钢铁能源管控优化研究应用的综述与展望

钢铁能源管控优化研究应用的综述与展望

李亮东

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摘要：针对钢铁工业能源系统管控优化问题，综述状态感知与趋势预测、运行优化与设备控制、调度决策与系统优化、平台研发与工程应用４个方面的研究进展，覆盖机理建模、数据驱动、工业互联网、人工智能等多个理论技术体系。最后，基于行业现状、结合发展趋势，总结归纳了钢铁能源管控优化的难点挑战与未来发展方向。

关键词：钢铁工业；能源管控；应用

引言

钢铁工业是能源密集型产业。2020年，我国钢铁生产能源消耗占全国能源消耗比例为11％；中国钢铁工业碳排放量占全球钢铁工业碳排放比例超过50％，占中国总碳排放量的15％左右，在国内所有工业行业中位居首位。在钢铁生产各工序中，高炉能耗占比超过70％，其次是焦化、轧钢等环节。因此，如何合理利用能源、在保障生产效率的前提下实现节能降碳等目标是提升钢铁企业竞争力和增收节支效益的关键。

1能源管控系统概述

能源管控平台是以我国智能制造规划为总体目标，主要通过3个方面对能源管控系统进行建设:一是通过构建工业环网将各工序固体能耗、水电气(汽)能源数据进行整合及改造，为能源管控环网建设和全工序数据中心建立奠定基础;二是通过对站所的无人值守及主要用能设备单独计量改造，保证满足公司能源管理需要的仪表配置率和测量精度;三是通过运用新一代数字化技术、无人值守技术、能源预测和调度模型，打造企业全方位的智慧能源管控系统，实现企业水、电、风、气的一体化、高效化、无人化管理，通过预测企业未来的能源平衡和负荷变化，有效地提高能源循环利用和自给比例，协助企业节约能源的外购成本。通过能源管控系统的建设，可以进一步优化能源综合调度和动态精细化管理，实现各种能源介质生产、输配、使用的可视化管理，实现科学调度、正确指挥、安全可靠、稳定运行。

2调度运行的智能化

2.1能源路径的构建

借鉴百度地图，利用数字化地图技术、流程网络模型技术将能源的产生、传输、存储、转换和消耗的所有设备用管道连接起来;采用通用的图模库一体化技术，建立各种能源介质的网络化系统，并根据系统中设备状态和实时量测变化，实现动态连接和拓扑着色分析;同时，鉴于能源路径是能源介质传输的通道，存在诸多约束，包括平衡约束、压力约束、检修和计划约束等。将综合能源系统抽象成流程网络中的发生节点、终止结点、汇集结点、中间结点，通过连结器模型将上述结点连接起来，利用“程序”将能源系统中各种形式的序、规则、策略和途径的集合形式化，通过信息化、自动化手段驱动整个网络的高效运行。能源路径实现了各种能源介质产消、传输、转换等环节的贯通，为实现电力、煤气、水、氮气、氧气等的网络化建模和优化调度打下了基础;同时，结合不同能量“流”在管网中的动态变化过程，实现了人机界面模型、工艺设备物理模型、数据库模型的统一管理和维护，为各种能源介质的优化导航提供最真实的能源路径。

2.2优化导航模式设计

能源路径的构建将不同能源介质通过管网、线路连接起来，形成导航路径。优化导航是借鉴无人驾驶的理念，实现目标设定、多路径规划、多目标导航、分析预警、信息推送、路况实时播报等功能。根据时间维度的不同，将优化导航划分为实时态导航、历史反演导航和未来态导航。实时态导航借助态势感知和调度运行驾驶舱，强化调度与调控的及时性和预见性，通过支持决策系统，保证能源系统的稳定健康运行;历史反演导航是对已经发生的特殊事件，如设备故障、应急响应、供需失衡等历史情景，进行全景存储和反演，结合专家经验和技术人员的分析，对过去的不正确操作进行校正;未来态导航以各种能源介质的网络化模型为基础，将供需预测、生产计划、作业计划信息融合起来，形成一系列未来运行方式断面，实现对未来能源供应平衡分析和能源计划校核。利用不同模态的优化调度、历史反演与多目标优化分析，最终给出能源系统运行调度的导航路径和知识决策信息。

