（控制理论与控制工程专业论文）基于钢铁企业仿真平台的能源评价分析.pdf

原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论 文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。 柞者签名：墨盎望 日 期：12 1 2 ：! ：! p 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解冶金自动化研究设计院有关保留、使用学位论文的规 定，即：自动化院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅， 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名：襄点明 日 期：z o t o i o 导师签名：妲 日 期：兰! ! ! ：! ：f9 摘要 摘要 介绍了一个钢铁企业的仿真系统，该系统能够根据输入的钢铁制造流程、生产 作业计划、中间缓冲能力和二次能源转换输配方案等，产生各设备能源消耗情况的数 据。通过对该数据进行计算，可以分析各能源介质在能源使用、能源回收和转换输配 三个环节动态变化情况，分析评估各环节的效率和流程综合效率；为钢铁企业能源系 统的设计方案和运行策略的对比和优化提供定量分析手段。 本文的工作为编程实现一个分析软件，对该数据进行计算处理，力求对钢铁企业 能源的情况进行评价。该软件分主工序、调控、回收、全流程四个模块。采用的评价 方法有热平衡法、成本分析法和能级差分析法。 其中，主工序部分重点对焦化、烧结、球团、高炉、转炉、连铸、冷轧、热轧等 工序的能耗进行评价；调控部分分为燃气调控、蒸汽调控、电调控和其他调控；回收 部分指主工序的余热余能回收，主要设备为t r t 和c d q 。全流程用以评价整个钢铁 企业的能耗水平。 。关键词：钢铁；能源评价；热效率；能级 a b s t r a c t a b s t r a c t as i m u l a t i o ns y s t e mo fi r o na n ds t e e le n t e r p r i s ew a si n t r o d u c e d a n dt h i ss y s t e m c o u l dp r o d u c et h ed a t ao fe n e r g yc o n s u m i n gs i t u a t i o ni ne v e r ye q u i p m e n tm e n t i o n e d ，b y i n p u t t i n gs t e e lm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，p r o d u c t i o nt a s kp l a n n i n g ，m i d d l eb u f f e r i n gc a p a c i t y a n dc o n v e r s i o ns o l u t i o n so fs e c o n d a r ye n e r g y b yc o m p u t i n gt h i sd a t a , w ew e r ea b l et o a n a l y z et h ed y n a m i c a l l yc h a n g i n gs i t u a t i o no fe a c he n e r g ym e d i u mi nt h r e ep a r t so fi t s u s a g e ，c o n v e r s i o na n dr e c y c l i n g ，e v a l u a t et h ee f f i c i e n c yo fe a c hp a r ta n do v e r a l le f f i c i e n c y o ff l o wp r o c e s s ，a n df i n a l l yp r o v i d eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sm e t h o df o rt l l ec o m p a r i s o na n d o p t i m i z a t i o no fd e s i g ns c h e m ea n do p e r a t i o ns t r a t e g yi ne n e r g ys y s t e mo fi r o na n ds t e e l e n t e r p r