劉常鵬，孟志權(quán)，孫守斌，白雪，于海濤，張本浩

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007；3.鞍鋼集團(tuán)自動化有限公司，遼寧 鞍山 114009）

鋼鐵工業(yè)是能源密集型產(chǎn)業(yè)，我國鋼鐵工業(yè)能耗約占全國工業(yè)總能耗的16%。能源管理的基礎(chǔ)是設(shè)備的能效管理，工序能耗、綜合能耗歸根結(jié)底均取決于設(shè)備用能效率及設(shè)備銜接之間的能源損失，因此提高單體設(shè)備的能源利用效率及能源轉(zhuǎn)化效率，是鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排的根本任務(wù)。

我國現(xiàn)行鋼鐵企業(yè)能效指標(biāo)體系建立于20世紀(jì)80年代，隨著行業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)有指標(biāo)體系逐漸出現(xiàn)不足，能源管理存在很多問題。 常規(guī)的設(shè)備能效評價系統(tǒng)基本為定期管理、事后評價，設(shè)備的運(yùn)行完全以完成生產(chǎn)目標(biāo)及提高生產(chǎn)質(zhì)量為目的，對于生產(chǎn)狀態(tài)下能源設(shè)備的用能狀態(tài)基本沒有評價及改進(jìn)機(jī)制，造成生產(chǎn)過程中的工藝及操作對能耗指標(biāo)的影響較大，重點(diǎn)用能設(shè)備的能耗較高。大中型軋鋼加熱爐一般都采用氣體燃料（高爐、焦?fàn)t、轉(zhuǎn)爐煤氣或它們恰當(dāng)配比后的混合氣體）與空氣氧化燃燒，由風(fēng)機(jī)強(qiáng)制送風(fēng)，以保證充分燃燒，鋼坯料置于爐中底部的水冷卻鋼管之上。鋼坯在爐中經(jīng)預(yù)熱段、加熱段、均熱段后，送出軋制成型。整個生產(chǎn)過程要消耗大量的能量資源，能源成本居高不下。目前加熱爐改造均屬于單一的技術(shù)改造，雖取得了一定的節(jié)能效果，但總體效果不明顯。盡管很多鋼鐵企業(yè)已經(jīng)加強(qiáng)對加熱爐的管理，但仍然缺乏一套信息化系統(tǒng)來綜合評估加熱爐生產(chǎn)中的能效水平。本文以鋼鐵企業(yè)熱軋工藝加熱爐為例，介紹一種集成數(shù)據(jù)驅(qū)動及工藝驅(qū)動的能效分析系統(tǒng)模型并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)模型對生產(chǎn)過程的在線指導(dǎo)及降低設(shè)備運(yùn)行能耗的目標(biāo)。

1 加熱爐能效分析系統(tǒng)模型的建立

1.1 加熱爐能效分析系統(tǒng)模型建立理念

通常建立能源平衡模型的方法是通過核定加熱爐的單位產(chǎn)品能源消耗量及能源回收量來確定設(shè)備能耗，無法對加熱爐的運(yùn)行及操作進(jìn)行有效監(jiān)控，更無法提高加熱爐的熱效率。本方法依靠對加熱爐生產(chǎn)過程能源參數(shù)的理論分析、現(xiàn)場測試及生產(chǎn)運(yùn)行情況，構(gòu)建加熱爐的理論熱平衡及實(shí)際熱平衡模型，對加熱爐的損失結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，找出制約加熱爐能效的因素并加以解決，實(shí)現(xiàn)利用能效指標(biāo)對加熱爐生產(chǎn)及操作進(jìn)行有效的控制。

1.2 熱軋能源系統(tǒng)的構(gòu)成

加熱爐隸屬于熱軋生產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)及損失見圖1。

圖1 熱軋生產(chǎn)系統(tǒng)的能源及損失構(gòu)成Fig.1 Energy for Hot Rolling Production System and Component of Energy Consumption

