钢铁企业电力系统能源仿真模型研究.pdf

第3 4卷第6期 2 0 1 0年 1 1月 冶 金自 动 化 Me t a l l u r g i c a l I nd u s t r y Au t o ma t i o n Vo 1 3 4 NO 6 NO V 2 O1 0 企业信 息化技 术 钢铁 企业 电力系统 能源仿 真模 型研究 黄银祥 ， 孙 彦广 ( 冶金 自动化研究设计院 混合流程工业自动化系统及装备技术国家重点实验室 ， 北京 1 0 0 0 7 1 ) 摘要： 为 了缓解钢铁工业能耗占全国能源消耗比例逐渐增高的趋势， 以首钢京唐钢铁联合有限责任公司生产历 史数据为依据， 通过研究生产过程中的物料平衡和能量平衡方程， 以及逻辑关系算法， 建立钢铁企业电力系统 能源仿真模型， 包括消耗、 回收和转换模型。对 比分析不同工况下电力仿真模型的输 出反应， 获得了理想的结 果 ， 可以达到钢铁企业 节能降耗的目的。 关键词 ： 钢铁 ； 电力系统 ； 能源仿真模型 中图分类号 ： T F 3 1 ； T M6 1 文献标志码 ： A文章编号 ： 1 0 0 0 - 7 0 5 9 ( 2 0 1 0 ) 0 6 - 0 0 2 5 - 0 4 A s i mul a t i o n m o d e l f o r e l e c t r i c a l p o we r s y s t e m i n s t e e l e n t e r pr i s e HUANG Yi n - x i a n g， S UN Ya n- g u a n g ( Hy b r i d P r o c e s s l n d u s t r i a l Au t o ma t i o n a n d E q u i p me n t T e c h n i q u e N a t i o n a l Ke y L a b o r a t o r y， Au t o ma t i o n R e s e a r c h a n d D e s i g n I n s t i t u t e o f M e t a l l u r g i c a l I n d u s t ry， B e i j i n g 1 0 0 0 7 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：I n o r d e r t o s u p p r e s s t h e g r o wi n g t r e nd o f t h e p r o po r t i o n o f e n e r g y v o l u me c o ns u me d b y t h e i r o n a n d s t e e l i n d u s t r y t o t h e t o t a l n a t i o n a l e n e r gy c o ns u mp t i o n，a r e s e a r c h i s c a r r i e d o ut t o b u i l d t h e s i mu l a t i o n mo d e l s t o a n a l y s e e l e c t ric a l p o we r s y s t e m i n s t e e l e n t e r p r i s e T he mo d e l s i n c l u de c o n s u mp - t i o n mo d e l ，r e c y c l i n g mo d e l a n d c o n v e r s i o n t r a ns mi s s i o n mo d e l ，wh i c h a r e bu i l t u p o n t h e p rin c i p l e s o f ma t e ria l ba l a n c e，e n e r gy b a l a nc e a n d l o g i c a l r e l a t i o n s he l d i n s t e e l pr o d u c t i o n p r o c e s s e s a nd t h e da t a c o l l e c t e d a t p r o d u c t i o n s i t e s o f S h o u g a n g J i n g t a n g I r o n a n d S t e e l U n i t e d C o ， L t d T h e mo d e l s a r e v e r i fle d b y i n v e s t i g a t i n