i s e i nt h i sa r t i c l e ，t h es o f t w a r e ，w h i c hd e a l tw i t ht h i sd a t a ，w a sr e a l i z e db y p r o g r a m m i n g t h i ss o f t w a r ec o n s i s t so ff o u rm o d u l e sw h i c ha r em a i np r o c e s s ，r e g u l a t i o n ，r e c y c l i n ga n d w h o l ep r o d u c t i o nr o u t e a n dt h ea s s e s s m e n tm e t h o d sw eu s e dw e r eh e a tb a l a n c em e t h o d ， c o s ta n a l y s i sm e t h o da n de n e r g yl e v e ld i f f e r e n c em e t h o d t ob ed e t a i l ，t h em a i np r o c e s sf o c u s e do nc o k i n g ，s i n t e r i n g ，p a l l e t i z i n g ，b l a s tf u r n a c e ， c o n v e r t e r , c o n t i n u o u sc a s t i n g , c o l dr o l l i n g ，h o tr o l l i n ga n ds oo n ；t h er e g u l a t i o nw e r em a d e u po fg a sr e g u l a t i o n ，s t e a mr e g u l a t i o n ，e l e c t r i c i t yr e g u l a t i o na n do t h e rr e g u l a t i o n ；t h e r e c y c l i n gi n c l u d e dt h er e c o v e r yo fw a s t eh e a ta n dw a s t ee n e r g yi nm a i np r o c e s s e s ，w h e r e t h em a i ne q u i p m e n tw a sb l a s tf u r n a c et o pg a sr e c o v e r yt u r b i n eu n i t ( t r t ) a n dc o k e d r yq u e n c h i n g ( c d q ) ；t h ew h o l ep r o d u c t i o nr o u t ea i m e da te v a l u a t i n gt h el e v e lo f e n e r g y c o n s u m i n gi nt h ew h o l ee n t e r p r i s e k e y w o r d s ：i r o na n ds t e e l ；e n e r g ya s s e s s m e n t ；h e a te f f i c i e n c y ；e n e r g yl e v e l 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 1 i 目 录i i i 第一章概论1 1 1 能源评价分析概述1 1 2 国内外的研究情况2 1 2 1 能量评价分析在国外的发展：2 1 2 2 能量评价分析在国内的发展4 1 3 课题背景及意义5 1 4 本文所做的工作6 1 5 论文结构安排8 第二章主工序能源系统9 2 1 主工序概述9 2 2 评价指标9 2 3 软件实现1 0 2 3 1 输入数据1o 2 3 2 流程图1o 2 3 3 输出结果及实例分析1 1 第三章能源调控系统。1 4 3 1 燃气调控1 4 3 1 1 评价指标：1 4 3 1 2 软件实现15 3 1 3 应用实例1 6 3 2 蒸汽调控18 3 2 1 评价指标18 3 2 2 软件实现1 9 3 2 3 应用实例2 0 3 3 电调控2 l 3 3 1 评价指标2 1 3 3 2 软件实现2 2 3 3 3 应用实例2 3 3 4 其他调控2 5 3 4 1 评价指标2 5 3 4 2 软件实现2 6 第四章能源回收系统2 7 4 1 能源凹收概述2 7 4 2 能级分析法2 7 目录 4 3 纯余热回收2 8 4 4 非纯余热回收。