湛江钢铁多流耦合节能管理实践和创新

桂其林 赵适宜 李鸿云

(宝钢湛江钢铁有限公司 能源环保部)

钢铁工业是能源消耗大户，目前我国钢铁行业耗能总量约占全国总能耗的15%。钢铁工业节能技术经历四十余年的引进、消化、再创新，1980-2005年，大中型钢铁企业吨钢综合能耗从1 646 kgce/t降到747 kgce/t，下降率为55%；进入“十一五”，吨钢综合能耗下降幅度趋缓，大中型钢铁企业年均节能率只有0.68%；“十二五”以来，随着国家能源体制改革逐步深化，提高了对钢铁能源结构调整要求，钢铁工业生产面临用煤总量、能耗强度和总量、碳排放等硬约束性控制[1]。钢铁绿色低碳转型发展需要节能新理论、节能新技术，以便应对能源、资源、环境的强制约束对行业发展的影响，实现“既要金山银山，又要绿水青山”的新经济发展理念。

分布式能源是近年来非常热门的一个概念，是相对于集中供能的分布式供能方式，利用一切可以利用的资源，辅以集中能源供应系统，实现直接满足用户多种需求的能源梯级利用，达到更高的能源综合利用率。从2009年开始，宝钢股份开始根据钢铁能源负荷的多样性，经过十余年的分布式能源理论和钢铁节能技术结合应用的研究工作，形成颇有成效的钢铁多流耦合分布式能源理论研究和应用。湛江钢铁生产基地(以下简称：湛江钢铁)作为宝钢股份的二次创业项目，一直以技术推广的形式，从宝钢股份引进先进的“源—网—荷—储”钢铁多流耦合分布式能源系统架构设计理念和推广技术，并在应用实践中结合自身生产工艺设备特点创新优化，整体能源管理、节能水平和能源利用效率明显提高。

1 钢铁多流耦合分布式能源理论

钢铁多流耦合分布式能源理论是从系统工程学、冶金工业流程学、分布式能源、物理信息系统等理论进展及核心技术突破出发，在理论研究的基础上，以“多能互补、数据驱动、网储一体、区域平衡、源荷交互、极限能效”为主要技术方案，构建能源结构向低碳清洁转变、多种能源输入最佳匹配多种能源需求、减少集中式能源网络传递或转换损失的新型钢铁分布式能源系统。针对新型钢铁能源系统构建所需关键技术突破，通过理论分析、实验模拟、模型开发、中试试验和应用示范，实现钢铁工艺过程与“源—网—荷—储”分布式能源系统的充分耦合；实现“电力、热力、燃气”等能源网络的互联互储，突破传统集中能源供应与用户相对割裂、不平衡、不协同；实现钢铁能源系统的清洁化、低碳化、弹性化、精细化以及能源价值最大化。

2 基于“源网荷储”为特征的整体能源系统平衡调整技术应用与创新

湛江钢铁采用标准的焦—烧(球)—铁—钢—轧长流程炼钢生产工艺，工业生产所消耗的35种二次能源介质均为自产自用。随着先进冶炼工艺技术的应用、产品结构优化、副产能源回收与利用技术的提高，大多数钢铁企业出现副产煤气、余热蒸汽等二次能源富余情况。因此，湛江钢铁将宝钢股份能源多流耦合经验结合湛江生产工艺、产品及能源结构实际，研究出了有效应用于各种二次能源的产—输—配—消—储需求的“源—网—荷—储”能源平衡优化，对保障全厂能源系统安全稳定供用能、提升能源利用效率、减少能源介质放散损失、减少温室气体排放、建设现代城市花园钢厂等都具有重要的意义。

2.1 多介质系统互联互储研究应用与创新

2.1.1 “燃气、热力、电力”能源网络的平衡优化调整

煤气是钢铁企业中宝贵的二次资源，主要有焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气三种。湛江钢铁一二高炉系统项目煤气系统发生源主要有4座焦炉(65孔)、2座高炉(5 050 m3)和3座转炉(350 t)，借鉴宝钢股份宝山基地成熟、可靠煤气回收利用技术，结合自身特点，发挥自身产品结构、生产工艺、节能技术应用等方面的优势，对煤气系统回收利用进一步优化和提升，煤气回收能满足厂内50多个用户需求，但是在发电机组和煤气柜检修时期还存在较大的高炉煤气放散情形。

