基于不同生產模式下能源動力系統的科學優化與實踐

陳先利，王喜軍，翟興忠，王春祥，宋 亮

(安陽鋼鐵集團有限責任公司，河南 安陽 455000)

隨著對重污染天氣的治理力度的加大，如何科學地對鋼鐵企業能源動力介質的消耗和平衡進行能源動力系統優化，成為一項重大的研究和開發課題。平衡好各種能源動力介質，減少放散，不僅涉及到環保，還關系著一個企業的安全生產及管理效益。在頻繁變化的生產條件下建立起穩定、均衡、經濟、高效、安全的能源動力系統運行模式，是當前鋼鐵企業都需迫切解決的一個難題，也能夠體現出鋼鐵企業在生產運行方面的核心競爭力。

安鋼加強科學管理，針對能源動力系統，以高爐為中心，確保在不同高爐生產模式下的安全與生產穩定運行；優化能源動力介質供應分配，最大限度提高能源動力的利用率和避免能源動力的浪費，并在有限的能源動力供應和分配中實現利益最大化。能源系統以煤氣系統為例，動力系統以氧、氮系統為例進行說明。

1 能源動力系統在不同運行模式下的分配與供應

生產運行模式不同，煤氣系統的發生與氧、氮系統供應也各不相同。煤氣系統既要充分利用有限的煤氣資源，又要使能源創造最大化的效益。因此，建立不同生產模式下的系統運行模式尤為重要。氧、氮系統既要滿足相應的生產需求，又要避免浪費，所以要在不同的生產運行模式下，建立氧、氮系統供應模式[1-3]。

1.1 不同高爐運行模式下的能源分配

運行高爐不同，高爐煤氣、焦爐煤氣、轉爐煤氣的發生量差異較大，因此能源分配也不相同。安鋼擁有3座大小不同的高爐，高爐煤氣發生量和自身使用量也存在較大的差異(表1)。

表1 高爐煤氣發生量、使用量Tab.1 Blast furnace gas generation and usage m3/h

3座高爐同時運行時煤氣相對富余，各生產線均能保證正常生產，而且富余煤氣可充分提高發電效益；同時，也可利用煤氣柜實現錯峰發電創造效益，電力系統電價因時間段分3個電價時間段，合理利用電價差提高生產效益和降低成本。安鋼擁有一座30萬m3高爐煤氣柜，根據電價峰段發電、谷段充柜，30萬m3高爐煤氣柜柜容運行區間為6萬～26萬m3，有20萬m3的柜容可用于錯峰發電，按電機組平均發電煤氣使用率為3.6萬m3/萬kWh，30萬m3高爐煤氣柜一次錯峰可發電量為5.56萬kWh。0：00—8：00電價為0.24元/kWh，8.00—12：00電價為0.96元/kWh，12：00—18：00電價為0.56元/kWh，18：00—22：00電價為0.96元/kWh，22：00—24：00電價為0.56元/kWh，每日實現2次錯峰可實現6.23萬元的效益。錯峰發電30萬m3高爐煤氣柜運行曲線如圖1所示。

圖1 錯峰發電煤氣柜柜容曲線Fig.1 Capacity curve of gas tank for off-peak power generation

2座高爐運行、1座高爐休風運行模式下，煤氣基本滿足生產所需。軋鋼生產線不具備滿負荷生產，可優化軋鋼機組檢修計劃及錯峰生產，實現煤氣充分利用，同時利用高效率發電機組負荷，實現效益最大化。2號、3號高爐運行時的高、焦、轉爐煤氣分配情況見表2。

表2 高、焦、轉爐煤氣分配情況Tab.2 Distribution of high gas,coke gas and converter gas m3/h

1.2 不同運行模式下氧氣、氮氣供應模式

根據高爐運行模式的不同，氧氣、氮氣用戶用量也差異較大，高爐使用氧氣、氮氣情況見表3，制氧機組氧氣、氮氣供應見表4。根據高爐運行模式出鐵量，煉鋼氧氣、氮氣使用量等，合理優化制氧機組啟停，杜絕氧氣、氮氣放散造成浪費，同時可利用氧、氮、氬液體儲備啟動氣化后備系統，滿足生產所需。

