基于不同生產(chǎn)模式下能源動力系統(tǒng)的科學(xué)優(yōu)化與實踐

陳先利，王喜軍，翟興忠，王春祥，宋 亮

(安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 安陽 455000)

隨著對重污染天氣的治理力度的加大，如何科學(xué)地對鋼鐵企業(yè)能源動力介質(zhì)的消耗和平衡進(jìn)行能源動力系統(tǒng)優(yōu)化，成為一項重大的研究和開發(fā)課題。平衡好各種能源動力介質(zhì)，減少放散，不僅涉及到環(huán)保，還關(guān)系著一個企業(yè)的安全生產(chǎn)及管理效益。在頻繁變化的生產(chǎn)條件下建立起穩(wěn)定、均衡、經(jīng)濟(jì)、高效、安全的能源動力系統(tǒng)運行模式，是當(dāng)前鋼鐵企業(yè)都需迫切解決的一個難題，也能夠體現(xiàn)出鋼鐵企業(yè)在生產(chǎn)運行方面的核心競爭力。

安鋼加強(qiáng)科學(xué)管理，針對能源動力系統(tǒng)，以高爐為中心，確保在不同高爐生產(chǎn)模式下的安全與生產(chǎn)穩(wěn)定運行；優(yōu)化能源動力介質(zhì)供應(yīng)分配，最大限度提高能源動力的利用率和避免能源動力的浪費，并在有限的能源動力供應(yīng)和分配中實現(xiàn)利益最大化。能源系統(tǒng)以煤氣系統(tǒng)為例，動力系統(tǒng)以氧、氮系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。

1 能源動力系統(tǒng)在不同運行模式下的分配與供應(yīng)

生產(chǎn)運行模式不同，煤氣系統(tǒng)的發(fā)生與氧、氮系統(tǒng)供應(yīng)也各不相同。煤氣系統(tǒng)既要充分利用有限的煤氣資源，又要使能源創(chuàng)造最大化的效益。因此，建立不同生產(chǎn)模式下的系統(tǒng)運行模式尤為重要。氧、氮系統(tǒng)既要滿足相應(yīng)的生產(chǎn)需求，又要避免浪費，所以要在不同的生產(chǎn)運行模式下，建立氧、氮系統(tǒng)供應(yīng)模式[1-3]。

1.1 不同高爐運行模式下的能源分配

運行高爐不同，高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣的發(fā)生量差異較大，因此能源分配也不相同。安鋼擁有3座大小不同的高爐，高爐煤氣發(fā)生量和自身使用量也存在較大的差異(表1)。

表1 高爐煤氣發(fā)生量、使用量Tab.1 Blast furnace gas generation and usage m3/h

3座高爐同時運行時煤氣相對富余，各生產(chǎn)線均能保證正常生產(chǎn)，而且富余煤氣可充分提高發(fā)電效益；同時，也可利用煤氣柜實現(xiàn)錯峰發(fā)電創(chuàng)造效益，電力系統(tǒng)電價因時間段分3個電價時間段，合理利用電價差提高生產(chǎn)效益和降低成本。安鋼擁有一座30萬m3高爐煤氣柜，根據(jù)電價峰段發(fā)電、谷段充柜，30萬m3高爐煤氣柜柜容運行區(qū)間為6萬～26萬m3，有20萬m3的柜容可用于錯峰發(fā)電，按電機(jī)組平均發(fā)電煤氣使用率為3.6萬m3/萬kWh，30萬m3高爐煤氣柜一次錯峰可發(fā)電量為5.56萬kWh。0：00—8：00電價為0.24元/kWh，8.00—12：00電價為0.96元/kWh，12：00—18：00電價為0.56元/kWh，18：00—22：00電價為0.96元/kWh，22：00—24：00電價為0.56元/kWh，每日實現(xiàn)2次錯峰可實現(xiàn)6.23萬元的效益。錯峰發(fā)電30萬m3高爐煤氣柜運行曲線如圖1所示。

