鋼鐵企業電力需量綜合優化分析及措施

詹守權 ，劉迎宇 ，徐強 ，孟志權 ，闞頌 ，郝飛

（1.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

鋼鐵生產企業是高耗電的企業，電能的使用和供應情況復雜，電力系統與各工藝流程相關聯，涉及鋼鐵生產的各個方面，貫穿企業的轉換輸配環節且終端用戶眾多［1-3］。鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司（以下簡稱“鲅魚圈”）電網分為兩大供電區域，分別由分公司自有的220 kV鋼鐵變和營口供電公司下轄的220 kV范家變供電，主要采用工序集中供電原則，熱軋、厚板、焦化、煉鐵、燒結、原料、制氧、煉鋼、中板等工序分別建造獨立的66 kV總降壓變電站為其提供電源，鋼鐵變主要向熱軋、厚板、焦化、原料、中板、煉鋼10 kV一段、2座LF爐、3#制氧機、煉鐵10 kV一段、燒結10 kV二段、1#電鼓供電；范家變主要向燒結10 kV一段、煉鐵10 kV二段、2#電鼓、煉鋼10 kV二段、2#制氧機供電。

依據 《國家發展改革委關于降低一般工商業電價有關事項的通知》，鲅魚圈鋼鐵變、制氧總降、煉鐵總降、煉鋼總降、燒結總降為外購電變電站，基本電費結算方式由固定需量（需求電量）方式繳納改為按實際最大需量繳納。為了降低月度最大需量，達到節約電費支出的目的，從鲅魚圈電網結構、發電機組分布和各工序負荷出發，結合能源集控項目建立電力需量控制模型，改善了資源配置，合理分配了發電資源并網點，對結算關口進行需量控制，提升了終端用電效率，降低了用電費用，取得較好的效果。

1 供電系統的組成

鲅魚圈與大電網連接的線路共有10條，其中220 kV需量監測關口線路2條：鋼鐵變的望鐵1#線和2#線；66 kV需量監測關口線路8條：制氧總降的范氧甲線、乙線；煉鋼總降范鋼甲線、乙線；煉鐵總降范鐵甲線、乙線；燒結總降范燒甲線、乙線。根據鲅魚圈實際情況和負荷分布，望鐵1#線、望鐵2#線、范鋼甲線、范燒甲線、范氧甲線、范鐵乙線是需要重點關注需量的監測點。圖1為鲅魚圈供配電系統簡圖，圖中66 kV聯絡線共2條，是架空線路，分別提供煉鐵、制氧、煉鋼總降的一半負荷和煉鋼LF負荷；10 kV原料燒結聯絡線電纜為直埋線路，充電備用。從圖1可以看出，由于關口需量線路眾多，存在多個關口同時越限的可能，增加了需量調控的難度。

圖1 鲅魚圈供配電系統簡圖Fig.1 Diagram of Power Supply and Power Distribution System in Bayuquan Branch

2 需量決策分析系統的建立

鲅魚圈依托智能電力調度系統，結合各個工序負荷的數據，建立電力需量決策分析系統，實現需量相關的各個廠站主要線路的需量實時計算［4-6］；基于調度運行駕駛艙技術實時更新負荷潮流變化情況［7］；關口需量集中監視以儀表盤結合曲線展示的方式，在儀表盤中設定需量越限區間；在曲線中同樣設定需量越限曲線，通過和實測需量曲線的對比可以看出何時出現越限及越限的幅度，為需量實時調控提供知識決策信息，提高調度運行水平。

鲅魚圈供電網絡可以構成小型電力系統，外購電、發電機發電組成電源端，各工藝生產耗電為消耗端。最大需量繳納基本電費是外購電費重要組成部分，通過上述對電力系統的分析認為，控制最大需量應重點關注需量關口所轄生產電力負荷的變化，選擇合適發電機并網點，調整能源介質分配，提高發電機出力。表1所示為關口線路、電力負荷以及發電機并網點，發電機可以根據電網結構和耗電情況選擇并網點，在受到能源介質影響的情況下合理調整電力負荷和發電機工作。

表1 關口線路、電力負荷以及發電機并網點Table 1 Gateway Line,Power Load and Generator Parallel-in Point

