鋼鐵企業煤氣-蒸汽-電力多介質管理模式研究與實踐

王榮耀，陳 偉，陳曉偉，王雅莉

（河鋼集團唐鋼公司動力部，河北唐山 063000）

引言

隨著我國鋼鐵行業進入高質量發展階段，提高能源管控水平顯得愈發重要。據統計，鋼鐵行業中煤氣-蒸汽-電力介質的能耗占總能源消耗的70%以上，但在多種能源介質的綜合管控與優化利用方面仍缺少實踐案例。因此基于唐鋼公司新區（以下簡稱唐鋼新區）煤氣-蒸汽-電力多介質綜合管控實例，通過多項能源介質的平衡分配與調度優化，探究高利用率、高效益產出的介質管理模式。

1 煤氣-蒸汽-電力多介質管理概述

1.1 多能源介質綜合管理的意義

鋼鐵企業能源系統中煤氣-蒸汽-電力等介質關系緊密且相互轉化，介質流動網絡如圖1。若沒有結構化、模型化、自動化的數據支撐，很難保證能源的合理分配和高效利用［1］。因此，設計出基于多產線工況組合下的能源介質耦合調度與平衡管理模式，利用數據采集與監視控制系統（SCADA 系統），對煤氣-蒸汽-電力運行參數在線監測、分析和調度優化。該模式一方面可以幫助能源調度人員分析供需變化，提高調度水平和反應速度，另一方面可以優化鋼鐵企業多能源介質管理，推動鋼鐵企業用能方式的轉變和智慧能源體系的建立，提升能源利用效率和節能減排水平。

圖1 唐鋼新區煤氣-蒸汽-電力介質流動網絡

1.2 建立各能源介質平衡模型

基于能源介質流動網絡，完成煤氣-蒸汽-電力相關運行數據采集，其中主要包括：主線系統工序或設備的關鍵參數、輔助系統工序或設備的關鍵參數、余能回收系統工序或設備的關鍵參數和緩沖系統、輸送系統的關鍵參數等。在確定本單位重要能耗單元、關鍵能耗因素、控制措施清單后，依托SCADA 能源精細化管理系統，完成煤氣-蒸汽-電力介質的數據管理，并基于各能源介質產生、消耗、轉換的流動路徑，建立煤氣-蒸汽-電力等能源介質流的平衡模型并可視化呈現（部分模型圖見圖2～4），對煤氣-蒸汽-電力能源介質運行數據在線監測、分析和調度優化，提供易于交互的能源調度系統平臺。

圖3 轉爐煤氣系統平衡模型圖

圖4 蒸汽系統平衡模型圖

2 煤氣高效利用管理

煤氣作為煤氣-蒸汽-電力多能源介質能量流動的起點，也是多能源介質平衡管理與優化的起點，實現煤氣系統的穩定運行與優化管理至關重要，其中關鍵步驟在于提升系統的緩沖能力，因此需增加系統體量或緩沖用戶。

2.1 建立區域煤氣資源共享網絡

隨著國家政策調整，鋼鐵企業集群化發展趨勢愈發明顯，因此建立區域化富裕煤氣資源共享網絡已然成為單一鋼鐵企業應對資源瓶頸和環境壓力的有效措施［2］。以唐鋼公司樂亭區域煤氣資源共享模式為例，依托唐鋼新區、唐鋼中厚板和佳華焦化區位優勢并結合各自煤氣資源利用狀況，通過高爐煤氣和焦爐煤氣管線相互連通，建立了煤氣資源共享網絡，見圖5，并建立區域燃氣調度中心進行管理，實現了多用戶點位富裕煤氣的緩沖，提升系統整體的緩沖能力。

圖5 唐鋼樂亭區域煤氣資源共享網絡

2.2 降低煤氣峰谷用量起伏

加熱爐、熱風爐的煤氣峰谷用量波動是干擾煤氣平衡的主要因素，二者用氣量范圍波動可達到總產氣量的30.2%～61.5%。因此降低大用戶峰谷用量起伏對于提升整個高爐煤氣系統的穩定性至關重要。熱風爐因具備規律性大小燒特點，可通過錯峰燒爐實現多座加熱爐總用氣量的穩定。以唐鋼新區熱風爐為例，3 座熱風爐未調整前總用氣量波動范圍為（30.5～46.5）×104m3/h，經錯峰調整后總用氣量基本維持在（34.1～38.7）×104m3/h，用氣量波動顯著改善。加熱爐煤氣用量波動起伏需依托區域燃氣調度中心，根據唐鋼新區、唐鋼中厚生產計劃編制煤氣平衡方案，尋求煤氣需求和供應最佳平衡點，確保富裕煤氣完全由區域內各發電機組消耗。此外燃氣調度中心根據用戶優先用氣等級進行調整和調度，優先次序為：熱風爐>燒結、球團>軋鋼、加熱爐>煤氣發電鍋爐等用戶，逐級壓減至煤氣達到平衡狀態。同時，在實際運行中，煤氣發電鍋爐的調整級別和次序依據發電機組效率進行逐級壓減調整，以唐鋼新區為例，超高溫亞臨界發電機組燃耗比高溫超高壓機組低0.42 m3/kWh（煤氣熱值3 150 kJ/m3），故執行“高效機組優先”的富裕煤氣資源利用原則，高效機組優先高負荷運行，保證能源利用最大化。

