專題講座資料（2021-2022年）從開放系統(tǒng)耗散結(jié)構(gòu)到鋼廠的能量流網(wǎng)絡(luò)化集成

1、從開放系統(tǒng)、耗散結(jié)構(gòu)到鋼廠的能量流網(wǎng)絡(luò)化集成殷瑞鈺（鋼鐵研究總院，北京，100081）一、背 景經(jīng)過改革開放30年的艱苦努力，中國(guó)鋼鐵工業(yè)發(fā)生了巨大的變化，生產(chǎn)規(guī)模和行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力顯著提高，相應(yīng)的噸鋼能耗大幅度下降（圖1），已明顯縮短了與世界鋼鐵強(qiáng)國(guó)在整體水平上的差距。中國(guó)鋼鐵工業(yè)用顯著的發(fā)展業(yè)績(jī)破解了西方學(xué)者早在上世紀(jì)七十年代提出的鋼鐵工業(yè)是“夕陽(yáng)工業(yè)”的命題，證明了鋼鐵工業(yè)是基礎(chǔ)工業(yè)，鋼鐵材料是“必選”材料。但鋼鐵工業(yè)仍然面臨極具挑戰(zhàn)性的命題，突出表現(xiàn)在：“兩高一資”（高能耗、高排放、資源依賴型）問題尚未根本解決，能源成本、環(huán)境負(fù)荷以及碳減排等方面的壓力很大。這是中國(guó)鋼鐵工業(yè)未來可持續(xù)發(fā)展過程

2、中不容回避的新問題。注：2000年之前為鋼鐵工業(yè)值，2000年及之后為重點(diǎn)大中型企業(yè)值。圖1 中國(guó)鋼鐵工業(yè)噸鋼綜合能耗的變化回顧改革開放30年走過的歷程，中國(guó)鋼鐵工業(yè)所開展的節(jié)能降耗工作可歸納為以下三個(gè)重要階段：（1）在20世紀(jì)八十年代，重點(diǎn)開展了鋼廠防止和減少“跑、冒、滴、漏”；改進(jìn)燃燒、提高熱效率的單體技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用；加強(qiáng)管理，開展工序裝置的晉等升級(jí)活動(dòng)；提出系統(tǒng)節(jié)能的理論、概念等。所采用節(jié)能技術(shù)的起點(diǎn)相對(duì)較低。 （2）20世紀(jì)九十年代，在生產(chǎn)流程的相關(guān)工序上重點(diǎn)開展了連鑄、高爐噴吹煤粉、高爐長(zhǎng)壽、棒/線材連軋國(guó)產(chǎn)化、轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐以及大型超高功率電爐等先進(jìn)共性-關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)和推廣應(yīng)用，

3、實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)流程的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和噸鋼能耗的大幅度降低，體現(xiàn)出90年代系統(tǒng)節(jié)能的特征；同時(shí)，逐步淘汰模鑄、初軋/開坯、往復(fù)式軋機(jī)、平爐、混鐵爐、化鐵煉鋼、“老三段”小電爐等落后工藝/裝置，體現(xiàn)出通過淘汰落后實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的特點(diǎn)。（3）進(jìn)入21世紀(jì)以來，通過“三干”（干熄焦、高爐煤氣干法除塵、轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵）、“節(jié)約用水”、“余能余熱發(fā)電”等技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，逐步進(jìn)入到全面、深入、系統(tǒng)地開發(fā)鋼鐵制造流程的“能源轉(zhuǎn)換功能”時(shí)期。展望未來5-10年，由于我們?nèi)蕴幵诠I(yè)化中、后期的重要發(fā)展階段，中國(guó)鋼鐵工業(yè)應(yīng)采取何種發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)方法進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，值得深思和大膽探索。2009年9月，在北京召開了第356

4、次香山科學(xué)討論會(huì)，以“鋼廠生產(chǎn)過程中能量流行為與能量流網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建”為主題展開學(xué)術(shù)研討，旨在引導(dǎo)我國(guó)鋼鐵界從充分發(fā)揮鋼廠三個(gè)功能（鋼鐵產(chǎn)品制造功能、能源轉(zhuǎn)換功能、廢棄物消納-處理和再資源化功能）的視角，審視鋼鐵制造流程中鐵素物質(zhì)流和碳素能量流的行為、規(guī)律，探索與鐵素物質(zhì)流在時(shí)-空域上相關(guān)的碳素能量流的輸入/輸出特點(diǎn)和能量流網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，以及相應(yīng)的信息流集成調(diào)控。籍此，進(jìn)一步剖析鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排的潛力，尋求提高鋼廠綜合競(jìng)爭(zhēng)力和多方位服務(wù)于可持續(xù)發(fā)展社會(huì)的可能性，深入探討相關(guān)理論的建立、技術(shù)開發(fā)和工程化實(shí)施的策略等。二、鋼鐵生產(chǎn)流程所對(duì)應(yīng)的熱力學(xué)系統(tǒng)與耗散結(jié)構(gòu)從熱力學(xué)角度分析鋼鐵生產(chǎn)流程，可將研究對(duì)象

5、概括成三種不同的熱力學(xué)系統(tǒng)：孤立系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)（見圖2）。圖2 孤立系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)孤立系統(tǒng)的特征是與外界環(huán)境既沒有物質(zhì)交換也沒有能量交換，這種系統(tǒng)是一種理論抽象的模型，地球環(huán)境中沒有與之完全對(duì)應(yīng)的參照系。宏觀看待孤立系統(tǒng)，其過程的終極目標(biāo)是系統(tǒng)的熵增為零，系統(tǒng)達(dá)到最高的均勻度和靜態(tài)平衡。在經(jīng)典熱力學(xué)研究中，通過孤立系統(tǒng)的平衡計(jì)算判據(jù)，以判斷發(fā)生在孤立系統(tǒng)中各類過程進(jìn)行的方向和限度。需要指出的是，在回答過程進(jìn)行的可能性、方向和限度時(shí)，并沒有給出時(shí)間因素的影響。封閉系統(tǒng)是在給定溫度條件下與外界環(huán)境有能量交換，但沒有物質(zhì)交換。從宏觀看，該系統(tǒng)一般是處于近平衡狀態(tài)，其自發(fā)趨勢(shì)一是向

6、某種平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變，其過程轉(zhuǎn)變的結(jié)果與能量交換的多少有關(guān)；另一可能性是達(dá)到非平衡的穩(wěn)定態(tài)，該狀態(tài)的特征參數(shù)不再隨時(shí)間變化?？梢钥闯?，在研究封閉系統(tǒng)的變化過程時(shí)，已經(jīng)需要考慮時(shí)間因素和其帶來的影響效果了，因而較為接近現(xiàn)實(shí)情況。鋼鐵生產(chǎn)中現(xiàn)實(shí)的例證如不進(jìn)行物質(zhì)交換的感應(yīng)加熱系統(tǒng)或電磁攪拌系統(tǒng)。開放系統(tǒng)和外界環(huán)境之間是敞開的，即系統(tǒng)與外界環(huán)境之間既有物質(zhì)交換，又有能量交換，這是自然界中最為普遍的現(xiàn)象。從宏觀看，當(dāng)該系統(tǒng)處于遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非線性變化區(qū)域時(shí)，可通過某些干預(yù)措施和利用其內(nèi)在的“漲落”及非線性相互作用機(jī)制，使該系統(tǒng)由某種混沌狀態(tài)轉(zhuǎn)變到動(dòng)態(tài)-有序狀態(tài)，形成所謂的“活結(jié)構(gòu)”。這種動(dòng)態(tài)-有序狀態(tài)的維持