为提升煤气系统利用效率，优化煤气系统平衡，减少煤气放散，湛江钢铁一二高炉系统项目配置了2×350 MW可混烧煤气的燃煤机组，其燃料结构的主要特点是可灵活调节煤气混入比，设计煤气混入比例为30%。“多能互补”理论结合生产实践，依据高、焦、转等煤气的热值和生产、需求特性，进一步开展煤气混入配置和机组运行参数的协调优化，实现了煤气混入比例超设计水平稳定运行，日最高煤气混入比例达到60%，在有效平衡调节湛江钢铁煤气系统的同时，大幅减少了发电用煤的投入。2020年湛江钢铁自备电厂全年煤气混入比例达41.2%，相当于减少18.7万tce的发电用煤。

为更好利用烟气余热，湛江钢铁烧结采用“机上炉”技术，直接在烧结环冷机上布置双余锅炉，避免烟气长距离导引的热损失，烧结吨矿产汽量增加35%以上，并根据余热资源富余的实际配套30 MW补汽式发电机组。但是烧结运行状态和蒸汽管网平衡调整等情况使得发电机组经常处于蒸汽不足，而不能满负荷运行甚至频繁停机。2017年湛江钢铁新上1台40 t燃气锅炉，利用富余的高、焦炉煤气生产低压蒸汽，确保烧结余热发电机组的稳定高负荷运行，吨烧结矿发电量可达30 kWh/t以上，达到行业先进水平。

目前，湛江钢铁已在两台发电机组正常运行情况下煤气系统基本平衡，实现零放散。

图1 解析气产生工艺

2.1.2 低品位余热资源利用研究与创新

湛江钢铁地处大陆最南端，气温较高，低品位余热资源回收利用以“逐级回收、温度对口、区域自用”基本原则开展。

烧结机产生的余热烟气，利用两段式余热锅炉进行回收，回收得到的两种不同压力等级蒸汽就近供给补汽发电机组，“源荷交互”转化为电力能源，实现余热资源的充分回收利用。

湛江钢铁配置2条1.5万m3/d的海水淡化机组生产线，利用蒸汽来蒸发海水生产纯水。蒸汽设计来源主要来自低压管网蒸汽，电厂锅炉末端尾汽做补充汽源。经过研究，自备电厂锅炉产生的尾段蒸汽是0.6～0.7 MPa的低压蒸汽，发电效率较低，且与海水淡化需求的蒸汽温度压力对口。依据效率优先原则，减少CDQ和烧结蒸汽的管网供应量，海水淡化蒸汽以电厂锅炉末端尾汽为主要汽源。这样既可提高CDQ和烧结余热发电机组的发电量，又可以降低海水淡化纯水的生产成本。

2.1.3 多能互补的制氢返回气利用实践

湛江钢铁焦炉煤气大制氢项目，采用精制、压缩、深冷、分离工艺，从焦炉煤气提取氢气、天然气后，剩余气体作为尾气(解析气)排放[2]，其工艺流程见图1。

解析气主要成分为一氧化碳、氮气、二氧化碳、碳氢化合物、残留的氢气和甲烷等，具有一定的回收利用价值。但是大制氢工艺在提取氢气、提取天然气以及同时提取氢气和天然气等三种工况条件下，解析气的成本和热值具有很大的波动，且解析气的产生量较大，导致解析气的消纳应用较为困难。

根据“按质用气、品质对口、就近原则”，焦炉煤气使用量大，热值要求相对低，焦炉是距离大制氢最近的大煤气用户，由此选择了焦炉作为大制氢解析气用户。热值计算公式为：

QM=QARA+QBRB

(1)

RA+RB=1

(2)

式中：QM为混合后煤气热值；QA为高炉煤气热值；RA为高炉煤气混入比例；QB为解析气热值；RB为解析气混入比例。

根据公式计算后对主煤气高炉煤气的热值进行修正调整，再对焦炉煤气的流量比例进行调整，这样就可以消除解析气混入的热值波动，保持焦炉使用的混合煤气的压力、热值稳定。

2.1.4 分布式蒸汽自平衡，实现中压蒸汽停运

湛江钢铁中压蒸汽管网为单线管网，发生源为CDQ中压抽汽或减温减压供出，主要用于炼钢RH精炼工艺和宝钢化工生产。中压蒸汽管网全线长约3 km，用户用量小，用户少，压力波动大，疏水损失约3.6万t/a，产生了较大的能源浪费。

