钢铁企业能源系统分析

钢铁企业能源系统分析能源系统主要实现动力、水道、环保、电力四个子系统的过程信号的采集、处理与存储，可进行运行趋势分析、设备运行状态监视、报警、归档和其他相关处理，可通过信息管理系统对能源系统中的主要设备进行运行参数设定、控制量下发及远程操作，并为企业的决策支持提供最基础的数据依据。

本章从典型钢铁联合企业的能源管理工艺流程入手，分析钢铁企业能源系统所普遍存在的相关问题。

2.1能源管理工艺钢铁制造过程生产工序多，涉及多种能源介质，各种能源介质交互并存，分布在企业各工艺区，给能源管理带来一定的困难，下面从典型钢铁企业能源分布及能源管理方面进行介绍。

2.1.1能源分布状况钢铁生产过程是将铁矿石、焦炭、生石灰、水等众多原料通过烧结、高炉、转炉、扎钢等一系列工序后，加工成成品钢材，其主要生产工艺流程图如图2一1所示。

下面对各主要工序及其能源分布情况进行介绍。

(l)烧结工序在烧结过程中，铁矿石被压碎碾成标准化的颗粒，与焦粉、石灰石、水等各种物料按照一定比例进行混合，在烧结台车上经过煤气点火进行高温烧结，各种原料融合或粘合在一起形成烧结矿。

烧结矿随后被压碎、筛分，并按一层焦炭、一层矿石的交替方式，被加入高炉中。

烧结过程中，主要消耗的能源包括不同形式的混合煤气与水。

(2)焦炉炼焦工序焦炭是煤在焦炉中通过干馏(即将不需要的成分气化掉)得到的可燃物质。

焦炭几乎是纯碳，其结构呈多孔状，且抗碾性能很强。

焦炭在高炉中燃烧，提供了熔化铁矿石所需的热量和气体。

在焦炉炼焦的过程中，消耗的主要能源包括煤气与氧气等，炼焦过程也会产生重要的副产品焦炉煤气。

(3)高炉炼铁工序在高炉中，固态的矿石和焦炭由顶部布入高炉，而高炉底部送来的热气(1200℃)致使几乎100%含炭量的焦炭开始燃烧，产生碳的氧化物，通过除氧过程减少氧化铁，从而分离出铁。

由燃烧产生的热量将铁和脉石(矿石中矿物的集合)熔化成液体。

脉石由于比较轻，会漂浮至铁水表面，形成“生铁”。

炉渣是熔融脉石产生的残渣，可用于其他工业用途，比如用于铺设道路或生产水泥。

在高炉炼铁生产过程中，焦炭、氧、氮、氢气和煤气等是主要消耗能源，同时，高炉炼铁自身也会产生副产品，主要是高炉煤气。

(4)转炉炼钢工序在吹氧转炉中，生铁转换成钢铁，熔化的生铁会被倒在一层铁屑上，碳和残渣等不需要的物质都会通过注入纯净的氧气燃烧掉，从而生产出粗钢(之所以称为粗钢，是因为它还必须经过进一步的精炼)，同时残渣或者炉渣也会被撇去。

在转炉炼钢过程中，主要消耗的能源为氧气，同时该过程也会产生大量的副产品转炉煤气。

(5)连续铸造工序钢水被不断地倒入没有底部的铸模中。

当铸模被拉动时，钢铁就开始与铸模的水冷内壁接触，并开始凝固。

然后，铸造好的金属由一连串的辊筒引导被向下拉，同时持续得到冷却。

当钢水到达辊筒的末端时，钢铁已完全凝固，并立刻被切成所需的长度。

在连铸过程中，水是最主要的消耗能源，且这一过程几乎没有副产能源。

(6)轧钢工序轧钢工序将钢坯料转变为板材、棒材、型材等最终成品。

钢坯首先在加热炉中被再加热，使其具有更好的延展性，促进拔出和成形，紧接着被加热到指定温度的钢坯通过台架的各式轧辊它其逐渐地变薄，依据轧辊的类型和轧制线的长度的不同而轧制成不同类型的成品。

