（控制理论与控制工程专业论文）钢铁企业蒸汽系统的动态仿真研究.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。 作者签名：鲨叁嫱 日期：2 0l o 0 1 , 1 0 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：受啤导师签名：监 日 期：兰型里：翌! ：! ! 日期：z 盟翌：殳! ：! 里 摘要 摘要 蒸汽系统在钢铁生产中具有不可替代的作用，占企业总能耗的l o 左右， 因此，优化蒸汽系统，挖掘其节能潜力，对提高钢铁企业整体能源利用水平有 重要意义。 但是由于钢铁企业生产现场的复杂性和其本身所具有的特点，使得人们在 进行蒸汽系统布局设计和工艺改造时，经常遇到参数不可测，或优化调度方案 不能直接在蒸汽系统上进行测试修整的问题，致使理论与实际应用脱节。因此， 建立一种通用灵活可组态地、适合于一般大型联合钢铁企业地蒸汽动态仿真系 统意义非常重大。这正是本课题研究的出发点。本课题采用了仿真的手段以动 态生产过程和众多工序有机结合的整个生产流程系统为研究对象，对钢铁企业 的蒸汽系统进行动态的，全面地研究和分析。所做的主要研究工作包括： 1 本文通过对钢铁企业蒸汽系统的实际状况的分析，并结合仿真的需求， 将蒸汽系统划分为产汽子系统、转换输配子系统和用户子系统，并根据能量守 恒和质量守恒定律，对各个子系统中的重要设备，建立了蒸汽系统的信息模型 ( 包括锅炉、c c p p 、c h p 、c d q 、蓄热器、减温减压器等设备) 。 “2 基于所建的蒸汽系统信息模型，在v i s u a ls t u d i o2 0 0 8 平台上采用c j | 作 为系统开发语言，依托钢铁企业能量流模型与模拟项目，进行了蒸汽仿真系统 的软件设计和开发。 3 以某钢铁企业为例，建立了该企业的蒸汽仿真系统，并在此基础上模拟 了蒸汽系统在不同生产状况下( 包括正常、异常) 的动态运行状况。另外，提 出了结果分析评价方法，并根据此方法分别对不同生产工况下的不同调配方案 进行了分析和评价。结果分析证明了本仿真系统所建立的蒸汽转换分配模型遵 循平衡原则、能级匹配原则，并在系统效率和经济效益方面优于实际运行方案。 关键词：信息模型；蒸汽系统仿真；动态调控 a b s t r a c t i l lm ei r o n 锄ds t 砌p r o d u c t i o nt h es t e a ms y s t e mh a sa n i r r e p l a c e a b l er o l e ， a c c o u 矾n gf o r 1 0 o ft o t a le n e r g yc o n s u m p t i o ne n t e r p r i s e s a r o l m d 。i h c 鹏t o r c ， o p t i m i z i i l g 龇s t e 锄s y s t e m ，a n dt a p i n g i t se n e r g yp o t e n t i a lm a k eg r e a ts l g n i t i c 锄c e s i ni m p r o v i n gt h eo v e r a l le n e r g y u s eo fi r o na n ds t e e l 朗删s 铬 h o w e v o w i n gt ot h ec o m p l e x i t yo fi r o na n ds t e e l p r o d u c t i o na n dn s0 伽 s p e c i a lc h a r a c t 舐s t i c s ，w eo f t e ne n c o u n t e ru n p r e d i c t a b l ep a r 锄e t e r s o r t h ep r o b i e r i l t l l a to 洳a l 舢l i n g s c h e m ec a nn o tb ed i r e c t l yt e s t e di nt h es t e 锄s y s t 锄d u n n g m el a v o u td e s i g na n dp r o c e s sr e f o r m ，r e s u l t i n gi ns e p a r a t i o n o ft h e o r ya 1 1 dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n t h e r e f o r e ，e s t a b l i s h i n gac o m m o n f l e x i b l ea n dc o 而g u r a b l ed y n 锄1 c s i m u l a t i o ns