鋼鐵工業(yè)的能源管控系統(tǒng)建設(shè)

鋼鐵工業(yè)的能源管控系統(tǒng)建設(shè)

0優(yōu)化工藝流程,實現(xiàn)能源二次回收鋼鐵工業(yè)是我國的一個重要專業(yè)學(xué)科，具有在高溫、高壓、容易發(fā)生、爆炸等環(huán)境下連續(xù)生產(chǎn)的特點。鋼鐵工業(yè)還是制造業(yè)中的耗能大戶,能耗問題日趨成為制約鋼鐵工業(yè)發(fā)展的一個重要因素,以能耗指標(biāo)核定產(chǎn)能的時間已經(jīng)指日可待。因此,采用先進的管理理念,利用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)的鋼鐵工業(yè),通過兩化融合實現(xiàn)科學(xué)用能,是鋼鐵工業(yè)在當(dāng)今日益激烈的競爭中實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必要手段。節(jié)能減排、能源二次回收是科學(xué)用能的首要條件,也是鋼鐵工業(yè)提高產(chǎn)能、降低成本、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。隨著大量先進技術(shù)的采用和現(xiàn)代化冶金工藝流程的不斷優(yōu)化,節(jié)能減排、能源二次回收已經(jīng)成為冶金工業(yè)發(fā)展的重點。其中,各種冶金煤氣(高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、焦?fàn)t煤氣)的回收、利用余熱發(fā)電等,不僅產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟效益和社會效益,而且已經(jīng)成為冶金工藝流程新的重要組成部分。在優(yōu)化工藝流程實現(xiàn)節(jié)能減排方面,首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司(以下簡稱首鋼京唐鋼鐵公司)鐵水包“一包到底”新工藝就是一個典型的例子。一包到底新工藝系采用一種具備鐵水承接、運輸、緩沖貯存、預(yù)處理、保溫及轉(zhuǎn)爐兌鐵等功能的包(罐),將高爐冶煉出來的鐵水,在經(jīng)過必要的工藝流程處理后,不更換鐵水包直接兌入轉(zhuǎn)爐內(nèi),該項工藝過程稱之為“一包到底”鐵水運輸技術(shù)。采用此工藝后,可提高煉鋼用鐵水溫度70℃,按照首鋼京唐鋼鐵公司898萬t/a鐵水量計算,每年可節(jié)約16.85萬t標(biāo)煤,減少煙塵排放4700t。因此冶金工業(yè)的節(jié)能減排、能源回收利用工作大有可為。在能源二次回收利用的基礎(chǔ)上,冶金企業(yè)對能源的利用真正做到“按質(zhì)用能、各取所需、熱值對口、分配得當(dāng)、有序利用、榨干吃凈”,才能稱之為實現(xiàn)科學(xué)用能,而建設(shè)科學(xué)的能源管控系統(tǒng)是實現(xiàn)科學(xué)用能的重要內(nèi)容。首鋼京唐鋼鐵公司能源管控系統(tǒng)通過自身的技術(shù)優(yōu)勢和先進的能源管理理念對首鋼京唐鋼鐵公司的科學(xué)用能進行了全面落實與實現(xiàn)。1系統(tǒng)的組成和性能1.1數(shù)據(jù)采集模塊首鋼京唐能源管控系統(tǒng)主要由計量、數(shù)據(jù)采集、能源生產(chǎn)過程監(jiān)控與調(diào)度及能源管理等模塊組成。計量系統(tǒng)主要采集存儲廠區(qū)各生產(chǎn)部門進出口能源計量數(shù)據(jù),用于公司各分廠的計量核算。由于計量模塊的技術(shù)內(nèi)容和本文關(guān)系不大,因此下文不展開講述。數(shù)據(jù)采集模塊主要從現(xiàn)場采集能源數(shù)據(jù),具有現(xiàn)場能源生產(chǎn)監(jiān)視調(diào)度與遠程控制功能。能源生產(chǎn)過程監(jiān)控與調(diào)度模塊實現(xiàn)了對現(xiàn)場大型設(shè)備的遙控、遙測和遙信。能源管理模塊主要把采集到的海量數(shù)據(jù)進行歸檔并分析處理,完成能源日常業(yè)務(wù)管理功能。1.2采用統(tǒng)一的能源管理系統(tǒng)傳統(tǒng)的能源管理只是對風(fēng)、水、電、汽各自獨立管理,相互沒有聯(lián)系。除技術(shù)方面的原因外,傳統(tǒng)的管理理念束縛也是一個主要原因。在一個平臺上實現(xiàn)多種能源介質(zhì)的集中一貫式管理是能源管理與控制在思想、理論和技術(shù)上的一次新的升華,也是能源管理由傳統(tǒng)生產(chǎn)型向現(xiàn)代服務(wù)型轉(zhuǎn)化的成功體現(xiàn)。