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--面向鋼鐵工業節能的冶金自動化系統

供稿︰中國工控網 2015/7/6 10:18:00

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  • 關鍵詞︰ 節能
  • 摘要︰2020年我國實現GDP翻兩番,鋼鐵材料是我國社會經濟發展的必選材料。鋼鐵工業的健康持續發展是我國GDP翻兩番和實現新型工業化的重要支撐條件。在強勁市場需求的推動下,近年來我國鋼產量以超過20%的增幅高速增長,2003年達2.234億噸,連續8年位居世界第一。

1  引言
      2020年我國實現GDP翻兩番,鋼鐵材料是我國社會經濟發展的必選材料。鋼鐵工業的健康持續發展是我國GDP翻兩番和實現新型工業化的重要支撐條件。在強勁市場需求的推動下,近年來我國鋼產量以超過20%的增幅高速增長,2003年達2.234億噸,連續8年位居世界第一。我國已成為全球最大的鋼鐵生產國和消費國,鋼鐵業高速發展也造成了我國能源緊張,制約了鋼鐵工業的持續發展。我國鋼鐵行業消耗的能源佔整個工業總量的10%,能源消耗比發達國家高15%∼20%,節能不僅是企業降低成本、提高產品市場競爭力的重要途徑,更是企業必須承擔的促進全社會資源永續利用的重要責任,也是促進企業以及整個國民經濟可持續發展的永恆主題,利用冶金自動化系統做好鋼鐵業的節能工作對我國經濟和社會的可持續發展具有十分重要的意義。

2  鋼鐵工業節能主要途徑
      鋼鐵生產的典型過程包括煉鐵、煉鋼和軋鋼3個主要工序。鋼鐵工業節能主要有減少能源消耗和已消耗能源的循環利用兩方面途徑。前者主要的措施包括生產工藝和流程的改進和優化、采用節能材料和技術等內容,後者主要的措施包括物理能和化學能的回收利用、能量平衡和優化等綜合節能等內容。
(1) 煉鐵工序
      焦爐-高爐煉鐵流程的生產工序多,設備復雜,建設投資高,是鋼鐵生產中耗能最多的工序,耗能量佔總耗能量的35%左右,各企業都將煉鐵工序作為節能工作的重點,主要的節能措施有焦爐采用干熄焦技術、煤干燥技術和煉焦煤預熱工藝等,煉鐵高爐采用噴煤煉鐵、高爐煤氣余壓發電、高爐干式除塵、熱風爐余熱回收等技術。
(2) 煉鋼工序
      煉鋼節能技術主要集中在推廣新工藝、淘汰陳舊設備和落後工藝,施行余能、余熱回收等。前者有轉爐淘汰落後的平爐煉鋼、連鑄取代模鑄、采用鐵水預處理和精煉技術,後者有轉爐煤氣回收和再利用、綜合能量優化、電爐二次燃燒和廢鋼預熱、鋼渣熱能回收技術等。
(3) 軋鋼工序
      軋鋼工序是鋼鐵材料生產能源消耗的主要工序之一。在軋鋼加工費用中,能源消耗佔65%∼70%。從軋鋼生產主要工藝流程看,坯料加熱、熱軋、冷軋和退火是主要的能耗環節。其中耗能最大且節能潛力最大的是坯料加熱工序,其次是熱軋工序。坯料加熱節能技術主要有鑄坯(錠)熱送熱裝、加熱爐結構優化、燃燒控制、煙氣余熱回收利用和加熱爐計算機控制等。熱軋工序節能技術主要有連軋、快速軋制、無頭軋制、一火成材、熱軋工藝潤滑、軋制工藝優化、提高成材率、減少軋制間隙時間和提高軋機傳動效率等。