y s t e i i l ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h es t e a ms y s t e mo f i n t e g r a t e di r o n 肌ds t e e l w o r k si so f 倒s i g n j f i c a l l c e t h i si st h es t a r t i n gp o i n to f t h i sr e s e 砌p r o j e c t 1h e m e s i su s e ds i i n u l a t i o nt o o l st o m a k ec o m p r e h e n s i v er e s e a r c ha n da n a l y s l s o nt h e s t e 锄s y s t 锄o f t h ei r o na n ds t e e le n t e r p r i s e s t h e m a i nr e s e a r c hw o r k i n c l u d e s ： i 1 缸u g ha n a l y z i n gt h ea c t u a ls i t u a t i o no f t h es t e a ms y s t e mo ft h e 们n 删 s t e e l 饥t 唧r i s e s ，c o m b 证e d w i t ht h en e e d so fs i m u l a t i o n ，t h et h e s i sd i v i d e dt h es t e a l t l s v s t 锄i 咖岫es u b s y s t e m ，i n c l u d i n g t h ec o n v e r s i o ns u b s y s t e m ，仃a n s m l s s l o n s u b s v s t 锄a n du s e rs u b s y s t e m a c c o r d i n gt o t h el a w so fe n e 唧c o n s e a t l o na n d m a s s n s e a t i o n ，m ei m p o r t a n te q u i p m e n t s i n f o r m a t i o nm o d e l sw a s e s t a b l i s h e d ， i n c l u d i n gb o t i e r s c c p p , c h p , c d q ，a c c u m u l a t o r , r e d u c i n gt 锄p 咖孤d p r e s s 哪 r e d u c e ra n do t h e rc q u i p m e n t s 2 b a s e do nm e s ei n f o m a t i o nm o d e l s ，u s i n gv i s u a ls t u d i o2 0 0 8p l a t f o r m w i t h c a st h ed e v e l o p m 饥tl a n g u a g ea n dr e l y i n g o nt h ep r o j e c ts i m u l a t i o no fe n e r g y - f 1 0 w m o d e lo ft h ei r o na n ds t e e le n t e r p r i s e s ，t h es o f t w a r eo f t h es t e a ms i m u l a t l o ns y s t 锄 w a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d 3 嘲d n ga ni r o na n d s t e e le n t e r p r i s e a sa ne x a m p l e ，t h es t e 锄s l m u l a t i o n s v s t 锄o ft h i se n t 唧r i s ew a se s t a b l i s h e d t h e n i tw a sr u nt os i m u l a t et h es t e 锄 s v s t 锄，sd y n a m i co p e r a t i n gs i t u a t i o n s u n d e rt h ed i f f e r e n tp r o d u c t i o n c o n d t h o n s i n c l u d i n gn o r m a l ，a b n o r m a l c o n d i t i o n i