鋼鐵企業(yè)煤氣-蒸汽-電力多介質(zhì)管理模式研究與實(shí)踐

王榮耀，陳 偉，陳曉偉，王雅莉

（河鋼集團(tuán)唐鋼公司動力部，河北唐山 063000）

引言

隨著我國鋼鐵行業(yè)進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段，提高能源管控水平顯得愈發(fā)重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋼鐵行業(yè)中煤氣-蒸汽-電力介質(zhì)的能耗占總能源消耗的70%以上，但在多種能源介質(zhì)的綜合管控與優(yōu)化利用方面仍缺少實(shí)踐案例。因此基于唐鋼公司新區(qū)（以下簡稱唐鋼新區(qū)）煤氣-蒸汽-電力多介質(zhì)綜合管控實(shí)例，通過多項(xiàng)能源介質(zhì)的平衡分配與調(diào)度優(yōu)化，探究高利用率、高效益產(chǎn)出的介質(zhì)管理模式。

1 煤氣-蒸汽-電力多介質(zhì)管理概述

1.1 多能源介質(zhì)綜合管理的意義

鋼鐵企業(yè)能源系統(tǒng)中煤氣-蒸汽-電力等介質(zhì)關(guān)系緊密且相互轉(zhuǎn)化，介質(zhì)流動網(wǎng)絡(luò)如圖1。若沒有結(jié)構(gòu)化、模型化、自動化的數(shù)據(jù)支撐，很難保證能源的合理分配和高效利用［1］。因此，設(shè)計(jì)出基于多產(chǎn)線工況組合下的能源介質(zhì)耦合調(diào)度與平衡管理模式，利用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA 系統(tǒng)），對煤氣-蒸汽-電力運(yùn)行參數(shù)在線監(jiān)測、分析和調(diào)度優(yōu)化。該模式一方面可以幫助能源調(diào)度人員分析供需變化，提高調(diào)度水平和反應(yīng)速度，另一方面可以優(yōu)化鋼鐵企業(yè)多能源介質(zhì)管理，推動鋼鐵企業(yè)用能方式的轉(zhuǎn)變和智慧能源體系的建立，提升能源利用效率和節(jié)能減排水平。

圖1 唐鋼新區(qū)煤氣-蒸汽-電力介質(zhì)流動網(wǎng)絡(luò)

1.2 建立各能源介質(zhì)平衡模型

基于能源介質(zhì)流動網(wǎng)絡(luò)，完成煤氣-蒸汽-電力相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集，其中主要包括：主線系統(tǒng)工序或設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)、輔助系統(tǒng)工序或設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)、余能回收系統(tǒng)工序或設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)和緩沖系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)等。在確定本單位重要能耗單元、關(guān)鍵能耗因素、控制措施清單后，依托SCADA 能源精細(xì)化管理系統(tǒng)，完成煤氣-蒸汽-電力介質(zhì)的數(shù)據(jù)管理，并基于各能源介質(zhì)產(chǎn)生、消耗、轉(zhuǎn)換的流動路徑，建立煤氣-蒸汽-電力等能源介質(zhì)流的平衡模型并可視化呈現(xiàn)（部分模型圖見圖2～4），對煤氣-蒸汽-電力能源介質(zhì)運(yùn)行數(shù)據(jù)在線監(jiān)測、分析和調(diào)度優(yōu)化，提供易于交互的能源調(diào)度系統(tǒng)平臺。

圖3 轉(zhuǎn)爐煤氣系統(tǒng)平衡模型圖

圖4 蒸汽系統(tǒng)平衡模型圖

2 煤氣高效利用管理

煤氣作為煤氣-蒸汽-電力多能源介質(zhì)能量流動的起點(diǎn)，也是多能源介質(zhì)平衡管理與優(yōu)化的起點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)煤氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行與優(yōu)化管理至關(guān)重要，其中關(guān)鍵步驟在于提升系統(tǒng)的緩沖能力，因此需增加系統(tǒng)體量或緩沖用戶。

2.1 建立區(qū)域煤氣資源共享網(wǎng)絡(luò)

隨著國家政策調(diào)整，鋼鐵企業(yè)集群化發(fā)展趨勢愈發(fā)明顯，因此建立區(qū)域化富裕煤氣資源共享網(wǎng)絡(luò)已然成為單一鋼鐵企業(yè)應(yīng)對資源瓶頸和環(huán)境壓力的有效措施［2］。以唐鋼公司樂亭區(qū)域煤氣資源共享模式為例，依托唐鋼新區(qū)、唐鋼中厚板和佳華焦化區(qū)位優(yōu)勢并結(jié)合各自煤氣資源利用狀況，通過高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣管線相互連通，建立了煤氣資源共享網(wǎng)絡(luò)，見圖5，并建立區(qū)域燃?xì)庹{(diào)度中心進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)了多用戶點(diǎn)位富裕煤氣的緩沖，提升系統(tǒng)整體的緩沖能力。