31 4 5 软件实现31 4 6 应用实例。3 2 第五章全流程能源系统3 4 5 1 评价指标3 4 5 2 软件实现3 4 5 3 各种影响因素下的评价3 4 5 3 1 主工序的评价3 5 5 3 2 能源调控的评价3 5 5 3 3 能源回收的评价4 0 第六章总结与展望4 4 6 1 研究成果及仓i j 新点4 4 6 2 不足和展望4 4 参考文献4 5 附录1 能源介质的折算系数和价格表4 7 附录2 攻读学位期间发表论文列表。4 8 s 【谢4 9 第一章概论 1 1 能源评价分析概述 第一章概论 当前，能源问题已经成为世界性的突出问题，如何节约用能受到广泛的关注，钢 铁企业是国民经济中的耗能大户，对其的能源评价分析关系重大。下面我们将介绍人 们使用的两种热力学分析方法。 热力学分析从其诞生起就走着两条不同的路线【l 】：一是在卡诺和克劳修斯所奠定 的理论基础上经过长期的运用而形成，利用系统能平衡概念进行分析的方法。它可以 进行各种技术经济指标计算，从而评估其完善程度。其方法论是把所分析的系统与卡 诺理想循环进行比较，看它能接近的程度来评价其优劣。一部热力学发展的历史可概 括为这种使实际循环向理想循环接近的不断追求中发展起来的。因此，这条路线比较 深入人心。再加上简单易行，使之形成不易改变的习惯，这就是人们常说的“热力学 第一定律分析法”，迄今仍在控制着相当的领域。但人们知道这种方法不能反映能的 质方面，这一因素是其一大缺欠【2 1 。 第二类方法基本上是以吉布斯的理论为基础，利用热力学势的概念而形成的方 法。吉布斯所推导出的自由焓和亥姆赫兹推导出的自由能分别成为开口系与闭口系的 计算基础，进而演化成为第二定律分析中的“炯”，此媚_ 撕果一定要称它为“参数”， 那么它就应该是系统与环境共有的参数，是它们之间的势参数。因为它不但取决于系 统的参数，而且也取决于环境，因此用可靠的方法选定热力学势或基准就成了此法的 关键，这类方法就是人们所说的“热力学第二定律分析法( 当然还包括熵分析和损 失功分析等) ，即炯分析法。 从上面我们可得，传统的基于热力学第一定律的能量平衡分析法只是从数量上考 察用能和节能，导致人们把注意力集中于如何减少系统的能量的泄漏和排放，以提高 能量的利用率。而基于热力学第二定律的炯分析，从炯| 量不守恒的数量关系上来考察 用能和节能，由此可以得到另一个评价用能过程优劣的准则：炯效率7 7 ，。，即输出炯 占输入炯的比例。这个准则可以获得所供应的能量中的炯有多少得到了利用的信息， 但是不能获得所供应的能量的质量是否符合用户需要的信息。鉴于此，学者杨东华将 1 第一章概论 能级差，即系统输入能量的能级与用户所需能量的能级之差，作为能量利用合理性指 标，于1 9 8 2 年提出了一种新的能量分析方法【3 】，即能级分析法，学者钱立伦、刘桂 玉【4 】等对能级分析评价指标等问题也进行了研究。 能级定义为炯值e 。与相应的总能量e 之比，即： q ：生 ( 1 1 ) 岂 所谓能级分析，就是依据能平衡与煳平衡原理，以能级匹配和减少能量损失为用 能思想，以供、用户的能级差q 和第一定律效率仇作为能量利用合理性的质量和数 量水平的两个定量准则【5 1 。这两者合在一起就能全面反映能量利用过程的质量和数量 水平。 下表是对这三种评价方法的比较【6 1 。 表1 - 1 用能评价方法的比较 对比项 能量平衡( 热平衡) 炯| 平衡能级平衡 理论基础热力学第一定律热力学第一定律和热力学第一定律和第二定 第二定律律 评价准则 能效率r ,炯效率i 。能效率r ，和能级差a f 2 存在问题忽略了能量的质未考虑所需能量的 量的要求质量是否符合需要 方法实质能量的数量平衡炯的数量平衡能量的数量和质量平衡 1 2 国内外的研究情况 1 2 1 能量评价分析在国外的发展 1 8 6 8 年，泰特( p g t a i t ) 第一次使用了可用性的概念，理论理论上确定了热 量中的有效部分为( 1 一争) q 与无效部分争q 。1 8 7 1 年，麦克斯韦( m a x w e l l ) 第一次 使用了可用能的概念，并于1 8 7 5 年用封闭系统达到死态时的可逆净功表示系统的可 用能。1 8 7 3 年，吉布斯( g i b b s ) 第一次导出了我们通常使用的封闭系统内能炯的公式， 即把净功扣除对环境的容积功以后的封闭系总功输出作为物质的可用能，即： 第一章概论 阡么= ( u l + e o k t o s i ) 一( u o + e o v o r o s o ) ( 1 - 2 ) 式中，呢指物质的可用能，u l 指物质的内能，p o 指环境的大气压，v l 指物质的 体积，t o 指环境的温度，s i 指物质的熵，0 下标表示该物质在环境状态下的各参数。 