鋼鐵企業(yè)電力需量綜合優(yōu)化分析及措施

詹守權 ，劉迎宇 ，徐強 ，孟志權 ，闞頌 ，郝飛

（1.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)是高耗電的企業(yè)，電能的使用和供應情況復雜，電力系統(tǒng)與各工藝流程相關聯(lián)，涉及鋼鐵生產(chǎn)的各個方面，貫穿企業(yè)的轉換輸配環(huán)節(jié)且終端用戶眾多［1-3］。鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司（以下簡稱“鲅魚圈”）電網(wǎng)分為兩大供電區(qū)域，分別由分公司自有的220 kV鋼鐵變和營口供電公司下轄的220 kV范家變供電，主要采用工序集中供電原則，熱軋、厚板、焦化、煉鐵、燒結、原料、制氧、煉鋼、中板等工序分別建造獨立的66 kV總降壓變電站為其提供電源，鋼鐵變主要向熱軋、厚板、焦化、原料、中板、煉鋼10 kV一段、2座LF爐、3#制氧機、煉鐵10 kV一段、燒結10 kV二段、1#電鼓供電；范家變主要向燒結10 kV一段、煉鐵10 kV二段、2#電鼓、煉鋼10 kV二段、2#制氧機供電。

依據(jù) 《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》，鲅魚圈鋼鐵變、制氧總降、煉鐵總降、煉鋼總降、燒結總降為外購電變電站，基本電費結算方式由固定需量（需求電量）方式繳納改為按實際最大需量繳納。為了降低月度最大需量，達到節(jié)約電費支出的目的，從鲅魚圈電網(wǎng)結構、發(fā)電機組分布和各工序負荷出發(fā)，結合能源集控項目建立電力需量控制模型，改善了資源配置，合理分配了發(fā)電資源并網(wǎng)點，對結算關口進行需量控制，提升了終端用電效率，降低了用電費用，取得較好的效果。

1 供電系統(tǒng)的組成

鲅魚圈與大電網(wǎng)連接的線路共有10條，其中220 kV需量監(jiān)測關口線路2條：鋼鐵變的望鐵1#線和2#線；66 kV需量監(jiān)測關口線路8條：制氧總降的范氧甲線、乙線；煉鋼總降范鋼甲線、乙線；煉鐵總降范鐵甲線、乙線；燒結總降范燒甲線、乙線。根據(jù)鲅魚圈實際情況和負荷分布，望鐵1#線、望鐵2#線、范鋼甲線、范燒甲線、范氧甲線、范鐵乙線是需要重點關注需量的監(jiān)測點。圖1為鲅魚圈供配電系統(tǒng)簡圖，圖中66 kV聯(lián)絡線共2條，是架空線路，分別提供煉鐵、制氧、煉鋼總降的一半負荷和煉鋼LF負荷；10 kV原料燒結聯(lián)絡線電纜為直埋線路，充電備用。從圖1可以看出，由于關口需量線路眾多，存在多個關口同時越限的可能，增加了需量調控的難度。

圖1 鲅魚圈供配電系統(tǒng)簡圖Fig.1 Diagram of Power Supply and Power Distribution System in Bayuquan Branch

2 需量決策分析系統(tǒng)的建立

鲅魚圈依托智能電力調度系統(tǒng)，結合各個工序負荷的數(shù)據(jù)，建立電力需量決策分析系統(tǒng)，實現(xiàn)需量相關的各個廠站主要線路的需量實時計算［4-6］；基于調度運行駕駛艙技術實時更新負荷潮流變化情況［7］；關口需量集中監(jiān)視以儀表盤結合曲線展示的方式，在儀表盤中設定需量越限區(qū)間；在曲線中同樣設定需量越限曲線，通過和實測需量曲線的對比可以看出何時出現(xiàn)越限及越限的幅度，為需量實時調控提供知識決策信息，提高調度運行水平。

鲅魚圈供電網(wǎng)絡可以構成小型電力系統(tǒng)，外購電、發(fā)電機發(fā)電組成電源端，各工藝生產(chǎn)耗電為消耗端。最大需量繳納基本電費是外購電費重要組成部分，通過上述對電力系統(tǒng)的分析認為，控制最大需量應重點關注需量關口所轄生產(chǎn)電力負荷的變化，選擇合適發(fā)電機并網(wǎng)點，調整能源介質分配，提高發(fā)電機出力。表1所示為關口線路、電力負荷以及發(fā)電機并網(wǎng)點，發(fā)電機可以根據(jù)電網(wǎng)結構和耗電情況選擇并網(wǎng)點，在受到能源介質影響的情況下合理調整電力負荷和發(fā)電機工作。

表1 關口線路、電力負荷以及發(fā)電機并網(wǎng)點Table 1 Gateway Line,Power Load and Generator Parallel-in Point

