面向鋼鐵工業(yè)節(jié)能的冶金自動化系統(tǒng)

1  引言       2020年我國實(shí)現(xiàn)GDP翻兩番,鋼鐵材料是我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必選材料。鋼鐵工業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展是我國GDP翻兩番和實(shí)現(xiàn)新型工業(yè)化的重要支撐條件。在強(qiáng)勁市場需求的推動下，近年來我國鋼產(chǎn)量以超過20％的增幅高速增長，2003年達(dá)2.234億噸，連續(xù)8年位居世界第一。我國已成為全球最大的鋼鐵生產(chǎn)國和消費(fèi)國，鋼鐵業(yè)高速發(fā)展也造成了我國能源緊張，制約了鋼鐵工業(yè)的持續(xù)發(fā)展。我國鋼鐵行業(yè)消耗的能源占整個工業(yè)總量的10％，能源消耗比發(fā)達(dá)國家高15%～20%，節(jié)能不僅是企業(yè)降低成本、提高產(chǎn)品市場競爭力的重要途徑，更是企業(yè)必須承擔(dān)的促進(jìn)全社會資源永續(xù)利用的重要責(zé)任，也是促進(jìn)企業(yè)以及整個國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的永恒主題，利用冶金自動化系統(tǒng)做好鋼鐵業(yè)的節(jié)能工作對我國經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

2  鋼鐵工業(yè)節(jié)能主要途徑       鋼鐵生產(chǎn)的典型過程包括煉鐵、煉鋼和軋鋼3個主要工序。鋼鐵工業(yè)節(jié)能主要有減少能源消耗和已消耗能源的循環(huán)利用兩方面途徑。前者主要的措施包括生產(chǎn)工藝和流程的改進(jìn)和優(yōu)化、采用節(jié)能材料和技術(shù)等內(nèi)容，后者主要的措施包括物理能和化學(xué)能的回收利用、能量平衡和優(yōu)化等綜合節(jié)能等內(nèi)容。 (1) 煉鐵工序       焦?fàn)t-高爐煉鐵流程的生產(chǎn)工序多，設(shè)備復(fù)雜，建設(shè)投資高，是鋼鐵生產(chǎn)中耗能最多的工序，耗能量占總耗能量的35％左右，各企業(yè)都將煉鐵工序作為節(jié)能工作的重點(diǎn)，主要的節(jié)能措施有焦?fàn)t采用干熄焦技術(shù)、煤干燥技術(shù)和煉焦煤預(yù)熱工藝等，煉鐵高爐采用噴煤煉鐵、高爐煤氣余壓發(fā)電、高爐干式除塵、熱風(fēng)爐余熱回收等技術(shù)。 (2) 煉鋼工序       煉鋼節(jié)能技術(shù)主要集中在推廣新工藝、淘汰陳舊設(shè)備和落后工藝，施行余能、余熱回收等。前者有轉(zhuǎn)爐淘汰落后的平爐煉鋼、連鑄取代模鑄、采用鐵水預(yù)處理和精煉技術(shù)，后者有轉(zhuǎn)爐煤氣回收和再利用、綜合能量優(yōu)化、電爐二次燃燒和廢鋼預(yù)熱、鋼渣熱能回收技術(shù)等。 (3) 軋鋼工序       軋鋼工序是鋼鐵材料生產(chǎn)能源消耗的主要工序之一。在軋鋼加工費(fèi)用中，能源消耗占65％～70％。從軋鋼生產(chǎn)主要工藝流程看，坯料加熱、熱軋、冷軋和退火是主要的能耗環(huán)節(jié)。其中耗能最大且節(jié)能潛力最大的是坯料加熱工序，其次是熱軋工序。坯料加熱節(jié)能技術(shù)主要有鑄坯(錠)熱送熱裝、加熱爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化、燃燒控制、煙氣余熱回收利用和加熱爐計算機(jī)控制等。熱軋工序節(jié)能技術(shù)主要有連軋、快速軋制、無頭軋制、一火成材、熱軋工藝潤滑、軋制工藝優(yōu)化、提高成材率、減少軋制間隙時間和提高軋機(jī)傳動效率等。