na d d i t i o n ，t h em e t h o do fa n a l y s l s a n d e v a l u a t i o no ft h er e s u l t sw a sp r o p o s e da n d t h ed i f f e r e n ts t e a mr e g u i a t l o np r o 黟a m s i i 摘要 u n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n sw e r ea n a l y z e da n de v a l u a t e d t h ea n a l y s i s r e s u l t ss h o w e dt h a tt h i ss i m u l a t i o ns y s t e me s t a b l i s h e db yt h es t e a mc o n v e r s i o n a l l o c a t i o nm o d e lf o l l o w e dt h ep r i n c i p l eo fb a l a n c e ，e n e r g yl e v e lm a t c h i n gp r i n c i p l e ， a n dw a sb e t t e rt h a nt h ea c t u a l r u n n i n gp r o g r a mi n t h es y s t e me f f i c i e n c ya n d c o s t - e f f e c t i v e n e s s k e y w o r d s ：i n f o r m a t i o nm o d e l ；s t e a ms i m u l a t i o n ；d y n a m i cr e g u l a t i o n i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 本论文研究的背景和意义1 1 2 钢铁企业蒸汽仿真系统的研究进展一3 1 2 1 国外的研究进展3 1 2 2 国内的研究进展5 1 3 本论文的研究内容及结构安排6 第2 章钢铁企业蒸汽系统信息模型的建立8 2 1 产汽环节建模。9 2 1 1 余热蒸汽回收单元建模9 2 1 2 蒸汽动力设备建模1 1 2 2 转换输配环节建模15 2 2 1 蓄热器建模1 5 2 2 2 减温减压器建模1 7 2 2 3 蒸汽管网建模18 2 3 用户环节建模2 l 2 3 1 生产用户2 2 2 3 2 生活用户2 4 第3 章钢铁企业蒸汽仿真系统的软件丌发2 6 3 1 钢铁企业能源系统模拟仿真软件的总体结构设计2 6 3 2 蒸汽仿真系统的总体设计2 7 3 3 蒸汽仿真系统的程序流程图2 9 3 4 仿真软件的主要功能模块3l 3 4 1 蒸汽需求计算31 3 4 2 蒸汽回收计算3 2 3 4 3 蒸汽转换分配计算3 3 3 5 仿真软件的主要对象与接口设计3 6 第4 章钢铁企业蒸汽仿真系统的实例应用及分析3 9 4 1 某钢铁企业蒸汽系统的概况3 9 目录 4 1 1 气源3 9 4 1 2 蒸汽用户。4 0 4 1 3 蒸汽系统实际平衡状况4 0 4 2 蒸汽仿真系统的建立4 l 4 3 仿真结果分析4 2 4 3 1 分析评价理论依据。4 2 4 3 2 实例分析4 3 4 4 本章小节5 4 第5 章总结与展望5 5 参考文献5 6 附录一钢铁企业主要能源介质折标系数表5 9 附录二攻读学位期间发表论文列表6 0 致谢6 l v 第一章绪论 第1 章绪论 1 1 本论文研究的背景和意义 能源是人类赖以生存的基础，也是国家社会和经济发展的支柱。但随着能 源消费的急速增长，能源短缺已成为限制我国经济增长的瓶颈，节能已引起国 家相关部门的高度重视，走可持续性发展道路、发展循环经济的观念逐渐被企 业所接受嘲q 4 1 。钢铁工业是能源消耗大户，据统计1 ，我国钢铁工业的能耗占整 个国民经济总能耗的1 5 左右，占工业部门能耗的2 5 。钢铁企业的能源成本 占总成本的2 0 , - 4 0 。近年来，由于国家政策对能源管制逐渐放开，能源价格 主要受市场供需影响一直走高，也使钢铁企业的成本不断增加。所以，推进节 能技术的应用和创新成为钢铁企业降低生产成本的重要途径。 大型钢铁企业的蒸汽能耗约占企业总能耗的1 0 叩1 ，由于吨钢综合能耗是 衡量企业竞争优势的一项重要指标，因此，降低蒸汽能耗是企业降低吨钢综合 能耗、提升竞争能力的重要环节。 在蒸汽供热系统和余热发电项目中，蒸汽是不可缺少的组成部分。蒸汽之 所以被人们重视并加以利用，是因为它有着自身的优势。其具体的优势如下： ( 1 ) 蒸汽的产生过程。