其系統(tǒng)特點是:(1)通過統(tǒng)一平臺,同時可以實現(xiàn)對能源的管理、控制和系統(tǒng)后續(xù)升級。(2)所有能源的管理實現(xiàn)統(tǒng)一操作模式。(3)數(shù)據(jù)統(tǒng)一集中管理并實現(xiàn)共享。在一個平臺上實現(xiàn)多種能源介質(zhì)的集中一貫式管理是現(xiàn)代化冶金企業(yè)能源管理系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ),通過對多種能源介質(zhì)的交叉、創(chuàng)新、智能管理,實現(xiàn)多種能源介質(zhì)在使用過程中的統(tǒng)一管理與平衡,從而實現(xiàn)優(yōu)化、綜合和節(jié)約用能目的,既降低了能耗成本,也實現(xiàn)了對能源的“榨干吃凈”,使循環(huán)經(jīng)濟的優(yōu)勢發(fā)揮得淋漓盡致。首鋼京唐鋼鐵公司在建設(shè)能源管控系統(tǒng)過程中,通過技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動企業(yè)能源管控大膽變革,采用了在一個平臺上實現(xiàn)多種能源介質(zhì)的集中一貫式管理與控制模式,對原有的管理方法與手段進行業(yè)務(wù)流程再造與優(yōu)化,采用并自主開發(fā)了多項自動控制技術(shù),在數(shù)據(jù)傳輸、接口設(shè)計、數(shù)據(jù)庫管理等方面,都有了更大的創(chuàng)新與發(fā)展,保證了平臺的順利建設(shè)與實施,并取得了良好的使用效果。2能源管控系統(tǒng)我國鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)過程需要的能源介質(zhì)主要有:煤炭、電力、生產(chǎn)用水、動力風(fēng)、蒸汽、高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣等,其中許多都是在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的新能源即二次能源,科學(xué)地管理和利用這些能源介質(zhì),實現(xiàn)能源利用的動態(tài)平衡和安全,是建設(shè)能源管控系統(tǒng)的根本宗旨。首鋼京唐鋼鐵公司能源管控系統(tǒng)采用集能源生產(chǎn)過程監(jiān)控、能源設(shè)備管理、能源預(yù)警、能源調(diào)度平衡分析及優(yōu)化等主要內(nèi)容為一體的集中一貫式模式,充分開發(fā)與利用生產(chǎn)過程中科學(xué)用能的潛力,最大限度地節(jié)約能源以及實現(xiàn)二次能源的開發(fā)與利用,充分體現(xiàn)了現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)利用能源流的先進理念,實現(xiàn)了能源利用的集中、高效、平衡與協(xié)調(diào)。能源管理模型與能源控制模型是整個系統(tǒng)的核心。用一句話概括就是:能源管控系統(tǒng)就是先進理念與先進技術(shù)的集成。首鋼京唐鋼鐵公司能源管控系統(tǒng)基本架構(gòu)如圖1所示。3系統(tǒng)功能首鋼京唐鋼鐵公司能源管控系統(tǒng)是一個集數(shù)據(jù)采集、能源生產(chǎn)過程監(jiān)控與調(diào)度、能源管理為一體的廠級管控一體化計算機系統(tǒng)。3.1基于一體化數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹С謹?shù)據(jù)采集是實現(xiàn)能源生產(chǎn)過程監(jiān)控和能源管理的基礎(chǔ),它還涵蓋了計量系統(tǒng),其需要重點解決的問題是:需要采集的數(shù)據(jù)量大(達13萬點)、覆蓋全廠區(qū)、實時性強、數(shù)據(jù)上傳及時和準(zhǔn)確以及超強的穩(wěn)定性和安全性。數(shù)據(jù)采集在實時、實體、實位的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了首鋼京唐鋼鐵公司對各種能源介質(zhì)的集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度和平衡優(yōu)化,充分滿足了過程控制、信息管理和現(xiàn)場操作的一體化系統(tǒng)集成需求,同時采用冗余穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與可靠的數(shù)據(jù)庫技術(shù),縮短了數(shù)據(jù)處理時間,有效提高了數(shù)據(jù)處理速度,滿足了不同系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目焖傩院桶踩砸蟆?shù)據(jù)采集系統(tǒng)邏輯如圖2所示。