氧气负荷智能预测系统的开发与应用

卢元春，朱新雄

（山东莱钢永锋钢铁有限公司动力能源部，山东德州 251100）

引言

制氧生产系统的负荷调节，必须适配后续用户的氧气、氮气介质的动态耗量变化。对于钢铁企业来说，炼钢转炉吹炼是间断式用氧，而高炉富氧的消耗一般是比较稳定的，但随炉况的变化也存在耗量增加或降低，造成供耗不平衡。因此，在考虑氧气生产负荷变化时，主要跟踪高炉富氧量以及炼钢的吹炼节奏，计算每炉次钢产量及耗氧量；统计计算某段时间的氧气平均耗量，作为对制氧机组调节的依据进行人为干预，进行综合平衡。人为调节存在调节滞后、精准度低，造成氧气时有放散或管网压力偏低影响后续生产。通过开发氧气负荷智能预测系统，将制氧机组的产能变化，变为调节氧气外供能力的灵活适应手段。此程序的开发主要从球罐的容积、用户的消耗量变化，管网的压力稳定，以及制氧机组生产系统可调节负荷范围进行综合分析，制定具体的逻辑和算法，结合以往人工精准成功调节经验和方法，汇集成负荷预测系统。系统建立后，将对氧气产、耗平衡进行自动预测，精确指挥，及时准确地对制氧机组进行加、减负荷操作，最大限度地发挥出球罐的缓存能力，同时减少氧气放散和降低能源消耗。

1 制氧机组面临的氧气负荷变化环境及炼钢生产情况

山东莱钢永锋钢铁有限公司动力能源部制氧车间共配置5 套制氧机组，分别是内压流程10 000 m³/h制氧机组2套，外压流程20 000 m³/h制氧机组3套，设计总产能为80 000 m³/h。适配后续5 座高炉及4 座转炉的生产用氧。高炉富氧总耗量平均为4.2 万～4.3 万m³/h，基本处于平稳消耗状态，对于制氧机组的生产负荷调节比较容易应对。永锋炼钢厂配套一炼钢1#、2#转炉均为60 t，二炼钢3#、4#转炉均为120 t，每个冶炼炉次基本在28～30 min。吹炼过程中，经常出现2 座或2 座以上同时吹炼、同时停吹的情况，4 座转炉同步吹炼的情况也每天都在发生。这对于氧气调压站的供应能力和球罐缓存能力是一个挑战。当前永锋制氧配置2个氧气调压站、8 台球罐，分别为4 台1 000 m³氧气球罐和1 台650 m³氧气球罐，以及1 台1 000 m³氮气球罐和2 台650 m³氮气球罐，基本满足炼钢和炼铁的氧气供应和缓存需要。2019 年经过降本挖潜和升级改造，新建设1 套20 000 m³/h 制氧机组，氧透由原设计中压改为低压氧透，一是降低了调压站的送氧压力，二是降低了电能损耗，低压氧透直接并网至调压站后低压富氧管道。

二炼钢转炉同步吹炼期间、一般球罐压力下降幅度在0.24 MPa 左右。但遇上与一炼钢同步吹炼的时候，氧气球罐压力下降幅度最大可达0.36 MPa，导致球罐压力短时间内下降至允许范围以下，必须投用备用液氧汽化系统，方能满足炼钢生产需要，对制氧车间成本造成极大浪费。液氧产品属于优质高附加值产品，汽化后用于管网属于高质低用，因此应避免或减少液氧汽化。

炼铁高炉系统，出现因炉况波动或突然休风造成的富氧量变化，有时也会造成球罐压力异常升高及氧气放散的情形，遇上定修也会出现单、双炉同时停炉，甚至3炉及以上的极端停氧情况，氧气放散就不可避免。因高炉的异常或定修会伴随铁水量下降，进而造成转炉吹炼节奏的减缓或停炉，氧气耗量的减少就会进一步叠加，导致球罐压力偏高，氧气大量放散，除调整氧气负荷外，有时必须停运某一套制氧机组来平衡。另一种情形，由于铁水计划产量的提升以及高炉炉况的顺行，增加富氧耗量也时有发生，需要大大增加氧气生产单位的供氧能力。

开发氧气负荷的智能预测，指导岗位操作调整，可有利于解决上述供需矛盾

2 氧气负荷智能预测

2.1 氧气负荷预测建模

根据用户的氧气耗量历史数据进行统计，找出规律。首先建立表格版的模型，计算一段时间来5个高炉、4 个转炉各自的小时平均耗氧量，作为预测使用的基础数据；同时制定规则确定出球罐压力允许的最低和最高数值，作为球罐缓存数据使用；统计出所有制氧机组总的氧气产量及制氧机组最大及最低产量负荷，作为制氧机组的产量负荷数据，以此产量负荷数据为基准，编制预测计算公式。在电子表格中对应位置输入公式，便于预测数据的自动生成。