7、需要不斷地與外界環(huán)境進(jìn)行能量、物質(zhì)交換（輸入、輸出），并使系統(tǒng)保持一定的穩(wěn)定性，不會(huì)因外界微小的擾動(dòng)而消失。既然開放系統(tǒng)需要與外界有持續(xù)的物質(zhì)和能量交換，必然導(dǎo)致“流通量”（物質(zhì)流和能量流）的介入和時(shí)間因素的全程參與。改變“流通量”大小和變換干預(yù)措施（他組織手段），都可能使系統(tǒng)從一個(gè)動(dòng)態(tài)-有序狀態(tài)躍遷到另一個(gè)動(dòng)態(tài)-有序狀態(tài)。這其中，已經(jīng)體現(xiàn)出維持系統(tǒng)運(yùn)行所必需的物質(zhì)消耗和能量消耗的深刻內(nèi)涵。在鋼鐵生產(chǎn)過程中，開放系統(tǒng)隨處可見?？删唧w到某一單元工序的生產(chǎn)過程（如高爐煉鐵過程或轉(zhuǎn)爐煉鋼過程），也可擴(kuò)展到鋼鐵制造的全流程。對(duì)于鋼廠的實(shí)際生產(chǎn)過程而言，則期望獲得消耗成本較低的動(dòng)態(tài)-有序狀態(tài)的持續(xù)保持。

8、普里高金把遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)內(nèi)形成的新的穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)稱為耗散結(jié)構(gòu)。耗散結(jié)構(gòu)必須在開放系統(tǒng)中才能形成，也必須和外界環(huán)境持續(xù)地發(fā)生能量、物質(zhì)和信息的交換，進(jìn)而通過過程系統(tǒng)內(nèi)部各組成單元的特征參數(shù)適度、合理的“漲落”和各單元之間的非線性相互作用（包括網(wǎng)絡(luò)化整合、程序化協(xié)同等），耗散外界流入的負(fù)熵，在各組成單元之間產(chǎn)生協(xié)同作用和相干效應(yīng)，形成動(dòng)態(tài)-有序運(yùn)行的耗散結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)從混沌轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)-有序，并獲得自組織性和不同的自組織化程度。鋼鐵制造流程具有諸多功能不同的組成單元、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和與此相關(guān)的運(yùn)行規(guī)律。它具有多層次性（原子和分子、場(chǎng)域及裝置、區(qū)段過程、整體流程）、多尺度性（時(shí)間、空間、質(zhì)量等）、有序性

9、和混沌性（在功能、時(shí)間、空間等方面），也具有多種可能的連結(jié)-匹配和緩沖-協(xié)調(diào)（動(dòng)態(tài)）方式。鋼鐵制造流程整體效率/效益的提升，是以不斷地追求最佳化的動(dòng)態(tài)-有序新結(jié)構(gòu)和連續(xù)（準(zhǔn)連續(xù)）-緊湊方式運(yùn)行為目標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)流程運(yùn)行過程中耗散的“最小化”?？梢钥闯觯芯夸撹F制造流程的優(yōu)化和技術(shù)提升問題，不能簡(jiǎn)單地用孤立系統(tǒng)/封閉系統(tǒng)的概念、方法來解決，以往人們習(xí)慣使用的對(duì)單元工序或過程的質(zhì)-能恒算方法，只能為研究者獲得維持單元工序或單元過程可以進(jìn)行的靜態(tài)平衡關(guān)系，卻忽視了對(duì)所研究對(duì)象的本質(zhì)耗散結(jié)構(gòu)的輸入-輸出特征以及各構(gòu)成單元之間復(fù)雜關(guān)聯(lián)關(guān)系的認(rèn)識(shí)，因而掩蓋了對(duì)研究對(duì)象持續(xù)改進(jìn)的方向；在解決全流程系統(tǒng)優(yōu)化問題時(shí)

10、，拘泥于片面地追求局部“平衡”或某一單元工序特征指標(biāo)“最佳”，可能反而會(huì)導(dǎo)致全流程運(yùn)行過程中耗散的增大，引起得不償失的效果。三、鋼鐵制造流程運(yùn)行過程的工藝表象與物理本質(zhì)3.1 靜態(tài)-局部的工藝表象鋼廠的制造流程從表象上看，是由原料場(chǎng)、焦化、燒結(jié)（球團(tuán)）、煉鐵、煉鋼、軋鋼等生產(chǎn)單元所組成。長(zhǎng)期以來，人們往往以為上工序的靜態(tài)設(shè)計(jì)能力只要和下工序的靜態(tài)設(shè)計(jì)能力相等，就可以通過并聯(lián)-串聯(lián)的方法來構(gòu)建起鋼廠的生產(chǎn)流程。例如有300萬t/a的煉鐵能力、300萬t/a的煉鋼能力和相應(yīng)的軋鋼能力，就是300萬t/a鋼廠。出現(xiàn)上述情況的根源是把鋼廠生產(chǎn)流程看成由原料儲(chǔ)存-原、燃料處理-還原煉鐵-氧化煉鋼-鋼液凝

11、固-鋼坯再加熱-鋼坯熱壓力加工等工藝過程的簡(jiǎn)單堆砌和捆綁構(gòu)成的。這種認(rèn)識(shí)作為一種入門的工藝過程介紹似乎還可以，但作為對(duì)設(shè)計(jì)或?qū)嶋H生產(chǎn)運(yùn)行（特別是動(dòng)態(tài)-有序、連續(xù)-緊湊運(yùn)行）的指導(dǎo)是不夠的，甚至?xí)a(chǎn)生誤導(dǎo)。3.2 鋼鐵制造流程的物理本質(zhì)我們不能將鋼廠的各工序簡(jiǎn)單相加看成是生產(chǎn)流程。各工序相加在一起最多只是鋼廠制造流程的靜態(tài)表象，還不能說是制造流程的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，靜態(tài)結(jié)構(gòu)還應(yīng)包括總平面圖布局和各種工序裝置容量和個(gè)數(shù)的合理性。鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)過程實(shí)質(zhì)上是物質(zhì)、能量以及相應(yīng)信息的流動(dòng)/演變過程。其動(dòng)態(tài)-運(yùn)行過程的物理本質(zhì)是1：物質(zhì)流（主要是鐵素流）在能量流（主要是碳素流）的驅(qū)動(dòng)和作用下，按照設(shè)定的“程序”，

12、沿著特定的“流程網(wǎng)絡(luò)”作動(dòng)態(tài)-有序運(yùn)行。從熱力學(xué)角度上看：鋼鐵制造流程是一類開放的、非平衡的、不可逆的、由不同結(jié)構(gòu)-功能的異質(zhì)單元工序通過非線性耦合所構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程的性質(zhì)是耗散過程。在鋼廠生產(chǎn)過程中，鐵素物質(zhì)流是一類多因子流，是被加工的主體。碳素能量流則作為驅(qū)動(dòng)力、化學(xué)反應(yīng)介質(zhì)或熱介質(zhì)，并按照工藝要求對(duì)物質(zhì)流進(jìn)行加工、處理，使其發(fā)生位移、化學(xué)/物理轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)以制造過程中物質(zhì)、能量“耗散最小化”為核心的多目標(biāo)優(yōu)化。例如生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)、能源消耗低、過程排放少、生產(chǎn)成本低、環(huán)境/生態(tài)友好等。由此看出，鋼廠作為大尺度的開放系統(tǒng)，其運(yùn)行模式比一般的化學(xué)反應(yīng)、相變過程或單元操作過程