通过现场调研，分布式能源技术的应用非常适合解决中压蒸汽管网的问题。湛江钢铁能环部与炼钢厂协同实施蒸汽智能控制平台项目，根据RH生产情况，炼钢内部自动调控中压蒸汽的补入量，实现了正常生产情况下炼钢中压蒸汽的自产自用自平衡；同时利用就近的苏宝化炭黑项目产生的富余中压蒸汽满足宝钢化工的用汽需求，实现了中压管网蒸汽在正常生产情况下的长期停运。同时为解决中压蒸汽管网长期停运产生的管道腐蚀问题，就近引入一路低压蒸汽对中压管网进行保温(用汽量1～2 t/h)。蒸汽发电计算公式(3)和碳排放计算公式(4)为：

ΔQ=250×Δs-178×ΔL

(3)

C=ΔQ×k3

(4)

式中：ΔQ为发电量增加值；ΔS、ΔL分别为中压蒸汽损失量和中压管网保温消耗低压蒸汽量；250 kWh/t、178 kWh/t分别为湛江钢铁余热发电机组中压蒸汽和低压蒸汽的吨蒸汽发电量；C为碳排量；k3为外购电量的碳排放系数6.0 t/万kWh。

计算可知，项目实施后，3.6万t的中压蒸汽损失用于CDQ发电机组发电，可增加余能发电量588万kWh/a，减少外购电成本同时减少温室气体排放3 500 t/a，取得较好的经济效益和社会效益。

2.1.5 废水零排放探索实践与创新

实现废水零排放，是湛江钢铁按照宝武集团“高于标准、优于城区、融入城市”的原则打造城市钢厂，率先实现“三治”，引领能源“三次方”的重要条件之一。

湛江钢铁废水零排放以“三环协同—梯级供用—柔性平衡”为原则，借助水集控智慧系统，从“取、制、供、用、回”各环节进行系统分析，制定治水对策；从循环水(小环)、单水种循环(中环)、全厂水系统(大环)三环协同管理，精准施策；分质供水，废水分类回收、梯级利用；利用应急水池调蓄能力，稳定废水水质和水量，保证稳定运行，从而降低运行成本，减少废水产生量[3]。

2.2 低碳清洁能源项目的研究与应用

钢铁清洁发展需求与分布式能源低碳特征相耦合，增加清洁能源的使用和提升清洁能源利用效率是未来钢铁行业实现碳中和的重要方向和措施之一，湛江钢铁从建厂以来就非常重视低碳清洁能源利用项目的研究和开发。太阳能光伏发电是目前世界上先进的可再生能源利用技术，也是未来能源发展的方向。湛江市地处北回归线以南的低纬地区，年平均日照时数1 817～2 106 h，全年日照充分，太阳能资源较为丰富，适合建设光伏发电项目。

湛江钢铁采用建筑一体化设计在厂房屋面建设太阳能光伏发电站，既能够降低企业生产用电成本，也能够充分体现企业节能环保的先进理念，将在节能减排、优化电力结构、发展循环经济、推动可再生新能源利用、增加绿色能源的使用比例减少温室气体排放、提高环境质量等方面起到良好的作用。目前湛江钢铁水控中心屋顶光伏项目已投运，年发电量约80万kWh；加紧推进热轧、厚板、冷轧等厂房屋面建设光伏发电，预计2021年11月投运，设计年发电量4 489万kWh；策划东山湖水面、原料厂库和地面区域等其他光伏项目，年发电量预计1 521万kWh。厂区光伏发电采用分散逆变、分区并网设计，光伏组件所发直流电经汇流箱(对选择组串式逆变器的厂房无需直流汇流箱)、逆变器、升压变压器，送入10 kV母线与电力系统联网，并在厂区内配置远程数据采集和监控系统。

2.3 基于数据驱动的源荷交互技术研究与应用

智慧制造是中国宝武引领中国钢铁高质量发展的一个重要举措，针对钢铁流程的智慧制造提出了“四个一律”工作要求。2019年，湛江钢铁以《智慧制造2019-2024专项规划》为纲要，以三高炉系列项目建设为契机，在全公司范围开展智慧化升级。

2.3.1 智慧能源管控系统

湛江钢铁能源管理系统(原EMS)定位为能源L2在线生产管控系统，主要为能源调度服务，满足日常能源调度、能源生产指挥需要。随着全流程能源精细化管理、在线系统智慧化管控要求的提高，原EMS系统已渐渐不能满足钢铁流程的能源智慧管理的需求。

