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探析面向钢铁工业节能的冶金自动化系统

1  引言

    2020年我国实现GDP翻两番,钢铁材料是我国社会经济发展的必选材料。钢铁工业的健康持续发展是我国GDP翻两番和实现新型工业化的重要支撑条件。在强劲市场需求的推动下,近年来我国钢产量以超过20%的增幅高速增长,2003年达2.234亿吨,连续8年位居世界第一。我国已成为全球最大的钢铁生产国和消费国,钢铁业高速发展也造成了我国能(安全急救网www.aqjj120.com)源紧张,制约了钢铁工业的持续发展。我国钢铁行业消耗的能源占整个工业总量的10%,能源消耗比发达国家高15%~20%,节能不仅是企业降低成本、提高产品市场竞争力的重要途径,更是企业必须承担的促进全社会资源永续利用的重要责任,也是促进企业以及整个国民经济可持续发展的永恒主题,利用冶金自动化系统做好钢铁业的节能工作对我国经济和社会的可持续发展具有十分重要的意义。

2  钢铁工业节能主要途径

    钢铁生产的典型过程包括炼铁、炼钢和轧钢3个主要工序。钢铁工业节能主要有减少能源消耗和已消耗能源的循环利用两方面途径。前者主要的措施包括生产工艺和流程的改进和优化、采用节能材料和技术等内容,后者主要的措施包括物理能和化学能的回收利用、能量平衡和优化等综合节能等内容。

(1) 炼铁工序
    焦炉-高炉炼铁流程的生产工序多,设备复杂,建设投资高,是钢铁生产中耗能最多的工序,耗能量占总耗能量的35%左右,各企业都将炼铁工序作为节能工作的重点,主要的节能措施有焦炉采用干熄焦技术、煤干燥技术和炼焦煤预热工艺等,炼铁高炉采用喷煤炼铁、高炉煤气余压发电、高炉干式除尘、热风炉余热回收等技术。

(2) 炼钢工序
    炼钢节能技术主要集中在推广新工艺、淘汰陈旧设备和落后工艺,施行余能、余热回收等。前者有转炉淘汰落后的平炉炼钢、连铸取代模铸、采用铁水预处理和精炼技术,后者有转炉煤气回收和再利用、综合能量优化、电炉二次燃烧和废钢预热、钢渣热能回收技术等。

(3) 轧钢工序
    轧钢工序是钢铁材料生产能源消耗的主要工序之一。在轧钢加工费用中,能源消耗占65%~70%。从轧钢生产主要工艺流程看,坯料加热、热轧、冷轧和退火是主要的能耗环节。其中耗能最大且节能潜力最大的是坯料加热工序,其次是热轧工序。坯料加热节能技术主要有铸坯(锭)热送热装、加热炉结构优化、燃烧控制、烟气余热回收利用和加热炉计算机控制等。热轧工序节能技术主要有连轧、快速轧制、无头轧制、一火成材、热轧工艺润滑、轧制工艺优化、提高成材率、减少轧制间隙时间和提高轧机传动效率等。

3  钢铁工业节能对冶金自动化系统的需求

    钢铁工业节能对冶金自动化技术提出了新的挑战,也带来了新的发展机遇。

(1) 先进的检测和控制系统是节能工艺和装备的使能条件
    自动化装备能够保证节能工艺和装备发挥节能效果,如高炉喷煤需要多相流煤粉检测,煤气回收需要煤气分析仪,高炉煤气余压发电需要对煤气温度和压力的稳定控制等;自动化装备也是节能工艺和装备安全可靠运行的必要条件。以转炉煤气回收为例,转炉煤气是一种高毒性、易燃易爆气体,煤气的产生又是间断的,其质量、成分也在不断变化。为了保证煤气中的氧量含量低于2%、CO的含量高于45%,回收系统必须配有精度高、灵敏可靠的检测仪表、操作灵活的阀门及计算机自动控制系统。

(2) 电气传动设备本身的节能构成了钢铁工业节能的重要组成部分
    钢铁工业中有众多的风机、水泵、皮带机及其它电机设备,其耗电量约占行业总用电量的50%以上。这些设备中,有一半以上的工作负荷周期性变化,如转炉排烟机、高炉除尘风机、冲渣水泵、皮带运输机等。一些企业仍采用落后的方式调整这些设备的负荷,浪费了大量的电力。采用交流变频调速等自动化技术,可取得节电20%~40%的效果。