13、要復(fù)雜得多。從鋼鐵制造流程動(dòng)態(tài)-有序運(yùn)行過程的物理本質(zhì)出發(fā)，可以推出其功能應(yīng)拓展為：1）鐵素流運(yùn)行的功能鋼鐵產(chǎn)品制造功能；2）能量流運(yùn)行的功能能源轉(zhuǎn)換功能以及與剩余能源相關(guān)的廢棄物消納-處理功能；3）鐵素流-能量流相互作用過程的功能實(shí)現(xiàn)過程工藝目標(biāo)以及與此相應(yīng)的廢棄物消納-處理功能。鋼鐵工業(yè)的未來發(fā)展，應(yīng)該在充分理解鋼鐵制造流程動(dòng)態(tài)-有序運(yùn)行過程物理本質(zhì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展鋼廠的功能，以新的模式實(shí)現(xiàn)生態(tài)化轉(zhuǎn)型，融入循環(huán)經(jīng)濟(jì)社會(huì)。四. 鋼鐵制造流程中物質(zhì)流與能量流的關(guān)系從鋼鐵制造流程的現(xiàn)代設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)運(yùn)行和信息化調(diào)控的角度分析，必須建立起“流”的概念，對(duì)“流”的行為進(jìn)行動(dòng)態(tài)-有序、連續(xù)-緊湊地規(guī)范

14、運(yùn)行，這就必然會(huì)涉及“流”的空間途徑（例如平面圖、立面圖等）即“流程網(wǎng)絡(luò)”和時(shí)間過程（例如動(dòng)態(tài)作業(yè)表等）即“程序”?！傲鳌焙汀俺绦颉?、“流程網(wǎng)絡(luò)”的優(yōu)化組合、協(xié)同集成，就可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過程中物質(zhì)、能量“耗散” 的最小化。4.1 物質(zhì)流、能量流、信息流在鋼鐵制造流程中的角色鋼鐵制造流程中，“流”有三種載體來體現(xiàn)：以物質(zhì)形式為載體的物質(zhì)流，以能源形式為載體的能量流和信息形式為載體的信息流。物質(zhì)流是制造過程中被加工的主體，是主要物質(zhì)產(chǎn)品的加工實(shí)現(xiàn)過程；能量流是制造加工過程中驅(qū)動(dòng)力、化學(xué)反應(yīng)介質(zhì)、熱介質(zhì)等角色的扮演者；而信息流則是物質(zhì)流行為、能量流行為和外界環(huán)境信息的反映以及人為調(diào)控信息的總和。在制造流

15、程的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中，總體上看，物質(zhì)流/能量流/信息流相伴而行、相互影響。4.2能量流與物質(zhì)流的關(guān)系從物質(zhì)流為主體的角度上看，在鋼廠制造流程中，物質(zhì)流始終帶著能量流相伴而行。但若從能量流為主體的角度上看，在鋼廠生產(chǎn)過程中，能量流并沒有全部伴隨著物質(zhì)流運(yùn)動(dòng)，有部分能量流會(huì)脫離物質(zhì)流相對(duì)獨(dú)立地運(yùn)行。因此，能量流與物質(zhì)流的關(guān)系是時(shí)而相伴，時(shí)而分離。相伴時(shí)，相互作用、影響；相離時(shí)，又各自表現(xiàn)各自的行為特點(diǎn)?？偟目磥?，在鋼廠生產(chǎn)流程中，能量流與物質(zhì)流是時(shí)合時(shí)分的（圖3圖5）。藍(lán)色箭頭：鐵素物質(zhì)流；紅色箭頭：碳素能量流；棕色箭頭：利用二次余能發(fā)電并網(wǎng)使用圖3 典型鋼鐵企業(yè)物質(zhì)流及能量流運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)與軌跡圖4 曹

16、妃甸鋼鐵廠物質(zhì)流(鐵素流)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)與軌跡 圖5 曹妃甸鋼鐵廠能量流(碳素流)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)與軌跡進(jìn)一步分解到從局部的工序/裝置看，在輸入端，物質(zhì)流和能量流分別輸入；在裝置內(nèi)部，物質(zhì)流與能量流相互作用、相互影響；在輸出端，往往表現(xiàn)為物質(zhì)流帶著部分能量輸出，同時(shí)還可能有不同形式的二次能量流脫離物質(zhì)流分離輸出。這是因?yàn)樵诠ば?裝置中，有必要的能量過剩，才能保證工藝、加工過程中的效率，因此有剩余能量流的輸出是不可避免的。例如：在煉鐵過程中，進(jìn)入高爐以前，燒結(jié)（球團(tuán)）礦和焦炭、煤粉、鼓風(fēng)是分離的（物質(zhì)流和能量流分離）；在高爐中，它們又“合并”，燒結(jié)（球團(tuán)）礦和焦炭、煤粉、鼓風(fēng)相互作用、相互影響，發(fā)生燃燒升溫、

17、還原反應(yīng)，完成成渣脫硫、鐵液增碳等反應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)液態(tài)生鐵的生產(chǎn)；從高爐輸出端看，液態(tài)生鐵和液態(tài)爐渣等物質(zhì)流承載著大部分能量輸出，與此同時(shí)，大量高爐煤氣帶著動(dòng)能、熱能和化學(xué)能輸出，也以能量流的形式輸出。同樣，在燒結(jié)過程、焦化過程、煉鋼過程、軋鋼加熱爐過程也有相似的現(xiàn)象與過程，對(duì)于這些工藝過程，應(yīng)該用輸入、輸出的方法來研究，而不僅是以靜態(tài)的片段的物料平衡、能量平衡的方法分析其物質(zhì)流、能量流的運(yùn)行（圖6圖9）。入爐煤1326kg（干）/t焦加熱煤氣970m3/t焦BFG焦 爐干熄焦裝置1000kg紅焦焦?fàn)t煤氣420m3/t焦煙囪廢氣2000m3/t焦焦炭1000kg電力100kwh/t焦電 站獲蒸汽

18、500kg/t焦說明：入爐煤的成焦率按75.4%計(jì)，即1326kg干煤生產(chǎn)1噸焦炭； 加熱焦?fàn)t用的高爐煤氣發(fā)熱量為1000kcal/m3； 干煤的相當(dāng)耗熱量為728 kcal/kg。圖6 焦?fàn)t系統(tǒng)的物料與能源利用框圖2煤氣(COG) 3.12m3/t燒結(jié)機(jī)450m2焦粉 51.04kg/t水87kg/t電40.13kwh/t蒸氣 1.1kg/t廢氣 回收蒸汽75kg/t熔 劑 精礦粉 鋪底料 其他（OG泥等）140.7kg/t 895.5kg/t 97.8kg/t 98.1kg/t粉 塵 燒結(jié)礦 落地礦2-4kg/t 1t 及其他圖7 燒結(jié)系統(tǒng)的物料與能源利用框圖2生 礦269.17kg返 回

19、轉(zhuǎn)爐渣燒結(jié)礦1314.17kg回收蒸汽78.93kg/t礦噴煤粉205kg焦 化288kgTRT發(fā)電36.44kwh/t回收高爐煤氣1391.96m3焦?fàn)t煤氣327.28m3/t原料場(chǎng)CDQ回收蒸汽574kg/t焦發(fā)電50kwh/t焦電站鐵水1000kg高爐渣298kg鼓風(fēng)電力圖8 高爐系統(tǒng)的物料與能源利用框圖2電 力35.5kwh/t鋼氧 氣51.08m3/t鋼水310kg/t鋼蒸汽5.5kg/t鋼氮 氣23.11 m3/t鋼氬 氣0.98m3/t鋼廢 鋼140kg/t鋼焦?fàn)t煤氣1.25m3/t鋼鐵 水950kg/t鋼爐 塵10 kg轉(zhuǎn)爐煤氣105m3電站回收蒸汽41.3kg鋼 水1000k

