基于不同生产模式下能源动力系统的科学优化与实践

陈先利，王喜军，翟兴忠，王春祥，宋 亮

(安阳钢铁集团有限责任公司，河南 安阳 455000)

随着对重污染天气的治理力度的加大，如何科学地对钢铁企业能源动力介质的消耗和平衡进行能源动力系统优化，成为一项重大的研究和开发课题。平衡好各种能源动力介质，减少放散，不仅涉及到环保，还关系着一个企业的安全生产及管理效益。在频繁变化的生产条件下建立起稳定、均衡、经济、高效、安全的能源动力系统运行模式，是当前钢铁企业都需迫切解决的一个难题，也能够体现出钢铁企业在生产运行方面的核心竞争力。

安钢加强科学管理，针对能源动力系统，以高炉为中心，确保在不同高炉生产模式下的安全与生产稳定运行；优化能源动力介质供应分配，最大限度提高能源动力的利用率和避免能源动力的浪费，并在有限的能源动力供应和分配中实现利益最大化。能源系统以煤气系统为例，动力系统以氧、氮系统为例进行说明。

1 能源动力系统在不同运行模式下的分配与供应

生产运行模式不同，煤气系统的发生与氧、氮系统供应也各不相同。煤气系统既要充分利用有限的煤气资源，又要使能源创造最大化的效益。因此，建立不同生产模式下的系统运行模式尤为重要。氧、氮系统既要满足相应的生产需求，又要避免浪费，所以要在不同的生产运行模式下，建立氧、氮系统供应模式[1-3]。

1.1 不同高炉运行模式下的能源分配

运行高炉不同，高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气的发生量差异较大，因此能源分配也不相同。安钢拥有3座大小不同的高炉，高炉煤气发生量和自身使用量也存在较大的差异(表1)。

表1 高炉煤气发生量、使用量Tab.1 Blast furnace gas generation and usage m3/h

3座高炉同时运行时煤气相对富余，各生产线均能保证正常生产，而且富余煤气可充分提高发电效益；同时，也可利用煤气柜实现错峰发电创造效益，电力系统电价因时间段分3个电价时间段，合理利用电价差提高生产效益和降低成本。安钢拥有一座30万m3高炉煤气柜，根据电价峰段发电、谷段充柜，30万m3高炉煤气柜柜容运行区间为6万～26万m3，有20万m3的柜容可用于错峰发电，按电机组平均发电煤气使用率为3.6万m3/万kWh，30万m3高炉煤气柜一次错峰可发电量为5.56万kWh。0：00—8：00电价为0.24元/kWh，8.00—12：00电价为0.96元/kWh，12：00—18：00电价为0.56元/kWh，18：00—22：00电价为0.96元/kWh，22：00—24：00电价为0.56元/kWh，每日实现2次错峰可实现6.23万元的效益。错峰发电30万m3高炉煤气柜运行曲线如图1所示。

图1 错峰发电煤气柜柜容曲线Fig.1 Capacity curve of gas tank for off-peak power generation

2座高炉运行、1座高炉休风运行模式下，煤气基本满足生产所需。轧钢生产线不具备满负荷生产，可优化轧钢机组检修计划及错峰生产，实现煤气充分利用，同时利用高效率发电机组负荷，实现效益最大化。2号、3号高炉运行时的高、焦、转炉煤气分配情况见表2。

表2 高、焦、转炉煤气分配情况Tab.2 Distribution of high gas,coke gas and converter gas m3/h

1.2 不同运行模式下氧气、氮气供应模式

根据高炉运行模式的不同，氧气、氮气用户用量也差异较大，高炉使用氧气、氮气情况见表3，制氧机组氧气、氮气供应见表4。根据高炉运行模式出铁量，炼钢氧气、氮气使用量等，合理优化制氧机组启停，杜绝氧气、氮气放散造成浪费，同时可利用氧、氮、氩液体储备启动气化后备系统，满足生产所需。