圖5 唐鋼樂亭區(qū)域煤氣資源共享網(wǎng)絡(luò)

2.2 降低煤氣峰谷用量起伏

加熱爐、熱風(fēng)爐的煤氣峰谷用量波動是干擾煤氣平衡的主要因素，二者用氣量范圍波動可達(dá)到總產(chǎn)氣量的30.2%～61.5%。因此降低大用戶峰谷用量起伏對于提升整個高爐煤氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。熱風(fēng)爐因具備規(guī)律性大小燒特點(diǎn)，可通過錯峰燒爐實(shí)現(xiàn)多座加熱爐總用氣量的穩(wěn)定。以唐鋼新區(qū)熱風(fēng)爐為例，3 座熱風(fēng)爐未調(diào)整前總用氣量波動范圍為（30.5～46.5）×104m3/h，經(jīng)錯峰調(diào)整后總用氣量基本維持在（34.1～38.7）×104m3/h，用氣量波動顯著改善。加熱爐煤氣用量波動起伏需依托區(qū)域燃?xì)庹{(diào)度中心，根據(jù)唐鋼新區(qū)、唐鋼中厚生產(chǎn)計(jì)劃編制煤氣平衡方案，尋求煤氣需求和供應(yīng)最佳平衡點(diǎn)，確保富裕煤氣完全由區(qū)域內(nèi)各發(fā)電機(jī)組消耗。此外燃?xì)庹{(diào)度中心根據(jù)用戶優(yōu)先用氣等級進(jìn)行調(diào)整和調(diào)度，優(yōu)先次序?yàn)椋簾犸L(fēng)爐>燒結(jié)、球團(tuán)>軋鋼、加熱爐>煤氣發(fā)電鍋爐等用戶，逐級壓減至煤氣達(dá)到平衡狀態(tài)。同時，在實(shí)際運(yùn)行中，煤氣發(fā)電鍋爐的調(diào)整級別和次序依據(jù)發(fā)電機(jī)組效率進(jìn)行逐級壓減調(diào)整，以唐鋼新區(qū)為例，超高溫亞臨界發(fā)電機(jī)組燃耗比高溫超高壓機(jī)組低0.42 m3/kWh（煤氣熱值3 150 kJ/m3），故執(zhí)行“高效機(jī)組優(yōu)先”的富裕煤氣資源利用原則，高效機(jī)組優(yōu)先高負(fù)荷運(yùn)行，保證能源利用最大化。

2.3 煤氣柜柜容與管網(wǎng)放散壓力關(guān)系配置

煤氣柜作為緩沖系統(tǒng)壓力波動、收儲煤氣的重要裝置，在保證其活塞升降速度、傾斜度、油泵啟停等參數(shù)正常的前提下，應(yīng)科學(xué)配置柜容與放散壓力關(guān)系，實(shí)現(xiàn)裝備效能利用最大化。以唐鋼新區(qū)為例，煤氣柜運(yùn)行時以“柜容三段式配置放散壓力”為原則，設(shè)定了聯(lián)鎖值（具體數(shù)值見圖6），煤氣柜因特殊情況解列后，放散塔收回管網(wǎng)壓力控制權(quán)，放散塔放散壓力分別為13.0 kPa、13.5 kPa、14.0 kPa。其他轉(zhuǎn)爐煤氣柜、焦?fàn)t煤氣柜參照高爐煤氣柜柜容與放散壓力配置進(jìn)行設(shè)置，以達(dá)到充分利用氣柜谷吸峰吐能力的目的［3］。

圖6 唐鋼樂亭區(qū)域高爐煤氣柜容對應(yīng)放散壓力配置圖

3 蒸汽高效利用管理

鋼鐵企業(yè)蒸汽發(fā)生源數(shù)量較多，各蒸汽品質(zhì)不一，高品質(zhì)蒸汽可減溫減壓后補(bǔ)充至低品質(zhì)蒸汽，如何合理利用各品質(zhì)蒸汽成為鋼鐵企業(yè)能源利用的重要課題。以唐鋼新區(qū)為例，各品質(zhì)蒸汽來源與性質(zhì)見表1，在蒸汽利用上執(zhí)行“按質(zhì)用能、能級匹配、梯級利用、就地用能”的原則［4］。具體執(zhí)行措施如下：

