吴萌，马光宇，李志锋，金耀辉
(鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山114009 )
摘要： 为了实现钢铁企业高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气的发生量及消耗量预测和优化调度两大功能， 采用数据库和模块化设计方法开发了煤气预测及优化调度系统， 实现了高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气的日平衡，解决了钢铁企业冬、夏季节性煤气平衡矛盾突出的问题，降低了煤气的放散率，提高了煤气预测精度，为煤气管理提供指导和依据。
关键词： 钢铁企业；煤气系统；预测；调度；放散
煤气是钢铁企业中最重要的二次能源之一，占企业能源消耗的30％左右。由高炉煤气（BFG）、焦炉煤气（COG）和转炉煤气（LDG）等组成的煤气系统不仅涉及煤气生产、配比、输送、贮存、分配、使用、调整运行等诸多环节，而且还关系到多种工序产品产量和质量的提高、原材料成本的降低、环境污染的改善等一系列问题。如何有效预测煤气的供需变化关系，合理利用煤气、减少煤气放散，成为近年来研究的重点。随着我国钢铁工业的快速发展， 越来越受到能源、资源和环境因素的制约，煤气资源逐渐成为企业节能降耗、降低成本、提高效益的突破口。
目前， 我国主要钢企的主体生产工艺和主要技术装备虽达到先进水平， 但煤气系统在供需平衡、缓冲能力、系统优化等方面还存在许多问题。尤其是地处北方的钢铁企业，冬、夏季节性煤气平衡矛盾突出，煤气放散率一直居高不下，与国外先进企业相比，煤气资源利用潜力很大。煤气产、供、用之间的平衡， 对新一代高炉—转炉流程的能源消耗影响极大。煤气有效利用程度是反映钢铁企业能源管理水平的“晴雨表”，其回收利用水平与供需平衡程度对企业节能降耗有重要意义［1］。
1 系统设计
系统是在鞍钢管控中心现有信息资源平台基础上，对3 种介质高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气需求的全过程信息汇总、确立影响参数和预测优化模型，建立离线的决策和调控系统。
系统采用软件工程的模块化结构设计。按功能将系统自上而下逐步分解为相对独立的子系统和模块。系统分为5 个子系统，结构如图1 所示。
该系统管理软件综合考虑了系统功能、数据库设计、界面和模块设计等。操作上考虑了系统运行性能及安全、用户操作方便性等一系列问题。
2 系统功能
系统的核心功能是煤气预测和优化调度两大功能。要求对煤气的发生量、消耗量以及煤气富余量进行年、月、日及小时预测，并能对其进行数据查询和曲线显示。在预测数据的基础之上对煤气预调度，按要求给出煤气优化平衡报表。
2.1 系统管理
系统登录界面， 根据不同权限的用户名可以进入到不同权限的系统操作管理界面， 权限的设定可根据实际要求进行。
2.2 生产数据
该模块是本系统的基础数据模块， 主要实现数据的采集、分析及数据的查询与修改。
数据采集包括数据采集子模块、数据除干扰子模块；数据分析包括煤气发生量标定子模块、煤气消耗量标定子模块、标定数据存储子模块。分别从系统历史数据库中读取高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气发生设备与煤气消耗设备的历史数据，运用小波分析及滤波方法， 将煤气历史数据中的干扰数据剔除。对经过处理后的数据进行分析，采用各高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气发生量与消耗量数据及其主要运行指标和运行状态数据， 进行煤气发生量与消耗量的数据标定， 对于正常生产状态，将相同标准工况下的数据进行归类标定；对于非正常生产状态， 将相同非标准工况下的数据进行归类标定，标定后的数据存储到标定数据库中。
系统提供了生产计划、定修计划、煤气发生量及消耗量定额数据的查询与修改。实际在生产中遇到临时调整检修计划或生产计划， 可通过修改检修计划更新预测数据。检修计划初步确定前，通过该功能可以查看检修计划对煤气系统的影响，确定更合理的检修计划， 避免由于检修计划安排不当而发生的煤气放散情况。由于季节对煤气用户单耗有很大影响， 系统将煤气定额按冬夏季区分， 而且考虑到对于同一单体设备由于各种操作条件的变化对煤气单耗的影响。
2.3 煤气预测模型
煤气的生产与使用随时都在发生着变化，供需之间的不平衡现象总在发生。在实际生产中,影响煤气产生量与消耗量的因素很多， 通过对历史数据进行研究发现， 煤气量与相关因素的线性关系并不明显，且无必然规律［2］。基于以上特点，本系统根据生产计划、检修计划及煤气平均定额数据，充分考虑了煤气发生和消耗工序的不同， 针对高炉、焦炉、转炉三种煤气的发生量和消耗量进行年、月、日及小时预测，同时通过发生量和消耗量的供需预测， 对检修计划或生产计划进行合理性判断。