外部影响因素的考虑是预测建模的关键。高炉、转炉的定修信息机制的建成，有利于数据建模的生成和完善。项目初期，可利用转炉定修计划表与调度信息进行结合，确定停止用氧的炉次，准确了解定修时间或停氧时间段，可计算出定修时间段内从始至终球罐压力变化幅度及实时的数值，帮助操作人员判断外供量变化，进而可以准确调整制氧机组的产能。

此时，可能存在两种情况：一是定修时间段内，球罐压力未达到允许最高值；二是球罐压力超过允许最高值。对不同预测结果需要采取不同的应对方式，当预测结果为第一种情况时，制氧机组不需要进行调整，维持现状即可；当预测结果为第二种情况时，制氧机组需要降负荷操作。

降负荷操作又分为两种情况：一是单纯的降低制氧机组产量，是一种短时间临时性操作行为；二是全流程降负荷操作，即从空压机到分馏塔、再到氧透的全流程操作，降负荷操作过程中需要注意防止氩系统发生氮塞事故。降负荷操作步骤是反向操作，也就是先氧透，再到分馏塔，最后降低空气压缩机负荷，这样可以保证分馏塔系统工况稳定，氧、氮产品及液氩产品质量影响最小。

2.2 建立软件模型，确定预测算法

数据建模完成后试运行，验证预测结果。在模型中预留时间输入，对应高炉或转炉定修停炉时间，系统自动得出定修时间末期的预测结果。因此基于此种思路，在软件设计中，将定修时间列为输入项或定义为预测干预项。同时软件设计至少具备4大功能模块，分别为：基础功能、智能预测功能、辅助功能、数据实施监控功能，做到安全应急预警和处置功能。

（1）软件的基础功能：动态监视并跟踪所有制氧机组的氧气产量、液氧汽化量、氧气纯度等的实时曲线和数值，展示氧气球罐压力数值跟踪及变化曲线。展示氧气所有用户（5个高炉、4台转炉）的实时用量曲线及数值，可方便使用者及时掌握氧气产、供、耗的实时变化。系统自动计算氧气用户在特定时间段（如1 h、2 h、4 h、8 h）的平均氧气耗量，并与氧气供量、实时氧气产量进行对比，判断耗量与产能是否匹配。

系统借助定修或停炉时间的输入单元，自动计算球罐缓存数据空间，来预测氧气产能需调整的数据，并给出所有5 套制氧机组的产能调整方向或预测调整数据值。然后系统自动生成产量与耗量的两条预测曲线和实时曲线，以及氧气球罐实时变化曲线及预测曲线。当预测线与实时线无限接近时，可认为匹配最佳。操作人员通过观察两条线之间距离，可直观判断产、耗量是否匹配。当两条曲线无限接近时，可认为操作最佳。

（2）软件智能预测功能：当后续系统出现停炉中断用氧时，对氧气产能系统进行预测。分为多种情况进行预测和计算：如高炉系统的单停、双停、三停等停炉模式的氧气消耗变化规律；转炉系统的单停、双停等停炉模式的氧气消耗变化规律；以及高炉与转炉同步停炉的组合停炉方式进行归类和计算。系统自动分别计算出各种情况下的耗量变化，球罐压力的预测，并智能化给出操作人员氧气产能的调整建议。

当制氧自身系统出现设备跳机，对制氧产能造成影响时，系统可对制氧产能变化发出预警提醒，预测曲线给出明确预测变化趋势，并显示提醒信息窗口。氧气缺口数值，需投用汽化器，并根据球罐压力当前数据，自动给出需要的汽化建议，以维持氧气供应。氧气缺口与氧气产能通过实时及预测曲线进行展示。操作人员可根据此信息向调度进行汇报，通过调度系统对富氧量做出人为调整和干预，以维持球罐压力，保证炼钢生产用氧。根据制氧机组的配置，系统对制氧机组跳机或定修停机的方式进行分类，制氧机组单停或多停方式分别进行产能计算，在系统预测曲线中表现出来，同时对球罐压力进行预测，方便后续氧气用户的生产组织。

（3）软件系统的辅助功能：一是设备报警及应急处置功能。主要是对制氧机组各主要设备运行信号采集并跟踪（如增压机、膨胀机、高压氧泵、氧透、氮透、汽拖空压机、循环水泵等），当设备出现故障跳机时，系统实时监测到后发出报警，并提示操作人员正确的应急处置步骤，提高应急处置效率，最大限度降低损失。二是安全预警功能。系统自动采集直接影响制氧系统稳定运行的关键工艺参数，如各机组空冷塔出口温度、分子筛出口温度、二氧化碳含量、水池水位、水压、蒸汽压力、空气压力、球罐压力、储槽液位等关键参数，后台生成实际运行曲线，供操作人员和管理人员调用分析。另外系统还需重点采集各制氧机组安全运行参数，如主冷总碳含量、冷箱密封气压力、冷箱密封气氧含量、基础温度、主冷液位、储槽夹层压力、储槽内筒压力、液氧泵轴承温度、汽化器出口温度等参数，并生成历史曲线、记录数值。当运行数据偏离超过允许范围时，系统自动发生报警，提醒做好安全措施。