蒸汽的产生较之氧气、煤气、压缩空气、丙烷等气体 容易，直接将水定压加热至该压力下的饱和温度时，水从液态向气态转换，产 生饱和水蒸气。如果继续加热，饱和水蒸气在定压条件下吸热，产生过热蒸汽。 ( 2 ) 用水蒸气作为载体，传递能量较之其它气体安全、方便。不管是饱和水 蒸气，还是过热蒸汽，它均为一种无色、无味、无毒的气体。而且在蒸汽供热 系统和余热发电主蒸汽系统中，蒸汽传递能量形式也较为简单。蒸汽供热系统 为q g = q 换热+ q 损失+ q 心收，余热发电主蒸汽系统为q g = q 功+ q 损失+ q 叫收。 蒸汽系统在钢铁生产中具有不可替代的作用，一方面它直接供给生产、生 活使用，另一方面，它是能源转换的中间环节，比如将富裕煤气转化为蒸汽生 产电力或直接供给用户，或将余热回收生产蒸汽加以利用。大型钢铁企业的蒸 汽能耗约占企业总能耗的1 0 左右，因此，蒸汽系统的节能降耗具有很大的潜 1 第一章绪论 力，对提高钢铁企业能源利用水平有重要意义。 目前，钢铁企业蒸汽系统蕴含着巨大的节能潜力。在蒸汽供热系统和余热 发电主蒸汽系统中，蒸汽从产生、输送到设备的使用过程中，均存在着不同程 度的能量损失。为了贯彻和落实国家节约能源、保护环境政策，实施可持续发 展的战略目标，尽可能地降低蒸汽系统的能量损失，有效地提高蒸汽系统的效 率，是完善和优化设计的重要一步。 整个蒸汽系统的效率一般可以认为由锅炉等( 热源) 效率、蒸汽管网效率、 蒸汽使用设备效率、回收过程效率组成。 据不完全统计口1 ，通过提高蒸汽系统各过程的效率，其节能潜力分别为：蒸 汽的产生过程( 锅炉) 为2 5 3 0 ，输送和设备的使用过程为4 0 - - - 4 5 ，回收过程 2 0 - - 2 5 。而蒸汽输送管网中的疏水及其冷凝水回收所节约的能源也不可小觑， 它对提高整个蒸汽系统的效率也具有极其重要的意义。 国内目前对钢铁企业蒸汽的系统研究这些研究成果重点主要集中在从宏 观的角度分析整个钢铁企业蒸汽系统的现状及存在的不足【8 】，【9 】，提出了一些节能 措施，如加强余热回收并高效利用、优化管网状况、强化企业管理等等；或者 从微观的单体设备的角度，根据热力学第一、二定律分析蒸汽热能在这些设备 中的流转关系、利用率及能量损失状况，提出降低能耗的解决办法n 町_ d ，如计 算蒸汽在减温减压过程中的能量损失和利用状况，提出利用余压蒸汽发电能够 提高蒸汽的利用率，避免高品质蒸汽的降级使用；或者采用数学优化计算的方 法n 2 h 1 5 1 ，以成本和能耗最低为目标函数，以蒸汽用户的工艺需求、蒸汽动力设 备产汽能力等为约束条件，求解获得蒸汽优化的调度的方法；或者，在蒸汽管 网仿真n 叼1 捌上面进行初步的探讨和开发，运用水力学和热力学原理，建立相应 的数学模型，进行蒸汽管网的水力、热力计算。 这些研究成果对于钢铁企业蒸汽系统的设计改造和运行管理有很大的帮 助，但是由于钢铁企业生产现场的复杂性和其本身所具有的特点，使得这些工 艺改进措施和优化调度方案不能直接在蒸汽管网上进行生产投入和测试修整， 加上能耗分析和优化计算过程理论性强、非常复杂难于被工程技术人员掌握而 直接使用，致使理论与实际应用脱节。然而，目前，国内还没有人采用用计算 2 第一章绪论 机仿真技术对整个钢铁企业蒸汽系统建立动态仿真系统，为蒸汽系统节能的研 究提供测试平台。因此，建立一种通用灵活可组态地、适合于一般大型联合钢 铁企业地蒸汽动态仿真系统意义非常重大，它可以模拟现实蒸汽动态运行状况， 方便地进行蒸汽系统布局设计、工艺改造、优化调度算法的离线仿真，挖掘节 能潜力，最终实现整个钢铁企业节能降耗。 1 2 钢铁企业蒸汽仿真系统的研究进展 目前，国内外学术界和工程界都在研究蒸汽系统，实施技术改造方案，以 期节约能源，提高效益。所做的工作和已有的成果主要是余热回收装置的工艺 改进方案瞳订1 捌、蒸汽管网的水力计算软件n 6 h 舯1 、蒸汽动力系统优化调度策略 口2 h 阍等，但是对整个蒸汽系统的仿真研究很少，也没有成熟的软件。不过，我 们可以在现有的初步探讨的基础上，做一些深入研究工作，推动钢铁企业蒸汽 系统仿真的研究。 1 2 1 国外的研究进展 目前，在国外有关钢铁企业蒸汽仿真系统的研究乜们叫删，美国的g r i s hs u d h i r b h a v e 汹1 做了比较深入的研究。他首先分析钢铁企业蒸汽系统的特点，并指出了 蒸汽系统中存在很多变量并且其变量之间存在很复杂的耦合关系，使得优化管 理锅炉及蒸汽系统变得非常复杂困难，采用数学建模优化方法常常遇到不可跨 越的障碍( 如某些设备的数学模型无法准确的建立或者优化模型没有可行解) ， 其次提出了采用仿真技术构建蒸汽仿真系统来模拟蒸汽系统实际运行状况。再 次，开发了蒸汽系统仿真软件。最后，研发了一种新的优化操作策略，它能够 在满足用户蒸汽需求的前提下实现最大限度利用高炉煤气和废热能，减少外购 能源。其仿真建模的思想是采用“拉”模式，即用户驱动整个系统。具体如图 1 1 所示。 