王璇 楊浩澤 施燦濤
能源作為鋼鐵企業重要的資源消耗，在生產成本中占有較大的比重，作為鋼鐵企業二次能源的燃氣，能源成本比例高達30%以上。一直以來，我國鋼鐵企業能源消耗與德、美、英、法、日等發達國家相比仍存在較大的差距。企業能源浪費現象嚴重，環保壓力日趨加大。針對我國鋼鐵行業能耗高、污染嚴重、能源設備維護成本高等痛點，在保證企業生產穩定運行的前提下，通過燃氣預測與優化調度，企業可以實現合理用能，減少燃氣放散，防止環境污染和能源浪費，有效降低企業二次能源成本，提高燃氣綜合利用率。因此，加強燃氣預測與優化調度已成為企業節能增效的主攻方向。
現狀分析
目前，鋼鐵企業燃氣管理方面主要存在的問題及具體分析如下：
1.儀表數量多，計量誤差大。
鋼鐵企業燃氣從產生、傳輸、存儲、交換、消耗等過程，經過管網、煤氣柜等，流程較為繁瑣和復雜，各個環節的計量儀表數量較多，計量儀表數量達千臺以上；部分儀表計量精度不夠導致計量不準；計量總表與分表之間存在誤差，有的誤差率高達10%～20%；通過采集系統采集上來的儀表數據信息還需要能源部門進行二次修正。計量的誤差和人為干預導致能源數據信息不準確、不及時，不能為各生產工序的成本核算、單體設備產能、用能優化提供準確的基礎數據支撐。
2.影響因素多，預測難度大。
在實際生產過程中，燃氣的供需隨著生產計劃、生產實際和檢修計劃等變化的影響，燃氣的產生與消耗量也隨之動態波動；異常情況下（如高爐全部停爐）也會造成燃氣的產生和消耗出現巨大的波動。同時，燃氣的產生和耗用的各個環節影響因素較多，以高爐熱風爐為例，單個熱風爐預測煤氣消耗量的影響參數包括各種狀態、壓力、溫度、流量等，眾多的影響因素增加了燃氣預測的難度。
3.人為干預多，優化局限性大。
由于鋼鐵企業業務信息化建設各成體系，與能源相關的業務系統之間缺乏有效溝通，集成性差。一些用能單元之間存在信息壁壘，導致信息傳遞不順暢、不及時，人機協同能力差，尚未形成用能單元間的高效信息共享和協同機制，導致燃氣調度人為干預較多，主要依靠人工經驗計算完成用以指導能源預測、平衡、調度，在問題大小、約束條件、優化程度等方面存在很大的局限性。
解決思路
針對一些鋼鐵企業存在的上述現狀，燃氣預測與優化調度的實現建議從3個方面開展：
1.梳理基礎信息，夯實基礎工作。
（1）梳理儀器儀表。
對鋼鐵企業所有與燃氣相關的計量儀表進行查漏補缺，找出計量不準或老化的儀表進行更新、升級改造，實現重要計量儀表數據的自動采集，同時加強計量儀表的日常維護管理，對計量儀表定期進行檢定和維護，將能源計量的輸差率控制在產能和用能雙方約定的范圍內。
（2）梳理燃氣用戶。
對鋼鐵企業所有與燃氣相關的用戶，按對生產影響的重要程度、產氣量和用氣量等進行分類，可分為4種類別：一是產氣用戶：主要是燃氣的產生單元，如高爐、焦爐、轉爐等。二是存儲用戶：包括高爐煤氣柜、焦爐煤氣柜、轉爐煤氣柜等，每種煤氣柜的柜容有上下限約束，通過柜容可以判斷各種燃氣的使用量是否充足。三是消耗用戶：主要是燃氣的使用單元，如高爐熱風爐、熱軋加熱爐等。按可使用燃氣的類別、耗氣量多少、耗氣量受外界影響大小等因素進行分類管理，比如高爐熱風爐占高爐煤氣產量約40%，且耗氣量受外界影響因素較多，屬于比較重要的剛性用戶。四是調節用戶：主要是燃氣的調節單元。為保證燃氣生產、消耗平衡，該類用戶在指定生產任務條件下，可采用不同組合和配比的方式，對燃氣的生產、消耗進行調整。
（3）梳理燃氣流向。
要想做好燃氣預測和優化調度，必須要清楚燃氣的來龍去脈，燃氣從哪里來，通過什么傳遞，存儲在哪里，消耗在哪里？
2.理清前提條件，確認平衡原則。
（1）理清影響因素。