從圖1可以看出，加熱爐能耗占整個熱軋工序能源消耗的70%（不含熱處理），是主要耗能設(shè)備。而加熱爐的能源消耗主要是煤氣消耗，占整體能源消耗的95%以上，因此加熱爐的能效指標(biāo)可以用加熱爐的煤氣單耗表示。分析煤氣單耗應(yīng)主要圍繞著構(gòu)成煤氣單耗的熱損失項(xiàng)進(jìn)行建模，分析并監(jiān)控影響煤氣單耗的能源因素及工藝操作因素，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在線控制加熱爐能耗的目標(biāo)。

軋鋼工序能源支出主要是坯料的物理熱損失（64%）、煙氣熱損失（24%）及蒸汽帶出熱（12%），其中坯料物理熱損失在加熱過程中作為有效熱受軋機(jī)溫度及工藝的控制，適當(dāng)降低加熱爐出鋼溫度是加熱爐能耗降低的重要手段，這取決于軋機(jī)與加熱爐的生產(chǎn)耦合，需綜合分析軋機(jī)電耗與加熱爐能耗的關(guān)系，并兼顧軋制質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化；蒸汽帶出熱作為加熱爐熱損失是能源轉(zhuǎn)化的過程，產(chǎn)生的蒸汽作為二次能源可以進(jìn)一步利用，可作為二級效能目標(biāo)進(jìn)行控制。煙氣熱損失是加熱爐的最大熱損失，采用換熱器及余熱鍋爐進(jìn)行熱回收，最大限度的將煙氣中的熱量通過預(yù)熱空氣、煤氣帶回到爐內(nèi)，300℃左右的煙氣余熱被帶出爐外。

1.3 加熱爐能效分析系統(tǒng)模型

依據(jù)質(zhì)量守恒-能量守恒定律建立軋鋼加熱爐熱平衡分析圖。通過理論計(jì)算給出加熱爐單耗理論值（極限值）；通過對不同加熱鋼種、入爐溫度、出爐溫度、坯料規(guī)格、軋制節(jié)奏進(jìn)行熱平衡測試，找出加熱爐單耗目標(biāo)值；依據(jù)加熱爐產(chǎn)量與供熱負(fù)荷的最佳經(jīng)濟(jì)區(qū)，給出加熱爐單耗設(shè)定值；通過在線采集加熱爐各段爐溫、空氣與煤氣流量、空燃比、空氣與煤氣預(yù)熱溫度、排煙溫度、鋼坯出爐溫度，從ERP系統(tǒng)采集加熱鋼種、規(guī)格、產(chǎn)量等指標(biāo)，即可計(jì)算加熱爐生產(chǎn)實(shí)際值。通過與目標(biāo)值及設(shè)定值的對比實(shí)時給出加熱爐操作的指導(dǎo)意見及考核分析依據(jù)。軋鋼加熱爐能效分析系統(tǒng)模型見圖2。

圖2 軋鋼加熱爐能效分析系統(tǒng)模型Fig.2 Energy Efficiency Analysis System Model for Reheating Furnace

2 加熱爐能效分析系統(tǒng)模型構(gòu)成及主要功能

加熱爐能效分析系統(tǒng)模型由極限值分析模型、測試值分析模型、單耗設(shè)定值分析模型及生產(chǎn)實(shí)際值對比分析模型構(gòu)成。通過對加熱爐的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)結(jié)構(gòu)變化、操作工藝合理性對能效指標(biāo)的影響進(jìn)行分析，建立能效參數(shù)在線監(jiān)測及趨勢預(yù)測功能，實(shí)現(xiàn)能源指導(dǎo)生產(chǎn)的目標(biāo)。以下對各模型的功能及建立方法進(jìn)行介紹。

2.1 極限值分析模型

極限值是指加熱爐在設(shè)計(jì)過程所能達(dá)到的最小單耗，該值的計(jì)算依托于牛頓第一和第二定律，通過建立加熱爐的能源平衡模型，設(shè)置邊界條件屏蔽不合理的操作參數(shù)及工藝參數(shù)，分析加熱爐不同產(chǎn)量和品種結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的單耗設(shè)計(jì)極限值，作為加熱爐能效模型的最理想狀態(tài)所能達(dá)到的目標(biāo)值。