20、g爐 渣85 kg圖9 轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的物料與能源利用2因此，不僅要注意物質(zhì)流、能量流輸入端的行為，而且也必須注意研究它們輸出端的行為，以便為構(gòu)建鋼廠的能量流網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。五、過程能量流研究方法與特點(diǎn)對(duì)于鋼廠制造流程過程中能量流行為的研究，必須從靜態(tài)的、孤立的物料平衡-熱平衡（質(zhì)/能恒算）的方法中走出來，建立起輸入/輸出的動(dòng)態(tài)性模型。因此，對(duì)能量流的研究也必須建立“流”、“程序”、“流程網(wǎng)絡(luò)”等要素的概念，來研究開放的、遠(yuǎn)離平衡的、不可逆過程中能量流的輸入/輸出行為；也就是要從靜態(tài)的、孤立的截面點(diǎn)位計(jì)算走向流程網(wǎng)絡(luò)中能量流的動(dòng)態(tài)運(yùn)行。研究“流”的輸入/輸出特點(diǎn)，必然要涉及節(jié)點(diǎn)和連接器（線/?。┮约八?/p>

21、們所組成的空間圖形（流程網(wǎng)絡(luò)），也必將涉及“流”動(dòng)態(tài)運(yùn)行的“程序”，特別是時(shí)間程序。建立能量流輸入-輸出的概念，不僅將涉及能源的量，而且還涉及到能階、時(shí)間-空間等因素，涉及到能量流的運(yùn)行程序，這樣才有利于構(gòu)建起優(yōu)化的“能量流網(wǎng)絡(luò)”，也有利于進(jìn)一步提高能源利用效率。51鋼廠能量流輸入-輸出特點(diǎn)及“漲落”現(xiàn)象鋼廠中的能量流在經(jīng)過不同的工序節(jié)點(diǎn)時(shí)有不同的載體形式，其輸入-輸出的狀態(tài)有多種不同的表現(xiàn)形式，能量流的性質(zhì)（燃料種類、煤氣、蒸汽、自發(fā)電的回用、物質(zhì)流顯熱）、品質(zhì)（煤氣種類及熱值、蒸汽溫度及壓力、物質(zhì)流溫度等）、數(shù)量等特征參數(shù)會(huì)隨著在鋼廠中時(shí)-空域的不同而存在差異性。此外，能量流在不同節(jié)點(diǎn)的特

22、征參數(shù)還不可避免地存在著動(dòng)態(tài)“漲落”現(xiàn)象，因此，很難用靜態(tài)的、相互割裂的方法去準(zhǔn)確描述這種動(dòng)態(tài)變化的特征規(guī)律，必須用結(jié)構(gòu)合理、兼容性好、容錯(cuò)能力強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，來構(gòu)建起能量流網(wǎng)絡(luò)，最大限度地發(fā)揮各種能源介質(zhì)(一次能源、二次能源等)的綜合潛力，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的高效率利用和低成本耗散。在構(gòu)建能量流網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需結(jié)合不同品質(zhì)的煤氣、蒸汽、物質(zhì)流的顯熱等能源介質(zhì)特點(diǎn)和所產(chǎn)生的地點(diǎn)及時(shí)間，制定出不同的耦合機(jī)制和恰當(dāng)?shù)幕厥帐褂梅桨浮?2 單元工序簡(jiǎn)單質(zhì)-能恒算方法的局限性 從上述分析可以看出，當(dāng)把一個(gè)完整的鋼鐵生產(chǎn)流程作為研究對(duì)象時(shí)，僅僅對(duì)所有單元工序分別作出各自物料平衡-熱平衡計(jì)算結(jié)果（質(zhì)-能恒算），很難對(duì)全

23、流程整體的能源利用率和效益作出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。姑且不論所研究的生產(chǎn)流程在結(jié)構(gòu)、配置、工藝布局上是否存在設(shè)計(jì)缺陷，當(dāng)對(duì)各工序做質(zhì)-能恒算時(shí)，往往只能以“割裂”的方式得出“互不相關(guān)”工序能耗靜態(tài)的計(jì)算結(jié)果。在這個(gè)計(jì)算結(jié)果中，對(duì)每個(gè)單元工序所產(chǎn)生的二次能源的利用效果或利用率的數(shù)據(jù)是缺失的，因當(dāng)其接續(xù)不同的用戶時(shí)，會(huì)出現(xiàn)差異。以轉(zhuǎn)爐煤氣為例，當(dāng)用作燃?xì)鉄嵩磿r(shí)，其使用效果可簡(jiǎn)單用熱效率計(jì)算（還須結(jié)合不同加熱爐和燒嘴特點(diǎn)）；當(dāng)作為清潔燃?xì)庥脕砩a(chǎn)優(yōu)質(zhì)石灰時(shí)，除了能保證獲得一定的熱效率外，還會(huì)帶來附加的優(yōu)勢(shì)（由于所生產(chǎn)的石灰含硫低，可以節(jié)省后續(xù)在鐵水及鋼水脫磷、脫硫時(shí)的成本及消耗）。而當(dāng)全廠的煤氣/蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)

24、計(jì)存在缺陷或處于非正常生產(chǎn)狀況時(shí)，煤氣/蒸汽的放散將不可避免，這種能量的損失也是單元工序質(zhì)-能恒算結(jié)果中所不能反映的?？梢?，對(duì)鋼廠生產(chǎn)過程中能量流的研究方法，應(yīng)該用開放系統(tǒng)中輸入/輸出的動(dòng)態(tài)模型，而動(dòng)態(tài)模型的開發(fā)，必須建立起“流”、“運(yùn)行程序”和“流程網(wǎng)絡(luò)”等概念才能順利建模。六、關(guān)于“網(wǎng)絡(luò)”本質(zhì)與“網(wǎng)絡(luò)”研究方法61 對(duì)研究網(wǎng)絡(luò)的基本認(rèn)識(shí)“網(wǎng)絡(luò)”是節(jié)點(diǎn)和線（?。┮约八鼈冎g關(guān)系的反映和描述。研究“網(wǎng)絡(luò)”非常重要，它將涉及諸多方面，例如交通運(yùn)輸業(yè)、信息通訊業(yè)、流程制造業(yè)、質(zhì)量管理工程、文化教育、金融財(cái)政等產(chǎn)業(yè)。這是因?yàn)椤熬W(wǎng)絡(luò)”是運(yùn)行載體的路徑軌跡和時(shí)空邊界。不同類型運(yùn)行載體的有效運(yùn)行都需要有必

25、要的、合理的“網(wǎng)絡(luò)”與之匹配，才能實(shí)現(xiàn)其“功能最佳化”和“效率最大化”。在現(xiàn)代世界，“網(wǎng)絡(luò)”是一個(gè)具有普適性的概念和“工具”，并且已經(jīng)或正在逐步形成結(jié)構(gòu)合理、功能恰當(dāng)、效率很高的工程實(shí)體。研究“網(wǎng)絡(luò)”不僅要研究“網(wǎng)絡(luò)”本身，而且必須同時(shí)研究在“網(wǎng)絡(luò)”中運(yùn)行的各類“資源”和/或“事件”，也就是要研究各種不同性質(zhì)、不同類型的“流”。例如物流、物質(zhì)流、能量流、信息流、資金流、人流等。這些“流”是以不同特性、不同運(yùn)行方式通過相應(yīng)的“網(wǎng)絡(luò)”動(dòng)態(tài)-有序地運(yùn)行的。不同特征、不同類型、不同運(yùn)行方式的“流”將對(duì)“網(wǎng)絡(luò)”的結(jié)構(gòu)與功能提出不同的要求，因此研究“網(wǎng)絡(luò)”必須要和所承載運(yùn)行的“流”結(jié)合起來研究，不能脫離“