3 需量控制統(tǒng)籌方案制定及變動原因分析

3.1 統(tǒng)籌方案制定

正常運行情況下，各關口線路需量維持在理論計算負荷水平上，但電網(wǎng)生產(chǎn)線檢修、事故處理、缺陷處理、系統(tǒng)接地、發(fā)電機負荷調整等諸多因素會影響最大需量的發(fā)生。為了有效控制最大需量，制定的需量統(tǒng)籌方案如下。

（1）保證各發(fā)電機最大負荷穩(wěn)定運行。

（2）發(fā)電機出力調整或計劃檢修要與各生產(chǎn)線配合，并提前申請進行電力平衡后方可進行。

（3）安排設備檢修與供電公司檢修同步進行，或與主體生產(chǎn)線檢修同步進行，電網(wǎng)上下級配合。

（4）超過1 000 kVA設備起機或倒負荷申請電網(wǎng)環(huán)并時要報主管部門，電力平衡無問題后方可進行。

（5）電網(wǎng)事故處理、缺陷處理、系統(tǒng)接地時，按照事故的嚴重性，將控制最大負荷與事故處理結合起來統(tǒng)籌安排。

3.2 需量變動原因分析

為加強沖擊負荷的控制，需對電力需量變動原因做進一步分析。以檢修計劃為例，當多條生產(chǎn)線同時進行檢修作業(yè)時，總電力負荷將會出現(xiàn)大的凹谷。檢修后，各作業(yè)線所欠產(chǎn)能將會在之后某個時間集中釋放，從而推高當日用電負荷峰值，進而影響當月需量值。如果只是單一錯開每條生產(chǎn)線的檢修時間，減少同時檢修的產(chǎn)線又會出現(xiàn)煤氣發(fā)生量與使用量、蒸汽發(fā)生量和使用量不匹配問題，出現(xiàn)例如軋線檢修煤氣、蒸汽全部用于發(fā)電后還有過剩放散問題，而單一高爐休風檢修或焦爐檢修時會出現(xiàn)煤氣、蒸汽量不足，發(fā)電機組不飽和問題，進而增加當日線路關口的需量。圖2為能源介質關系圖。圖2中，能源介質指煤氣、蒸汽，其中煤氣包含高爐煤氣和焦爐煤氣。生產(chǎn)工藝使用電力負荷產(chǎn)生煤氣、蒸汽等能源介質，能源介質用于發(fā)電反饋給電網(wǎng)，并與線路關口的電力共同為生產(chǎn)工藝提供電力負荷。

圖2 能源介質關系圖Fig.2 Diagram of Energy Medium Relationship

圖3為能源之間轉換關系圖。

圖3 能源之間轉換關系圖Fig.3 Diagram for Energy Conversion

由圖3看出，能源介質量、生產(chǎn)工藝負荷值、發(fā)電機組發(fā)電量與線路關口需量存在較強的耦合關系，生產(chǎn)工藝負荷值既產(chǎn)生又消耗能源介質量，能源介質量影響發(fā)電機發(fā)電量，發(fā)電機發(fā)電量和生產(chǎn)工藝負荷值共同影響線路關口需量的產(chǎn)生。

梳理鲅魚圈生產(chǎn)檢修鏈條認為，高爐煤氣發(fā)生量影響多個發(fā)電機組發(fā)電量，對關口需量影響最大。因此將工藝檢修的起始點設定為高爐，對每次檢修的負荷情況進行有效分析，上、下游工藝同步檢修將對需量控制起到串聯(lián)作用，分析4 h和16 h時高爐檢修負荷平衡和發(fā)電機負荷關系，根據(jù)計算經(jīng)驗值設定需量模擬值，通過負荷平衡使之達到需量目標值，積累基礎數(shù)據(jù)。表2為各關口需量值及發(fā)電機負荷分布。

表2 各關口需量值及發(fā)電機負荷分布Table 2 Power Demand Values for Each Gateway and Generator Load Distribution

4 需量統(tǒng)籌方案的調控

4.1 調整原因分析

針對高爐休風計劃細化需量控制統(tǒng)籌方案，以高爐4 h和16 h休風為例進行分析。

高爐4 h休風時，保證1#煤氣爐高負荷運行，對應保證范氧甲線最大需量不變，TRT發(fā)電機組在此期間不允許電動運行，起機速度不能影響范鐵乙線的最大需量，2#CDQ高負荷運行確保滿足范鋼甲線需量；電鼓低負荷運行，軋線配合停軋（熱軋或中厚板），2臺LF爐及其動補裝置錯峰生產(chǎn)或停一臺LF爐，CCPP、2#煤氣爐和1#CDQ在煤氣、蒸汽總體平衡情況下提高發(fā)電量。4 h休風控制難點在于休風時間短，有些生產(chǎn)負荷難以降至最低值，煤氣量不穩(wěn)定，難以保證正常發(fā)電量。

16 h休風控制措施與4 h的區(qū)別不大，控制難點在于休風時間長，煤氣柜煤氣量既要滿足正常生產(chǎn)又要適度控制，需要計算發(fā)電量、負荷值和需量值之間的關系，既不能發(fā)電負荷過高又不能低負荷影響需量值。