到1 8 9 8 年，斯托多拉( s t o d o l a ) 研究了工程实践上有重要意义的稳定物质流， 导出了稳定介质流的最大技术功，即 陟，m 瓠= ( h l t o s i ) 一( h o t o s o ) 式中h 代表焓值。 ( 1 3 ) 至此，炯概念基本建立起来。人们试图用“炯”这个函数来描述一般能量中最大 的可转换为功的分额，并以此来衡量能量的品质。但由于炯函数及概念抽象难懂，当 时又没有什么实际的应用，因此长期没能引起广泛注意。随着能源危机的出现，能源 价格的不断攀升，使得有效利用能源的重要性日益迫切，炯分析法才在现代工程热力 学中占有一席之地【7 j 。1 9 5 6 年郎特( z r a n t ) 为了统一名称，将它定名为e x e r g i e 而 得到了公认【6 j 。1 9 5 7 年由南京工学院动力系将e x e r g i e 译为炯。 炯的确切定义是，一定形式的能量或一定状态的物质，经过完全可逆的变化过程 后( 传热、传质、化学反应等等) ，达到与环境完全平衡的状态，在这个过程中该能 量或物质所能做的最大功称为炯，用符号e 表示。显然功的炯是功本身。热量的炯 可通过卡诺定理计算得到1 7 】： e _ ( 1 ) q ( 1 4 ) 式中q 为热量；t o 和t 分别为环境温度和系统温度。由此可见，热量中仅有一 部分是煳，温度愈接近环境温度，炯所占的比例愈小。所以热能是一种品位随着温度 变化的能量。 第一章概论 此外，各国工程热物理科学工作者作了大量关于炯的基础研究工作以及它在各个 领域罩的应用的研究。 等) 。 加拿大的m a r ca r o s e n 提出能量和炯盼析的步骤【8 l ： 1 ) 根据能源分析的需求细分工序。 2 ) 进行传统的工序质量和能量平衡，并测定基本量( 功、热等) 和特性( 温度、压力 3 ) 基于工序、可接受的分析复杂度、精度和解决的问题，选择基准环境模型。 4 ) 参照所选的基准环境模型，估算能量和炯的值。 5 ) 进行婀 平衡，包含焰捎耗的估计。 6 ) 依据所需测量值的特点，选择效率公式并评估这些效率值。 7 ) 解释结果，并给出合适的结论、建议和当前设计改变或有所调整时这些情况 的变化趋势。 1 9 6 1 年，郎特提出了能级q 的概念。 1 2 2 能量评价分析在国内的发展 1 9 5 7 年，东德艾勒斯纳( n e i s n e r ) 教授来华讲学，将炯这个概念介绍到我国来 后，引起了我国工程热物理和化学工程的科技工作者的关注，开展了为数不少的研究 工作，而且工作越来越深入【6 1 。 1 9 8 0 年，杨东华提出了能级平衡的思想。1 9 8 1 年，杨东华提出了四种工程意义 明确的炯效率定义，并分别对各种具体情况提出了各类热工设备合理的炯效率。同年， 吴幼奋给出了外部炯损失的明确定义，并提出了冶金设备和冶会工艺过程的婀激率定 义p j 。1 9 8 2 年，廖白霞，何耀文，蒋楚生为分析复杂系统的内部情况，提出了能量单 元的概念，由此提出了串联、并联、逆联组合的炯效率的定义【1 0 1 ，1 9 8 2 年，杨东华 第一章概论 又提出了能级平衡理论。 由于基于熵概念的炯方法理论上比较抽象，难以理解，特别是炯的计算很复杂， 很少有公认的精确的模型，媚扮析和能级分析在我国各领域应用还不够广泛，有待进 一步推广。 1 3 课题背景及意义 基于热力学第一定律的分析方法目前在国内占有主流地位，在钢铁行业，东北大 学陆钟武教授提出的e p 分析法即具有代表性。钢铁企业的能耗指标主要包括综合能 耗、单位综合能耗和可比综合能耗三个主要指标。 钢铁企业常用的吨材( 吨钢) 综合能耗【1 1 1 为： 乓= 弓易 f = l ( 1 - 5 ) 式中e l 指钢铁生产工序i 生产单位产品所需的工序能耗 b 指钢铁生产工序i 的材比( 钢比) 系数 孙贻从【1 2 1 通过对马钢煤气平衡状况进行调查分析，探讨了大型钢铁联合企业煤 气的平衡问题，并指出了改进措施。 韩仁志【”1 等利用大量的能耗与物耗统计数据，将人工神经网络运用于轧钢工序能 耗分析中，找出了其中的规律。 王维兴【1 4 1 分析了2 0 0 8 年我国重点钢铁企业吨钢能耗和工序能耗，提出了降低能 耗的一些技术措施和办法。 东北大学的蔡九菊【1 5 1 等依据热力学第一、第二定律推导了与热效率和能级差关联 的炯激率表达式，用炯激率和产品能耗改变量等评价指标比较了若干典型余热回收技 术的优劣，给出了它们中的推荐模式及其节能效果。 p e t e rm i c h a e l i s 1 6 】等应用娟擞率法分析了钢铁生产的全生命周期内的能源消耗情 况，瑞典的g o r a nw a l l 1 7 】也应用该方法分析了整个社会的可持续用能情况。 