湛鋼蒸汽智慧預(yù)測(cè)與優(yōu)化決策系統(tǒng)開發(fā)及實(shí)踐

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(xué))

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(jìn)行應(yīng)用。在“碳達(dá)峰，碳中和”、能耗“雙控”宏觀政策背景下，鋼鐵企業(yè)紛紛加強(qiáng)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(huì)對(duì)蒸汽管網(wǎng)產(chǎn)生較大的沖擊，導(dǎo)致蒸汽系統(tǒng)壓力波動(dòng)過大，進(jìn)而引發(fā)部分汽源的低壓余熱蒸汽無(wú)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(duì)湛江鋼鐵蒸汽系統(tǒng)不確定性因素多、壓力頻繁大幅波動(dòng)等運(yùn)行特征，基于現(xiàn)場(chǎng)采集的大量歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了蒸汽系統(tǒng)智慧運(yùn)行優(yōu)化決策軟件系統(tǒng)。應(yīng)用效果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)蒸汽零放散和煉鋼蒸汽精細(xì)化自平衡，提高蒸汽的梯級(jí)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(jì)額定壓力分別為4.0、1.25 MPa。中壓蒸汽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要汽源是干熄焦(CDQ)高壓蒸汽和CDQ發(fā)電機(jī)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(yàn)研究及技術(shù)改進(jìn)后，中壓蒸汽系統(tǒng)實(shí)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(wàn)元。

低壓蒸汽系統(tǒng)汽源包括各類余熱回收蒸汽、燃?xì)忮仩t蒸汽和電廠抽汽，如圖1所示。燃?xì)忮仩t和電廠是整個(gè)蒸汽系統(tǒng)最重要調(diào)整汽源，通過對(duì)產(chǎn)汽量、抽汽量動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整，消納和吸收其它汽源對(duì)管網(wǎng)的沖擊性負(fù)荷，保障整個(gè)系統(tǒng)壓力相對(duì)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?fàn)t、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(fù)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(gè)系統(tǒng)中占比逐步達(dá)到90%以上，沖擊性的負(fù)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(duì)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(gè)系統(tǒng)抗沖擊性負(fù)荷能力減弱。目前蒸汽系統(tǒng)的壓力波動(dòng)主要來源于煉鋼蓄熱器沖擊性送汽，其最高沖擊負(fù)荷占整個(gè)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)?？焖偕仙翢彳埰吹脑O(shè)計(jì)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(jì)劃與實(shí)績(jī)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(dǎo)致蒸汽不能及時(shí)并網(wǎng)或存在不確定的沖擊性并離網(wǎng)負(fù)荷，進(jìn)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(duì)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(duì)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(dá)70%以上。

(4)蒸汽系統(tǒng)成本較高

蒸汽系統(tǒng)投運(yùn)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(jià)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(wàn)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(jià)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(jì)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(yàn)[1]，結(jié)合能源調(diào)度對(duì)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(yù)測(cè)與決策4個(gè)方面建立智慧蒸汽預(yù)測(cè)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(jì)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?fù)鋱D，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(shí)物化、動(dòng)態(tài)化的形式展示當(dāng)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(jí)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(shí)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(jià)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(biāo)，為智慧決策提供成本依據(jù)。

(4)智慧預(yù)測(cè)與決策。利用生產(chǎn)計(jì)劃、檢修計(jì)劃、蒸汽智慧潮流數(shù)據(jù)、多能耦合以及成本管控?cái)?shù)據(jù)，結(jié)合崗位操作人員調(diào)整經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建蒸汽系統(tǒng)的日平衡和實(shí)時(shí)平衡的智慧預(yù)測(cè)與決策，指導(dǎo)員工做出最佳的調(diào)整，避免蒸汽壓力波動(dòng)導(dǎo)致的放散，實(shí)現(xiàn)煉鋼蒸汽精細(xì)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(jì)思路，采用智慧能源平臺(tái)軟件和寶鋼數(shù)據(jù)中臺(tái)，形成了“1個(gè)核心 + 4種支撐技術(shù)”的軟件系統(tǒng)架構(gòu)。

“1個(gè)核心”即能源管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)應(yīng)用中心，實(shí)現(xiàn)蒸汽系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)、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(cāng)庫(kù)、數(shù)據(jù)域，建立了智慧蒸汽系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，將統(tǒng)計(jì)分析、人工智能、數(shù)學(xué)模型、調(diào)控經(jīng)驗(yàn)融入到大數(shù)據(jù)分析中，開發(fā)智慧預(yù)測(cè)與決策系統(tǒng)，通過積累以及不斷的自學(xué)習(xí)，提升系統(tǒng)準(zhǔn)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(jì)、基于三流一態(tài)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及建模、歷史數(shù)據(jù)的自學(xué)習(xí)反饋、結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)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(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行機(jī)理信息，建立了管網(wǎng)壓力的預(yù)測(cè)模型，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)，給出管網(wǎng)壓力的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果?？紤]各蒸汽用戶的經(jīng)濟(jì)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(yàn)規(guī)則的蒸汽優(yōu)化決策技術(shù)。

3.1 管網(wǎng)壓力預(yù)測(cè)

根據(jù)湛江鋼鐵蒸汽管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)分布，選擇2號(hào)高爐消耗蒸汽的壓力點(diǎn)(此點(diǎn)為管網(wǎng)中間壓力點(diǎn))為管網(wǎng)壓力優(yōu)化的參照點(diǎn)。整個(gè)管網(wǎng)的汽源和耗汽用戶眾多，且分布范圍廣，均對(duì)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(shí)際工況條件和歷史數(shù)據(jù)可知，煉鋼用戶對(duì)管網(wǎng)波動(dòng)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(yùn)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(gè)檢測(cè)點(diǎn)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(yù)測(cè)流程如圖3所示。