表1 唐鋼新區(qū)各蒸汽來源與性質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

（1）對于高品質(zhì)的蒸汽全部用于高效發(fā)電，減少因能級差造成的不可逆損失。

（2）對用能過程進(jìn)行優(yōu)化，兼顧系統(tǒng)的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益，廠區(qū)軋鋼加熱爐產(chǎn)生的低品質(zhì)蒸汽用于生產(chǎn)需要和冬季伴熱，冬季蒸汽不足時，使用煉鋼轉(zhuǎn)爐汽化蒸汽補(bǔ)充至外網(wǎng)。

（3）對燒結(jié)煙氣余熱進(jìn)行回收，噸礦余熱回收蒸汽90～110 kg全部用于發(fā)電。

（4）煉鋼轉(zhuǎn)爐汽化蒸汽綜合利用，通過蓄熱器來保持汽壓的穩(wěn)定，通過飽和余熱發(fā)電實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐煉鋼蒸汽的高效利用。

4 電力高效利用管理

為了減少電力成本以及提高電力供應(yīng)的可靠性，鋼鐵企業(yè)大多建立了自備電廠。通常所發(fā)電量約占鋼鐵企業(yè)總用電量的40%～80%，其余電力需求由主電網(wǎng)供電。近年來，隨著國家峰谷電價的實(shí)施，發(fā)電系統(tǒng)和煤氣系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)調(diào)度愈發(fā)受到重視，需要充分利用煤氣柜的儲能功能，通過約束條件保證煤氣柜的安全，實(shí)現(xiàn)發(fā)電負(fù)荷的峰谷轉(zhuǎn)移，降低電力采購成本。

唐鋼新區(qū)在保證主線生產(chǎn)的前提下，充分發(fā)揮技術(shù)管理和能源管理優(yōu)勢，制定錯峰發(fā)電方案，增加尖峰段發(fā)電量，實(shí)現(xiàn)煤氣資源效益最大化，具體執(zhí)行措施如下：

（1）充分利用氣柜谷吸峰吐能力，電價低谷時，暫時儲存煤氣，電價峰段時增加外供量，降低柜容，增加發(fā)電量。

（2）根據(jù)主產(chǎn)線躲峰生產(chǎn)計(jì)劃，預(yù)判煤氣裕量狀況，提升發(fā)電機(jī)組負(fù)荷，增加峰段發(fā)電量，避免煤氣裕量突增造成管網(wǎng)沖擊放散。

（3）充分利用樂亭區(qū)域煤氣資源共享網(wǎng)絡(luò)，發(fā)電機(jī)組按70%的運(yùn)行負(fù)荷參與煤氣平衡方案的制定，保證煤氣系統(tǒng)具備較強(qiáng)的緩沖能力。

5 結(jié)論

唐鋼新區(qū)基于單一能源介質(zhì)平衡管控模型，搭建了多種能源介質(zhì)管控平臺，依托集中控制，對煤氣-蒸汽-電力進(jìn)行實(shí)時管理，優(yōu)化了能源的耦合調(diào)度與平衡管理，實(shí)現(xiàn)了單一介質(zhì)模型化管控以及多種能源介質(zhì)集中監(jiān)控與管理相融合的系統(tǒng)建設(shè)。多種能源機(jī)制管控平臺投用以及各能源介質(zhì)高效利用措施實(shí)施后，區(qū)域能源利用效率顯著提升，各流動環(huán)節(jié)管控更加全面，有效優(yōu)化了管理流程，降低了運(yùn)行管理成本，提高了自動化水平和勞動生產(chǎn)率，提升了全廠能源事故反應(yīng)能力。

自2022 年10 月項(xiàng)目實(shí)施后，唐鋼新區(qū)高爐煤氣利用率達(dá)100.0%，轉(zhuǎn)爐煤氣利用率達(dá)100.0%，焦?fàn)t煤氣利用率達(dá)到99.7%，高品質(zhì)蒸汽100.0%供應(yīng)對應(yīng)能級的發(fā)電系統(tǒng)，低品質(zhì)蒸汽全部用于廠區(qū)生產(chǎn)和伴熱。依靠煤氣系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)以及發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)整進(jìn)行錯峰發(fā)電，減少煤氣放散創(chuàng)效和增加發(fā)電創(chuàng)效合計(jì)達(dá)到4 213.5 萬元，同時避免了CO事故性排放造成的企業(yè)生產(chǎn)中斷，有效緩解了區(qū)域性能源緊張和環(huán)境治理壓力。