2.3 煤氣柜柜容與管網放散壓力關系配置

煤氣柜作為緩沖系統壓力波動、收儲煤氣的重要裝置，在保證其活塞升降速度、傾斜度、油泵啟停等參數正常的前提下，應科學配置柜容與放散壓力關系，實現裝備效能利用最大化。以唐鋼新區為例，煤氣柜運行時以“柜容三段式配置放散壓力”為原則，設定了聯鎖值（具體數值見圖6），煤氣柜因特殊情況解列后，放散塔收回管網壓力控制權，放散塔放散壓力分別為13.0 kPa、13.5 kPa、14.0 kPa。其他轉爐煤氣柜、焦爐煤氣柜參照高爐煤氣柜柜容與放散壓力配置進行設置，以達到充分利用氣柜谷吸峰吐能力的目的［3］。

圖6 唐鋼樂亭區域高爐煤氣柜容對應放散壓力配置圖

3 蒸汽高效利用管理

鋼鐵企業蒸汽發生源數量較多，各蒸汽品質不一，高品質蒸汽可減溫減壓后補充至低品質蒸汽，如何合理利用各品質蒸汽成為鋼鐵企業能源利用的重要課題。以唐鋼新區為例，各品質蒸汽來源與性質見表1，在蒸汽利用上執行“按質用能、能級匹配、梯級利用、就地用能”的原則［4］。具體執行措施如下：

表1 唐鋼新區各蒸汽來源與性質統計表

（1）對于高品質的蒸汽全部用于高效發電，減少因能級差造成的不可逆損失。

（2）對用能過程進行優化，兼顧系統的節能效果和經濟效益，廠區軋鋼加熱爐產生的低品質蒸汽用于生產需要和冬季伴熱，冬季蒸汽不足時，使用煉鋼轉爐汽化蒸汽補充至外網。

（3）對燒結煙氣余熱進行回收，噸礦余熱回收蒸汽90～110 kg全部用于發電。

（4）煉鋼轉爐汽化蒸汽綜合利用，通過蓄熱器來保持汽壓的穩定，通過飽和余熱發電實現轉爐煉鋼蒸汽的高效利用。

4 電力高效利用管理

為了減少電力成本以及提高電力供應的可靠性，鋼鐵企業大多建立了自備電廠。通常所發電量約占鋼鐵企業總用電量的40%～80%，其余電力需求由主電網供電。近年來，隨著國家峰谷電價的實施，發電系統和煤氣系統之間的協調調度愈發受到重視，需要充分利用煤氣柜的儲能功能，通過約束條件保證煤氣柜的安全，實現發電負荷的峰谷轉移，降低電力采購成本。

唐鋼新區在保證主線生產的前提下，充分發揮技術管理和能源管理優勢，制定錯峰發電方案，增加尖峰段發電量，實現煤氣資源效益最大化，具體執行措施如下：

（1）充分利用氣柜谷吸峰吐能力，電價低谷時，暫時儲存煤氣，電價峰段時增加外供量，降低柜容，增加發電量。

（2）根據主產線躲峰生產計劃，預判煤氣裕量狀況，提升發電機組負荷，增加峰段發電量，避免煤氣裕量突增造成管網沖擊放散。

（3）充分利用樂亭區域煤氣資源共享網絡，發電機組按70%的運行負荷參與煤氣平衡方案的制定，保證煤氣系統具備較強的緩沖能力。

5 結論

唐鋼新區基于單一能源介質平衡管控模型，搭建了多種能源介質管控平臺，依托集中控制，對煤氣-蒸汽-電力進行實時管理，優化了能源的耦合調度與平衡管理，實現了單一介質模型化管控以及多種能源介質集中監控與管理相融合的系統建設。多種能源機制管控平臺投用以及各能源介質高效利用措施實施后，區域能源利用效率顯著提升，各流動環節管控更加全面，有效優化了管理流程，降低了運行管理成本，提高了自動化水平和勞動生產率，提升了全廠能源事故反應能力。

自2022 年10 月項目實施后，唐鋼新區高爐煤氣利用率達100.0%，轉爐煤氣利用率達100.0%，焦爐煤氣利用率達到99.7%，高品質蒸汽100.0%供應對應能級的發電系統，低品質蒸汽全部用于廠區生產和伴熱。依靠煤氣系統、蒸汽系統以及發電系統的協同調整進行錯峰發電，減少煤氣放散創效和增加發電創效合計達到4 213.5 萬元，同時避免了CO事故性排放造成的企業生產中斷，有效緩解了區域性能源緊張和環境治理壓力。