3 第一章绪论 一一一一蒸汽流 信息流 图1 - 1 “拉”模式地仿真系统 蒸汽流呈推的模式即从气源锅炉、经高压蒸汽管网、汽轮机、低压蒸汽管 网等设备到达用户；仿真信息流呈拉的模式即从用户开始驱动，经高压蒸汽管 网、汽轮机及低压蒸汽管网等设备到达气源锅炉。 采用不同的输入量，运行仿真模型，得到仿真结果，并对实验结果分析， 得出结论：控制高炉休风时间和减少同时运行的锅炉数量，能在满足用户的需 求下减少高炉煤气的放散量，从而降低能源外购量最终实现节能；另外，也可 以根据b o p 生产状况，改变锅炉运行时间，减少蒸汽放散量最终实现节能。该 论文研究的创新点：1 ) 避开了用传统地的数学优化的方法来解决蒸汽放散和能 源外购同时发生的问题，而采用仿真的方法模拟蒸汽系统各种生产状况，从仿 真结果分析获得节能降耗的有效措施。传统数学优化的方法是以耦合关系复杂 且动态变化的模型为研究对象，在通常情况下最优求解过程既复杂又耗时，甚 至常常很难寻找到最优解。而仿真的方法恰恰没有这些弊端，它可以研究复杂 且动态变化地系统。在给定不同生产条件的情况下，通过模拟现实生产运行状 况，从而加深对复杂对象的理解。2 ) 仿真思路比较独特，采用拉的方式来运行 仿真模型，即用户驱动整个系统。3 ) 仿真结果分析比较全面，考虑了高炉休风 计划、蓄热器的容量、锅炉运行状况和数量等对蒸汽的放射率和系统能耗的影 响。但是也有不足之处：1 ) 在构建蒸汽用户需求模型时，没有考虑不同用户对 蒸汽工艺的需求是不同，而是简单将所有用户的蒸汽需求加起来等效为一个蒸 汽用户，实际工程实践中各用户的需求是不同的，并且蒸汽供应给用户是有优 先级的。2 ) 该论文研究的对象是比较简单的蒸汽管网( 只存在几个高压蒸汽源 及低压蒸汽用户) ，而实际上对于大型联合钢铁企业来说存在很多不同类型的汽 源和蒸汽用户，并且其蒸汽压力等级也是多种的。因而该论文的仿真模型和仿 4 第一章绪论 真逻辑不太适合于钢铁企业的实际，需要进一步开发适合于一般大型联合钢铁 企业的蒸汽系统的仿真模型。 正是基于上述原因，本文课题研究的目的是构建一种适合大型联合钢铁企 业复杂蒸汽系统研究的需要，通用的、灵活的蒸汽系统的数学仿真模型，在此 基础上综合“推”和“拉地仿真模式，对钢铁企业蒸汽系统的运行状况进行 动态仿真，为钢铁企业能源预测、平衡和优化调度提供决策的依据，减少蒸汽 能源的放散，最终实现节能降耗的目标。 1 2 2 国内的研究进展 国内目前对钢铁企业蒸汽的系统研究这些研究成果重点主要集中在余热 回收设备和蒸汽消耗设备工艺改进伽1 列和蒸汽动力系统的优化调度n 2 h 晦1 ，然 而，对蒸汽系统的动态模型和仿真系统的研究尚未见报道。不过，对钢铁企业 煤气系统和氧气系统的仿真做了一些理论研究和探索工作，我们可以从中借鉴 一些有关钢铁企业能源仿真的思路和方法。 2 0 0 2 年东北大学的陈光针对钢铁企业氧气发生、存储和使用特点，首次开 发了钢铁企业氧气系统的s i m u l i n k 仿真系统1 。该仿真系统的优点：1 ) 该仿真 系统中的动态数学模型可以比较准确真实反映钢铁企业氧气发生量、使用量、 存储量和放散量在不同生产方案( 不同的设备状态、操作参数和作业模式) 下 的时变规律。2 ) 该仿真系统的模型是按层次由高向低逐步进行设计的。最高层 次为总体模型，下一层次为它的子模型，每个子模型可以包括再下一层次的子模 型，如此设计，直到最底层子模型。并且每个子模型都有确定的物理意义和独立 的运算功能。3 ) 该仿真软件可行、界面友好、实用。4 ) 利用该仿真系统可以 讨论制氧机生产状态和性能的变化、炼钢炼铁作业模式的变化以及管网体积和 压力的变化对氧气放散的影响。反过来，也可以根据氧气放散随时间变化的规 律，通过调整制氧机控制参数或改变控制模式以及调整炼钢作业模式等，减少 氧气放散率。 5 第一章绪论 1 3 本论文的研究内容及结构安排 目前国内外对钢铁企业蒸汽系统的研究做了很多工作，重点分析了蒸汽系 统的使用回收一转化等环节的节能潜力，从工艺设备的改进到蒸汽管网参 数的优化再到蒸汽动力系统的优化调度多角度提出了很多有效的节能措施。 但是由于钢铁企业生产现场的复杂性和其本身所具有的特点，使得人们在 进行蒸汽系统设计和改进时，经常遇到参数不可测，或优化调度方案不能直接 在蒸汽管网上进行测试修整的问题，致使理论与实际应用脱节。针对这种情况， 本文采用了仿真手段以动态生产过程和众多工序有机结合的整个生产流程系统 为研究对象，对钢铁企业的蒸汽系统进行动态的，全面地研究和分析。本仿真 系统不但可以模拟现实蒸汽动态运行状况，方便地进行系统布局设计、工艺改 造、优化调度算法的离线仿真，挖掘节能潜力，而且为进一步在线蒸汽系统的 优化调度奠定基础，最终实现钢铁企业节能降耗。 本论文的主要内容及结构如图卜2 主要构建了钢铁企业蒸汽系统的信息模 型，包括工序消耗模型，余热蒸汽回收模型，自产蒸汽模型和蒸汽转换传输模 型。