實時數(shù)據(jù)采集主要將能源管理中心所需要的5大系統(tǒng)(即供配電、燃氣、供氣、熱電和給排水系統(tǒng))的實時數(shù)據(jù)、計量數(shù)據(jù)、能源設(shè)備運行數(shù)據(jù)采集到能源中心,進行遠程在線統(tǒng)一監(jiān)視、管理和控制。采集到的實時數(shù)據(jù)存放在實時數(shù)據(jù)庫中,主要進行數(shù)據(jù)處理和短期歸檔等。歷史數(shù)據(jù)存放到歷史數(shù)據(jù)庫中,在首鋼京唐能源中心,歷史數(shù)據(jù)大多以5s一條的頻率進行存儲,可連續(xù)存儲20年,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)建模及進一步處理等的需求。用戶可以隨意選擇一個時間段,進行歷史數(shù)據(jù)的查詢、對比、故障分析等。首鋼京唐管控系統(tǒng)的計量數(shù)據(jù)主要用于廠級計量結(jié)算以及能源數(shù)據(jù)管理分析用。能源設(shè)備運行數(shù)據(jù)主要是現(xiàn)場能源設(shè)備的運行狀態(tài)等生產(chǎn)工況數(shù)據(jù),用于對現(xiàn)場生產(chǎn)狀況的監(jiān)視。這兩種數(shù)據(jù)都通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。3.2能源監(jiān)視功能能源生產(chǎn)過程監(jiān)控與調(diào)度模塊,主要完成生產(chǎn)監(jiān)視和對現(xiàn)場設(shè)備進行控制與調(diào)整功能,以保證能源生產(chǎn)穩(wěn)定運行,同時完成能源信息的歸檔,具體包括以下功能:(1)生產(chǎn)監(jiān)視。主要對現(xiàn)場能源設(shè)備、能源的流量、壓力、溫度等屬性等進行監(jiān)視。(2)控制與調(diào)整。主要根據(jù)生產(chǎn)需求對現(xiàn)場可控能源設(shè)備進行遠程控制與調(diào)整。(3)短期過程預(yù)測。利用煤氣消耗預(yù)測分析等數(shù)學(xué)模型,對未來短時期內(nèi)的煤氣產(chǎn)耗情況進行預(yù)測,為能源的調(diào)度運行提供決策依據(jù)。(4)大屏幕監(jiān)視。大屏幕直觀顯示重要能源數(shù)據(jù),同時顯示現(xiàn)場視頻信息。(5)信息處理與歸檔。分析處理能源數(shù)據(jù)并存儲歸檔。(6)報警。及時反映現(xiàn)場生產(chǎn)異常信息,提醒運行調(diào)度人員及時處理。3.3數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用能源管理模塊具有能源計劃調(diào)度、質(zhì)量管理、成本管理、報表管理、設(shè)備管理、平衡分析、預(yù)測、實績管理、運行支持管理和系統(tǒng)管理的功能。無論是能源管理還是能源監(jiān)控,都涉及數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用,本能源管控系統(tǒng)的模型主要包含管理模型和控制模型,其中,管理模型主要有煤氣產(chǎn)耗預(yù)測分析模型,該模型屬于能源管理模塊中能源預(yù)測模塊。控制模型主要有電力設(shè)備智能軟五防模型,該模型屬于能源生產(chǎn)過程監(jiān)控與調(diào)度功能模塊,軟五防簡單來說就是通過軟件模型的方式實現(xiàn)電力系統(tǒng)安全邏輯判斷,從而實現(xiàn)甚至優(yōu)于傳統(tǒng)五防硬件實現(xiàn)的聯(lián)鎖控制。電力五防是指:(1)防止誤分合斷路器;(2)防止帶負荷分合隔離刀閘;(3)防止帶電合接地刀閘;(4)防止接地刀閘合著時合斷路器;(5)防止不合理反送電。3.3.1煤氣產(chǎn)耗預(yù)測技術(shù)首鋼京唐鋼鐵公司能源管控系統(tǒng)中的煤氣主要是指高爐煤氣、轉(zhuǎn)爐煤氣、焦?fàn)t煤氣。冶金鋼鐵企業(yè)中,煤氣的產(chǎn)生、存儲、分配和使用是一個復(fù)雜的動態(tài)過程,影響煤氣產(chǎn)量和需求量的因素很多。要對煤氣的發(fā)生和消耗進行有效預(yù)測,就要對影響煤氣產(chǎn)生和消耗波動的因素一一進行分析。