26、流”的性質(zhì)、要求而孤立地進(jìn)行研究?！傲鳌痹凇熬W(wǎng)絡(luò)”中運(yùn)行、流動(dòng)的形式是多種多樣的，例如規(guī)則穩(wěn)定的、隨機(jī)的、季節(jié)的；層流的、紊流的、層-紊結(jié)合的；單向的、雙向的、多項(xiàng)的；串聯(lián)的、并聯(lián)的、串-并聯(lián)等等。為了適應(yīng)不同特征“流”的運(yùn)行效率、安全、穩(wěn)定、舒適等要求，“網(wǎng)絡(luò)”的設(shè)計(jì)、構(gòu)建和運(yùn)行不僅要在“結(jié)構(gòu)”、“功能”上與之適應(yīng)，而且必須注意“流”在“網(wǎng)絡(luò)”中運(yùn)行的“程序”。這些“程序”將涉及各種規(guī)則、策略以及功能序、空間序、時(shí)間序和時(shí)-空序等。由上述分析可以看出：“網(wǎng)絡(luò)”具有流程性質(zhì)，“網(wǎng)絡(luò)”是特定的“流”按照某種特定的“程序”進(jìn)行動(dòng)態(tài)-有序運(yùn)行的物理-幾何框架?！傲鳌?、“網(wǎng)絡(luò)”、“程序”三者構(gòu)成了特定

27、環(huán)境條件下的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，這個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)有結(jié)構(gòu)、有功能，而且要追求其運(yùn)行效率。對(duì)“網(wǎng)絡(luò)”的研究，首先要研究它的結(jié)構(gòu)和功能，進(jìn)而分析其運(yùn)行效率。與此同時(shí)，還必須認(rèn)識(shí)到“網(wǎng)絡(luò)”的整體性、動(dòng)態(tài)性、有效性以及與之相關(guān)的層次結(jié)構(gòu)性。62 研究網(wǎng)絡(luò)的基本方法在研究“網(wǎng)絡(luò)”的結(jié)構(gòu)時(shí)，圖論和運(yùn)籌學(xué)是有用的方法、工具。由于不同性質(zhì)、不同類型、不同運(yùn)行方式和“流”對(duì)“網(wǎng)絡(luò)”的要求不同，因此與之相適應(yīng)的“網(wǎng)絡(luò)”結(jié)構(gòu)就不同。例如在鋼鐵企業(yè)內(nèi)的物質(zhì)流往往要求物質(zhì)流網(wǎng)絡(luò)是一種最小有向樹的結(jié)構(gòu)（圖10），而其能量流網(wǎng)絡(luò)則要求最好有“初級(jí)回路“的結(jié)構(gòu)（圖11），所以出現(xiàn)這些要求，都是源于物質(zhì)流、能量流耗散最小化的要求和效率最大化的

28、要求。圖10最小有向樹的示意圖注：圖是由點(diǎn)的集合和連接點(diǎn)集中的某些點(diǎn)對(duì)的連線所構(gòu)成21384796521345圖11初級(jí)回路示意圖注：初級(jí)回路示意圖（1、2、4、5、3、1），簡(jiǎn)單回路示意圖（1、2、3、4、5、3、1，點(diǎn)3重復(fù)，邊不重）作為“網(wǎng)絡(luò)”結(jié)構(gòu)的研究工具、方法，可以用圖論、運(yùn)籌學(xué)等數(shù)學(xué)手段處理，以求得合理“節(jié)點(diǎn)”個(gè)數(shù)、布置和連通線的形狀、長(zhǎng)短，串聯(lián)、并聯(lián)、串-并聯(lián)關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)圖形特征以及達(dá)到的時(shí)-空邊界。當(dāng)然，用“圖論”方法研究“網(wǎng)絡(luò)”的合理結(jié)構(gòu)時(shí)，一定要同時(shí)注意“節(jié)點(diǎn)”與“線”（弧）自身的性質(zhì)、功能及其對(duì)“網(wǎng)絡(luò)”的影響。在研究“網(wǎng)絡(luò)”的功能時(shí)，必須從“流”的性質(zhì)、類型和運(yùn)行方式出發(fā)。

29、首先是“流”的性質(zhì)（物質(zhì)流、能量流、人流，資金流還是信息流等），要根據(jù)“流”的物理性質(zhì)，進(jìn)一步分析“流”的類型，例如是連續(xù)流、半連續(xù)流還是間歇流、脈動(dòng)流等等。也可以根據(jù)“流”運(yùn)行的時(shí)間因素，將之分為穩(wěn)定流、隨機(jī)流和季節(jié)流，對(duì)這些不同性質(zhì)、不同類型、不同運(yùn)行方式的流而言，它們對(duì)“網(wǎng)絡(luò)”的結(jié)構(gòu)、功能的要求是不同的。在明確特定“流”對(duì)“網(wǎng)絡(luò)”結(jié)構(gòu)、功能要求的基礎(chǔ)上，就比較容易對(duì)“網(wǎng)絡(luò)”效率提出清晰的目標(biāo)，當(dāng)然這與相應(yīng)的“程序”有關(guān)。“程序”和“網(wǎng)絡(luò)”是相互依存的，“程序”取決于“網(wǎng)絡(luò)”的最佳化或優(yōu)化；反之，“網(wǎng)絡(luò)”的運(yùn)行效率也必須依靠“程序”的合理化和優(yōu)化。由于“流”、“網(wǎng)絡(luò)”、“程序”是一個(gè)動(dòng)態(tài)運(yùn)

30、行系統(tǒng)，因此對(duì)“網(wǎng)絡(luò)”效率的要求，往往是一類多目標(biāo)優(yōu)化，這種優(yōu)化實(shí)際上就是在不同環(huán)境條件下的多目標(biāo)選優(yōu)系統(tǒng)。在研究“網(wǎng)絡(luò)”的效率時(shí)，必須充分注意效率最大化（簡(jiǎn)捷、高效）、耗散最小化（能量耗散、物質(zhì)耗散、信息耗散等）、環(huán)境友好性（生態(tài)保護(hù)、環(huán)境污染等）和安全性（生命財(cái)產(chǎn)安全、運(yùn)行的穩(wěn)定性和舒適性）。七、鋼廠中的“能量流”與“能量流網(wǎng)絡(luò)”7.1 現(xiàn)實(shí)存在問題長(zhǎng)期以來，在追求鋼材數(shù)量和改善質(zhì)量過程中，國(guó)內(nèi)鋼鐵領(lǐng)域的研究命題主要圍繞鐵素物質(zhì)流的優(yōu)化而開展，為獲得滿足用戶要求的鋼鐵產(chǎn)品，業(yè)內(nèi)開展了大量的產(chǎn)品研發(fā),并積累了豐富經(jīng)驗(yàn)；同時(shí)也在流程工序間銜接-匹配等動(dòng)態(tài)運(yùn)行方面做了不少工作，在一些鋼廠已基本實(shí)

31、現(xiàn)了鐵素物質(zhì)流從“混沌”到相對(duì)“有序”的轉(zhuǎn)變，如在高爐-轉(zhuǎn)爐界面實(shí)施鐵水預(yù)處理；在煉鋼工序?qū)嵤捌健备摹稗D(zhuǎn)”和“連鑄”淘汰“模鑄”；在煉鋼-連鑄界面以鋼水精煉裝置進(jìn)行協(xié)同-緩沖；在鋼材熱加工工序取消初軋開坯和以“連軋”替代“往復(fù)式軋制”；在連鑄-加熱爐界面，則采用不同類型、不同程度的鑄坯熱裝-熱送工藝等。至此，滿足鋼鐵產(chǎn)品制造功能的鋼廠工藝布局基本定型。但是，在流程高效、緊湊和動(dòng)態(tài)有序運(yùn)行的深入研究和應(yīng)用和鋼鐵制造流程的能源高效轉(zhuǎn)換功能方面依然存在如下問題：1）對(duì)某些工序的鐵素流的高效運(yùn)行還有待完善，如高爐爐料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、燒結(jié)工序“三高”（高漏風(fēng)率、高返礦率和高臺(tái)車故障率）等；對(duì)流程高效、緊湊