在此基础上，采用一定的蒸汽调控方法，构建了蒸汽仿真系统，并对仿真 结果进行分析。最后，通过分析结果反过来对调控策略进行修正，实现蒸汽系 统的动态调控。 工序能耗模型 焦化能耗模犟 球能耗模型 烧结能耗模掣 炼铁能耗模型 炼钢能耗模掣 热轧能耗模型 余热蒸汽回收模型 焦化余热回收模犟 烧结余热必收模型 转炉余热回收模型 轧钢余热凹收模型 蒸汽需求模型 焦化蒸汽需求模龌 烧绌蕉汽：髂求模颦 烁铁蒸汽：7 i ；求模掣 烁钢簇汽；茄求模型 r i i 簇汽j 艋求模 蒸汽调控仿真 蒸汽动态调控模型 么1 r 仿真结果分析 图l - 2 本论文研究内容的结构图 6 蒸汽转换输配模型 藩热器模颦 减温减j f i 器模型 蒸汽管嘲模掣 自产蒸汽模型 锅炉产汽模颦 c c p p 自“r ( 模掣 c h p - j i i i ，i 榄掣 e 冷控制流 信息流 第一章绪论 本论文的结构安排如下： 第一章绪论介绍了本论文研究的背景和研究的意义，总结了国内外对蒸汽 系统进行研究的主要方法以及目前钢铁企业蒸汽系统的研究进展。 第二章对钢铁厂的现实基本情况进行总结，确定了蒸汽管网系统分布结构， 详细介绍了蒸汽系统各组成部分的特点，包括蒸汽的产生、回收、存储、减温 减压转换、用户，并对一些重要设备和装置建立了相应的数学模型。 第四章介绍了钢铁企业能源系统模拟仿真软件的总体框架，着重详述了蒸 汽仿真软件的设计思路和实现步骤。 第五章根据某钢铁企业的实际情况，构建了该钢铁企业蒸汽仿真系统，另 外提出结果分析的方法，并运用此方法对仿真结果进行了深入的分析。 第六章对所做的研究工作进行总结和展望。 7 第二章钢铁企业蒸汽系统信息模犁的建立 第2 章钢铁企业蒸汽系统信息模型的建立 一般将蒸汽系统分为3 个子系统，即产汽子系统、转换输配子系统和用户子 系统。产汽子系统是指产汽设备，包括余热回收设备和蒸汽动力设备；转换输 送子系统指的是蓄热器、减温减压器和蒸汽输送管网；用户子系统是指由各蒸 汽用户所组成的系统，包括生产用户和生活用户。 结合某钢铁企业实例，具体说明钢铁企业蒸汽系统的构成，如图2 1 所示， 为某钢铁企业蒸汽管网简单示意图。由图可知，该钢铁企业蒸汽按压力等级可 以分为三类，即高压蒸汽、中压蒸汽和低压蒸汽，采用s l ，s 2 ，s 3 来分别表示。 余热蒸汽回收设备主要包括烧结、球团、焦化、转炉、1 5 8 0 热轧及2 2 5 0 热轧的 余热蒸汽回收装置。蒸汽动力设备主要包括备用锅炉、c c p p 、自备电厂。蒸汽 用户主要是生产用户、生活用户，即球团、烧结、焦炉、高炉及热风炉、炼钢、 r h 炉、1 5 8 0 、2 2 5 0 热轧等等工序和制冷、取暖等生活用户。 图2 1 某钢铁企业蒸汽系统的简意图 本章主要介绍了钢铁企业蒸汽系统各组成部分的特点，包括蒸汽的产生、 回收、存储、减温减压器、用户，并对一些重要设备和装置建立了相应的数学 模型。2 1 主要介绍了蒸汽的余热蒸汽回收的信息模型、蒸汽动力设备的信息模 8 ， 第二章钢铁企业蒸汽系统信息模型的建立 型及减温减压器和蓄热器的信息模型，2 2 主要构建了蒸汽管网的水力模型和热 力模型，2 3 主要介绍了主要的蒸汽用户的工艺需求情况。 蒸汽系统是企业主生产线重要支持系统。它除了保证主生产线生产用户和 日常生活用户用汽负荷外，在企业存在电缺口时，还担负着一定的供电负荷。 系统效率是节能的一项重要的指标，其定义为管网输入热量与输出热量之比。 2 1 产汽环节建模 2 1 1 余热蒸汽回收单元建模 根据部分大中型钢铁企业的统计，得知蒸汽能耗占钢铁企业总能耗的l o 1 左右，而可回收利用的余热占企业能耗的7 左右。因此，提高余热蒸汽的回收 利用率，优化蒸汽系统，将对企业的整体节能发挥重要作用。 目前，在钢铁企业中余热回收设备主要有烧结、焦化、转炉、轧钢等工序 的余热蒸汽回收设备位8 l 四1 。本小节主要的目的就是简单介绍钢铁余热回收的实 际情况，并建立这些余热回收设备的数学模型，为蒸汽仿真系统的构建奠定数 学模型基础。 2 1 1 1 余热蒸汽回收情况简介 烧结工序的余热蒸汽回收 烧结工序是高炉矿料入炉以前的准备工序。有块状烧结和球团状烧结两种 工艺，两种烧结过程都要消耗大量的能源。据统计，烧结工序的能耗约占冶金 总能耗的1 2 。而其排放的余热约占总能耗热能的4 9 。回收和利用这些余热， 显然极为重要。这些余热主要通过余热锅炉进行回收。 据统计m 1 ，目自订国外先进国家的烧结厂每吨烧结矿回收蒸汽可达8 0 l o o k g 。 9 滁 第二章钢铁企业蒸汽系统信息模型的建立 如果将其升值利用，产生的蒸汽用于发电，效果更显著。2 0 0 5 年，马钢利用2 座 3 0 0 m 2 的烧结机，首次实现了低温余热发电，年发电量达1 2 x 1 0 l k w h 。 焦化工序的余热蒸汽回收 由焦炉推出的炽热的焦炭产品温度在1 0 0 0 度左右。需要迅速冷却熄焦，以 免热焦被空气氧化。