氧气主要用于高炉富氧和炼钢用氧及切割用氧等，根据运行高炉富氧量和出铁量、炼钢产量，可计算出氧气需求量。氮气用户较多，例如高炉喷煤、炉顶氮封、炼钢底吹、转炉溅渣护炉、干熄焦补氮及环保设施用氮等。

表3 高炉使用氧气、氮气情况Tab.3 Use of oxygen and nitrogen in blast furnace

表4 制氧机组氧气、氮气供应情况Tab.4 Oxygen and nitrogen supply of oxygen generator m3/h

2 能源动力分级供应

依据各生产系统对高炉的影响程度不同，在能源紧缺的状态下，有必要对能源用户进行分级供应。①确保高炉的正常生产，就必须保证高炉热风炉的正常烧炉、焦化相应焦炉的正常生产，安钢高炉均采用汽动鼓风，就必须保证汽动鼓风相应的锅炉生产。因此，将热风炉、汽动鼓风锅炉、焦化焦炉定为一级用户。②以钢后系统为中心，确保炼钢和轧钢系统的正常生产运行。因此，将炼钢和高效轧钢生产线定为二级用户。③剩余能源供应效益较低和高效发电机组用户，定为三级用户[4-6]。煤气用户分级管控如图2所示。

图2 煤气用户分级管控示意Fig.2 Schematic of hierarchical control of gas users

2.1 能源系统分级供应

(1)一级用户的能源分配优化。能源供应侧以高炉煤气发生量为依据，根据运行高炉煤气发生量和焦炭需求量的不同，按照运行高炉鼓风量合理分配热风炉煤气供应量，满足热风温度，确保运行高炉顺行。依据运行高炉焦炭使用量，合理分配焦炉结焦时间及焦炉高炉煤气用量。根据运行高炉鼓风量，确定鼓风锅炉负荷和煤气用量。

(2)二级用户的能源分配优化。能源二级用户以轧钢生产线为主，在不同高炉生产模式下铁水产量不同，铁水分配不同导致炼钢和钢坯的产量不同，根据钢坯分配合理安排轧钢生产线的生产运行情况。热连轧相对能耗小、成本低，因此根据热钢坯产量合理优化轧钢生产线的生产运行情况及相应煤气的配比和使用分配，确保高效轧钢生产线的稳定生产运行。

(3)三级用户的能源分配优化。能源三级用户可以根据坯库的库存量实行错峰生产，充分利用阶梯电价，避开峰段生产、降低外购电量，从而实现节本降耗、能源充分高效利用。

2.2 氧气、氮气系统分级供应

氧气、氮气系统分级供应，可确保氧气、氮气供应不足时段内生产能够持续稳定生产，最大程度降低对生产的影响程度；同时也尽可能减少系统浪费和降低生产运行成本。氮气用户分级管控如图3所示。

图3 氮气用户分级管控示意Fig.3 Hierarchical control of nitrogen users

(1)氧气、氮气用户分级供应。①氧气。氧气基本用于高炉富氧、炼钢吹氧、切割用氧等。在氧气紧缺时，炼钢用氧和铸机钢坯切割用氧为首保用户；其次是高炉富氧；最后是其他轧钢切割用氧。切割用氧必要时可以使用氧气瓶代替。②氮气。当前因环保设施用氮气较为普遍，在生产运行中，首先必须确保环保达标排放，就必须保证环保设施的正常运行；其次高炉喷煤、炼钢氮气底吹均是保证高炉顺行的必备条件；再次仪表用气等。以上均为一级保供用户。有些氮气用户可以采用其他气体置换，如转炉活动烟罩密封氮气可用蒸汽置换氮气，烧结输灰氮气可用压缩空气置换，有些仪表用氮可用干燥压缩空气置换等，这些用户为二级用户。其他一些管道吹扫、清洁吹扫及间隔较长时间补充氮气用户等，为三级用户。