32、和動(dòng)態(tài)有序運(yùn)行的界面銜接匹配等方面仍需加強(qiáng)；2）節(jié)能技術(shù)的普及率有很大的進(jìn)步，鋼鐵企業(yè)的CDQ的普及率從2000年的20%提高到2009年的約70%，配套TRT的高爐座數(shù)從2000年的20個(gè)增加到2007年約400個(gè)。但是節(jié)能技術(shù)的利用效果和效率還有差距，如2007年我國(guó)重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)TRT的噸鐵發(fā)電量比日本平均低10kWh/t，在節(jié)能技術(shù)與工序工藝的結(jié)合方面需要完善；3） 由于受局部工序或裝置的物料平衡和熱平衡靜止觀念的束縛，以往在能量流方面開展的技術(shù)研發(fā)只針對(duì)相關(guān)工序/裝置中某些供能技術(shù)的改造和局部二次能源的回收利用，或僅關(guān)注全廠的靜態(tài)能源平衡，缺乏全局性動(dòng)態(tài)地研究整個(gè)鋼鐵制造流程的能源流網(wǎng)

33、絡(luò)及與物質(zhì)流的耦合等效應(yīng)，缺乏在全流程綜合系統(tǒng)地考慮持續(xù)地利用/回收各類余熱、余能的系統(tǒng)措施，特別是對(duì)鋼鐵制造流程的能源轉(zhuǎn)換功能、廢棄物消納-處理及再資源化功能、以及與之密切相關(guān)的能量流行為與能量流網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等問題的研究較少，相關(guān)理論不夠完整。造成工序能耗有所降低，但鋼鐵企業(yè)整體能源效率的提高不能與之同步。例如，2008年我國(guó)重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)高爐煤氣放散率仍達(dá)5.82%，焦?fàn)t煤氣放散率為2.14%，轉(zhuǎn)爐煤氣回收量?jī)H為79m3/t鋼（熱值低于2000kcal/m3）等等。4）對(duì)二次能源品質(zhì)潛力的挖掘、價(jià)值開發(fā)以及低品質(zhì)余熱余能利用支撐技術(shù)與裝備開發(fā)滯后，例如250300的余熱資源尚未有效地利用，爐渣熱

34、量的利用尚無有效的措施等；指標(biāo)考核體系不盡合理，同時(shí)缺乏科學(xué)、配套的激勵(lì)政策。如果按鐵素物質(zhì)流和碳素能量流相對(duì)“有序”耦合并深度利用的目標(biāo)新建鋼廠或改造現(xiàn)有鋼廠，即在系統(tǒng)研究鐵素物質(zhì)流動(dòng)態(tài)-有序運(yùn)行的同時(shí)，重視并深入研究能源合理轉(zhuǎn)換機(jī)制并構(gòu)建起優(yōu)化的能量流網(wǎng)絡(luò)，將對(duì)鋼鐵工業(yè)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化開辟出新途徑，可挖掘出巨大的節(jié)能潛力和環(huán)保效果，應(yīng)成為新技術(shù)背景下鋼廠節(jié)能減排，降低成本、改善環(huán)境的重要切入點(diǎn)。7.2 鋼廠中能量流運(yùn)行概念的建立現(xiàn)代鋼鐵聯(lián)合企業(yè)是一類鐵-煤化工過程及其深加工系統(tǒng)。將鋼鐵生產(chǎn)流程抽象為鐵素物質(zhì)流輸入-輸出過程、能量流的輸入-輸出過程，以及鐵素流-能量流相互作用過程，有利于剖析物質(zhì)流

35、（主要是鐵素流）、能量流（主要是碳素流）在鋼廠生產(chǎn)過程中的動(dòng)態(tài)行為、效率以及兩者之間的相互作用機(jī)制，為鋼鐵企業(yè)進(jìn)一步節(jié)能、減排和消納廢棄物尋求新的突破口。在鋼廠生產(chǎn)流程中，礦排步業(yè)物質(zhì)流、能量流的相互作用可見上圖由各類能源介質(zhì)組成的能量流既有與物質(zhì)流各自獨(dú)立的運(yùn)行，又有相伴而行、相互作用的運(yùn)行。在生產(chǎn)過程中，能源介質(zhì)提供的能量大部分伴隨著物質(zhì)流運(yùn)行，附著在各工序/裝置上或輸出物質(zhì)流中。然而還有一部分能量（主要是二次能量流）脫離鐵素物質(zhì)流獨(dú)立運(yùn)行，而且?guī)缀趺恳簧a(chǎn)工序都有獨(dú)立的能量排放流輸出。如果能夠?qū)Ω鞴ば蚋髯缘哪芰颗欧牛ǘ文茉矗┖透郊拥囊淮文茉窗匆欢ǖ摹俺绦颉苯M織起來，并充分梯次利用，就可

36、以構(gòu)成鋼廠內(nèi)部的“能源轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)”“能量流網(wǎng)絡(luò)”（圖12）。 圖12鋼鐵企業(yè)物質(zhì)流、能量流相互作用示意圖（以噸鋼為基準(zhǔn)）3圖12顯示了鋼鐵企業(yè)物質(zhì)流與能量流的相互作用關(guān)系。圖中空心粗箭頭線代表物質(zhì)流，其他箭頭線代表能量流；帶有數(shù)字1、2、3、4的方框代表鋼鐵生產(chǎn)工序（假定只有燒結(jié)、煉鐵、煉鋼及軋鋼4道鋼鐵生產(chǎn)工序，、及、分別代表各工序的鋼比系數(shù)和工序能耗）；標(biāo)有“回路1”等方框代表生產(chǎn)工序的能量回收裝置，如余熱鍋爐、TRT、煤氣回收裝置等；標(biāo)有“轉(zhuǎn)換i”等橢圓代表能源轉(zhuǎn)換工序，如焦化、發(fā)電、制氧、鼓風(fēng)、給水等。由圖可知，外購(gòu)的原料經(jīng)燒結(jié)（球團(tuán)）、煉鐵、煉鋼、軋鋼等工序直到生產(chǎn)出最終產(chǎn)品的過程，構(gòu)

37、成了鋼鐵企業(yè)物質(zhì)流的運(yùn)行過程。為了推動(dòng)物質(zhì)流的轉(zhuǎn)變（表現(xiàn)為物質(zhì)狀態(tài)、物質(zhì)性質(zhì)等的變化）和傳輸（表現(xiàn)為位移、輸送等），外購(gòu)能源大部分進(jìn)入能源轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生能源產(chǎn)品能量流（、，其能值分別為、）；外購(gòu)能源的一部分（、）及能源產(chǎn)品能量流與物質(zhì)流在各個(gè)鋼鐵生產(chǎn)工序上耦合在一起，相互作用：一方面能量流推動(dòng)物質(zhì)流高效轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)鋼鐵產(chǎn)品；另一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入能量流的高效轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生二次能量流（、）；這部分能量流與物質(zhì)流分離運(yùn)行，進(jìn)入能源轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)（能量流網(wǎng)絡(luò)），成為能量流網(wǎng)絡(luò)的始端（輸入端），而各單元裝置以及發(fā)電設(shè)備等則相應(yīng)成為能量流網(wǎng)絡(luò)的終點(diǎn)（輸出端）。7.3、鋼鐵制造流程中能量流的宏觀運(yùn)行動(dòng)力學(xué)鋼廠生產(chǎn)過程中，