通常用水作为冷却介质，喷淋水汽化后，蒸汽夹带粉尘扩 散到大气，不但余热没有回收，还污染环境。最有效的方法是用惰性气体作为 冷却介质，将热焦炭在密封的熄焦塔内进行冷却，被加热的惰性气体在作为余 热锅炉的热源，用来生产蒸汽，蒸汽可再用来发电。 采用干熄焦装置回收红焦显热，即可节约熄焦用水，降低工序能耗，减少 环境污染和改善环境质量，同时还能提高焦炭质量，降低高炉焦比，提高高炉 产量。据统计脚1 ，每吨红焦带走的显热约有1 2 x 1 0 6 k j ，占焦炉耗热的4 0 左右。 采用干熄焦装置可回收焦炭显热的8 3 。在余热锅炉里，回收每吨红焦的显热 可产生4 6 m p a 、4 5 0 。c 的蒸汽5 0 0 , - , 6 0 0 k g 。扣除熄焦自身耗电，每吨焦可净发电 2 0 3 0 k 、h 。 转炉余热蒸汽回收 氧气转炉炼钢在吹炼过程中，其烟气量、烟气成份和烟气温度随冶炼阶段 呈周期性变化。同时会产生大量烟尘和c o 气体，特别在吹炼中期c o 浓度可达 8 0 以上。在转炉烟气中c o 含量和烟尘中铁含量很高，因此都有很高的回收利 用价值。通过转炉煤气的回收，不仅可以节约大量能源，而且对烟尘加以综合 利用，变废为宝，同时又净化了大气环境。 利用转炉高温烟气产生蒸汽，已是各大钢铁企业普遍采取的节能措施d 。 但因为转炉炼钢具有周期性，尽管增设了蓄热器来保持汽压的稳定性，但企业 一般只把这部分的蒸汽并入低压管网。目前，较为合理的一种供汽方案是利用 转炉余热蒸汽作为真空处理汽源的供汽系统，对于没有炉外精练的转炉炼钢厂， 可建汽轮发电机组进行发电，以更好地回收余热资源，从而获得很好的经济效 益。目前，国外先进国家的钢铁企业每吨钢水回收蒸汽可达8 0 l o o k g ，国内钢 铁企业如宝钢每吨钢水可回收5 0 - 8 0 k g 蒸汽。 加热炉和均热炉的余热蒸汽回收 1 0 第二章钢铁企业蒸汽系统信息模型的建立 轧钢连续加热和均热炉是钢铁企业中耗能较多的设备。其热效率一般只有 2 0 0 0 , - 3 0 ，约有7 0 0 0 , , 8 0 的热量散失于周围环境和被排烟带走。其中烟气带走 的热损失约占3 0 0 0 , , , 3 5 。加热炉的烟气量根据炉型大小不同，一般在( 标准状 态) 7 0 0 0 - , 3 0 0 0 0 0m 3 h 的范围内。烟气温度一般为5 5 0 - - - 9 9 0 ，也有超过1 0 0 0 以上的。目前，钢铁企业普遍采取余热锅炉利用这些烟气产生蒸汽，来回收这 些高热量。国外先进国家的钢铁企业每吨轧钢产品回收蒸汽可达8 肚l1 0 k g ，国 内钢铁企业如宝钢轧钢产品可回收1 0 0 k g 左右的蒸汽。 2 1 1 2 余热蒸汽回收单元建模 从上一小节可知，余热蒸汽回收模型与工序的生产计划( 如原料、产量等 因素) 及余热回收设备的性能参数关系非常密切，即余热蒸汽回收模型与工序 能流模型息息相关。因此，每个工序的余热蒸汽回收单元建模由项目组中完成 工序能流建模的同学完成，本人所做的工作是提供数据资料的支持，以及对所 有工序的余热蒸汽回收数据进行汇总统计等数据处理。 2 1 2 蒸汽动力设备建模 2 1 2 1 蒸汽锅炉 蒸汽锅炉是吸收燃料燃烧的热能而使水变成一定参数( 如压力、温度等) 的蒸汽的设备。锅炉分为锅和炉两部分，锅是用来装水的金属容器，炉是燃料 燃烧的部分，锅内的水吸收炉内燃料燃烧的热量而转变为蒸汽，基本原理与烧 开水差不多，锅相当于水壶，炉相当于灶。 在锅炉内的能量平衡方程【3 2 】为： g ，q ，r l 6 = g 6 ( 以一h ，) ( 2 - 6 ) 式中，g 。为锅炉产生蒸汽质量流量( t h ) ，g j 为锅炉每小时消耗燃料的质 量( t l h ) ，r l 6 为锅炉的热效率( ) ，q ，为燃料的发热量( k i l t ) ，h ，为锅炉所产 生的蒸汽的焓值( k j i t ) ，h 。为锅炉给水的焓值( k j t ) 。 第二章钢铁企业蒸汽系统信息模型的建立 则，蒸汽锅炉的信息模型： 蒸汽锅炉的蒸汽流量瓯= 瓮绪 2 1 2 2 自备电厂( c h p ) ( 2 7 ) 电厂锅炉产生的蒸汽驱动汽轮发电机组发电以后，排出的蒸汽仍含有大部 分热量被冷却水带走，因而火电厂的热效率只有3 0 - - 4 0 。如果蒸汽驱动汽轮机 的过程或之后的抽汽或排汽的热量能加以利用，可以既发电又供热。这种生产 方式称为热电联产( c h p ) 。这个过程既有电能生产又有热能生产，是一种热、 电同时生产、高效的能源利用形式。其热效率可达8 0 - - , 9 0 t 3 3 1 ，能源利用效率比 单纯发电约提高一倍以上。它将不同品位的热能分级利用( 即高品位的热能用于 发电，低品位的热能用于集中供热) ，提高了能源的利用效率，减少了环境污染， 具有节约能源、改善环境、提高供热质量、增加电力供应等综合效益。 