以高炉煤气发生量和消耗量预测模型为例，根据煤气发生量和消耗量在不同生产状态、不同工况下的标定数据， 通过煤气发生量和消耗量预测模型计算出计划事件时间内或突发事件时间内的各种煤气发生和消耗预测量。
（1） 高炉煤气发生量预测模型如下：
上式中，i 表示第i 座高炉；n 表示共有n 座高炉；j 表示标准工况下的第j 个影响事件；s 表示标准工况下共有s 个影响事件；k 表示非标准工况下的第k 个影响事件；t 表示非标准工况下共有t 个影响事件。当炉子i 在标准工况下运行时：
上式中，i 表示热风炉、焦炉、发电设备等消耗高炉煤气用户；n 表示共有n 个高炉煤气消耗用户；j 表示对应i 高炉煤气消耗用户在标准工况下的第j 个影响事件；s 表示对应i 个高炉煤气消耗用户在标准工况下共有s 个影响事件；k 表示对应i 个高炉煤气消耗用户在非标准工况下的第k 个影响事件；t 表示对应i 个高炉煤气消耗用户在非标准工况下共有t 个影响事件。对应的i 个高炉煤气消耗用户在标准工况下运行时：
通过以上高炉煤气发生量预测模型和高炉煤气消耗量预测模型，对鞍钢2013 年高炉煤气的实际发生量、消耗量与模型预测发生量、消耗量的结果进行了对比。表1 为高炉煤气实际发生量与预测发生量的对比结果。
以上对比结果表明， 实际结果与预测结果的误差在±5%以内，煤气优化调度系统可以较好满足生产对煤气发生量、消耗量预测的需求；在计划阶段和发生运行变化前，随时进行煤气平衡。
2.4 优化调度
优化调度是系统的核心模块， 系统通过导入的月生产计划和维修计划自动生成该月的日生产计划， 再根据生成的日生产计划及煤气平均定额数据对每日的高、焦、转煤气发生量和消耗量进行预测、比较，将预测结果作为对维修计划或生产计划合理性判断的依据。调整流程如图2 所示。
当煤气大量富余或大量不足的情况下可依据预测结果对维修计划或生产计划进行调整， 防止出现煤气的大量放散或缺口， 但由于考虑到各个厂实际情况及合同额等因素， 维修计划和生产计划的调整需要与各煤气发生和消耗用户间进行协商解决， 由于不确定性因素的影响目前系统对维修计划或生产计划还无法实现自动调整。实际情况及合同额等因素， 检修计划和生产计划的调整需要与煤气发生量和消耗量用户进行协商。因此，该系统仅能对检修计划和生产计划的合理性进行评价，并对一定检修计划和生产计划条件下，煤气的富余量或不足量进行预测。
2.5 平衡报表
鞍钢历史形成的较为复杂的煤气系统，原有的长远规划和月计划等煤气平衡管理方法， 不能真正反映煤气实际运行状况， 不可能避免煤气时而过剩、时而紧缺的情况发生。针对这种情况，对煤气系统各工况点进行数据汇总， 按各工况点基准工况和非基准工况的标定， 形成煤气产供用过程标准化，建立系统模型和基础数据库。平衡报表将依据月生产计划、检修计划，根据煤气系统优化调度结果，从数据库中读取预测结果，实现年、月、日煤气系统运行状况和变化趋势分析预测， 从被动平衡转变为预防性优化平衡， 避免阶段性不平衡，出现煤气放散和使用制限。
3 实际应用
系统指导鞍钢各项煤气节能技术及煤气设施逐步完善，使煤气指标得到极大改善。表2 为鞍钢2010～2014 年部分煤气指标。
从表2 可以看出，高炉煤气放散率从1.94%降至0.38%； 焦炉煤气放散率从1.97%降至0.03%，接近零放散；转炉煤气回收量从75.26 m3/t 钢升至91.11 m3/t 钢，使煤气管网波动降低，减少了煤气放散及能源浪费，全面提升了煤气系统管理水平，实现了煤气的资源优化， 为煤气基础设施建设和煤气系统节能改造，实现煤气系统经济运行提供了技术支撑和依据。
4 结论
（1） 煤气预测及优化系统的开发与应用，对高炉、焦炉、转炉气源从发生到各产线煤气消耗进行平衡和分析， 可满足各种工况变化的技术分析需要， 并通过历史数据验证了该系统的可行性和准确性，实现了煤气系统平衡预测，提高了预测精度。
（2） 依据生产安排和设备检修需求计划，预测峰谷平，充分利用缓冲用户进行调整，规范不同区域和产线煤气运行管理，系统集中调控，实现系统最佳的运行方式， 对煤气可调整用户充分进行运行调整，使煤气产、供、用更符合实际需求，促进了节能减排，提高了能源利用率。
参考文献
［1］ 张琦, 蔡九菊, 王建军， 等. 钢铁厂煤气资源的回收与利用［J］. 钢铁, 2009, 43（12）: 95-99.
［2］ 张琦, 谷延良, 提威， 等. 钢铁企业高炉煤气供需预测模型及应用［J］. 东北大学学报（自然科学版），2010， 12， 31（12）：1737-1740.