3  鋼鐵工業節能對冶金自動化系統的需求
    鋼鐵工業節能對冶金自動化技術提出了新的挑戰,也帶來了新的發展機遇。
(1) 先進的檢測和控制系統是節能工藝和裝備的使能條件自動化裝備能夠保證節能工藝和裝備發揮節能效果,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,高爐煤氣余壓發電需要對煤氣溫度和壓力的穩定控制等;自動化裝備也是節能工藝和裝備安全可靠運行的必要條件。以轉爐煤氣回收為例,轉爐煤氣是一種高毒性、易燃易爆氣體,煤氣的產生又是間斷的,其質量、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自動控制系統。
(2) 電氣傳動設備本身的節能構成了鋼鐵工業節能的重要組成部分
       鋼鐵工業中有眾多的風機、水泵、皮帶機及其它電機設備,其耗電量約佔行業總用電量的50%以上。這些設備中,有一半以上的工作負荷周期性變化,如轉爐排煙機、高爐除塵風機、沖渣水泵、皮帶運輸機等。一些企業仍采用落後的方式調整這些設備的負荷,浪費了大量的電力。采用交流變頻調速等自動化技術,可取得節電20%∼40%的效果。
(3) 先進的過程控制是節能降耗的重要手段
      利用數學模型和智能控制理論對工業爐窯進行計算機優化控制,可直接取得鋼鐵行業顯著的節能效果,典型例子有高爐專家系統、轉爐煉鋼終點控制模型、電爐能量輸入優化模型、智能精煉爐控制系統、加熱爐優化控制模型和︰}葡低車。此外,先進的過程控制可以提高產品質量、減少設備故障、保障生產順行,可間接達到節能降耗的目的。
(4) 生產計劃和管理計算機系統是現代化煉鋼-連鑄-連軋生產的必要條件
      隨著鋼鐵生產技術特別是連鑄與熱軋的發展,鋼鐵生產過程日趨緊湊、高效化的連續生產,產品生產周期大幅度縮短,要求對整個生產過程中的各工序間的物流、能流和生產時序進行準確預報,實現快速信息反。 笆弊既泛土榛畹氐髡チ蘸筒販槳,這要求能對整個復雜的鋼鐵生產過程實現集中統一的生產管理、信息追蹤和決策調整,為保證煉鋼-連鑄-軋鋼生產的連續穩定,一個貫穿煉鋼、連鑄、熱軋各工序的統一的生產計劃與管理系統是十分必要的。此外,實現連續生產,達到節能降耗的目的,要求生產中的各種緩沖能力或容量逐漸減少,對各工藝環節在制品的質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,這就要求鋼鐵企業自動化系統應具備對產品進行質量預報、在線熱態無損監測和質量控制的能力。
       除上述介紹的自動化系統外,還有能源監控系統和能源管理中心,由于其與鋼鐵工業節能關系更密切,下面單獨介紹。

4 能源監控系統
       能源監控系統是鋼鐵工業節能的基礎。很多鋼鐵企業至今仍采用手工抄表、人工統計、手工鍵入、計算機打印報表的落後模式。沒有實時準確的能量消耗數據檢測和能量產生設備的控制,鋼鐵企業節能工作的效果就會大打折扣。
       能源監控系統通常由一些站所管理,如電力調度站、煤氣調度站、水處理監控站等,它們受能源中心業務管理。一般應具有以下功能:
(1) 能源供應實績收集
    收集各能源生產、外購、外銷的實際數量及質量數據;建立相應的數據庫以保存這些數據。
(2) 能源消耗實績收集
    收集各生產廠或車間、各工序、各機組、各產品對各種能源的消耗量;建立相應的數據庫以保存這些數據。
(3) 實施所管能源的實時調度。
(4) 能源設備安全監控
    對能源主體設備安全運行狀況進行實時監測。緊急情況下,要啟動能源中斷應急措施。
(5) 監測能源生產的環境指標
      與能源設備最貼近的是檢測儀表和驅動閥門開關,它們完成每個與能源有關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、功率開關狀態的檢測和控制。
       在此基礎上,采用PLCDCS技術進行具體生產過程能源的數據采集、流向控制和安全監控。涉及到該項能源的各種物理量的采集,能源站、所單體設備運行的控制,能源設備運行的安全連鎖、臨界報警或事故報警;能源生產相關環保護數據的檢測和分析。
       能源監控系統涉及鋼鐵企業各個角落,需要采用必要的遙測、遙控技術;多相流體介質能源的質量、消耗量的檢測精度會影響能源監控效果,需要采用一定的數據校準、核算技術;此外,需要考慮監控設備在鋼鐵企業惡劣的使用環境,保證設備的可靠運行。