热电联产的技术有多种，其中供热机组的类型有背压、抽汽背压、单抽汽、 双抽汽、凝汽机打孔抽汽、凝汽机低真空运行循环水供热等。 通常将系统分为锅炉汽轮机两部分。用热力学第一定律分析，蒸汽在 这两部分中遵循质量及能量守恒定律。为此，我们可以将c h p 分为两个部分建 立信息模型。 “ 在锅炉内的能量平衡方程为： g ，q r 仉= 瓯( 从一h ，) ( 2 8 ) 式中，g 为c h p 锅炉产生的蒸汽质量流量( t h ) ，g ，为c h p 锅炉每小时消 耗燃料的质量( t h ) ，仉为c h p 锅炉的热效率( ) ，q ，为燃料的发热量( k j t ) ， 只为c h p 锅炉所产生的蒸汽的焓值( k j t ) ，h ，为c h p 锅炉给水的焓值( k j t ) 。 在汽轮机内的能量平衡方程为： 对于抽汽凝汽式汽轮机而言 g z ( h ：一h w ) r ，= 瓯( 厶l 一日w ) + e 3 6 ( 2 - 9 ) 式中，q 为汽轮机机抽汽流量( f j l z ) ；q 为汽轮机主蒸汽流量( t h ) ，若不 考虑蒸汽从锅炉出来进入到汽轮机的这一过程中的蒸汽损失，则可以认为 12 第二章钢铁企业蒸汽系统信息模犁的建立 g z = 瓯：i l 为主蒸汽的焓值( 材f ) ；t i c 为抽汽的焓值( k j t ) ；h 。为给水的焓 值( k j t ) ；t i t 为汽轮机的做功效率( ) ；e 为汽轮机输出的电功率( k w h h ) 。 对于背压式汽轮机而言 g s ( h i n 日洲) 7 7 f = e 3 6( 2 1 0 ) 式中，q 为汽轮机中的蒸汽流量( t h ) ，若不考虑蒸汽从锅炉出来进入到汽 轮机的这一过程中的蒸汽损失，则可以认为g = g 6 ；玩，亿埘分布别为蒸汽进 出汽轮机的焓值( k j t ) ；仇为汽轮机的做功效率( ) ；e 为汽轮机输出的电功 率( k w h h ) 。 由上述公式可得，c h p 的信息模型为： c h p 锅炉产生蒸汽流量 瓯：辫( 2 - 1 1 ) 。 ( 风一日，) c h p 汽轮机的数学模型 对于抽汽凝汽式汽轮机而言，汽轮机输出的电功率 e ：q 坚型粤笪墨坠型 ( 2 - 1 2 ) 3 6 、 对于背压式汽轮机而言，汽轮机输出的电功率 e ：g 兰! 虽二生2 兰堡 3 6 2 1 2 3 燃气蒸汽联合循环发电技术( c c p p ) ( 2 - 1 3 ) 燃气蒸汽联合循环热电装置。h l 【3 5 1 是由燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机 一或供热式蒸汽轮机( 抽汽式或背压式) 共同组成的循环系统，它将燃气轮机做功 后排出的高温乏烟气通过余热锅炉回收转换为蒸汽，再将蒸汽注入蒸汽轮机发 f 乜，或将部分发电做功后的乏气用于供热。具体的形式有燃气轮机、蒸汽轮机 同轴推动一台发电机的单轴联合循环，也有燃气轮机、蒸汽轮机各自推动发电 机的多轴联合循环。 燃气蒸汽联合循环机组是总能梯级利用的典型例子。总能利用是指对 13 第二章钢铁企业蒸汽系统信息模型的建立 某种能源的利用，从其高品质( 高做功能力) 状态起，顺序地按不同的目的利用， 形成“高质高用( o n 做功) 、低质低用( 如供热制冷) 、梯级使用、综合利用 的 总能利用系统，促进能源在质与量上的合理利用，从而获得最佳的能源总体利 用效果。燃气轮机利用燃烧产生的燃气直接做功，完成布雷顿( b r a y t o n ) 循环； 常规蒸汽轮机由燃烧加热产生的蒸汽做功，完成朗肯( r a n k i n e ) 循环。燃气一 一蒸汽联合循环就是把在中低温区工作的蒸汽轮机的朗肯循环和在高温区工作 的燃气轮机的布雷顿循环叠置，组成一个总能系统循环，由于它兼顾了燃气轮 机很高的燃气初温( 1 2 0 0 , - - 1 5 0 0 ( 2 ) 的优势和蒸汽轮机朗肯循环低温( 3 0 - 4 0 ) 排 热损失小的优点，实现了热能的梯级利用，使总的循环效率很高。 通常将系统分为燃气轮机余热锅炉蒸汽轮机三大部分，各部分采 用机理法、灰箱或实验法建立较精确的模块模型，各模块之间通过质量及能量 平衡方程联系起来。 在燃气轮机内的能量平衡方程期： ( g + q 2 r h ) x r l = e + q ( 2 - 1 4 ) 式中，q l 为吸入燃气轮机压气机的空气所含热量( k j h ) ，9 - 2 为燃料的低位 发热量总量( k j h ) ，仉为燃气轮机燃烧室效率( ) ，e 为燃气轮机做功的热功 率( k j h ) ，q 6 燃气轮机排汽所带走的热i t ( k j h ) 。 在余热锅炉内的能量平衡方程： q bx t b = g f ( - h ，) ( 2 1 5 ) i = 1 式中，仇为余热锅炉的热效率( ) ，g 为余热锅炉不同输出蒸汽参数的蒸 汽质量流量( t h ) ，只为q 相应的蒸汽的焓指( k j t