以上的评价分析结果都是基于长期静态的数据而得出的，而钢铁企业的生产已经 同益趋向紧凑化，短时动态实时的数据的获取和评价分析就成为了必要。 美国的g i r i s hs u d h i rb h a v e 1 8 】设计开发了一个钢铁企业的能量供应链仿真模型， 第一章概论 并用该模型分析了施加不同控制策略和决策时，蒸汽的消耗情况，每步的仿真时间约 为8 分钟。 浙江大学的江文德【1 9 】等，以能源系统数学模型为基础、建立能源调度问题的数学 规划描述，进行了钢铁企业能源动态平衡与优化调度问题研究和系统设计。 上述两个文献所用评价方法均为传统热平衡理论，即为从能量的数量上对相关的 能源介质进行评价，未从质量上对用能进行评价。 本文基于动态的仿真平台，结合传统的热平衡分析法和能级分析法，对钢铁企业 用能的合理性进行了评价，为钢铁企业能源系统的设计方案和运行策略的对比和优化 提供定量化分析手段。 1 4 本文所做的工作 本文介绍的钢铁企业仿真系统如图1 1 所示。各工序生产环节能量模型由生产计 划驱动，产生能量需求和可以回收能量的信息，多种能源介质动态调控单元将根据这 些信息，结合优化目标，控制能源的外购和自产。其中，多种能源介质动态调控单元 由四个分介质能源调控模型构成，它们分别是燃气调控模型、蒸汽调控模型、电调控 模型和其他调控模型( 包括技术气体、压缩气体和水) 。这些模块由其他人完成。 基于上述工作，该仿真平台可以得到主工序、分介质的调控部分和回收部分的能 源数据，通过对其的仿真计算，可以分析各能源介质的能源使用、能源回收、能源转 换输配三个环节动态变化情况，分析评估各环节的效率和流程综合效率；分析对比各 种钢铁制造流程、生产作业计划、中间缓冲能力和二次能源转换输配方案对能耗和效 率的影响，为钢铁企业能源系统的设计方案和运行策略的对比和优化提供了定量的分 析手段。本文的工作是获取他们的数据，对整个系统的运行情况进行评价分析，即实 现下图1 2 的最后一个框图的工作。编程环境为v s 2 0 0 s + s q ls e r v e r 2 0 0 0 。 第一章概论 图1 - 1 仿真系统 输入生产计划 确定流程工艺路径及工序单元选择 各工序单冗能量模型组态 生成作业计划和维修计划 确定计算刷期( 分钟、小时、天、周) 计算周期+ 1 ： 确定奉周期的调控机制：正常异常 按生产流程顺序依次调丁序能量模型 汁算结果：产量、能耗量、可刚收量 循环，直至产量满足生产计划 各t 序单元能量模型、回收设备模型计算： 启停 汁算各种异动标志和影响到的输出量计 算各种介质消耗量 计算各种介质町酬收量 计算各种异动标志和影响到的输出量 计算结束，输_ | ；计算结果： 能量消耗值，能量町i 口| 收值 再l t 序单位产量能耗 伞流程单位产量净能耗 各种影响洲素与上述结果关系分析 图1 - 2 仿真计算流程 一7 第一章概论 1 5 论文结构安排 本文第一章介绍了三种能量评价分析方法，及其在国内外的发展，一个钢铁企业 的仿真系统，该系统的总体构架，其他人和本人负责的部分。下面分四个章节分别介 绍本人开发的软件的四个模块，即第二章介绍了主工序能源系统，及其评价指标，给 出了该部分的软件实现，并进行了实例分析；第三章介绍了能源调控系统，该部分主 要是对仿真系统的调控的结果进行评价，并分析展现了在不同工况下的调控结果；第 四章介绍了能源回收系统，应用能级分析法，进行了实例分析；第五章介绍了全流程 系统，它综合了前面三个模块的内容，可以从总体上评价仿真的结果。第六章对本文 所做的工作进行了总结和展望。 第二章主工序能源系统 2 1 主工序概述 第二章主工序能源系统 本文涉及的钢铁企业的主工序包括：焦化、石灰窑、烧结、球团、高炉、转炉、 钢包精炼、r h 精炼、c a s 精炼、连铸、热轧、冷轧等。它们统一由工序i 表示，例 如工序l 为焦化，工序2 为石灰窑，以此类推( 下同) 。 能源介质包括：高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气、混合煤气、高压蒸汽、中压蒸 汽、低压蒸汽、电、压缩空气、氧气、中压氮气、低压氮气、氩气、水、洗精煤、无 烟煤、冶金焦、焦面、汽油、柴油、焦油、粗苯、氢气、天然气、煤粉和动力煤等。 它们统一由介质j 表示，例如介质1 表示为高炉煤气，介质2 为焦炉煤气，以此类推 ( 下同) 。 其中，高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气、混合煤气、压缩空气、氧气、中压氮气、 低压氮气、氩气、水、氢气和天然气的单位为立方米，电的单位为千瓦时，其他的均 为吨( 下同) 。 