圖1 錯峰發(fā)電煤氣柜柜容曲線Fig.1 Capacity curve of gas tank for off-peak power generation

2座高爐運行、1座高爐休風(fēng)運行模式下，煤氣基本滿足生產(chǎn)所需。軋鋼生產(chǎn)線不具備滿負(fù)荷生產(chǎn)，可優(yōu)化軋鋼機(jī)組檢修計劃及錯峰生產(chǎn)，實現(xiàn)煤氣充分利用，同時利用高效率發(fā)電機(jī)組負(fù)荷，實現(xiàn)效益最大化。2號、3號高爐運行時的高、焦、轉(zhuǎn)爐煤氣分配情況見表2。

表2 高、焦、轉(zhuǎn)爐煤氣分配情況Tab.2 Distribution of high gas,coke gas and converter gas m3/h

1.2 不同運行模式下氧氣、氮氣供應(yīng)模式

根據(jù)高爐運行模式的不同，氧氣、氮氣用戶用量也差異較大，高爐使用氧氣、氮氣情況見表3，制氧機(jī)組氧氣、氮氣供應(yīng)見表4。根據(jù)高爐運行模式出鐵量，煉鋼氧氣、氮氣使用量等，合理優(yōu)化制氧機(jī)組啟停，杜絕氧氣、氮氣放散造成浪費，同時可利用氧、氮、氬液體儲備啟動氣化后備系統(tǒng)，滿足生產(chǎn)所需。

氧氣主要用于高爐富氧和煉鋼用氧及切割用氧等，根據(jù)運行高爐富氧量和出鐵量、煉鋼產(chǎn)量，可計算出氧氣需求量。氮氣用戶較多，例如高爐噴煤、爐頂?shù)?、煉鋼底吹、轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐、干熄焦補(bǔ)氮及環(huán)保設(shè)施用氮等。

表3 高爐使用氧氣、氮氣情況Tab.3 Use of oxygen and nitrogen in blast furnace

表4 制氧機(jī)組氧氣、氮氣供應(yīng)情況Tab.4 Oxygen and nitrogen supply of oxygen generator m3/h

2 能源動力分級供應(yīng)

依據(jù)各生產(chǎn)系統(tǒng)對高爐的影響程度不同，在能源緊缺的狀態(tài)下，有必要對能源用戶進(jìn)行分級供應(yīng)。①確保高爐的正常生產(chǎn)，就必須保證高爐熱風(fēng)爐的正常燒爐、焦化相應(yīng)焦?fàn)t的正常生產(chǎn)，安鋼高爐均采用汽動鼓風(fēng)，就必須保證汽動鼓風(fēng)相應(yīng)的鍋爐生產(chǎn)。因此，將熱風(fēng)爐、汽動鼓風(fēng)鍋爐、焦化焦?fàn)t定為一級用戶。②以鋼后系統(tǒng)為中心，確保煉鋼和軋鋼系統(tǒng)的正常生產(chǎn)運行。因此，將煉鋼和高效軋鋼生產(chǎn)線定為二級用戶。③剩余能源供應(yīng)效益較低和高效發(fā)電機(jī)組用戶，定為三級用戶[4-6]。煤氣用戶分級管控如圖2所示。

圖2 煤氣用戶分級管控示意Fig.2 Schematic of hierarchical control of gas users

2.1 能源系統(tǒng)分級供應(yīng)

(1)一級用戶的能源分配優(yōu)化。能源供應(yīng)側(cè)以高爐煤氣發(fā)生量為依據(jù)，根據(jù)運行高爐煤氣發(fā)生量和焦炭需求量的不同，按照運行高爐鼓風(fēng)量合理分配熱風(fēng)爐煤氣供應(yīng)量，滿足熱風(fēng)溫度，確保運行高爐順行。依據(jù)運行高爐焦炭使用量，合理分配焦?fàn)t結(jié)焦時間及焦?fàn)t高爐煤氣用量。根據(jù)運行高爐鼓風(fēng)量，確定鼓風(fēng)鍋爐負(fù)荷和煤氣用量。