3 需量控制統籌方案制定及變動原因分析

3.1 統籌方案制定

正常運行情況下，各關口線路需量維持在理論計算負荷水平上，但電網生產線檢修、事故處理、缺陷處理、系統接地、發電機負荷調整等諸多因素會影響最大需量的發生。為了有效控制最大需量，制定的需量統籌方案如下。

（1）保證各發電機最大負荷穩定運行。

（2）發電機出力調整或計劃檢修要與各生產線配合，并提前申請進行電力平衡后方可進行。

（3）安排設備檢修與供電公司檢修同步進行，或與主體生產線檢修同步進行，電網上下級配合。

（4）超過1 000 kVA設備起機或倒負荷申請電網環并時要報主管部門，電力平衡無問題后方可進行。

（5）電網事故處理、缺陷處理、系統接地時，按照事故的嚴重性，將控制最大負荷與事故處理結合起來統籌安排。

3.2 需量變動原因分析

為加強沖擊負荷的控制，需對電力需量變動原因做進一步分析。以檢修計劃為例，當多條生產線同時進行檢修作業時，總電力負荷將會出現大的凹谷。檢修后，各作業線所欠產能將會在之后某個時間集中釋放，從而推高當日用電負荷峰值，進而影響當月需量值。如果只是單一錯開每條生產線的檢修時間，減少同時檢修的產線又會出現煤氣發生量與使用量、蒸汽發生量和使用量不匹配問題，出現例如軋線檢修煤氣、蒸汽全部用于發電后還有過剩放散問題，而單一高爐休風檢修或焦爐檢修時會出現煤氣、蒸汽量不足，發電機組不飽和問題，進而增加當日線路關口的需量。圖2為能源介質關系圖。圖2中，能源介質指煤氣、蒸汽，其中煤氣包含高爐煤氣和焦爐煤氣。生產工藝使用電力負荷產生煤氣、蒸汽等能源介質，能源介質用于發電反饋給電網，并與線路關口的電力共同為生產工藝提供電力負荷。

圖2 能源介質關系圖Fig.2 Diagram of Energy Medium Relationship

圖3為能源之間轉換關系圖。

圖3 能源之間轉換關系圖Fig.3 Diagram for Energy Conversion

由圖3看出，能源介質量、生產工藝負荷值、發電機組發電量與線路關口需量存在較強的耦合關系，生產工藝負荷值既產生又消耗能源介質量，能源介質量影響發電機發電量，發電機發電量和生產工藝負荷值共同影響線路關口需量的產生。

梳理鲅魚圈生產檢修鏈條認為，高爐煤氣發生量影響多個發電機組發電量，對關口需量影響最大。因此將工藝檢修的起始點設定為高爐，對每次檢修的負荷情況進行有效分析，上、下游工藝同步檢修將對需量控制起到串聯作用，分析4 h和16 h時高爐檢修負荷平衡和發電機負荷關系，根據計算經驗值設定需量模擬值，通過負荷平衡使之達到需量目標值，積累基礎數據。表2為各關口需量值及發電機負荷分布。

表2 各關口需量值及發電機負荷分布Table 2 Power Demand Values for Each Gateway and Generator Load Distribution

4 需量統籌方案的調控

4.1 調整原因分析

針對高爐休風計劃細化需量控制統籌方案，以高爐4 h和16 h休風為例進行分析。

高爐4 h休風時，保證1#煤氣爐高負荷運行，對應保證范氧甲線最大需量不變，TRT發電機組在此期間不允許電動運行，起機速度不能影響范鐵乙線的最大需量，2#CDQ高負荷運行確保滿足范鋼甲線需量；電鼓低負荷運行，軋線配合停軋（熱軋或中厚板），2臺LF爐及其動補裝置錯峰生產或停一臺LF爐，CCPP、2#煤氣爐和1#CDQ在煤氣、蒸汽總體平衡情況下提高發電量。4 h休風控制難點在于休風時間短，有些生產負荷難以降至最低值，煤氣量不穩定，難以保證正常發電量。

16 h休風控制措施與4 h的區別不大，控制難點在于休風時間長，煤氣柜煤氣量既要滿足正常生產又要適度控制，需要計算發電量、負荷值和需量值之間的關系，既不能發電負荷過高又不能低負荷影響需量值。

