)化調控研究與實踐

劉迎宇，詹守權，闞 頌，孟志權，郝 飛

（1.鞍鋼股份鲅魚圈鋼鐵分公司能源動力部,遼寧營口 115007；2.南京南瑞繼保電氣有限公司系統軟件研究所，江蘇南京 211102）

引言

鋼鐵生產企業(yè)是高耗電的企業(yè)，電能的使用和供應情況復雜，與各種工藝流程相互銜接、互相影響。既有連續(xù)生產過程，又有離散生產過程，負荷比較集中，沖擊性負荷多。電費是鋼鐵企業(yè)主要成本之一，合理有序進行用電負荷管理，平抑生產負荷，不僅可以加強企業(yè)用電的經濟性，提高企業(yè)自身經濟效益，還可以降低對電網的沖擊。文獻[1]以鋼鐵企業(yè)的調度需求為源，在智能調度中融入了電力二次一體化理念，實現了二次系統的專業(yè)融合和全網信息的綜合共享，為實現全面的需量監(jiān)視和控制提供了數據基礎；文獻[2]通過電力需量控制系統的研究和應用，開發(fā)了電力需量決策分析軟件和實時閉環(huán)控制的裝置，有效降低企業(yè)關口的需量電費；文獻[3]基于廠級控制的方法構建了綜合優(yōu)化協調控制系統，通過協調優(yōu)化控制，解決了自動發(fā)電控制、電力需量控制和自動電壓控制之間的協調優(yōu)化控制問題；文獻[4]基于企業(yè)調度系統構建了電網調度綜合運行駕駛艙，設計了運行KPI、決策分析和運行操作三大驅動引擎，將數據、計算、優(yōu)化、流程有機結合起來，實現“前端監(jiān)控”與“后端優(yōu)化”的實時互動，為電力需量決策分析提供了便捷的操控環(huán)境。

根據《國家發(fā)展改革委關于降低一般工商業(yè)電價有關事項的通知》的有關規(guī)定，鲅魚圈分公司改變了自投產以來鋼鐵變按容量，制氧、煉鐵、煉鋼、燒結總降按裝機容量40%基礎上以實際發(fā)生最大需量繳納基本電費的方式，全部改為按實際發(fā)生最大需量繳納電費的結算方式。這種結算方式給電網管理者提出更高要求，怎樣合理安排電網負荷分布、各工序運行方式，怎樣充分發(fā)揮自備電廠的發(fā)電能力，怎樣將檢修負荷變化與發(fā)電機出力、最大需量相互耦合，減少企業(yè)峰值負荷。要實現上述目標，在電力、發(fā)電、煤氣、水系統分散監(jiān)控方式下，能源介質調整依靠調度電話指揮的方式很難完成，但2019 年建成投產的能源集控系統使15 min 調整線路關口需量成為可能，達到降低電力最大需量值，減少基本電費支出，提高企業(yè)自身經濟效益的目的。

1 基于智能調度的電力需量數據分析

能源集控系統建立前，各生產線負荷情況分布在各總降綜合系統中，生產負荷數據需要人為有選擇性篩選。不利方面一是數據量大，統計時間和數據同一性無法保證；二是數據節(jié)選需要人為判斷；三是數據統計全部是事后數據，對生產負荷的指導沒有事前、事中的指導意義。能源集控系統的建立，實現了全部能源動力站所的遠程操控、數據采集，極大地提升了能源管理協同性和能源利用效率。將電力系統負荷潮流監(jiān)視、鍋爐和汽機運行狀態(tài)、發(fā)電機出力、能源介質供配狀態(tài)等生產信息緊密地結合在一起，值長根據集控平臺能源平衡數據，指揮生產線、發(fā)電機等的負荷調整。

1.1 智能電力調度系統

智能電力調度系統是鋼鐵企業(yè)供配電監(jiān)視、控制、運維、管理的重要平臺，也是實現調度和管理智能化的主要技術載體。智能電力調度系統架構如圖1所示。

該系統包括現場數據采集、數據存儲與管理和智能調度與優(yōu)化功能，實現了鋼鐵企業(yè)電網的監(jiān)視控制和智能調度與優(yōu)化。

1.2 電力需量統計分析

依托智能電力調度系統，建立線路的負荷特性分析，統計出影響需量的關鍵負荷線路。

表1 是220 kV 需量監(jiān)測關口線路望鐵1#線和望鐵2#線所供主要負荷變化情況。

表1 數據說明，1#LF 爐、2#LF 爐、厚板甲乙線、熱軋甲乙線、中板甲乙線的負荷波動大，三鐵1#線、電動鼓風機等負荷波動較小趨于平穩(wěn)。

表1 望鐵1#線和望鐵2#線主要線路負荷情況 kW

圖1 智能電力調度系統架構

2 工序負荷特性分析

鋼鐵工業(yè)的負荷種類繁多,主要包含軋鋼機、電弧爐、制氧機、鼓風機、水泵機、傳送機等負荷。目前大多數文獻將鋼鐵工業(yè)負荷分為沖擊負荷和常規(guī)負荷兩類[5-7]。為研究本單位負荷的波動性對需量的影響,按照負荷波動性特點和企業(yè)實際情況，進一步將企業(yè)負荷分為持續(xù)型沖擊負荷、間歇型沖擊負荷、穩(wěn)定型負荷三大類,如表2。