圖3 蒸汽管網(wǎng)壓力預(yù)測(cè)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。基于時(shí)間序列預(yù)測(cè)的方法來建立上述用戶的蒸汽流量預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)方式見3.2節(jié)?；谏鲜鲇绊懸蛩貥?gòu)建管網(wǎng)壓力預(yù)測(cè)模型，采用機(jī)理經(jīng)驗(yàn)公式[5]進(jìn)行計(jì)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(hào)函數(shù)，與q符號(hào)一致；q為管段的流量，當(dāng)流體由管段始端流向末端時(shí)為正值，反之為負(fù)，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(zhǎng)度，m；le為管段所含閥門、彎頭等的當(dāng)量長(zhǎng)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(shí)間K內(nèi)的管段壓降，通過每個(gè)單位采樣間隔進(jìn)行累加得到。

(3)

式中：ΔP為一段時(shí)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(fù)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(xiàng)護(hù)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(duì)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(duì)管網(wǎng)壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)。在蒸汽流量不同階段，R存在不同的取值。對(duì)于煉鋼用戶，當(dāng)sgn(q)=1且當(dāng)前煉鋼蒸汽流量為0～50 t/h時(shí)取R1；當(dāng)sgn(q)=1且當(dāng)前煉鋼蒸汽流量為50～60 t/h時(shí)取R2；當(dāng)sgn(q)=-1時(shí)取R3。首先預(yù)測(cè)得到各個(gè)影響因素的流量預(yù)測(cè)值，結(jié)合當(dāng)前管網(wǎng)壓力實(shí)時(shí)測(cè)量值，根據(jù)式(1)和式(4)來計(jì)算管網(wǎng)未來一段時(shí)間的壓力預(yù)測(cè)值。

3.2 煉鋼蒸汽并網(wǎng)量預(yù)測(cè)

由于煉鋼蒸汽并網(wǎng)過程存在間歇性強(qiáng)、沖擊大等特點(diǎn)，且蒸汽蓄熱器容量有限，湛鋼采用蓄熱器壓力三級(jí)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(gè)區(qū)域設(shè)置蓄熱器，對(duì)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(shí)現(xiàn)煉鋼廠內(nèi)部蒸汽自平衡。

表1 蓄熱器三級(jí)調(diào)控設(shè)定

由于蓄熱器壓力同時(shí)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(yù)測(cè)分為轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐蒸汽發(fā)生量預(yù)測(cè)、RH蒸汽使用量預(yù)測(cè)以及煉鋼蒸汽并網(wǎng)量預(yù)測(cè)，總體流程見圖4。

圖4 煉鋼蓄熱器壓力及蒸汽并網(wǎng)量預(yù)測(cè)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(jì)劃獲得轉(zhuǎn)爐和RH的未來生產(chǎn)節(jié)奏，并通過統(tǒng)計(jì)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(jìn)而構(gòu)造蒸汽流量的預(yù)測(cè)曲線?；谄漕A(yù)測(cè)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(yù)處理后得到模型的訓(xùn)練樣本輸入輸出集，進(jìn)而訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，其中預(yù)測(cè)模型中的學(xué)習(xí)率、隱含層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)等參數(shù)采用網(wǎng)格搜索的方式進(jìn)行尋優(yōu)。最終得到的預(yù)測(cè)表達(dá)式為：

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

(5)

式中：yt為t時(shí)刻蓄熱器壓力；f()為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)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(shí)刻蓄熱器壓力值。

預(yù)測(cè)得到下一時(shí)刻蓄熱器壓力值后，由當(dāng)前時(shí)刻蓄熱器壓力經(jīng)表1中的三級(jí)調(diào)控規(guī)則得到下一時(shí)刻的蒸汽并網(wǎng)量，進(jìn)而根據(jù)轉(zhuǎn)爐蒸汽發(fā)生量和RH蒸汽使用量預(yù)測(cè)值計(jì)算下一時(shí)刻的蓄熱器壓力，依次類推得到未來一段時(shí)間的煉鋼蒸汽并網(wǎng)量預(yù)測(cè)值。

3.3 優(yōu)化決策技術(shù)

基于蒸汽管網(wǎng)壓力預(yù)測(cè)結(jié)果，評(píng)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(shí)對(duì)蒸汽系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整干預(yù)，形成蒸汽系統(tǒng)的實(shí)時(shí)優(yōu)化方案。這樣不僅實(shí)現(xiàn)了蒸汽管網(wǎng)的實(shí)時(shí)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(jì)效益。

具體實(shí)施方案以2號(hào)高爐處蒸汽壓力為參照值，設(shè)定壓力優(yōu)化運(yùn)行區(qū)間[PL，PH]。若預(yù)測(cè)未來管網(wǎng)壓力P>PH，需要計(jì)算蒸汽調(diào)整量，使管網(wǎng)運(yùn)行壓力降低到區(qū)間[PL，PH]；若預(yù)測(cè)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(yù)測(cè)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(xué)習(xí)功能對(duì)系統(tǒng)做出未來30 min壓力、流量等的預(yù)測(cè)，同時(shí)將崗位運(yùn)行人員調(diào)整經(jīng)驗(yàn)進(jìn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)了對(duì)煉鋼內(nèi)部蒸汽產(chǎn)銷的預(yù)測(cè)，同時(shí)考慮蒸汽梯級(jí)利用、價(jià)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(yù)測(cè)和決策基本上避免了壓力過高導(dǎo)致的低壓蒸汽放散，煉鋼蒸汽回收量為100 kg/t。