轧钢的过程主要是物理变化过程，其消耗能源主要为加热炉所消耗的电力或煤气，以及轧机所消耗的电力。

通过上述分析可知，钢铁企业能源介质主要包括煤气、电力、水、氧氢氮气、水蒸气等，它们均分布在各钢铁工序内，并为整个生产过程提供了必要的能源需求与支持。

以下为各能源介质的产生途径与主要作用。

(l)煤气煤气是钢铁企业优质的二次能源，主要包括炼焦过程所副产的焦炉煤气、炼铁过程所副产的高炉煤气以及炼钢过程所副产的转炉煤气。

其中，焦炉煤气热值最高，利用价值最大，其中焦炉煤气除自身消耗外，还通过煤气管道送往其他用户，如高炉热风炉、电厂、烧结轧钢等;高炉煤气热值低，但是其量大，高炉煤气除供高炉自身使用外，还提供给焦炉、锅炉、连铸轧钢等:转炉煤气热值居中，但是由于其工艺特点，主要用于电厂锅炉发电以及产生蒸汽。

由于一些工序所需要的煤气热值以及压力等要求，通常将几种煤气进行混合加压，然后再提供给用户使用。

(2)电力钢铁企业作为用电大户，越来越受到了电力供应紧张的制约，钢铁企业的电力资源主要来自于外购电力以及企业自身发电厂发电。

钢铁企业主要通过锅炉发电、TRI，发电以及蒸汽燃气循环发电。

电力的供给分布在全厂各个工序，I类负荷较多，(I类负荷一般是指在钢铁企业中，中断供电将造成人身伤亡、环境严重污染或重大经济损失的负荷)，因此要求供电可靠性较高;此外，由于连续生产的设备较多，例如烧结机、焦炉、高炉等，每年除了几天的检修时间外，其他时间通常满负荷运行，因此电力负荷比较集中，负荷率较高，对电能质量要求也很高;而一些特殊工艺的生产过程，如电炉、轧钢、炼钢等设备，易产生冲击性负荷和高次谐波，这些也对生产及供电系统带来了不容忽视的不利影响。

(3)水工业领域中钢铁工业是用水大户，约居第五位，钢铁工业生产过程中水的作用主要有:设备和产品的冷却、热力供蒸汽、除尘洗涤和工艺用水(如轧钢除磷等)，钢铁工业中，用水工序较多，主要有:1)炼铁厂:高炉、热风炉冷却循环水处理系统;高炉煤气洗涤水浊循环系统;高炉炉渣水循环系统;鼓风机站循环水处理系统;2)炼钢厂:氧气转炉烟气净化污水处理系统;转炉间接冷却循环水处理系统;电炉净循环冷却水系统;转炉软化冷却水系统;转炉污泥处理系统;电炉真空处理水系统;3)连铸厂:结晶器软水闭路循环水系统;二次冷却浊循环水系统;污泥脱水处理系统;4)热轧厂:热轧净循环水处理系统;热轧浊循环水处理系统;过滤器反洗水处理系统;污泥处理系统;5)冷轧厂:间接冷却开路循环水处理系统;酸碱废水处理系统;含油、含乳化液废水处理系统;污泥处理系统。

(4)氧、氢、氮气氧、氮、氢是炼钢企业不可缺少的工业气体，氧气主要用于氧炔燃烧焊接金属、富氧喷煤以及转炉炼钢等过程;氮气主要用作保护气;氢的化学情性被用于特种金属的冶炼，炼钢过程需要用到氢气，如向熔融的钢水中吹入氢气，使成份均匀，钢液净化，并可除掉溶解在钢水中的氢、氧、氮等杂质，提高钢坯质量，吹氢还可以取消还原期，缩短冶炼时间，提高产量，节约电能等。

氢气吹炼和保护是提高钢材质量的重要途径，钢铁企业中的氧氢氮气的产生都有相应的制氧机、制氮机产生。

(5)水蒸气钢铁企业利用水蒸气进行余热回收己成为研究热点。

水蒸汽可以对一些生产工序进行预热，还可以通过将热量转换成水蒸汽，使用汽轮机再把蒸汽中的能量转换成机械能，进而利用蒸汽进行发电。

通过上述分析可知，能源介质的产消链与钢铁生产的工序链之间存在重叠与交叉，某一工序的介质消耗往往会对其他工序的能源产消产生影响，从而使得能源的管理较为复杂，只有通过协调各种能源介质以及各个工序的生产过程，才能确保生产工序链的正常生产以及能源产消链的稳定运行。