3  鋼鐵工業(yè)節(jié)能對冶金自動化系統(tǒng)的需求     鋼鐵工業(yè)節(jié)能對冶金自動化技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，也帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。 (1) 先進(jìn)的檢測和控制系統(tǒng)是節(jié)能工藝和裝備的使能條件自動化裝備能夠保證節(jié)能工藝和裝備發(fā)揮節(jié)能效果，如高爐噴煤需要多相流煤粉檢測，煤氣回收需要煤氣分析儀，高爐煤氣余壓發(fā)電需要對煤氣溫度和壓力的穩(wěn)定控制等;自動化裝備也是節(jié)能工藝和裝備安全可靠運(yùn)行的必要條件。以轉(zhuǎn)爐煤氣回收為例，轉(zhuǎn)爐煤氣是一種高毒性、易燃易爆氣體，煤氣的產(chǎn)生又是間斷的，其質(zhì)量、成分也在不斷變化。為了保證煤氣中的氧量含量低于2％、CO的含量高于45％，回收系統(tǒng)必須配有精度高、靈敏可靠的檢測儀表、操作靈活的閥門及計算機(jī)自動控制系統(tǒng)。 (2) 電氣傳動設(shè)備本身的節(jié)能構(gòu)成了鋼鐵工業(yè)節(jié)能的重要組成部分        鋼鐵工業(yè)中有眾多的風(fēng)機(jī)、水泵、皮帶機(jī)及其它電機(jī)設(shè)備，其耗電量約占行業(yè)總用電量的50％以上。這些設(shè)備中，有一半以上的工作負(fù)荷周期性變化，如轉(zhuǎn)爐排煙機(jī)、高爐除塵風(fēng)機(jī)、沖渣水泵、皮帶運(yùn)輸機(jī)等。一些企業(yè)仍采用落后的方式調(diào)整這些設(shè)備的負(fù)荷，浪費(fèi)了大量的電力。采用交流變頻調(diào)速等自動化技術(shù)，可取得節(jié)電20％～40％的效果。 (3) 先進(jìn)的過程控制是節(jié)能降耗的重要手段       利用數(shù)學(xué)模型和智能控制理論對工業(yè)爐窯進(jìn)行計算機(jī)優(yōu)化控制，可直接取得鋼鐵行業(yè)顯著的節(jié)能效果，典型例子有高爐專家系統(tǒng)、轉(zhuǎn)爐煉鋼終點(diǎn)控制模型、電爐能量輸入優(yōu)化模型、智能精煉爐控制系統(tǒng)、加熱爐優(yōu)化控制模型和模糊控制系統(tǒng)等。此外，先進(jìn)的過程控制可以提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少設(shè)備故障、保障生產(chǎn)順行，可間接達(dá)到節(jié)能降耗的目的。 (4) 生產(chǎn)計劃和管理計算機(jī)系統(tǒng)是現(xiàn)代化煉鋼-連鑄-連軋生產(chǎn)的必要條件       隨著鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)特別是連鑄與熱軋的發(fā)展，鋼鐵生產(chǎn)過程日趨緊湊、高效化的連續(xù)生產(chǎn)，產(chǎn)品生產(chǎn)周期大幅度縮短，要求對整個生產(chǎn)過程中的各工序間的物流、能流和生產(chǎn)時序進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報，實(shí)現(xiàn)快速信息反饋，及時準(zhǔn)確和靈活地調(diào)整生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品方案，這要求能對整個復(fù)雜的鋼鐵生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)集中統(tǒng)一的生產(chǎn)管理、信息追蹤和決策調(diào)整，為保證煉鋼－連鑄－軋鋼生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定，一個貫穿煉鋼、連鑄、熱軋各工序的統(tǒng)一的生產(chǎn)計劃與管理系統(tǒng)是十分必要的。此外，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，要求生產(chǎn)中的各種緩沖能力或容量逐漸減少，對各工藝環(huán)節(jié)在制品的質(zhì)量和合格率提出了更高的要求，如無缺陷連鑄坯是保證熱送熱裝的必要條件，這就要求鋼鐵企業(yè)自動化系統(tǒng)應(yīng)具備對產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量預(yù)報、在線熱態(tài)無損監(jiān)測和質(zhì)量控制的能力。        除上述介紹的自動化系統(tǒng)外，還有能源監(jiān)控系統(tǒng)和能源管理中心，由于其與鋼鐵工業(yè)節(jié)能關(guān)系更密切，下面單獨(dú)介紹。