本文计算的所有介质的能量单位均为吨标准煤，成本单位为元。 2 2 评价指标 根据钢铁企业的特点，为了便于评价分析各个工序的能耗情况，选取吨钢使用能 源量，吨钢产出能源量，吨钢工序净能耗、吨钢工序净成本作为评价指标。为便于后 续评价，选取辅助量吨钢主工序外购能量和吨钢主工序外购成本，以一个仿真步长( 一 个小时) 为例，它们的计算公式为： e ( c o n fxe n ，) p d ，= 上丽沥一 ( o u t f e n j ) p 咖，5 上面；苫r p n e t f = p u s e d f p o u t j ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 第二章土工序能源系统 ( c o n 驴xp r i ，) 一( o u t 妒xp r j ) p n e t c o s t ：= l 一 ( 2 - 4 ) 1 p s t e e l p b u y = ( p b u y _ ，xe n ，) p s t e e l 一 ( 2 5 ) ( p b u y j x p r i ) p b u y c o s t = j 一 ( 2 6 ) 一psteel 式中p u s e d f ，p o u t _ f ，p n e t i ，p n e t c o s t f ，p b u y ，p b u y c o s t 分别指工序i 吨 钢使用能源量，工序i 吨钢产出能源量，工序i 吨钢净能耗、工序i 吨钢净成本，吨 钢主工序外购能源量和吨钢主工序外购成本；c o b 移指工序i 消耗的介质j 的量；d “勺 指工序i 产出的介质j 的量，即回收的副产品、煤气、余热余能等工序产出的能源介 质；e n ，指介质j 的折算系数( 下同) ；p r i ，指介质j 的单位价格( 下同) ，p b u y ，指 主工序外购的介质j 的量，即主工序正常生产直接需要的外购；p s t e e l 指该仿真时间 段的钢产量( 转炉产出的钢坯) 。 2 3 软件实现 2 3 1 输入数据 该模块输入的数据来源于工序单元模型产生的数据，即主工序介质的消耗和产出 数据，外购的能量介质，当前时间段的钢产量，各介质的折算系数和单位价格表，该 表见附录1 。 2 3 2 流程图 该模块的流程图如图2 - 1 所示，程序主要计算过程由数据库的存储过程完成，可 以大大提高程序的执行效率。 第二章主t 序能源系统 2 3 3 输出结果及实例分析 图2 - 1 主工序评价流程 输出为各工序的吨钢使用能源量，吨钢产出能源量，吨钢工序净能耗，吨钢工序 净成本，吨钢主工序外购能源量和吨钢主工序外购成本。 本例将以某长流程钢铁公司的各项参数，建立模型，分析该企业主工序的能耗和 成本情况，经过一个小时步长的仿真计算，可以得到各工序净能耗如表2 1 ，按公式 ( 2 1 ) 至公式( 2 4 ) 计算后，可得数据见表2 2 和2 3 ，其中，表2 2 和表2 3 的单 位中的钢坯为转炉的钢产量。本模块重点比较该企业内部各工序情况，即表2 2 和表 第二章主_ t 序能源系统 2 3 所示数据。 流程内各工序净能耗展示如图2 2 ，净成本展示如图2 3 。其中，精炼包括钢包 精炼、c a s 精炼和r h 精炼。从这些图中我们可以得到如下结论：高炉工序能耗所占 比重最大，其次是冷轧，热轧、焦化和烧结四个工序，它们之和超过总能耗的9 0 ， 故这几个工序的节能，对整个主工序降耗的影响至关重要。 高炉的成本也是最大的，其次是转炉、冷轧、热轧，这四个工序的总和超过8 0 。 值得关注的是，焦化的成本为负值，即该工序在能源介质消耗产出方面是盈利的，原 因为其产出了焦油、粗苯等价格较高的介质( 具体见附录1 的介质价格表) ；转炉的能 耗虽然较低，但成本占了很大一部分，原因为价格较贵的氧气消耗了很多，超过其净 成本的7 5 ；冷轧在能耗和成本中均占有较大比例，原因为电的消耗较多，特别是电 的成本占到该工序的一半以上。总体来说，高炉的节能和降成本对整个钢铁企业的影 响是最大的。 