(3) 先进的过程控制是节能降耗的重要手段
    利用数学模型和智能控制理论对工业炉窑进行计算机优化控制,可直接取得钢铁行业显著的节能效果,典型例子有高炉专家系统、转炉炼钢终点控制模型、电炉能量输入优化模型、智能精炼炉控制系统、加热炉优化控制模型和模糊控制系统等。此外,先进的过程控制可以提高产品质量、减少设备故障、保障生产顺行,可间接达到节能降耗的目的。

(4) 生产计划和管理计算机系统是现代化炼钢-连铸-连轧生产的必要条件
    随着钢铁生产技术特别是连铸与热轧的发展,钢铁生产过程日趋紧凑、高效化的连续生产,产品生产周期大幅度缩短,要求对整个生产过程中的各工序间的物流、能流和生产时序进行准确预报,实现快速信息反馈,及时准确和灵活地调整生产工艺和产品方案,这要求能对整个复杂的钢铁生产过程实现集中统一的生产管理、信息追踪和决策调整,为保证炼钢-连铸-轧钢生产的连续稳定,一个贯穿炼钢、连铸、热轧各工序的统一的生产计划与管理系统是十分必要的。此外,实现连续生产,达到节能降耗的目的,要求生产中的各种缓冲能力或容量逐渐减少,对各工艺环节在制品的质量和合格率提出了更高的要求,如无缺陷连铸坯是保证热送热装的必要条件,这就要求钢铁企业自动化系统应具备对产品进行质量预报、在线热态无损监测和质量控制的能力。

    除上述介绍的自动化系统外,还有能源监控系统和能源管理中心,由于其与钢铁工业节能关系更密切,下面单独介绍。

4 能源监控系统

    能源监控系统是钢铁工业节能的基础。很多钢铁企业至今仍采用手工抄表、人工统计、手工键入、计算机打印报表的落后模式。没有实时准确的能量消耗数据检测和能量产生设备的控制,钢铁企业节能工作的效果就会大打折扣。
    能源监控系统通常由一些站所管理,如电力调度站、煤气调度站、水处理监控站等,它们受能源中心业务管理。一般应具有以下功能:

(1) 能源供应实绩收集
    收集各能源生产、外购、外销的实际数量及质量数据;建立相应的数据库以保存这些数据。

(2) 能源消耗实绩收集
    收集各生产厂或车间、各工序、各机组、各产品对各种能源的消耗量;建立相应的数据库以保存这些数据。

(3) 实施所管能源的实时调度。

(4) 能源设备安全监控
    对能源主体设备安全运行状况进行实时监测。紧急情况下,要启动能源中断应急措施。

(5) 监测能源生产的环境指标
    与能源设备最贴近的是检测仪表和驱动阀门开关,它们完成每个与能源有关的物理量的检测和控制。这些物理量包括:气体和液体的在线温度、压力、流量、重量、阀位、位置,以及热值、成份、物性、含量的离线分析和检测,电力的电压、电流、功率开关状态的检测和控制。
在此基础上,采用PLC和DCS技术进行具体生产过程能源的数据采集、流向控制和安全监控。涉及到该项能源的各种物理量的采集,能源站、所单体设备运行的控制,能源设备运行的安全连锁、临界报警或事故报警;能源生产相关环保护数据的检测和分析。

    能源监控系统涉及钢铁企业各个角落,需要采用必要的遥测、遥控技术;多相流体介质能源的质量、消耗量的检测精度会影响能源监控效果,需要采用一定的数据校准、核算技术;此外,需要考虑监控设备在钢铁企业恶劣的使用环境,保证设备的可靠运行。

5  能源管理中心

5.1  能源管理中心具有的功能

    为了合理利用能源,在发达国家的钢铁企业中普遍建设了能源管理中心。早在1959年,日本的八幡制铁所率先建成了世界第一座能源管理中心。日本的其它钢厂和美国、英国、德国的一些企业也相继设置了能源管理中心,其性能不断提高。建立能源中心的目的,一是确保生产用能的稳定供应;二是充分利用低价能源代替高价能源;三是集中管理与自动化操作,提高劳动生产率。