氧氣主要用于高爐富氧和煉鋼用氧及切割用氧等，根據運行高爐富氧量和出鐵量、煉鋼產量，可計算出氧氣需求量。氮氣用戶較多，例如高爐噴煤、爐頂氮封、煉鋼底吹、轉爐濺渣護爐、干熄焦補氮及環保設施用氮等。

表3 高爐使用氧氣、氮氣情況Tab.3 Use of oxygen and nitrogen in blast furnace

表4 制氧機組氧氣、氮氣供應情況Tab.4 Oxygen and nitrogen supply of oxygen generator m3/h

2 能源動力分級供應

依據各生產系統對高爐的影響程度不同，在能源緊缺的狀態下，有必要對能源用戶進行分級供應。①確保高爐的正常生產，就必須保證高爐熱風爐的正常燒爐、焦化相應焦爐的正常生產，安鋼高爐均采用汽動鼓風，就必須保證汽動鼓風相應的鍋爐生產。因此，將熱風爐、汽動鼓風鍋爐、焦化焦爐定為一級用戶。②以鋼后系統為中心，確保煉鋼和軋鋼系統的正常生產運行。因此，將煉鋼和高效軋鋼生產線定為二級用戶。③剩余能源供應效益較低和高效發電機組用戶，定為三級用戶[4-6]。煤氣用戶分級管控如圖2所示。

圖2 煤氣用戶分級管控示意Fig.2 Schematic of hierarchical control of gas users

2.1 能源系統分級供應

(1)一級用戶的能源分配優化。能源供應側以高爐煤氣發生量為依據，根據運行高爐煤氣發生量和焦炭需求量的不同，按照運行高爐鼓風量合理分配熱風爐煤氣供應量，滿足熱風溫度，確保運行高爐順行。依據運行高爐焦炭使用量，合理分配焦爐結焦時間及焦爐高爐煤氣用量。根據運行高爐鼓風量，確定鼓風鍋爐負荷和煤氣用量。

(2)二級用戶的能源分配優化。能源二級用戶以軋鋼生產線為主，在不同高爐生產模式下鐵水產量不同，鐵水分配不同導致煉鋼和鋼坯的產量不同，根據鋼坯分配合理安排軋鋼生產線的生產運行情況。熱連軋相對能耗小、成本低，因此根據熱鋼坯產量合理優化軋鋼生產線的生產運行情況及相應煤氣的配比和使用分配，確保高效軋鋼生產線的穩定生產運行。

(3)三級用戶的能源分配優化。能源三級用戶可以根據坯庫的庫存量實行錯峰生產，充分利用階梯電價，避開峰段生產、降低外購電量，從而實現節本降耗、能源充分高效利用。

2.2 氧氣、氮氣系統分級供應

氧氣、氮氣系統分級供應，可確保氧氣、氮氣供應不足時段內生產能夠持續穩定生產，最大程度降低對生產的影響程度；同時也盡可能減少系統浪費和降低生產運行成本。氮氣用戶分級管控如圖3所示。

圖3 氮氣用戶分級管控示意Fig.3 Hierarchical control of nitrogen users

(1)氧氣、氮氣用戶分級供應。①氧氣。氧氣基本用于高爐富氧、煉鋼吹氧、切割用氧等。在氧氣緊缺時，煉鋼用氧和鑄機鋼坯切割用氧為首保用戶；其次是高爐富氧；最后是其他軋鋼切割用氧。切割用氧必要時可以使用氧氣瓶代替。②氮氣。當前因環保設施用氮氣較為普遍，在生產運行中，首先必須確保環保達標排放，就必須保證環保設施的正常運行；其次高爐噴煤、煉鋼氮氣底吹均是保證高爐順行的必備條件；再次儀表用氣等。以上均為一級保供用戶。有些氮氣用戶可以采用其他氣體置換，如轉爐活動煙罩密封氮氣可用蒸汽置換氮氣，燒結輸灰氮氣可用壓縮空氣置換，有些儀表用氮可用干燥壓縮空氣置換等，這些用戶為二級用戶。其他一些管道吹掃、清潔吹掃及間隔較長時間補充氮氣用戶等，為三級用戶。