（4）数据的实时监控功能：主要通过DCS 系统与能源网实时监控系统相结合，采用数据关口获取必要的监控，并自动生成历史曲线和报警信息。

2.3 数据处理模块

数据处理模块单元：全部数据通过面向对象的工业自动化数据采集协议OPC 进行现场采集，以确保系统数据与现场过程控制系统数据一致。现场采集的原始数据进入MySQL 数据库，进行数据整理和筛选，通过数据回溯、动态规划对氧气的预测消耗量进行实时计算，然后与各机组实际产量进行比对，进而得出各机组的负荷调整幅度数据，最后通过AF SDK 建立PI System 数据管理管道，通过对数据点变化事件的状态进行监控，主动进行数据推送。

数据的获取与处理：使用PI AF 进行数据采集，将数据点位信息转换为数据资产模型，可以较方便地调整相关点位数据。

实时数据推送服务采用AF SDK 建立PI System数据采集管道，然后通过对数据点变化事件的状态进行监控，主动进行数据推送。数据推送采用EMQ2.0作为MQTT消息服务器。

历史数据查询服务采用PI 本身自带的API 服务进行查询。Web API服务用于处理系统基本操作业务，采用Restful风格建立url请求，包括数据查询、参数修改等业务。

Socket 服务用于接收实时数据服务传输的数据，并与Web页面建立Socket通讯，将实时数据推送到Web页面。

数据修订系统/模块：为防止数据失真，系统利用生产计划输入单元模块，主要对炼铁五台高炉、炼钢四座转炉的停产计划进行人为输入。当系统传输未能自动接收到高炉、转炉的停炉计划时，本单元模块通过人工输入可进行修正，确保预测结果的准确性和可执行性。

另外，系统通过捕捉高炉耗氧量的变化、转炉吹炼时间间隔时长，进行判断其节奏是否发生变化，给出节奏变化的预警信息。同时系统对节奏变化按照预先设定当前时间点前2 h 的加权平均值判断后2 h的变化幅度，计算预测压力。

3 氧气负荷智能预测系统的上线运行及效果验证

建立智能预测系统模型，确立预测算法后，由公司IT 工作人员进行编程，逐步实现以上功能。软件的编程首先建立基于调度系统的日生产计划作为输入模型，计算出各用户的氧气消耗数据；建立基于制氧机组总生产负荷平稳调节的预测输出模型。在模型算法中建立应遵守的基本原则：球罐压力按照两级控制算法，当氧气球罐压力预测超出1.5～2.0 MPa 区间时报警，预测超出1.45～2.3 MPa 区间时系统将自动给出投用汽化或调节制氧机组负荷建议。

预测系统分为历史及实时曲线生成、用户生产节奏监控、制氧机组生产节奏监控、预测报警部分、预测建议部分等。曲线部分包括：用户消耗数据实时监控及预测、球罐压力实时监控及预测曲线、生产负荷数据实时监控及需求预测。用户生产节奏部分包括：炼钢生产节奏及数据监控、高炉生产节奏及消耗数据监控。制氧机组生产节奏部分包括所有制氧机组产量实时监控、汽化量监控、储槽液位监控等。预测报警部分包括安全保障监控报警、设备运行报警，以及报警创建时间等；预测建议部分包括：历史平均、预测平均、生产负荷建议内容等。

4 系统运行效果

系统上线需要经过数据上传、系统试运行、调试再完善、复盘验收、正式投运等环节。自该系统在永锋钢铁有限公司制氧厂上线运行以来，对于生产指导、调度带来极大的方便，实现了调度生产从模糊调度到量化调度，精确调度的转变，生产成本和氧气放散得到了良好的控制。氧气放散率从软件上线之前的4%～5%，下降至当前的3.1%～3.5%。当氧气出现放散时，从氧透出口放散阀开度记录曲线看，放散阀开度从原来放散时最大开度45%下降至5%～10%。球罐压力处于系统1.5～2.0 MPa的时间段由16 h/d左右增加至22 h/d左右,超出1.45～2.3 MPa的时间段下降至1.5～2 h/d。换句话说，就是氧气球罐压力处于最佳允许范围之内，氧透机组恰好处于经济运行区间，压缩机电流很好地控制在额定电流的88.7%～98.8%之间。

5 结束语

氧气负荷调节与稳定供应，是高炉和转炉稳产、高产的最根本保证；降低氧气放散率是最大限度减少浪费，降低成本的措施。

氧气负荷智能预测系统具有广泛的推广价值，尤其适合用户氧气耗量变化剧烈、用氧不均衡的中、大型企业。有利于实现制氧生产系统的精准调节，减少氧气放散浪费，降低生产成本，提高管理效益。对气体公司总调度系统来说，本系统将弥补生产组织管理方面的不足。