加熱爐熱平衡圖見圖3，加熱爐收入項(xiàng)為燃料化學(xué)熱、鋼坯帶入熱、氧化反應(yīng)放熱，支出項(xiàng)為鋼坯帶出熱、煙氣帶出熱、蒸汽帶出熱、表面散熱、爐門溢氣熱、輻射熱等，極限模型設(shè)定爐壓為0，燃?xì)馔耆紵雎誀t門溢氣熱及未燃化學(xué)熱，按鋼種、產(chǎn)量劃分加熱制度，計(jì)算不同生產(chǎn)工藝情況下的單耗理論值，采用迭代法計(jì)算極限值，分析模型見圖4。

圖3 加熱爐熱平衡圖Fig.3 Heat Balance Diagram for Reheating Furnace

圖4 單耗極限值分析模型Fig.4 Analysis Model for Limited Value of Specific Consumption

根據(jù)鞍鋼鲅魚圈厚板生產(chǎn)線加熱爐設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算加熱爐極限值，冷裝一組鋼產(chǎn)量220 t/h，煤氣量30 580 m/h，計(jì)算結(jié)果見表1。由表1得知，加熱爐理論單耗為1.164 GJ/t，理論熱效率68.11%。產(chǎn)量和熱裝溫度對加熱爐單耗的影響見圖5，隨著產(chǎn)量和熱裝溫度的提高，加熱爐單耗大幅降低。通過圖5的回歸曲線計(jì)算得知，該加熱爐的理論經(jīng)濟(jì)點(diǎn)產(chǎn)量為267 t/h，經(jīng)濟(jì)單耗為1.136 GJ/t。

圖5 產(chǎn)量、熱裝溫度對加熱爐單耗的影響Fig.5 Effects of Production Output and Hot Charging Temperature on Specific Consumption of Reheating Furnace

表1 計(jì)算結(jié)果表Table 1 Calculation Results in Table

2.2 測試值分析模型

測試值分析模型見圖6。依據(jù)冶金工業(yè)部《軋鋼連續(xù)加熱爐熱平衡測定與計(jì)算方法暫行規(guī)定》對加熱爐進(jìn)行熱平衡測試，并按測試中的產(chǎn)量、熱裝溫度、煤氣熱值等主要參數(shù)分別進(jìn)行極限單耗計(jì)算，通過測試與極限單耗結(jié)果的比較，分析加熱爐各支出項(xiàng)的變化，爐子能耗收支平衡狀況，確定超常支出項(xiàng)，采取措施達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

圖6 測試值分析模型Fig.6 Analysis Model for Testing Values

測試過程加熱爐產(chǎn)量為89.91 t/h，熱平衡測試結(jié)果（同類鋼的冷裝狀態(tài)下）見表2。

表2 熱平衡測試結(jié)果Table 2 Testing Results of Heat Balance

由表2可以看出，煤氣單耗為1.599 GJ/t，比同產(chǎn)量和品種結(jié)構(gòu)下的計(jì)算極限值 （1.32 GJ/t）高21%，處于較差狀態(tài)。表面散熱和爐門溢氣熱均大幅增加，需完善爐墻保溫和控制爐膛壓力，降低開爐門時間等。

2.3 單耗設(shè)定值分析模型

單耗設(shè)定值是指加熱爐在歷史生產(chǎn)過程中所能達(dá)到的最優(yōu)水平及均值，采集真實(shí)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)作為能耗的歷史輸入，按生產(chǎn)條件對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行粒度劃分，采用大數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)甄別及歷史數(shù)據(jù)尋優(yōu)，并完成能源數(shù)據(jù)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，以此為基礎(chǔ)建立智能專家?guī)欤谀茉磾?shù)據(jù)發(fā)生變化時，制定出生產(chǎn)數(shù)據(jù)優(yōu)化方法，并在生產(chǎn)過程中逐步完善。加熱爐單耗設(shè)定值模型如圖7所示。