38、鐵素物質(zhì)流的運(yùn)行軌跡構(gòu)成了“物質(zhì)流網(wǎng)絡(luò)”集中地體現(xiàn)為鋼廠的總平面圖上。實(shí)際上總平面圖中不僅體現(xiàn)了優(yōu)化的“物質(zhì)流網(wǎng)絡(luò)”，同時(shí)也體現(xiàn)了與“物質(zhì)流網(wǎng)絡(luò)”相關(guān)聯(lián)的“能量流網(wǎng)絡(luò)”。這是由于在鋼廠生產(chǎn)過程中能量流與物質(zhì)流既有相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系，又有相對(duì)“獨(dú)立運(yùn)行”的狀況所引起的。實(shí)際上，鋼鐵生產(chǎn)過程中一部分能量流伴隨物質(zhì)流在“物質(zhì)流網(wǎng)絡(luò)”中運(yùn)行，另一部分（類型）的能量流又在“能量流網(wǎng)絡(luò)”中相對(duì)“獨(dú)立”運(yùn)行?！蔼?dú)立”運(yùn)行的能量流在“能量流網(wǎng)絡(luò)”中運(yùn)行也存在宏觀運(yùn)行動(dòng)力學(xué)這是鋼廠制造流程能量流設(shè)計(jì)-調(diào)控的總策略。由于始端節(jié)點(diǎn)的能量流（如各類煤氣的發(fā)生量等）具有不穩(wěn)定性，而終端節(jié)點(diǎn)對(duì)輸入的能量流（如發(fā)電站等）則要求

39、高度穩(wěn)定，因此，必須要有中間緩沖器（系統(tǒng)），這樣就形成了“推力”“緩沖”“拉力”構(gòu)成的宏觀運(yùn)行動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)（圖13）。一次能源始端節(jié)點(diǎn)二次能源始端節(jié)點(diǎn)能源流中間緩沖系統(tǒng)（器）能源終端節(jié) 點(diǎn)圖13 鋼廠制造流程中的能量流及其宏觀動(dòng)力學(xué)示意圖這種能量流運(yùn)行的宏觀動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的功能，是為了維持“獨(dú)立”運(yùn)行的能量流在能量流網(wǎng)絡(luò)中“動(dòng)態(tài)-有序”、“連續(xù)-緊湊”地運(yùn)行。它的目的是：保證能量轉(zhuǎn)換效率高，能量“耗散”最小化和煤氣等含能介質(zhì)近“零排放”。這里必須強(qiáng)調(diào)的是：在“能量流網(wǎng)絡(luò)”中，中間緩沖器的“緩沖”功能對(duì)于能量流的利用效率和近“零”排放是十分必要的。因?yàn)椴环€(wěn)定輸出的始端和高效、穩(wěn)定運(yùn)行的“終端”之間要實(shí)

40、現(xiàn)“動(dòng)態(tài)-有序”、“連續(xù)-緊湊”地運(yùn)行，必須要有合理的管網(wǎng)系統(tǒng)、容量合理的緩沖“氣柜”和必要的一次補(bǔ)充能源等中間緩沖系統(tǒng)。7.4 “能量流網(wǎng)絡(luò)”的構(gòu)成鋼廠生產(chǎn)流程是一個(gè)具有物質(zhì)-能量-時(shí)間-空間-信息構(gòu)成的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。再細(xì)分則可以進(jìn)一步解析為“物質(zhì)流網(wǎng)絡(luò)”、“能量流網(wǎng)絡(luò)”和“信息流網(wǎng)絡(luò)”。其中“能量流網(wǎng)絡(luò)”也同樣是由“節(jié)點(diǎn)”和“連結(jié)器”等單元按一定圖形構(gòu)建而成的運(yùn)行系統(tǒng)，即“能量-空間-時(shí)間-信息”構(gòu)成的動(dòng)態(tài)運(yùn)行系統(tǒng)。鋼廠內(nèi)部的一次能源（主要是外購(gòu)的煤炭）和二次能源（如電能、焦炭、氧氣、各類煤氣、余熱、余能等）分別形成了能量流網(wǎng)絡(luò)的始端節(jié)點(diǎn)（如原料場(chǎng)、高爐、焦?fàn)t、轉(zhuǎn)爐等），這些能源介質(zhì)沿著輸送路

41、線、管道等連結(jié)途徑連結(jié)器，到達(dá)能源轉(zhuǎn)換的終端節(jié)點(diǎn)（如各工序等終端用戶及熱電站、蒸汽站、發(fā)電站等）。當(dāng)然，在能量的輸送、轉(zhuǎn)換過程中，必然需要有必要的、有效的中間緩沖器（緩沖系統(tǒng)）例如煤氣柜、鍋爐、管道等，以滿足始端節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)處的能量在數(shù)量、時(shí)間、空間等方面的緩沖、協(xié)調(diào)與穩(wěn)定。由此不難看出，鋼廠內(nèi)部可以構(gòu)建起能源始端節(jié)點(diǎn)能源連結(jié)器能源中間緩沖系統(tǒng)能源連結(jié)器能源終端節(jié)點(diǎn)之間按一定圖形所構(gòu)成的“能量流網(wǎng)絡(luò)”（“能源轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)”），并且實(shí)現(xiàn)某種程度的“閉環(huán)”。例如鋼廠只買煤、不買電、不用燃料油。再深入看，由于能源的回收、轉(zhuǎn)換技術(shù)在不斷進(jìn)步，對(duì)余能、余熱的可回收、可轉(zhuǎn)換利用的范圍不斷擴(kuò)大，相應(yīng)的始端“節(jié)

42、點(diǎn)”/終端“節(jié)點(diǎn)”的數(shù)目或容量也會(huì)隨之不斷擴(kuò)大，相應(yīng)的“連結(jié)器”也隨之增加。這樣就會(huì)構(gòu)成不同層次的“能量流網(wǎng)絡(luò)”。例如：鋼廠回收的余熱介質(zhì)是500-600，可以構(gòu)成該水平的“能量流網(wǎng)絡(luò)”；如果回收余熱介質(zhì)是300，則擴(kuò)展成另一層次的“能量流網(wǎng)絡(luò)”。可見，鋼廠的“能量流網(wǎng)絡(luò)”是可以分層次設(shè)計(jì)和構(gòu)建的，在實(shí)施過程也應(yīng)分層次推進(jìn)，但在設(shè)計(jì)概念和設(shè)計(jì)方法中應(yīng)該有清晰的認(rèn)識(shí)。7.5 能量流與“能量流網(wǎng)絡(luò)”的設(shè)計(jì)原則在鋼廠設(shè)計(jì)和改造過程中，不僅應(yīng)該注意物質(zhì)流轉(zhuǎn)換過程及其“程序”和“物質(zhì)流網(wǎng)絡(luò)”設(shè)計(jì)；同時(shí)，也應(yīng)該重視能量流、能源轉(zhuǎn)換“程序”與“能量流網(wǎng)絡(luò)”的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)原則應(yīng)重視下列各點(diǎn)：建立能量流的輸入-

43、輸出概念，不局限在物料平衡-熱平衡的概念上；與物質(zhì)流運(yùn)行相關(guān)一次能源轉(zhuǎn)換裝置的容量、數(shù)量和效率的合理選擇；不同二次能源優(yōu)先使用序的合理選擇；能源終端轉(zhuǎn)換裝置的容量、功能與效率優(yōu)化；“能量流網(wǎng)絡(luò)”與圖論初級(jí)回路概念；能量流中間緩沖系統(tǒng)能力優(yōu)化緩沖、穩(wěn)定；“能量流網(wǎng)絡(luò)”的分層次設(shè)計(jì)和分層次構(gòu)建；近“零”排放目標(biāo)的逐步逼近。76關(guān)于網(wǎng)絡(luò)化整合和程序化協(xié)同關(guān)于網(wǎng)絡(luò)化整合問題對(duì)鋼鐵制造流程而言，網(wǎng)絡(luò)化整合既要保證鐵素物質(zhì)流的簡(jiǎn)捷、順暢，也要兼顧符合碳素能量流合理利用和調(diào)配的基本結(jié)構(gòu)要求。該項(xiàng)工作意味著對(duì)流程中工序/裝置的容量（能力）、功能以及工序/裝置接續(xù)方式的合理選擇，意味著總平面圖的簡(jiǎn)捷化、緊湊化，