3钢铁工业多能源系统发展趋势

随着“双碳”政策的推进，钢铁企业正加快能源低碳转型进程。扩大可再生能源，如太阳能和风能等绿色电力的使用，是钢铁生产的必然趋势。建设光伏电站不仅可以就近实现能源的高效利用，还能降低环境污染。与光伏发电相比，风电对地域与环境有较高要求，已有多家钢铁公司建成或计划建设海上风电或阵地式风电基地。然而，风光发电与传统发电机组相比具有明显的间歇性和波动性，较难实现连续稳定供能。钢铁企业引入可再生能源发电后，会造成关口波动和自发电比例变化，给企业用能安全性和经济性带来一定的影响。与此同时，钢铁企业现有的热电联产机组、煤气发电机组、储能装置、电热泵等分布式能源技术得到了快速发展，使煤气－蒸汽－电力三者之间的能量耦合和信息交互更加复杂，电力调度变得十分困难，钢铁企业多能流综合能源系统的核心逐渐从煤气系统转移至电力系统，必须寻求新的能源管理技术。工业微电网技术被认为可以将不同的能源和储存系统整合在一起，通过优化建模、控制和调度使燃料网、电网和热网之间以更高的水平相互作用，降低间歇性分布式电源给配电网带来的不利影响，提高供电可靠性和电能质量，实现电力系统的经济、可靠、安全和协调运行，是未来电网发展的必然趋势。同时，《“十四五”工业绿色发展规划》和《“十四五”现代能源体系规划》等国家文件也鼓励工厂园区建设工业绿色低碳微电网，发展屋顶光伏、多元储能等技术，实现与大电网兼容互补，推进多能高效互补利用。钢铁企业利用煤气系统可调节性强的优势，配合煤气柜、电化学储能、空分储能等储能系统和余热余压自发电机组，并引入与二次能源良性互补的再生能源发电，建立多能互补与储能相结合的钢铁工业微电网势在必行。

4智慧能源管控平台优势分析

传统的能源中心缺乏自上而下的梯级计量和管控模式，工序指标分解不全面，当能耗异常时，无法有效追踪到导致能耗异常的用能点;同时，由于数字化程度不高，无法采用数字孪生等技术对现场进行还原，且缺乏高级调度模型，系统的响应速度过慢，能源平衡的动态预测分析使用的深度不够，不能适应各种异常生产状况的变化，无法真正实现企业动态管控能源、降低能耗的目标，无法真正实现扁平化的能源一体化集中管控。借助智慧能源管控技术，在控制整体能耗、提升企业竞争力方面主要有以下三方面优势:1)对企业整体能源的生产、输送、使用进行整体监控管理，有助于企业及时掌控了解自身能耗水平，并持续优化和降低能耗;2)通过构建一体化数据中心，可以有效提升信息的即时性和共享性，上下游工序间信息传递均可通过内部数据共享实现高速、动态化的传输，便于提升效率。

结束语

能源是企业经济发展的生命线，而冶金企业作为能耗主体在经济规模不断扩大的同时也呈现出逐年上升的趋势。因此，企业通过智慧能源管控系统利用新一代的信息技术为载体的优势改进能源平衡手段，可以实现一体化能源监控、调整和管理平台。在提高能源生产、输送、使用及管理效率的同时可以有效降低生产成本，提高企业在市场上的竞争能力。所以，对企业而言，建立能源管理体系，提高能效是极为重要的，通过精细化的能源管控不但可以促进各工序科学化用能，更可以促进企业降低生产成本，提高核心竞争力。

参考文献

［1］全国能源基础与管理标准化技术委员会．工业企业能源管控中心建设指南:GB/T40063-2021［S］．北京:中国标准出版社，2021．

［2］张建堂．工业节能诊断现状:以甘肃某耗能企业为例［J］．广西节能，2021(3):3．

［3］郭宇，刘伟．凌源钢铁股份有限公司无人值守系统应用［J］．冶金自动化，2021，45(增刊1):5．