表2 鋼鐵工業(yè)負荷分類

上述三類負荷基本包含了公司所有負荷，通過智能電力調度系統的實施，對各工序的總體負荷數據進行分析對比。

2.1 持續(xù)型沖擊負荷分析

持續(xù)型沖擊負荷如熱軋、厚板、中板等。

表3 以熱軋為例，其中公輔負荷為軋線沒有軋制時的負荷，即生產準備負荷；沖擊負荷為軋線正常軋制時的所有負荷即正常生產全部負荷；檢修負荷為軋線檢修時必要的保安負荷，即檢修使用負荷。

表3 熱軋生產線負荷表kW

熱軋持續(xù)型沖擊負荷的曲線如圖2所示。

2.2 間歇型沖擊負荷分析

在鋼鐵企業(yè)間歇型沖擊負荷的典型代表是LF爐，表4 是1#LF 和2#LF 爐的負荷情況。最大負荷為86.63MW，平均負荷僅為17.82MW，是鋼鐵企業(yè)典型的電力需量控制對象，其負荷變動如圖3所示。

表4 LF爐生產線負荷分析 kW

圖3 2座LF爐生產線負荷圖

2.3 平穩(wěn)型沖擊負荷分析

平穩(wěn)型負荷包括煉鐵區(qū)、煉鋼區(qū)、原料、燒結等。圖4為煉鋼區(qū)域生產線負荷圖，從線路、變壓器和CDQ 發(fā)電可以看出，曲線平穩(wěn)，并且具有一定的規(guī)律性和周期性。

圖4 煉鋼區(qū)域生產線負荷圖

2.4 負荷變化對需量影響分析

對生產負荷數據分析得出保證生產正常情況下負荷性質及對關口需量影響的規(guī)律。

以2020 年5 月2 日1#高爐休風負荷變化為例,見表5。

在日常生產時，熱軋、厚板、中板等工序是連續(xù)型沖擊負荷，調整負荷分配必然影響生產節(jié)奏；煉鐵、煉鋼、燒結、原料等屬平穩(wěn)型負荷，沒有調整負荷的余地；2 座LF 爐屬間歇型沖擊負荷，具有在時間上錯開，避免同時生產的可能，進而降低望鐵總關口需量的發(fā)生，減少對電網沖擊。

在高爐休風檢修情況下，煤氣、蒸汽等能源介質發(fā)生量受到影響，進而減少發(fā)電機的出力，這時生產線不進行同步檢修將可能增加關口需量。根據能源電力集控系統大數據統計分析，結合生產有計劃地安排軋鋼生產線配合檢修，進行負荷平衡，確保望鐵總關口需量不增加或少增加。

表5 1#高爐休風負荷變化表

圖5 電力需量決策分析系統架構

3 應用與實踐

3.1 系統集成

根據以上數據分析，基于智能電力調度系統，構建電力需量決策分析系統，如圖5 所示。需量決策分析系統是基于數字孿生驅動的需量控制模式，圍繞關口需量的決策分析，構建了虛擬電網調度系統和實際電網調度系統。

智能電力調度系統按照“源-網-荷-控”四個環(huán)節(jié)進行組織。電源包括自備電廠、燃氣蒸汽聯合發(fā)電機組（CCPP）、干熄焦余熱發(fā)電裝置（CDQ）、高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置（TRT）、分布式新能源（風力發(fā)電、光伏發(fā)電）等；電網包含了不同電壓等級的供配電網絡，高壓和低壓的控制要求也很大區(qū)別；負荷按照工序用電來劃分包括球團、燒結、焦化、鼓風、高爐、轉爐、制氧、冷軋、熱軋、電爐、生活、辦公等；控制部分主要有自動電壓控制、自動發(fā)電控制、電力需量控制、負荷管理控制。同時，考慮煤氣、蒸汽、電網安全、作業(yè)計劃約束，為需量決策分析提供一個真實的研究場景。

3.2 應用效果

利用能源集控項目進行數據采集分析后，結合生產實際應用，通過控制2 座LF 爐錯時生產，關口負荷波動明顯減小。以高爐計劃休風檢修時間為控制點，分析各工序負荷變化情況，優(yōu)化控制策略，制定合理的需量控制范圍，具有良好的負荷平抑效果。能源集控項目投運后，按最大需量方式結算的基本電費，如表6所示。

表6 公司基本電費結算匯總表 萬元

4 總結與展望

大型鋼鐵企業(yè)的電力系統具有復雜的網絡結構和調度方式，從源端電力供應到樞紐變電站的電力輸送和轉換，再到生產工序側的合理用電，要建立一套適用于鋼鐵企業(yè)生產運行的電力調度自動化系統，在智能化調度的總體要求下，結合兩部制電價的調整細則，進行了電力需量相關負荷數據的分析和總結，并制定切實可行的需量調整措施：

（1）首先基于智能電力調度系統，完成了關口需量相關負荷數據的實時計算和統計分析，記錄了越限的前15 min和后10 min的負荷數據。

（2）將生產工序負荷劃分為持續(xù)型沖擊負荷、間歇型沖擊負荷、穩(wěn)定型負荷三大類，并對相關負荷進行舉例分析，研究其對關口需量的變化影響。

（3）基于智能電力調度系統，開發(fā)了電力需量決策分析系統，借助該系統進行需量的實時計算與預警、需量越限的路徑追溯、需量設定值的優(yōu)化設定、負荷預測與趨勢分析、需量越限的場景反演等功能，并成功應用于某大型鋼鐵企業(yè)，取得了良好的經濟效益。

智能化電力調度系統的有益嘗試，既降低企業(yè)月度需量費用，又提升了調度管理和智能化操控水平，為實現鋼鐵企業(yè)電力調度的智能化提供了一個很好的案例。