表2 - 1 工序净能耗( 千克标煤吨产品) i 焦化l 石灰窑l烧结i 球团l高炉l 转炉i 精炼i连铸 l 热轧l 冷轧i i 9 7 6 39 7 8 i 6 9 1 02 1 1 7 i 3 8 2 0 79 4 8 i 2 2 08 0 43 7 9 4 f1 2 5 3 0i 表2 - 2 流程内各工序净能耗( 千克标煤吨钢坯) i 焦化i 石灰窑i 烧结l 球团f高炉l 转炉i 精炼i 迮铸l 热轧i 冷轧i i 3 9 7 1 l 3 9 8 i 2 8 11 i8 6 1i 1 6 1 3 5 i 9 4 82 0 9 l4 2 3i 3 4 4 5 i 3 9 3 0 表2 - 3 工序净成本( 元吨钢坯) i 焦化i 石灰窑i烧结i 球团i 高炉i 转炉i 精炼l 连铸l 热轧i 冷轧i 1 0 2 5l 1 9 5 l 2 5 9 0 i 7 3 3 i 6 2 9 5 l 5 1 4 1 i 4 9 78 7 7 l 3 2 2 3 i 4 8 9 4 l 第二章主工序能源系统 图2 - 2 流程内各工序净能耗 图2 - 3 工序净成本 1 3 第三章能源凋控系统 第三章能源调控系统 本章涉及到的能源设备为：c c p p 、c h p 、锅炉、减温减压装置、煤气混合站、 煤气加压站、制氧、空压机、供水、海水淡化、原水处理和污水处理等。 3 1 燃气调控 该部分涉及的能源介质主要为高炉煤气，焦炉煤气和转炉煤气等。 3 1 1 评价指标 该部分对燃气调度的结果进行评价，评价指标为各煤气吨钢煤气放散量，煤气 放散率，辅助量为吨钢燃气外购部分能源量，吨钢燃气外购部分成本，吨钢燃气外销 部分能源量和吨钢燃气外销部分金额，以一个仿真时间步( 一个小时) 为例，它们的 计算公式为： g v e n t ：)i g v e n t jx enj(3-1 。p s t e e l g 您，z 舭尸，：g v e n t j ( 3 - 2 ) j g r e c i ( g b u y e n ，) g b u y = j 一 ( 3 3 ) 一p s t e e l ( g b u y ，xp r i ，) g b u y c o s t = 一 ( 3 - 4 ) 。psteet ( g s a l e ，e n ) g s a l e = 一 ( 3 5 ) p s t e e l z ( g s a l e xp r i ) g s a l e r m b = 土一 ( 3 - 6 ) p s t e e l 式中，g v e n t ，g v e n t p e r j ，g b u y ，g b u y c o s t ，g s a l e ，g 铴枷历6 分别指吨钢 煤气j 放散量，煤气j 放散率，吨钢燃气外购部分能源量，吨钢燃气外购部分成本， 第三章能源调控系统 吨钢燃气外销部分能源量，吨钢燃气外销部分金额；g v e n t j 指煤气j 的放散量，g b u y ， 指燃气部分外购介质j 的量，g s a l e ，指煤气j 外销量，煤气j 指高炉煤气、焦炉煤气 和转炉煤气。 3 1 2 软件实现 1 ) 输入数据来源于分介质模型的燃气模块，包括各煤气的回收值，直接用户消 耗值，缓冲用户消耗值，放散量，该仿真时间步的钢产量，燃气部分外销煤气量，燃 气部分外购各介质量，介质的折算系数和单位价格表。 2 ) 程序流程如图3 1 所示。 图3 - 1 燃气调控评价流程 一1 5 第三章能源调控系统 3 ) 输出为各煤气的吨钢回收值，吨钢直接用户消耗值，吨钢缓冲用户消耗值， 吨钢放散量，放散率：吨钢燃气部分外购能源量，吨钢燃气部分外购成本，吨钢燃气 部分外销能源量和吨钢燃气部分外销金额。 3 1 3 应用实例 基于上节的软件实现，我们将评价分析基于某小型钢铁企业的数据的仿真系统的 燃气调控系统。以典型的高炉煤气为例，仿真时间步长为一个小时，所得结果数据见 表3 1 。从表中可得高炉煤气的放散率约为7 5 ，下图3 2 展示了该表中的数据，从 图中易知该企业高炉煤气的缓冲能力不足，经合理调控，即加一备用的额定功率为 2 m w 的c h p ，则可以完全消耗原来需要放散的高炉煤气，即缓冲用户消耗掉了全部 的原放散量，使放散量为零，最后结果见图3 3 。 第二章能源调控系统 表3 - 1 调控前高炉煤气的消耗情况( 吨标煤) 对应项 高炉煤气高炉煤气直 高炉煤气缓 高炉煤气放 时间回收接用户冲用户散 14 2 6 43 5 0 64 7 62 8 2 24 2 5 83 5 0 14 7 72 8 0 34 5 4 43 7 3 64 5 23 5 6 44 3 0 43 5 3 94 5 7 3 0 8 54 3 5 43 5 8 04 6 43 1 0 64 4 9 03 6 9 24 5 2 3 4 6 74 3 5 83 5 8 3 4 5 73 1 7 84 5 4 83 7 3 94 5 2 3 5 6 94 5 1 43 7 1 2 4 5 23 5 0 1 04 3 7 73 5 9 94 5 23 2 6 l l4 3 9 83 6 1 64 5 2 3 3 0 1 24 6 1 23 7 9 24 5 2 3 6 8 1 34 4 2 93 6 4 24 5 2 3 3 5 1 44 5 0 63 7 0 54 5 2 3 4 9 1 5 4 2 9 4 3 5 3 l4 5 23 1 l 1 