(2)根據氧氣、氮氣用戶所需壓力等級供應。目前，氧氣、氮氣系統根據壓力等級分別分為低壓0.75 MPa和中壓2.50 MPa兩個等級供應。中壓氧氣主要用于煉鋼吹氧和切割用氧，低壓氧氣用于高爐富氧；中壓氮氣主要用于高爐噴煤、轉爐底吹和濺渣護爐，低壓氮氣主要用于燒結輸灰、轉爐煙道密封、儀表用氮、環保設施用氮、高爐爐頂密封及均壓、除塵輸灰、干熄焦循環氮氣和吹掃及保安等。

3 極端生產運行模式下能源動力系統運行與管控

所謂極端運行模式就是單高爐生產運行模式，單高爐生產運行情況下能源介質極度緊缺，高爐煤氣的發生量不足以維持高爐熱風爐、焦爐和鼓風鍋爐正常使用量，同時也存在很多不安全因素。所以在單高爐生產運行情況下，①確保能源系統的安全保障；②對高爐煤氣用戶要進行嚴格管控并做好相應的應急預案；③充分優化利用焦爐煤氣和轉爐煤氣，進行相應煤氣置換；④充分利用煤氣柜，做好煤氣柜保安和開爐煤氣使用；⑤在必要時做好積鐵煉鋼，充分利用轉爐煤氣。

3.1 能源系統的安全保障

單高爐運行期間煤氣發生量極其緊缺，根據煤氣平衡合理分配煤氣用戶用量，嚴格執行煤氣管控，確保能源系統運行壓力，預防系統安全事故的發生。熱風爐燒爐實行平穩煤氣用量，避免煤氣大幅度變化造成系統壓力波動過大，影響系統運行質量和安全。

3.2 制定并執行系統預案

當單高爐運行中發生突發事故減風或者緊急休風時，要及時啟動預案，杜絕系統安全事故的發生，并為高爐復風做好相應的準備工作。如高爐減風量較大時，及時控制熱風爐煤氣用量甚至停止燒爐，軋鋼用戶根據減風情況加熱爐保溫或停止燒爐。如高爐緊急休風時，高爐熱風爐、焦爐及軋鋼生產線全部停止煤氣使用。鼓風鍋爐適時退負荷直至熱備狀態，煤氣柜確保高柜容，根據系統壓力情況啟動煤氣互串保證煤氣系統安全。煤氣互串保安措施如圖4所示。

圖4 煤氣互串保安措施示意Fig.4 Security measures for gas interlocking

3.3 積鐵煉鋼利用轉爐煤氣

煤氣柜較小的鋼鐵企業，要充分實施積鐵煉鋼，利用轉爐煤氣回收，保障能源充分利用。例如安鋼目前擁有一座1 000 t混鐵爐，噸鋼轉爐煤氣回收130 m3/t，因此將會產生13萬m3轉爐煤氣，為高爐復風儲備能源。

3.4 優化制氧機組啟停

根據高爐運行模式，通過氧氣、氮氣平衡，合理運行制氧機組，避免氧氣、氮氣的放散造成動力介質浪費。同時優化煉鋼生產節奏，避免煉鋼對氧氣、氮氣用量因時間段產生較大變化。當氧氣、氮氣供應短時間段缺口較小時，可通過氧氣、氮氣氣化系統保供，避免制氧機組頻繁啟停，從而降低運行成本。當制氧機組因其他因素造成大機組同時停車，制定相應的應急預案，第一時間啟動氣化系統，并根據用戶分級嚴格執行管控。

4 結論

(1)通過系統科學優化，公司能源動力系統實現了全年安全、環保、穩定運行，極端生產運行模式下保證了系統的運行質量和安全。

(2)實現了能源系統煤氣管網電穩定運行，且2019年自發電比例在42.9%以上。

(3)氧氮介質穩定供應，轉爐吹煉用中壓氧壓合格率達99.51%，轉爐濺渣護爐用中壓氮壓合格率由96.23%提至98.17%。

(4)富余資源外銷創效，2019年度實現外銷液氧1.4萬t、醫用氧0.7萬t、液氮0.5萬t、液氬1.7萬t，合計增效約3 700萬元。