4 能源監(jiān)控系統(tǒng)        能源監(jiān)控系統(tǒng)是鋼鐵工業(yè)節(jié)能的基礎(chǔ)。很多鋼鐵企業(yè)至今仍采用手工抄表、人工統(tǒng)計、手工鍵入、計算機(jī)打印報表的落后模式。沒有實(shí)時準(zhǔn)確的能量消耗數(shù)據(jù)檢測和能量產(chǎn)生設(shè)備的控制，鋼鐵企業(yè)節(jié)能工作的效果就會大打折扣。        能源監(jiān)控系統(tǒng)通常由一些站所管理，如電力調(diào)度站、煤氣調(diào)度站、水處理監(jiān)控站等，它們受能源中心業(yè)務(wù)管理。一般應(yīng)具有以下功能: (1) 能源供應(yīng)實(shí)績收集     收集各能源生產(chǎn)、外購、外銷的實(shí)際數(shù)量及質(zhì)量數(shù)據(jù);建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫以保存這些數(shù)據(jù)。 (2) 能源消耗實(shí)績收集     收集各生產(chǎn)廠或車間、各工序、各機(jī)組、各產(chǎn)品對各種能源的消耗量;建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫以保存這些數(shù)據(jù)。 (3) 實(shí)施所管能源的實(shí)時調(diào)度。 (4) 能源設(shè)備安全監(jiān)控     對能源主體設(shè)備安全運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。緊急情況下，要啟動能源中斷應(yīng)急措施。 (5) 監(jiān)測能源生產(chǎn)的環(huán)境指標(biāo)       與能源設(shè)備最貼近的是檢測儀表和驅(qū)動閥門開關(guān)，它們完成每個與能源有關(guān)的物理量的檢測和控制。這些物理量包括:氣體和液體的在線溫度、壓力、流量、重量、閥位、位置，以及熱值、成份、物性、含量的離線分析和檢測，電力的電壓、電流、功率開關(guān)狀態(tài)的檢測和控制。        在此基礎(chǔ)上，采用PLC和DCS技術(shù)進(jìn)行具體生產(chǎn)過程能源的數(shù)據(jù)采集、流向控制和安全監(jiān)控。涉及到該項(xiàng)能源的各種物理量的采集，能源站、所單體設(shè)備運(yùn)行的控制，能源設(shè)備運(yùn)行的安全連鎖、臨界報警或事故報警;能源生產(chǎn)相關(guān)環(huán)保護(hù)數(shù)據(jù)的檢測和分析。        能源監(jiān)控系統(tǒng)涉及鋼鐵企業(yè)各個角落，需要采用必要的遙測、遙控技術(shù);多相流體介質(zhì)能源的質(zhì)量、消耗量的檢測精度會影響能源監(jiān)控效果，需要采用一定的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、核算技術(shù);此外，需要考慮監(jiān)控設(shè)備在鋼鐵企業(yè)惡劣的使用環(huán)境，保證設(shè)備的可靠運(yùn)行。

5  能源管理中心 5.1  能源管理中心具有的功能       為了合理利用能源，在發(fā)達(dá)國家的鋼鐵企業(yè)中普遍建設(shè)了能源管理中心。早在1959年，日本的八幡制鐵所率先建成了世界第一座能源管理中心。日本的其它鋼廠和美國、英國、德國的一些企業(yè)也相繼設(shè)置了能源管理中心，其性能不斷提高。建立能源中心的目的，一是確保生產(chǎn)用能的穩(wěn)定供應(yīng);二是充分利用低價能源代替高價能源;三是集中管理與自動化操作，提高勞動生產(chǎn)率。       現(xiàn)代化能源管理中心配備有計算機(jī)和各種監(jiān)控儀表，不僅具有能源流向的監(jiān)測、能源供應(yīng)和使用平衡、能源信息預(yù)測預(yù)報等功能，而且具有結(jié)合生產(chǎn)動態(tài)情況對能源進(jìn)行優(yōu)化管理、優(yōu)化調(diào)度和監(jiān)控功能，可在一定程度上緩解能源供應(yīng)緊張的局面，對企業(yè)的節(jié)能降耗、改進(jìn)能源利用效率、提高經(jīng)濟(jì)效益有重要的作用。 能源管理中心一般具有以下功能: (1) 能源供需平衡分析       建立能源網(wǎng)絡(luò)模型或能源控制模型，求解能源供需平衡，編制能源供需計劃。收集整理并建立能源消耗數(shù)據(jù)庫，動態(tài)收集各種能源消耗量、能源構(gòu)成量、各產(chǎn)品能源消耗量及工序能耗，制作實(shí)際能源平衡表。 (2) 能源分析與預(yù)測       收集整理能源歷史資料，建立數(shù)據(jù)庫，建立能源預(yù)測模型，以達(dá)到企業(yè)能源政策、能源供需最佳化。 (3) 能源考核和管理       收集能源消耗指標(biāo)，制定能源考核指標(biāo)，分析產(chǎn)品能耗、工序能耗及噸鋼綜合能耗。 (

4) 能源生產(chǎn)、外購和外銷計劃     根據(jù)能源平衡報出的供需計劃，編制能源的生產(chǎn)計劃、外銷計劃和外購計劃。

(5) 能源在線調(diào)度     建立能源線性規(guī)劃模型以達(dá)到能源分配優(yōu)化，實(shí)施能源在線調(diào)度，完成能源轉(zhuǎn)換。制定防止能源短缺的預(yù)案，制定能源中斷時的應(yīng)急方案。