燃氣生命期中的生產、消耗、儲存都會受到多種因素影響，在做燃氣預測優化調度之前要理清各種燃氣的影響因素，并對影響因素進行分類、綜合排序，對燃氣產生和消耗的影響程度有針對性地制訂優化模型。以高爐熱風爐為例，其影響因素分為3種：一是內部影響因素：正常生產情況下，高爐熱風爐煤氣消耗量的影響因素包括熱風爐狀態、冷風閥狀態、煙道溫度、拱頂溫度、圍管溫度、熱風流量、助燃空氣溫度、助燃空氣流量。二是外部影響因素：如區域政策性限產、北方鋼鐵企業冬天采暖季。三是異常情況：如高爐（包括對應的熱風爐）全部停爐、大規模停電，造成燃氣消耗出現大波動，短期內表現為不平衡狀態。
（2）理清約束條件。
在燃氣優化調度過程中，會受到各種約束條件的限制。因此，要弄清楚各種約束條件及約束范圍。具體約束分為5種：一是平衡約束：包括產生、存儲、消耗變化量之間的平衡，以及熱能與電能相互轉化之間的平衡。二是操作約束：生產過程中，產線上與能源相關設備的操作規范，輸入和輸出量的上下限要求。三是能量約束：用戶（單一燃氣用戶、混合燃氣用戶）對于燃氣的產生量和使用量、配比、熱值等限制在符合生產需求的范圍內。四是優先級約束：燃氣供應順序滿足不同優先級的用戶需求。五是關聯約束：不同產能或用能設備之間的具體約束以及用于對外供應時的某些特定約束。
（3）明確平衡原則。
燃氣平衡原則主要保證燃氣的發生量和各生產環節的用氣量之間的平衡，對所產出的燃氣全部回收利用，既保證燃氣不會因為富裕而進行放散，也不會因為供應不足而需要額外購買。因此，鋼鐵企業需要充分發揮煤氣柜的緩沖作用和管網的壓力調節作用，盡可能保持煤氣柜或管網的穩定，防止設備的損耗，減少燃氣的放散和不足的風險。
燃氣的具體平衡原則分為靜態平衡和動態平衡：
靜態平衡：CCPP和自備電站作為調節用戶，燃氣在滿足生產過程的用氣條件下，富裕燃氣可供CCPP和自備電站使用。在正常生產情況下，燃氣不放散。
動態平衡：在實際生產運行過程中，燃氣生產和消耗量會出現波動，導致燃氣供應和燃氣消耗都在動態變化，能源調度根據生產實際情況對波動進行判斷，針對不同類型的波動選擇合適的調度策略，并指導各用戶及時調整，實現動態平衡。
3.找出優化環節，實現優化調度。
（1）找出優化環節。
根據燃氣流向、影響因素、用戶類別、用氣特點等因素和約束條件，結合企業生產實際情況（包括燃氣歷史的生產、消耗），找出所有的燃氣優化點，考慮優化的難度和可操作性，對所有優化點進行綜合排序。以高爐煤氣為例，熱風爐和熱軋對高爐煤氣影響最大，因此，可以將熱風爐均衡燃燒和熱軋質量控制作為重點優化環節。同時，設定優化目標，以便于對優化結果進行對比分析和評估改進。
（2）建立模型算法。
針對可優化的環節，選取相應的模型算法。因此，在產生與消耗預測的基礎上，充分考慮影響因素、約束條件、平衡原則，采用遺傳、粒子群優化等智能優化算法進行優化求解以實現優化目標。
（3）打通系統壁壘。
燃氣預測與優化調度需要與企業內多個信息系統（如能源系統、生產系統、產銷系統）產生信息交互（如生產計劃、歷史數據、檢修計劃）。因此，需要將其與關聯系統打通，保證數據及時準確交互的同時，要充分考慮與之關聯系統的安全性，避免對其他業務系統的正常運行產生負面影響。
結 論
通過上述方法的運用，保證鋼鐵企業在生產穩定運行的情況下，可有效降低人工勞動強度，避免人為誤差，減少用能安全隱患；調度人員可以準確掌握產能和耗能數據及變化趨勢并及時下達調度指令，提升調度效率，實現能源管理全局最優化；可減少燃氣放散造成的浪費，增加發電量，提高燃氣綜合利用效率，有效降低企業能源成本，對于鋼鐵企業節能減排和綠色可持續發展意義重大。