    现代化能源管理中心配备有计算机和各种监控仪表,不仅具有能源流向的监测、能源供应和使用平衡、能源信息预测预报等功能,而且具有结合生产动态情况对能源进行优化管理、优化调度和监控功能,可在一定程度上缓解能源供应紧张的局面,对企业的节能降耗、改进能源利用效率、提高经济效益有重要的作用。

能源管理中心一般具有以下功能:

(1) 能源供需平衡分析
    建立能源网络模型或能源控制模型,求解能源供需平衡,编制能源供需计划。收集整理并建立能源消耗数据库,动态收集各种能源消耗量、能源构成量、各产品能源消耗量及工序能耗,制作实际能源平衡表。

(2) 能源分析与预测
    收集整理能源历史资料,建立数据库,建立能源预测模型,以达到企业能源政策、能源供需最佳化。

(3) 能源考核和管理
    收集能源消耗指标,制定能源考核指标,分析产品能耗、工序能耗及吨钢综合能耗。

(4) 能源生产、外购和外销计划
    根据能源平衡报出的供需计划,编制能源的生产计划、外销计划和外购计划。

(5) 能源在线调度
    建立能源线性规划模型以达到能源分配优化,实施能源在线调度,完成能源转换。制定防止能源短缺的预案,制定能源中断时的应急方案。

5.2  国内钢铁企业的能源管理中心概况
    目前,国内钢铁企业认识到了建设能源管理中心的重要性,有了不少成功的实践经验。宝钢、鞍钢、武钢、酒钢、首钢、攀钢、本钢和济钢等企业先后建设了先进程度不一的能源管理控制中心。

(1) 宝钢的现代化的能源调度管理中心
    宝钢利用现代化的能源调度管理中心,对17种能源介质实行统一平衡、集中调整、分配与管理,实时协调各用能单位之间的能源介质供需量,有效降低能源的系统介质放散损失,取得明显效果。重点加强燃气平衡研究和调度,控制煤气柜位与使用,确保副产煤气全量回收并合理消耗。在确保煤气全量回收的基础上,通过扩展用户和加强煤气平衡调度,高炉煤气放散率从1997年的12.68%下降到2003年的0.13%,基本实现无放散。氧气是炼钢生产的重要能源,氧气生产使用大量的电力,而间歇性的炼钢生产和连续性氧气生产这一不对称的矛盾一直困惑着冶金企业。通过研究氧气平衡,拓展调整用户和加大液化能力,增加外销能力,氧气放散率明显下降,从1998年的17%下降到2003年的3.67%,氧气外销额逐年增加。

(2) 鞍钢能源管理中心
    鞍钢能源管理中心集中对企业的电力、固体燃料、水和流体能源(重油、各种燃气和气态工质,如氧气、氮气、氢气、压缩空气等)实行炉窑、机台、车间、分厂、企业等多级监测管理,对能源生产厂和转换厂的生产及能源用户的能源使用数据进行实时、准确地采集和处理,对能源系统进行实时监测,进行运行状况的评估、能源供需的预报预测,实现能源调度自动化管理,使系统各设备处于优化运行状态。以电能管理为例,实现电力系统集中控制后,可以及时调整和改善电力负荷运行方式,使之经常保持在安全、经济、合理状态,实现不间断平衡供电,减少供电网络损失,估算节电0.75%,年节电3280万kW.h;厂内电网由计算机监控,能准确地预测预报电力负荷,及时实施电力负荷优化运行,提高电能综合利用效果,综合效率提高2%以上,年节电9178万kW.h;采用计算机控制供电和用电后,能及时做好电力平衡,在电力紧张时期避免限电拉闸打乱正常生产秩序现象的出现,减少电力超负荷罚款。

6  结束语
    我国钢铁企业生产状况、技术装备水平和企业管理水平不同,建设能源管理中心时,现代化水平也不应强求一致。可以结合企业的装备、管理等实际情况,分别建设动力集中监测中心、动力集中监控中心、能源集中监测管理中心、在线能源监控中心等,逐渐提高管理装备水平,使企业能源管理逐步趋于最优。

参考文献
[1] 赵沛,蒋汉华,钢铁节能技术分析,北京:冶金工业出版社,1999
[2] 邹宽. 宝钢节能环保工作实践. 中国冶金,2005,(3)

作者简介
孙彦广  男  教授级高工  现任冶金自动化研究设计院副总工程师  主要研究方向:现代控制理论在冶金自动化中的应用。

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