引起波動狀況的因素和影響程度大都隨機產(chǎn)生,影響短期煤氣流量波動的因素眾多且錯綜復(fù)雜,很多情況下,很難或不可能用變量間的因果關(guān)系來說明某一變量的變化,而基于歷史數(shù)據(jù)的分析預(yù)測只在工況正常的情況下才能做出合理預(yù)測,一旦工況發(fā)生變化,規(guī)律性被打破,將產(chǎn)生很大的預(yù)測偏差?？紤]到上述煤氣預(yù)測技術(shù)難點,首鋼京唐能源管控系統(tǒng)在煤氣預(yù)測方面結(jié)合實際情況及相關(guān)冶金工藝流程規(guī)律,建立了自己的專家知識庫,根據(jù)實時工況變化通過煤氣產(chǎn)耗預(yù)測分析模型進行煤氣產(chǎn)耗量預(yù)測。煤氣產(chǎn)耗預(yù)測分析流程如圖3所示。從預(yù)測開始時刻Tstart開始,首先統(tǒng)計預(yù)測時刻之前的一段時間之內(nèi)正常生產(chǎn)狀態(tài)下焦?fàn)t煤氣出口處的煤氣平均瞬時流量ˉQQˉˉˉ,若靜態(tài)因素(是指由于原料條件或工藝要求,在較長一段時間之內(nèi)對煤氣流量影響比較穩(wěn)定的因素,如焦?fàn)t正常生產(chǎn)時)沒有改變則直接進行預(yù)測計算,若靜態(tài)因素改變(如焦?fàn)t計劃停產(chǎn)時),則根據(jù)工藝信息建立靜態(tài)模型,然后進行預(yù)測計算,預(yù)測計算的周期為H。在此過程中根據(jù)焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)情況,輸入預(yù)測時長L,在預(yù)測計算的過程中可以查詢生產(chǎn)狀態(tài)經(jīng)驗知識庫中的表以獲取生產(chǎn)狀態(tài)信息輔助預(yù)測計算。預(yù)測計算之后,輸出單元內(nèi)能源介質(zhì)發(fā)生或消耗量的預(yù)測結(jié)果。煤氣平均瞬時流量基本模型為:ˉQ={1Τ∫Τ0QRecentΝorm(t)dt靜態(tài)因素維護在一定水平?正常狀態(tài)Q?況靜態(tài)因素維持在一定水平?特殊?況發(fā)生f(x1,x2,?,xn)靜態(tài)因素發(fā)生變化式中,QRecentNorm(t)為離當(dāng)前預(yù)測時刻最近的正常生產(chǎn)狀態(tài)下T時段內(nèi)煤氣流量隨時間的變化值;Q工礦為不同工況下的煤氣平均瞬時流量;x1,x2,…,xn為影響煤氣流量波動的n個靜態(tài)因素。由煤氣平均瞬時流量基本模型得到的能源預(yù)測模型為:yp=∫tntsˉQdt式中,ts,tn分別為預(yù)測起、止時間;yp為預(yù)測時段內(nèi)預(yù)測單元內(nèi)能源介質(zhì)的發(fā)生或消耗量。根據(jù)預(yù)測模型可以計算未來L段時間內(nèi)焦?fàn)t煤氣流量預(yù)測值,能源管理運行人員可根據(jù)這個結(jié)果,提前做出生產(chǎn)調(diào)度調(diào)整。3.3.2電力控制系統(tǒng)軟五防模擬首鋼京唐鋼鐵公司的電力設(shè)備五防系統(tǒng)共分3級,分別是設(shè)備級、變電站級和能源中心級。在設(shè)備級即最底層的五防由硬件來保證,而變電站級及能源中心級的五防都由軟件來實現(xiàn),通過數(shù)學(xué)模型的運算與判斷,實現(xiàn)安全操作,方便工作。同時從電力系統(tǒng)調(diào)度的角度出發(fā),軟五防模型不僅要考慮復(fù)雜的邏輯判斷,還要考慮變電站間互相作用關(guān)系,模型對每一個電力設(shè)備、斷路器、刀閘,甚至界面上每一條聯(lián)絡(luò)線都要分別進行邏輯控制分析,最終保證電力控制系統(tǒng)運行的安全可靠。電力系統(tǒng)軟五防邏輯流程如圖4所示。通過對設(shè)備行為建模,軟五防模型得以成功應(yīng)用。電力系統(tǒng)智能軟五防模型的開發(fā),更好、更安全地保證了電力系統(tǒng)的遠程控制。軟五防控制模型的應(yīng)用實現(xiàn)了電力系統(tǒng)調(diào)度與集中控制系統(tǒng)的有機融合,在冶金行業(yè)率先實現(xiàn)了電力系統(tǒng)站內(nèi)在硬五防基礎(chǔ)上的能源中心軟件遠控模式下的軟五防。通過應(yīng)用模型科學(xué)調(diào)整用電模式,從而有效提高了用電效率,并全部實現(xiàn)了遙控、遙測,各個變電站實現(xiàn)了無人值守,為進一步實現(xiàn)首鋼京唐公司智能電網(wǎng)建設(shè)提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。4回收煤氣的效益首鋼京唐公司能源管控系統(tǒng)建成