(2)根据氧气、氮气用户所需压力等级供应。目前，氧气、氮气系统根据压力等级分别分为低压0.75 MPa和中压2.50 MPa两个等级供应。中压氧气主要用于炼钢吹氧和切割用氧，低压氧气用于高炉富氧；中压氮气主要用于高炉喷煤、转炉底吹和溅渣护炉，低压氮气主要用于烧结输灰、转炉烟道密封、仪表用氮、环保设施用氮、高炉炉顶密封及均压、除尘输灰、干熄焦循环氮气和吹扫及保安等。

3 极端生产运行模式下能源动力系统运行与管控

所谓极端运行模式就是单高炉生产运行模式，单高炉生产运行情况下能源介质极度紧缺，高炉煤气的发生量不足以维持高炉热风炉、焦炉和鼓风锅炉正常使用量，同时也存在很多不安全因素。所以在单高炉生产运行情况下，①确保能源系统的安全保障；②对高炉煤气用户要进行严格管控并做好相应的应急预案；③充分优化利用焦炉煤气和转炉煤气，进行相应煤气置换；④充分利用煤气柜，做好煤气柜保安和开炉煤气使用；⑤在必要时做好积铁炼钢，充分利用转炉煤气。

3.1 能源系统的安全保障

单高炉运行期间煤气发生量极其紧缺，根据煤气平衡合理分配煤气用户用量，严格执行煤气管控，确保能源系统运行压力，预防系统安全事故的发生。热风炉烧炉实行平稳煤气用量，避免煤气大幅度变化造成系统压力波动过大，影响系统运行质量和安全。

3.2 制定并执行系统预案

当单高炉运行中发生突发事故减风或者紧急休风时，要及时启动预案，杜绝系统安全事故的发生，并为高炉复风做好相应的准备工作。如高炉减风量较大时，及时控制热风炉煤气用量甚至停止烧炉，轧钢用户根据减风情况加热炉保温或停止烧炉。如高炉紧急休风时，高炉热风炉、焦炉及轧钢生产线全部停止煤气使用。鼓风锅炉适时退负荷直至热备状态，煤气柜确保高柜容，根据系统压力情况启动煤气互串保证煤气系统安全。煤气互串保安措施如图4所示。

图4 煤气互串保安措施示意Fig.4 Security measures for gas interlocking

3.3 积铁炼钢利用转炉煤气

煤气柜较小的钢铁企业，要充分实施积铁炼钢，利用转炉煤气回收，保障能源充分利用。例如安钢目前拥有一座1 000 t混铁炉，吨钢转炉煤气回收130 m3/t，因此将会产生13万m3转炉煤气，为高炉复风储备能源。

3.4 优化制氧机组启停

根据高炉运行模式，通过氧气、氮气平衡，合理运行制氧机组，避免氧气、氮气的放散造成动力介质浪费。同时优化炼钢生产节奏，避免炼钢对氧气、氮气用量因时间段产生较大变化。当氧气、氮气供应短时间段缺口较小时，可通过氧气、氮气气化系统保供，避免制氧机组频繁启停，从而降低运行成本。当制氧机组因其他因素造成大机组同时停车，制定相应的应急预案，第一时间启动气化系统，并根据用户分级严格执行管控。

4 结论

(1)通过系统科学优化，公司能源动力系统实现了全年安全、环保、稳定运行，极端生产运行模式下保证了系统的运行质量和安全。

(2)实现了能源系统煤气管网电稳定运行，且2019年自发电比例在42.9%以上。

(3)氧氮介质稳定供应，转炉吹炼用中压氧压合格率达99.51%，转炉溅渣护炉用中压氮压合格率由96.23%提至98.17%。

(4)富余资源外销创效，2019年度实现外销液氧1.4万t、医用氧0.7万t、液氮0.5万t、液氩1.7万t，合计增效约3 700万元。