(2)二級用戶的能源分配優(yōu)化。能源二級用戶以軋鋼生產(chǎn)線為主，在不同高爐生產(chǎn)模式下鐵水產(chǎn)量不同，鐵水分配不同導(dǎo)致煉鋼和鋼坯的產(chǎn)量不同，根據(jù)鋼坯分配合理安排軋鋼生產(chǎn)線的生產(chǎn)運行情況。熱連軋相對能耗小、成本低，因此根據(jù)熱鋼坯產(chǎn)量合理優(yōu)化軋鋼生產(chǎn)線的生產(chǎn)運行情況及相應(yīng)煤氣的配比和使用分配，確保高效軋鋼生產(chǎn)線的穩(wěn)定生產(chǎn)運行。

(3)三級用戶的能源分配優(yōu)化。能源三級用戶可以根據(jù)坯庫的庫存量實行錯峰生產(chǎn)，充分利用階梯電價，避開峰段生產(chǎn)、降低外購電量，從而實現(xiàn)節(jié)本降耗、能源充分高效利用。

2.2 氧氣、氮氣系統(tǒng)分級供應(yīng)

氧氣、氮氣系統(tǒng)分級供應(yīng)，可確保氧氣、氮氣供應(yīng)不足時段內(nèi)生產(chǎn)能夠持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，最大程度降低對生產(chǎn)的影響程度；同時也盡可能減少系統(tǒng)浪費和降低生產(chǎn)運行成本。氮氣用戶分級管控如圖3所示。

圖3 氮氣用戶分級管控示意Fig.3 Hierarchical control of nitrogen users

(1)氧氣、氮氣用戶分級供應(yīng)。①氧氣。氧氣基本用于高爐富氧、煉鋼吹氧、切割用氧等。在氧氣緊缺時，煉鋼用氧和鑄機(jī)鋼坯切割用氧為首保用戶；其次是高爐富氧；最后是其他軋鋼切割用氧。切割用氧必要時可以使用氧氣瓶代替。②氮氣。當(dāng)前因環(huán)保設(shè)施用氮氣較為普遍，在生產(chǎn)運行中，首先必須確保環(huán)保達(dá)標(biāo)排放，就必須保證環(huán)保設(shè)施的正常運行；其次高爐噴煤、煉鋼氮氣底吹均是保證高爐順行的必備條件；再次儀表用氣等。以上均為一級保供用戶。有些氮氣用戶可以采用其他氣體置換，如轉(zhuǎn)爐活動煙罩密封氮氣可用蒸汽置換氮氣，燒結(jié)輸灰氮氣可用壓縮空氣置換，有些儀表用氮可用干燥壓縮空氣置換等，這些用戶為二級用戶。其他一些管道吹掃、清潔吹掃及間隔較長時間補(bǔ)充氮氣用戶等，為三級用戶。

(2)根據(jù)氧氣、氮氣用戶所需壓力等級供應(yīng)。目前，氧氣、氮氣系統(tǒng)根據(jù)壓力等級分別分為低壓0.75 MPa和中壓2.50 MPa兩個等級供應(yīng)。中壓氧氣主要用于煉鋼吹氧和切割用氧，低壓氧氣用于高爐富氧；中壓氮氣主要用于高爐噴煤、轉(zhuǎn)爐底吹和濺渣護(hù)爐，低壓氮氣主要用于燒結(jié)輸灰、轉(zhuǎn)爐煙道密封、儀表用氮、環(huán)保設(shè)施用氮、高爐爐頂密封及均壓、除塵輸灰、干熄焦循環(huán)氮氣和吹掃及保安等。

3 極端生產(chǎn)運行模式下能源動力系統(tǒng)運行與管控

所謂極端運行模式就是單高爐生產(chǎn)運行模式，單高爐生產(chǎn)運行情況下能源介質(zhì)極度緊缺，高爐煤氣的發(fā)生量不足以維持高爐熱風(fēng)爐、焦?fàn)t和鼓風(fēng)鍋爐正常使用量，同時也存在很多不安全因素。所以在單高爐生產(chǎn)運行情況下，①確保能源系統(tǒng)的安全保障；②對高爐煤氣用戶要進(jìn)行嚴(yán)格管控并做好相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案；③充分優(yōu)化利用焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣，進(jìn)行相應(yīng)煤氣置換；④充分利用煤氣柜，做好煤氣柜保安和開爐煤氣使用；⑤在必要時做好積鐵煉鋼，充分利用轉(zhuǎn)爐煤氣。