44、使物質(zhì)流盡可能地保持動(dòng)態(tài)-有序和層流方式運(yùn)行，盡可能減少通道的交叉和在路徑中“擁塞”的機(jī)會(huì)，即“阻力”最小化?！白枇Α弊钚』诤艽蟪潭壬蠈⒈憩F(xiàn)為過程時(shí)間的縮短和前后工序之間“界面”的協(xié)同化、簡(jiǎn)捷化。網(wǎng)絡(luò)化整合不僅對(duì)物質(zhì)流運(yùn)行十分重要，而且對(duì)能量流及其運(yùn)行優(yōu)化同樣重要，特別要結(jié)合能量流與鐵素物質(zhì)流時(shí)合-時(shí)分的特點(diǎn)，要以輸入/輸出的動(dòng)態(tài)觀點(diǎn)來分析研究能量流的行為特征，確保兩種不同機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高度整合和程序化協(xié)同，以實(shí)現(xiàn)充分利用和高效回收各類二次能源（如余熱、余能等）之目的。此外，也要盡可能為作為他組織調(diào)控重要手段的信息流網(wǎng)絡(luò)的建立提供清晰、可行的布局思路。如果流程網(wǎng)絡(luò)不理順、不合理（包括物質(zhì)流網(wǎng)

45、絡(luò)、能量流網(wǎng)絡(luò)和信息流網(wǎng)絡(luò)），則運(yùn)行過程中“流”的行為往往易導(dǎo)致時(shí)間因素的無序化或是不時(shí)出現(xiàn)混沌狀態(tài)，這必將導(dǎo)致物質(zhì)流、能量流耗散的增加。必須認(rèn)識(shí)到，對(duì)冶金制造流程動(dòng)態(tài)運(yùn)行的有序性而言，不僅取決于各個(gè)工序/裝置各自運(yùn)行的有序性、穩(wěn)定性，而且受到“流程網(wǎng)絡(luò)”集成化整合程度的促進(jìn)或制約。關(guān)于程序化協(xié)同問題程序化協(xié)同，意味著制造流程內(nèi)工序功能集的解析-優(yōu)化，工序間關(guān)系集的協(xié)同-優(yōu)化和流程工序集合的重構(gòu)-優(yōu)化；也意味著空間序的緊湊化、簡(jiǎn)捷化、層流化；這些都與網(wǎng)絡(luò)化整合密切相關(guān)，并在一定程度上決定了制造流程的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。程序化協(xié)同可以表現(xiàn)為合理的功能序設(shè)計(jì)和空間序設(shè)計(jì)，更重要的是體現(xiàn)在時(shí)間程序和時(shí)-空程序

46、的設(shè)計(jì)上；因?yàn)椤皠?dòng)態(tài)-有序”、“連續(xù)-緊湊”的特征最終將歸結(jié)到時(shí)間過程的最小化。 時(shí)間程序的設(shè)計(jì)必須要充分理解時(shí)間在鋼鐵制造流程動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中的各種表現(xiàn)形式（例如：時(shí)間序、時(shí)間點(diǎn)、時(shí)間域、時(shí)間位、時(shí)間周期等），力求時(shí)間程序的協(xié)同化、快捷化，確保不同工序參數(shù)“漲落”特征的兼容性與耦合性。連鑄多爐連澆就體現(xiàn)了上述內(nèi)涵。時(shí)-空序的設(shè)計(jì)則體現(xiàn)在優(yōu)化的動(dòng)態(tài)框架結(jié)構(gòu)中，體現(xiàn)在物質(zhì)流、能量流動(dòng)態(tài)-有序運(yùn)行的高效化、穩(wěn)定化上，實(shí)現(xiàn)“流”通量的“最大化”和/或單位時(shí)間內(nèi)物質(zhì)、能量耗散的“最小化”。7.7 關(guān)于能源調(diào)控系統(tǒng)與能源中心能量流、能量轉(zhuǎn)換“程序”和“能量流網(wǎng)絡(luò)”概念是鋼廠能源調(diào)控系統(tǒng)的理論框架。建立能源

47、調(diào)控系統(tǒng)應(yīng)分別建立起包括各類能量流、能量流節(jié)點(diǎn)（包括始端和終端等）、能量流連結(jié)器和能量流中間緩沖系統(tǒng)（器）以及包括合理的網(wǎng)絡(luò)圖形在內(nèi)的“能量流網(wǎng)絡(luò)”。在此基礎(chǔ)上，分別選擇合理的能源轉(zhuǎn)換裝置（能量流節(jié)點(diǎn)）的容量、個(gè)數(shù)和“初級(jí)回路”，進(jìn)而構(gòu)建起物理模型和動(dòng)態(tài)調(diào)控模型。這是能源調(diào)控系統(tǒng)（能源中心）的實(shí)體構(gòu)成。作為能源調(diào)控系統(tǒng)的實(shí)體能源中心應(yīng)是一個(gè)生產(chǎn)實(shí)體單位，同時(shí)兼顧某些管理職能。能源中心應(yīng)該有設(shè)備、有裝置、有管網(wǎng)系統(tǒng)，有信息調(diào)控系統(tǒng)。能源中心的功能應(yīng)是24小時(shí)連續(xù)實(shí)時(shí)地控制、協(xié)調(diào)整個(gè)鋼廠的“能源轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)”，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)可能遇到的“前景”， 并提出因應(yīng)的對(duì)策。八、充分發(fā)揮鋼鐵制造流程的能源轉(zhuǎn)換功能，進(jìn)一

48、步節(jié)能減排中國(guó)鋼廠現(xiàn)在應(yīng)該進(jìn)入深化節(jié)能的新階段，即充分發(fā)揮鋼鐵制造流程的能源轉(zhuǎn)換功能，推動(dòng)建立鋼廠能量流網(wǎng)絡(luò)能源調(diào)控中心，進(jìn)一步推動(dòng)全面節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，達(dá)到更高層次的系統(tǒng)節(jié)能。為全面分析鋼廠進(jìn)一步節(jié)能減排的思路，做以下討論。8.1 鐵素流系統(tǒng)的進(jìn)一步節(jié)能（1）堅(jiān)持精料方針：提高和穩(wěn)定入爐礦品位，改善燒結(jié)礦強(qiáng)度。（2）改善高爐爐料結(jié)構(gòu)：研究高爐加入燒結(jié)/球團(tuán)/塊礦的合適比例。從全國(guó)層面上看，入爐球團(tuán)比例能否提高到25-30%。（3）燒結(jié)工序應(yīng)著重解決降低返礦率，大力降低漏風(fēng)率并提高燒結(jié)臺(tái)車壽命。（4）減少鐵水倒罐次數(shù)：淘汰混鐵爐，質(zhì)疑魚雷罐，逐步推行“一包到底”（鐵水包多功能化）。（5）提高鐵水包、鋼水包、連鑄中間包壽命，加速周轉(zhuǎn)，減少個(gè)數(shù)，減少各類包的過程吸熱，減少金屬液的溫降。（6）協(xié)調(diào)鐵水預(yù)處理-煉鋼爐-精煉爐-連鑄機(jī)的運(yùn)行節(jié)奏，減少精煉工序滿包鋼水等待時(shí)間，以連鑄機(jī)恒拉速、高拉速為目標(biāo)，提高煉鋼廠各工序、裝備的能源使用效率。（7）優(yōu)化連鑄機(jī)與熱軋機(jī)在能力、距離、運(yùn)輸方法上的匹配關(guān)系，縮短運(yùn)輸時(shí)間，提高鑄坯熱送-熱裝溫度（以600/950為目標(biāo)）。（8）淘汰落后工藝裝備，例如小高爐、小燒結(jié)、