5.2  國內(nèi)鋼鐵企業(yè)的能源管理中心概況     目前，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)認(rèn)識到了建設(shè)能源管理中心的重要性，有了不少成功的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。寶鋼、鞍鋼、武鋼、酒鋼、首鋼、攀鋼、本鋼和濟(jì)鋼等企業(yè)先后建設(shè)了先進(jìn)程度不一的能源管理控制中心。

(1) 寶鋼的現(xiàn)代化的能源調(diào)度管理中心     寶鋼利用現(xiàn)代化的能源調(diào)度管理中心，對17種能源介質(zhì)實(shí)行統(tǒng)一平衡、集中調(diào)整、分配與管理，實(shí)時協(xié)調(diào)各用能單位之間的能源介質(zhì)供需量，有效降低能源的系統(tǒng)介質(zhì)放散損失，取得明顯效果。重點(diǎn)加強(qiáng)燃?xì)馄胶庋芯亢驼{(diào)度，控制煤氣柜位與使用，確保副產(chǎn)煤氣全量回收并合理消耗。在確保煤氣全量回收的基礎(chǔ)上，通過擴(kuò)展用戶和加強(qiáng)煤氣平衡調(diào)度，高爐煤氣放散率從1997年的12.68％下降到2003年的0.13％，基本實(shí)現(xiàn)無放散。氧氣是煉鋼生產(chǎn)的重要能源，氧氣生產(chǎn)使用大量的電力，而間歇性的煉鋼生產(chǎn)和連續(xù)性氧氣生產(chǎn)這一不對稱的矛盾一直困惑著冶金企業(yè)。通過研究氧氣平衡，拓展調(diào)整用戶和加大液化能力，增加外銷能力，氧氣放散率明顯下降，從1998年的17％下降到2003年的3.67％，氧氣外銷額逐年增加。

(2) 鞍鋼能源管理中心     鞍鋼能源管理中心集中對企業(yè)的電力、固體燃料、水和流體能源(重油、各種燃?xì)夂蜌鈶B(tài)工質(zhì)，如氧氣、氮?dú)?、氫氣、壓縮空氣等)實(shí)行爐窯、機(jī)臺、車間、分廠、企業(yè)等多級監(jiān)測管理，對能源生產(chǎn)廠和轉(zhuǎn)換廠的生產(chǎn)及能源用戶的能源使用數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時、準(zhǔn)確地采集和處理，對能源系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，進(jìn)行運(yùn)行狀況的評估、能源供需的預(yù)報預(yù)測，實(shí)現(xiàn)能源調(diào)度自動化管理，使系統(tǒng)各設(shè)備處于優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)。以電能管理為例，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)集中控制后，可以及時調(diào)整和改善電力負(fù)荷運(yùn)行方式，使之經(jīng)常保持在安全、經(jīng)濟(jì)、合理狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)不間斷平衡供電，減少供電網(wǎng)絡(luò)損失，估算節(jié)電0.75％，年節(jié)電3280萬kW.h;廠內(nèi)電網(wǎng)由計算機(jī)監(jiān)控，能準(zhǔn)確地預(yù)測預(yù)報電力負(fù)荷，及時實(shí)施電力負(fù)荷優(yōu)化運(yùn)行，提高電能綜合利用效果，綜合效率提高2％以上，年節(jié)電9178萬kW.h;采用計算機(jī)控制供電和用電后，能及時做好電力平衡，在電力緊張時期避免限電拉閘打亂正常生產(chǎn)秩序現(xiàn)象的出現(xiàn)，減少電力超負(fù)荷罰款。

6  結(jié)束語      我國鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)狀況、技術(shù)裝備水平和企業(yè)管理水平不同，建設(shè)能源管理中心時，現(xiàn)代化水平也不應(yīng)強(qiáng)求一致?？梢越Y(jié)合企業(yè)的裝備、管理等實(shí)際情況，分別建設(shè)動力集中監(jiān)測中心、動力集中監(jiān)控中心、能源集中監(jiān)測管理中心、在線能源監(jiān)控中心等，逐漸提高管理裝備水平，使企業(yè)能源管理逐步趨于最優(yōu)。

參考文獻(xiàn) [1] 趙沛,蔣漢華,鋼鐵節(jié)能技術(shù)分析,北京:冶金工業(yè)出版社，1999 [2] 鄒寬. 寶鋼節(jié)能環(huán)保工作實(shí)踐. 中國冶金,2005,(3)

作者簡介 孫彥廣  男  教授級高工  現(xiàn)任冶金自動化研究設(shè)計院副總工程師  主要研究方向:現(xiàn)代控制理論在冶金自動化中的應(yīng)用。