圖7 加熱爐單耗設(shè)定值模型Fig.7 Set Values Model for Specific Consumption of Reheating Furnace

2.4 生產(chǎn)實(shí)際值對比分析模型

生產(chǎn)實(shí)際值對比分析模型分為兩部分，一是按秒級采集實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算不同周期的能效指標(biāo)，按不同產(chǎn)量粒度、熱裝溫度粒度、熱裝率粒度及品種粒度與單耗設(shè)定值進(jìn)行對比分析，并將現(xiàn)階段的能源參數(shù)及生產(chǎn)工藝參數(shù)與歷史最優(yōu)值的能源參數(shù)及生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行比對，分析造成能效指標(biāo)偏差的工藝、操作、能源綜合影響因素；二是對不同產(chǎn)量粒度、熱裝溫度粒度、熱裝率粒度及品種粒度的生產(chǎn)參數(shù)目標(biāo)值進(jìn)行尋優(yōu)分析，通過尋優(yōu)的結(jié)果直接對生產(chǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)生產(chǎn)參數(shù)發(fā)生劣化趨勢時，完成在線的提醒及校正功能。生產(chǎn)實(shí)際值對比分析模型如圖8所示。

圖8 生產(chǎn)實(shí)際值對比分析模型Fig.8 Contrastive Analysis Model for Actual Values in Production

2.5 加熱爐能效在線優(yōu)化及預(yù)警

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)實(shí)際能耗對比目標(biāo)能耗發(fā)生異常時，則分析與能耗相關(guān)的影響因子是否發(fā)生異常，進(jìn)一步明確能耗異常的原因。通過專家知識庫對不同異常工況的優(yōu)化建議，在線進(jìn)行生產(chǎn)組織和工藝操作指標(biāo)的優(yōu)化。另外，系統(tǒng)可根據(jù)這些影響因子的變化預(yù)測能耗的異常變化趨勢，及時進(jìn)行預(yù)警。

該模型在鞍鋼鲅魚圈厚板1步進(jìn)式加熱爐成功應(yīng)用，運(yùn)行圖如圖9所示。

圖9 軋鋼加熱爐能效分析系統(tǒng)模型運(yùn)行圖Fig.9 Operation Diagram for Energy Efficiency Analysis System Model of Reheating Furnace

通過模型的開發(fā)與應(yīng)用，建立生產(chǎn)、設(shè)備的運(yùn)行專家?guī)欤谠O(shè)備能效指標(biāo)發(fā)生偏離時，及時找出對能效指標(biāo)產(chǎn)生影響的生產(chǎn)、設(shè)備運(yùn)行相關(guān)參數(shù)，并根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際給出切實(shí)可行的解決方案。該模型使用后，單體設(shè)備能源使用效率提高5%。

3 結(jié)語

為了解決鋼鐵企業(yè)用能設(shè)備的能源使用效率低下的問題，以鋼鐵企業(yè)熱軋工藝軋鋼加熱爐為例，介紹一種集成數(shù)據(jù)驅(qū)動及工藝驅(qū)動的能效分析模型，通過理論建模、現(xiàn)場測試、數(shù)據(jù)認(rèn)知等技術(shù)手段對能效參數(shù)進(jìn)行診斷分析，找出并確定影響設(shè)備能源參數(shù)的影響因子，對這些影響因子進(jìn)行在線監(jiān)測，在生產(chǎn)工藝或參數(shù)變化時及時提醒異常。同時在模型中量化生產(chǎn)因素及工藝因素對能效參數(shù)的影響，以此在模型內(nèi)建立生產(chǎn)及設(shè)備的智能專家知識庫，實(shí)現(xiàn)模型在線動態(tài)優(yōu)化，并通過能效模型對生產(chǎn)過程的在線指導(dǎo)，達(dá)到降低設(shè)備能耗的目標(biāo)。該模型實(shí)施后，單體設(shè)備能源使用效率提高5%。