3.1 能源系統(tǒng)的安全保障

單高爐運行期間煤氣發(fā)生量極其緊缺，根據(jù)煤氣平衡合理分配煤氣用戶用量，嚴(yán)格執(zhí)行煤氣管控，確保能源系統(tǒng)運行壓力，預(yù)防系統(tǒng)安全事故的發(fā)生。熱風(fēng)爐燒爐實行平穩(wěn)煤氣用量，避免煤氣大幅度變化造成系統(tǒng)壓力波動過大，影響系統(tǒng)運行質(zhì)量和安全。

3.2 制定并執(zhí)行系統(tǒng)預(yù)案

當(dāng)單高爐運行中發(fā)生突發(fā)事故減風(fēng)或者緊急休風(fēng)時，要及時啟動預(yù)案，杜絕系統(tǒng)安全事故的發(fā)生，并為高爐復(fù)風(fēng)做好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作。如高爐減風(fēng)量較大時，及時控制熱風(fēng)爐煤氣用量甚至停止燒爐，軋鋼用戶根據(jù)減風(fēng)情況加熱爐保溫或停止燒爐。如高爐緊急休風(fēng)時，高爐熱風(fēng)爐、焦?fàn)t及軋鋼生產(chǎn)線全部停止煤氣使用。鼓風(fēng)鍋爐適時退負(fù)荷直至熱備狀態(tài)，煤氣柜確保高柜容，根據(jù)系統(tǒng)壓力情況啟動煤氣互串保證煤氣系統(tǒng)安全。煤氣互串保安措施如圖4所示。

圖4 煤氣互串保安措施示意Fig.4 Security measures for gas interlocking

3.3 積鐵煉鋼利用轉(zhuǎn)爐煤氣

煤氣柜較小的鋼鐵企業(yè)，要充分實施積鐵煉鋼，利用轉(zhuǎn)爐煤氣回收，保障能源充分利用。例如安鋼目前擁有一座1 000 t混鐵爐，噸鋼轉(zhuǎn)爐煤氣回收130 m3/t，因此將會產(chǎn)生13萬m3轉(zhuǎn)爐煤氣，為高爐復(fù)風(fēng)儲備能源。

3.4 優(yōu)化制氧機(jī)組啟停

根據(jù)高爐運行模式，通過氧氣、氮氣平衡，合理運行制氧機(jī)組，避免氧氣、氮氣的放散造成動力介質(zhì)浪費。同時優(yōu)化煉鋼生產(chǎn)節(jié)奏，避免煉鋼對氧氣、氮氣用量因時間段產(chǎn)生較大變化。當(dāng)氧氣、氮氣供應(yīng)短時間段缺口較小時，可通過氧氣、氮氣氣化系統(tǒng)保供，避免制氧機(jī)組頻繁啟停，從而降低運行成本。當(dāng)制氧機(jī)組因其他因素造成大機(jī)組同時停車，制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，第一時間啟動氣化系統(tǒng)，并根據(jù)用戶分級嚴(yán)格執(zhí)行管控。

4 結(jié)論

(1)通過系統(tǒng)科學(xué)優(yōu)化，公司能源動力系統(tǒng)實現(xiàn)了全年安全、環(huán)保、穩(wěn)定運行，極端生產(chǎn)運行模式下保證了系統(tǒng)的運行質(zhì)量和安全。

(2)實現(xiàn)了能源系統(tǒng)煤氣管網(wǎng)電穩(wěn)定運行，且2019年自發(fā)電比例在42.9%以上。

(3)氧氮介質(zhì)穩(wěn)定供應(yīng)，轉(zhuǎn)爐吹煉用中壓氧壓合格率達(dá)99.51%，轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐用中壓氮壓合格率由96.23%提至98.17%。

(4)富余資源外銷創(chuàng)效，2019年度實現(xiàn)外銷液氧1.4萬t、醫(yī)用氧0.7萬t、液氮0.5萬t、液氬1.7萬t，合計增效約3 700萬元。