4.2 調整方案制定

2019年11月22 日1#高爐休風16 h電力最大需量控制方案如下。

（1）確定控制目標

本次高爐休風檢修影響望鐵1#、2#線、范氧甲線關口。望鐵1#、2#線最大需量目標值為145 MW（當時最大需量為148 MW）；范氧甲線最大需量目標值為15.05 MW（當時最大需量為15.05 MW）。

（2）制定控制策略

① 配合停產工序有中板、厚板、球團、2#LF、2#制氧機、2#燒結機。

② 厚板、2#LF、球團停產后，允許CCPP減負荷。停產必須安排在高爐休風前1 h，由集控中心調度下令執行。

③CCPP負荷最低減到60 MW，煤氣不足時，短時間控制熱風爐用量。高爐休風恢復后，1#電鼓達到10 MW負荷時，CCPP增加負荷至100 MW。

④2#制氧機運行期間實時調整1#煤氣爐負荷，保證范氧甲線需量不超過15.05 MW，2#煤氣爐盡量多發電。2#制氧機停機期間1#煤氣爐保持最低負荷4 MW，制氧1#氮壓機由1#受電帶，1#綜合泵站一受電帶全負荷，保證2#煤氣爐盡量多發電。

⑤實時調整2#CDQ負荷，保證范鋼甲線需量不超過18.69 MW，1#CDQ盡量多發電。

⑥休風前高爐柜、轉爐柜保證高柜位，焦爐燒高爐煤氣減至26萬m3/h，軋鋼系統可高熱值（13 MJ/m3）運行。

⑦范氧甲線倒負荷前調整電壓差，減少環并電流，不超過最大需量15.05 MW。倒負荷期間環并時間控制在8 min內。

⑧高爐休風期間，要求厚板產線控制負荷在15 MW以內，中板產線控制負荷在5 MW以內，集控中心調度下令厚板部做好負荷控制。

⑨ 高爐送風后，CCPP加滿負荷，由集控中心調度通知厚板、2#LF、球團，方可恢復生產。

4.3 調整后的負荷平衡

調整后的望鐵關口負荷平衡表見表3。

表3 調整后望鐵關口負荷平衡表Table 3 Load Balance Table for Wangtie Gateway after Adjustment MW

由表3看出，1#高爐休風檢修期間，高爐煤氣發生量減少，影響煤氣發電機組的發電量，CCPP和2#煤氣爐的發電量分別從140 MW和18 MW降至60 MW和10 MW，確保整個煤氣系統平衡情況下穩定發電；1#TRT為高爐余壓機組需要停機，燒結余熱發電機組受燒結工序影響需要停機，系統發電量共減少119 MW。為配合1#高爐休風檢修，中、厚板軋線、1臺LF、1#電鼓、燒結B系列、球團計劃檢修，共降低耗電負荷121 MW，總體負荷平衡預估增加2 MW，其它生產線正常預估最大需量為145 MW，當前已經發生需量值148 MW。高爐休風檢修期間嚴格執行上述方案，將檢修負荷降至預估值以下，確保達到電力最大需量控制方案的目標。

4.4 構建電力需量控制數學模型

充分利用能源集控項目建立需量監視與統計分析模塊，根據相對固化的工藝和檢修過程提煉出通用性更強的電力需量控制數學模型。表4為電力需量控制數學模型。

表4 電力需量控制數學模型Table 4 Mathematical Model for Power Demand Control MW

表4中，a～O代表正常生產工藝情況下能源介質產生的發電量，通過計算生產工藝負荷和發電量得出最大需量目標值X～W，即本次高爐休風各線路關口需量控制值。

5 效益分析

從2019年8月起，鲅魚圈按最大需量的方式結算企業電費，表5為2019年各月電力基本電費清單（單位為萬元）。

表5 2019年各月基本電費清單Table 5 Basic Electricity Bill of Each Month in 2019

由表5看出，按固定需量結算時，前7個月的平均基本電費為1 474萬元，采取上述措施后，按最大需量結算，8～12月的月平均基本電費為1 010萬元，月均降低基本電費支出464萬元。

6 結語

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司對企業電力需量綜合優化分析后，進行了知識化和智能化電力調度的有益嘗試，構建了電力需量控制數學模型，合理使用煤氣、蒸汽等能源介質，合理利用發電資源，改變用電方式，提升了終端用電效率，模型使用后，企業用電月均降低了464萬元。