2.1.2能源管理流程能源管理工作涉及生产的各个环节，是一个全局性、系统性的复杂系统工程，因此能源管理不能仅针对独立设备与工序进行，而应从整体上寻求优化的节能点。

钢铁企业应在强化能源生产管理，健全经济责任制的同时，充实完善能源计量及管理系统，建设分布控制、集中管理的现代能源管理中心系统，在实时能源信息监控的基础上，科学的管理与调配能源，搞好各种能源的综合利用，优化钢铁企业的能源结构。

能源中心是一种配置电子计算机和数据通讯网的现代化的能源管理手段，它是提升企业科技水平和经济效益的重要实现方式。

在整个钢铁企业中，能源中心通过将分布于全厂范围的变电所(室)、排水泵站和给排水设施、煤气加压站、煤气混合站和能源分配设施等信息通过计算机网络联结在一起，并根据不同能源介质的特点及产生量，建立能源的优化和调控模型，完成对各能源介质的实时监测、分散控制和优化分配等功能，最终实现对能源系统的集中统一管理[’37]。

建设能源中心不仅对钢铁企业的发展至关重要，而且对企业在节能降耗、环境保护方面具有示范和推广意义。

同时，绿色经济和循环经济是企业管理的发展方向，为大力推进绿色经济和循环经济，提高资源的综合利用率，建设资源节约型和环境友好型企业，建设能源中心项目十分必要。

能源管理系统是能源中心的核心组成部分，可实现对能源的管控一体化，加强对能源系统故障和异常处理的反应能力，提高管网安全，对于指导能源生产具有重要的作用。

图2一2为典型钢铁联合企业基于能源中心的能源管理结构示意图。

能源中心以能源管理系统为核心，实现全厂级能源设备、能源流向、能源产消的实时性监控和管理。

一般而言，能源中心主要包括了水道监控操作、动力监控操作、电力监控操作、环境监视操作和能源调度操作等。

每一组成部分在能源中心的集中管理与统一指挥下各尽其职，完成相应的工作与任务。

其中，环境监控台主要实现对N02，50:等有害气体含量、风向风速和浮动粉尘的检测与报警等;电力监控主要对全厂电器设备或发电厂进行监视与控制;动力监控主要对生产过程中各动力设备进行监视，当出现设备故障或检修等情况时，能源中心需要下发指令对生产过程进行相应干预;水道监控则主要完成对全厂水介质的监视和控制;能源调度台作为能源调度的直接执行者，主要通过现场操作站完成各种能源调度命令的下发。

2.2能源系统相关问题分析钢铁企业能源介质遍布全厂，各种能源介质互相影响制约，能源的稳定供给是其他生产工序稳定运行的基础，为了确保能源系统的稳定运行，涉及到一系列的相关问题。

本节从能源产消预测问题、实绩平衡与数据校正问题、实时监视与信息发布问题以及其他相关问题等方面进行分析。

2.2.1产消预测问题钢铁企业能源介质交互存在，某一能源介质系统的需求变化往往易影响甚至制约其他能源介质的生产与使用，导致能源的产生和消耗经常会发生矛盾。

钢铁企业重点设备及工艺多，需要确保能源供给的绝对可靠，能源供给不足可能会给产品质量带来影响，甚至可能发生生产事故;同样地，为了保证能源管道以及生产的安全进行，能源过剩的时候，需要对能源进行必要的放散等(如煤气的放散)，这样势必导致了能源的浪费，同时也污染了环境，不利于企业的可持续发展。

为了合理利用能源，提高能源利用率，企业需要对各个生产工序能源的产生与消耗进行预测，提前掌握各种能源介质的生产及消耗情况，便于能源计划的制定以及能源动态调度。

(l)电力负荷的预测钢铁企业是用电大户，其电力负荷特性复杂，耗电量多，因此要求供电可靠性较高;此外，由于连续生产的设备较多，每年除了几天的检修时间外，其他时间通常满负荷运行，因此电力负荷比较集中，负荷率较高，对电能质量要求也很高。

为了保证供电系统的稳定以及提高电力利用率，对企业电厂的电力生产量和各生产过程或设备的电力需求量进行预测，预测电力负荷变化趋势，从而进行合理生产，避峰生产。