4.2 調整方案制定

2019年11月22 日1#高爐休風16 h電力最大需量控制方案如下。

（1）確定控制目標

本次高爐休風檢修影響望鐵1#、2#線、范氧甲線關口。望鐵1#、2#線最大需量目標值為145 MW（當時最大需量為148 MW）；范氧甲線最大需量目標值為15.05 MW（當時最大需量為15.05 MW）。

（2）制定控制策略

① 配合停產(chǎn)工序有中板、厚板、球團、2#LF、2#制氧機、2#燒結機。

② 厚板、2#LF、球團停產(chǎn)后，允許CCPP減負荷。停產(chǎn)必須安排在高爐休風前1 h，由集控中心調度下令執(zhí)行。

③CCPP負荷最低減到60 MW，煤氣不足時，短時間控制熱風爐用量。高爐休風恢復后，1#電鼓達到10 MW負荷時，CCPP增加負荷至100 MW。

④2#制氧機運行期間實時調整1#煤氣爐負荷，保證范氧甲線需量不超過15.05 MW，2#煤氣爐盡量多發(fā)電。2#制氧機停機期間1#煤氣爐保持最低負荷4 MW，制氧1#氮壓機由1#受電帶，1#綜合泵站一受電帶全負荷，保證2#煤氣爐盡量多發(fā)電。

⑤實時調整2#CDQ負荷，保證范鋼甲線需量不超過18.69 MW，1#CDQ盡量多發(fā)電。

⑥休風前高爐柜、轉爐柜保證高柜位，焦爐燒高爐煤氣減至26萬m3/h，軋鋼系統(tǒng)可高熱值（13 MJ/m3）運行。

⑦范氧甲線倒負荷前調整電壓差，減少環(huán)并電流，不超過最大需量15.05 MW。倒負荷期間環(huán)并時間控制在8 min內(nèi)。

⑧高爐休風期間，要求厚板產(chǎn)線控制負荷在15 MW以內(nèi)，中板產(chǎn)線控制負荷在5 MW以內(nèi)，集控中心調度下令厚板部做好負荷控制。

⑨ 高爐送風后，CCPP加滿負荷，由集控中心調度通知厚板、2#LF、球團，方可恢復生產(chǎn)。

4.3 調整后的負荷平衡

調整后的望鐵關口負荷平衡表見表3。

表3 調整后望鐵關口負荷平衡表Table 3 Load Balance Table for Wangtie Gateway after Adjustment MW

由表3看出，1#高爐休風檢修期間，高爐煤氣發(fā)生量減少，影響煤氣發(fā)電機組的發(fā)電量，CCPP和2#煤氣爐的發(fā)電量分別從140 MW和18 MW降至60 MW和10 MW，確保整個煤氣系統(tǒng)平衡情況下穩(wěn)定發(fā)電；1#TRT為高爐余壓機組需要停機，燒結余熱發(fā)電機組受燒結工序影響需要停機，系統(tǒng)發(fā)電量共減少119 MW。為配合1#高爐休風檢修，中、厚板軋線、1臺LF、1#電鼓、燒結B系列、球團計劃檢修，共降低耗電負荷121 MW，總體負荷平衡預估增加2 MW，其它生產(chǎn)線正常預估最大需量為145 MW，當前已經(jīng)發(fā)生需量值148 MW。高爐休風檢修期間嚴格執(zhí)行上述方案，將檢修負荷降至預估值以下，確保達到電力最大需量控制方案的目標。

4.4 構建電力需量控制數(shù)學模型

充分利用能源集控項目建立需量監(jiān)視與統(tǒng)計分析模塊，根據(jù)相對固化的工藝和檢修過程提煉出通用性更強的電力需量控制數(shù)學模型。表4為電力需量控制數(shù)學模型。

表4 電力需量控制數(shù)學模型Table 4 Mathematical Model for Power Demand Control MW

表4中，a～O代表正常生產(chǎn)工藝情況下能源介質產(chǎn)生的發(fā)電量，通過計算生產(chǎn)工藝負荷和發(fā)電量得出最大需量目標值X～W，即本次高爐休風各線路關口需量控制值。

5 效益分析

從2019年8月起，鲅魚圈按最大需量的方式結算企業(yè)電費，表5為2019年各月電力基本電費清單（單位為萬元）。

表5 2019年各月基本電費清單Table 5 Basic Electricity Bill of Each Month in 2019

由表5看出，按固定需量結算時，前7個月的平均基本電費為1 474萬元，采取上述措施后，按最大需量結算，8～12月的月平均基本電費為1 010萬元，月均降低基本電費支出464萬元。

6 結語

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司對企業(yè)電力需量綜合優(yōu)化分析后，進行了知識化和智能化電力調度的有益嘗試，構建了電力需量控制數(shù)學模型，合理使用煤氣、蒸汽等能源介質，合理利用發(fā)電資源，改變用電方式，提升了終端用電效率，模型使用后，企業(yè)用電月均降低了464萬元。