64 4 7 l3 6 7 64 5 2 3 4 3 1 74 5 0 33 7 0 24 5 23 4 8 1 84 5 5 l3 7 4 24 5 23 5 7 1 94 4 4 63 6 5 54 5 23 3 8 2 04 3 0 73 5 4 l4 5 23 1 3 2 l4 2 1 03 4 6 24 5 72 9 2 2 24 3 2 03 5 5 24 6 92 9 9 2 34 2 5 63 4 9 94 7 72 7 9 2 44 5 1 03 7 0 84 5 23 5 0 图3 2 调控前的高炉煤气消耗情况 1 7 第三章能源调控系统 3 2 蒸汽调控 图3 - 3 调控后的高炉煤气消耗情况 该部分涉及的能源介质为高压蒸汽、中压蒸汽和低压蒸汽，均以蒸汽j 表示。 3 2 1 评价指标 该部分评价蒸汽系统的调度结果，评价指标为吨钢蒸汽放空量，蒸汽放空率，辅 助量为吨钢蒸汽外销能源量和吨钢蒸汽外销金额，以一个仿真时间步( 一个小时) 为 例，它们的计算公式为： s v e n t ，e n ， s v e n t ，= l 二( 3 7 ) p s t e e l 7 妣胞。= 鼍 s s n l e = ( s s a l e e n ，) j p s t e e l ( j 勋跆，p r i y ) ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) s s a l e r m b = _ = _ 一 ( 3 1 0 ) p s l e e l 一 式中，s v e n t ，s v e n t p e r j ，s s a l e ，s s a l e r m b 分别指吨钢蒸汽j 放空量，蒸汽j 第三章能源调控系统 - 一一 放空率，吨钢蒸汽外销能源量( 包括高中低压蒸汽) ，吨钢蒸汽外销金额( 包括高中 低压蒸汽) ；j v e n t ，指蒸汽j 的放空量， s r e c j 指蒸汽j 的回收量，s s a l e _ ，指蒸汽j 的外销量，蒸汽j 包括高压蒸汽，中压蒸汽和低压蒸汽。 3 2 2 软件实现 1 ) 输入数据来源于分介质模型的蒸汽模块，包括高压蒸汽、中压蒸汽和低压蒸 汽的回收量，消耗值，放空量，该仿真时间步的钢产量，各蒸汽外销量，介质的折算 系数和单位价格表。 2 ) 程序流程如图3 4 。 图3 - 4 蒸汽调控评价流程 一1 9 第三章能源调控系统 3 ) 输出为各蒸汽的吨钢回收量，吨钢消耗值，吨钢放空量，放散率；吨钢蒸汽 外销能源量和吨钢蒸汽外销金额。 3 2 3 应用实例 本例的仿真参数同3 1 3 的，只是评价对象改为蒸汽，下表3 2 为该企业正常生 产时中压蒸汽的消耗情况，用图3 ，5 展示，我们发现中压蒸汽约有2 0 的放空率，经 过合理调控，即将多余蒸汽用于发电，可以得到图3 - 6 的情况，该图显示蒸汽的放空 量已经降为零，比调控前合理。 表3 - 2 调控前中压蒸汽的消耗情况( 吨标煤) 应项 时爪中压蒸汽回收中压蒸汽使用中压蒸汽放空 1 4 4 63 6 3o 8 3 24 4 53 6 3o 8 2 34 7 53 8 7o 8 8 44 5 03 6 70 8 3 54 5 5 3 7 l 0 8 4 64 6 9 3 8 3o 8 7 74 5 63 7 10 8 4 84 7 5 3 8 7o 8 8 94 7 23 8 50 8 7 1 04 5 83 7 30 8 5 1 l4 6 03 7 5 0 8 5 1 24 8 23 9 30 8 9 1 34 6 33 7 7o 8 6 1 44 7 l 3 8 4 o 8 7 1 54 4 93 6 6o 8 3 1 64 6 73 8 10 8 7 1 74 7 13 8 4o 8 7 1 84 7 63 8 80 8 8 1 94 6 5 3 7 9o 8 6 2 04 5 03 6 70 8 3 2 l4 4 0 3 ，5 90 8 l 2 2 4 5 23 6 80 8 4 2 3 4 4 5 3 6 30 8 2 2 44 7 23 8 4o 8 7 第三章能源凋控系统 一_ 图3 - 5 调控前蒸汽消耗 3 3 电调控 3 3 1 评价指标 图3 _ 6 调控后蒸汽消耗 该部分对电的调控结果进行评价，评价指标为吨钢外购电量和电的外购率，辅助 量为吨钢发电部分外购能源量和吨钢发电部分外购成本，以一个仿真时间步( 一个小 时) 为例，它们的计算公式为： 第三章能源调控系统 e l e b u y = e l e b 丽u y 矿x e n , t e e l e b u y p e ，= 怒 e b u y = = ( e b u y ，xe n ) j p s t e e l