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,在發達國家的鋼鐵企業中普遍建設了能源管理中心。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、德國的一些企業也相繼設置了能源管理中心,其性能不斷提高。建立能源中心的目的,一是確保生產用能的穩定供應;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,提高勞動生產率。
      現代化能源管理中心配備有計算機和各種監控儀表,不僅具有能源流向的監測、能源供應和使用平衡、能源信息預測預報等功能,而且具有結合生產動態情況對能源進行優化管理、優化調度和監控功能,可在一定程度上緩解能源供應緊張的局面,對企業的節能降耗、改進能源利用效率、提高經濟效益有重要的作用。
能源管理中心一般具有以下功能:
(1) 能源供需平衡分析
      建立能源網絡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。收集整理並建立能源消耗數據庫,動態收集各種能源消耗量、能源構成量、各產品能源消耗量及工序能耗,制作實際能源平衡表。
(2) 能源分析與預測
      收集整理能源歷史資料,建立數據庫,建立能源預測模型,以達到企業能源政策、能源供需最佳化。
(3) 能源考核和管理
      收集能源消耗指標,制定能源考核指標,分析產品能耗、工序能耗及噸鋼綜合能耗。
(

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

(5) 能源在線調度
    建立能源線性規劃模型以達到能源分配優化,實施能源在線調度,完成能源轉換。制定防止能源短缺的預案,制定能源中斷時的應急方案。

5.2  國內鋼鐵企業的能源管理中心概況
    目前,國內鋼鐵企業認識到了建設能源管理中心的重要性,有了不少成功的實踐經驗。寶鋼、鞍鋼、武鋼、酒鋼、首鋼、攀鋼、本鋼和濟鋼等企業先後建設了先進程度不一的能源管理控制中心。

(1) 寶鋼的現代化的能源調度管理中心
    寶鋼利用現代化的能源調度管理中心,對17種能源介質實行統一平衡、集中調整、分配與管理,實時協調各用能單位之間的能源介質供需量,有效降低能源的系統介質放散損失,取得明顯效果。重點加強燃氣平衡研究和調度,控制煤氣櫃位與使用,確保副產煤氣全量回收並合理消耗。在確保煤氣全量回收的基礎上,通過擴展用戶和加強煤氣平衡調度,高爐煤氣放散率從1997年的12.68%下降到2003年的0.13%,基本實現無放散。氧氣是煉鋼生產的重要能源,氧氣生產使用大量的電力,而間歇性的煉鋼生產和連續性氧氣生產這一不對稱的矛盾一直困惑著冶金企業。通過研究氧氣平衡,拓展調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的電力、固體燃料、水和流體能源(重油、各種燃氣和氣態工質,如氧氣、氮氣、氫氣、壓縮空氣等)實行爐窯、機台、車間、分廠、企業等多級監測管理,對能源生產廠和轉換廠的生產及能源用戶的能源使用數據進行實時、準確地采集和處理,對能源系統進行實時監測,進行運行狀況的評估、能源供需的預報預測,實現能源調度自動化管理,使系統各設備處于優化運行狀態。以電能管理為例,實現電力系統集中控制後,可以及時調整和改善電力負荷運行方式,使之經常保持在安全、經濟、合理狀態,實現不間斷平衡供電,減少供電網絡損失,估算節電0.75%,年節電3280萬kW.h;廠內電網由計算機監控,能準確地預測預報電力負荷,及時實施電力負荷優化運行,提高電能綜合利用效果,綜合效率提高2%以上,年節電9178萬kW.h;采用計算機控制供電和用電後,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秩序現象的出現,減少電力超負荷罰款。

6  結束語 
    我國鋼鐵企業生產狀況、技術裝備水平和企業管理水平不同,建設能源管理中心時,現代化水平也不應強求一致。可以結合企業的裝備、管理等實際情況,分別建設動力集中監測中心、動力集中監控中心、能源集中監測管理中心、在線能源監控中心等,逐漸提高管理裝備水平,使企業能源管理逐步趨于最優。

參考文獻
[1] 趙沛,蔣漢華,鋼鐵節能技術分析,北京:冶金工業出版社,1999
[2] 鄒寬. 寶鋼節能環保工作實踐. 中國冶金,2005,(3)

作者簡介
孫彥廣  男  教授級高工  現任冶金自動化研究設計院副總工程師  主要研究方向:現代控制理論在冶金自動化中的應用。


審核編輯(王靜)
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