湛江钢铁在原EMS的基础上，建设智慧能源系统(SEMS)，利用“多网互融、数据驱动、网储一体”理论，以“智能化驱动，可视化支撑，面向未来”作为基本原则，借助湛江钢铁强大完整的大数据库，提升工作效率，实现精细化管理，转变能源管理模式，科学分析企业用能结构和节能潜力，促进钢铁工业节能减排、健康发展。系统实时数据的在线采集处理，以历史运行数据和生产/检修计划、实时生产信号为分析基础，结合工业能源智能优化计算平台搭建的智能化模型、机理结构和工业生产过程中一些既定因素(例如考虑到高炉的休风、减风过程以及每个高炉的不同特性，建立煤气的休风、减风模型等)，实现对电力、煤气、蒸汽等能源的发生、使用量以及缓冲设备相关变量(如压力、柜位等)的未来趋势进行预测。进而以各系统的预测结果为数据基础，构建多能源耦合优化调度模型，并对其进行模拟与评估，给出最优的调度方案，实现钢厂能源调度系统的智慧化运行。

2.3.2 智慧化水集控系统

湛江钢铁水系统原有15个分散的操作室，分别对中央水厂以及高炉后各主工艺单元循环水系统(高炉循环水、炼钢北循环水、炼钢南循环水、厚板循环水、热轧循环水、1550冷轧循环水、2030冷轧循环水)及其它47个水系统及管网进行监控或监视管理，需要操作员工多，相互间协调处理流程长。通过对全厂水系统相对分散的15个操作室进行整合，建设水集控系统、水系统数据中心，利用集控技术、工艺过程数字化、大数据分析量化技术、图像识别技术等核心模型应用技术，推动生产操作一体化、设备维检一体化、调度管理一体化，实现水量与水质的动态平衡，实现“生产监控一幅图、全厂水量一张表”。 经过近一年的生产考验，系统运行稳定可靠，2020年吨钢新水消耗降低7%，水质达标率超过98%以上，药剂消耗降低35%以上，人员劳动效率提高30%以上，进一步提升了废水回用率，降低了排污量及管网漏损量，有效促进了行业首创的废水零排放，“三滴水 一粒盐 水集控”成为湛江钢铁水系统名片[3]。

2.4 湛江钢铁跨行业的循环经济园区能源互供

根据国家发改委2012年《关于广东湛江钢铁基地项目核准的批复》中要求，湛江钢铁项目要促进区域内相关产业协调发展，进一步做好资源能源配置，实现循环经济。湛江钢铁基地毗邻中科(广东)炼化有限公司(以下简称“中科炼化”)、靠近湛江巴斯夫(广东)一体化项目，为贯彻落实国家发改委批发的意见，综合三大企业的能源情况，合理优化能源使用结构，打造国内首个产业链接互动的国家级循环经济示范区。节约园区内公司的装备资源和运行成本，实现废气的循环利用，减少废气排放量，既有利于环境保护，又节约资源，达到多方共赢的目的。

循环经济园区以“减量化、再利用、资源化”为原则，充分利用湛江钢铁富裕焦炉煤气制氢气和天然气，制取的产品液化天然气(LNG)一部分气化后，经管网供给湛江钢铁高强钢机组和三冷轧使用，富余的液体产品可充装LNG槽车外销市场；氢气产品一部分满足湛江钢铁自己需要，一部分满足中科炼化调试期及投运初期的氢气需求，并对中科炼化的氢气用气提供安全保障，未来还可满足巴斯夫项目的用气需求。制气产生的解析气可返供给湛江钢铁作为焦炉的燃料使用。同时湛江钢铁制氧系统富余生产能力可满足未来巴斯夫项目的氧氮需求。

3 湛江钢铁能源多流耦合技术应用效果和展望

湛江钢铁在探索多流耦合节能管理理论和钢铁生产实践相结合的过程中，实现了全厂的废水零排放，能源利用效率大幅提升(2020年吨钢综合能耗较2017年下降率5.25%，吨钢水耗较2017年下降率为18.92%)，并形成相关的6项发明专利、15项技术秘密。

湛江钢铁将继续深挖钢铁多流耦合节能管理潜力，尤其是在低碳清洁能源利用、低品位余热资源利用、能源智慧化管控等方面还大有可为，为钢铁行业绿色低碳转型发展、实现钢铁企业碳中和提供优秀的实践案例。