g t h e o u t pu t o f t h e mo d e l s un d e r d i f f e r e n t o pe r a t i o n a l s t a t us Th e s i mul a t i o n s h o ws t h a t t h e mo d e l i n g wo r k ha s a c h i e v e d s a t i s f a c t o ry r e s u l t ，a nd h e n c e c a n be e x p e c t e d t o b e c o me a C O B- pe t e n t t o o l s e r v i n g f o r e n e r g y s a v i n g p u rp o s e i n s t e e l e n t e rp r i s e s Ke y wor ds ： i r o n a n d s t e e l ； p o we r s y s t e m ；s i mu l a t i o n mo d e l o f e n e r g y s y s t e m 0 引言 冶金 自动化研究 设计 院于 2 0 0 8年承担 了 国 家 8 6 3计划项 目 大型联合企业先进能源管理 系 统开发与应用 课题。本文在此背景下， 针对 目前 钢铁工业能耗 占全国能源消耗 比例逐年上升的问 题 J ， 结合首钢京唐钢铁联合有 限责任公 司能 源 中心的生产历史数据 ， 进行钢铁 能源仿真 系统研 究。该能源仿真系统 由物流仿真 系统 、 能源调控 系统以及能效分析系统组成。物流仿真系统利用 采集到生产历史数据库 中的数 据 J ， 以生产计 划 为前提 ， 采用物流分配算法 ， 得 出各个生产工序的 物料分配情 况 ； 能 源调 控系统 由煤气 、 技术气体 、 蒸汽以及电等能源介质子 系统组 成 ， 采用调度算 法 ， 进行各个能源的调度 ； 能效分析系统对物流仿 真系统和能源调控 系统 的数据进行 分析 、 统计 和 处理。本文主要研究钢铁能源调控 系统 中的电力 系统能源仿真模 型， 并模拟各 种不 同工况下各个 设备 的发电量与耗电量 ， 取得了理想的结果。 收稿 日期 ： 2 0 0 9 1 2 1 6； 修 改稿收 到 日期 ： 2 0 1 0 - 0 7 - 2 1 基金项 目： 国家高技术研究发展计划 ( 8 6 3计划 ) ( 2 0 0 8 A A 0 4 2 9 0 1 ) 作者简介 ： 黄银祥 ( 1 9 8 4 一 ) ， 男 ， 江苏泰州人 ， 硕士研究生 ， 主要从事能源仿真优化研究 。 2 6 冶 金自 动化 第3 4卷 1 模型组成 电力系统能源仿真模型主要 由 3个子模型组 成 ： 生产工序电消耗模型 、 余热余能 回收模型和电 能转换输配模型_ 3 J 。生产工序电消耗模型计算各 个主生产工序对 电的需求消耗 ； 余 热余 能回收模 型计算余热余能 回收设备各 自的发 电量 ， 包 括干 熄焦余能发 电( C D Q) 、 转炉余压发 电( T R T) 等的 发电量； 电能转换输配模型计算剩余 的燃气 ( 高 炉 、 焦炉 、 转炉煤气) 发 电量 ， 如燃气蒸汽循环联合 发电( C C P P ) 、 热 电联产发电( C HP ) 等的发 电量 。 2 仿真模型 2 1 生产工序电消耗模型 在不考虑余热 回收的情况下 ， 计算生产工 序 在时刻 i 的电净需求量 ， 即将某一时刻每个生产工 序电需求量相加 ( 各个 生产工序所需要的电量 由 物流仿真系统计算得出) ， 得出生产工序电净需求 方程如下 ： D i = i + 2 i + + i ( 1 ) 式中， D i 为生产工序在 时刻 i 的 电净需 求量 ， k W h ； i i 为各个生产 工序和设备 ( 焦 化 、 石灰窑、 烧结、 球 团、 高炉 、 喷煤 、 细粉 、 铁水 预 处理 、 转炉 、 钢包精炼 、 R H精炼 、 C A S精炼 、 连铸 、 加热炉 、 热轧 、 冷轧 、 热处 理、 钢管等 ) 在 时刻 i 的 电需求量 ， k W h ； 凡为生产工序和设备编号。 由于生产过程在不 同时刻 的电需求量不 同， 所以本仿真系统 以 1 h为一个周期来计算 。 2 2 余热余能回收模型 余热余能回收设备主要是 C D Q余能发电和 T R T余压 发 电， 回收 的余 热余 能 统 一 转换 为 热 量 。该热量一部分转换为高、 中、 低压蒸汽 ， 另 一 部分转换为电。计算余热余能 回收设备可以提 供的发电量即可供发 电量。当可供发电量大于 回 收设备的发 电容量时 ， 回收设备产生 的电量 为 回 收设备的容量 ； 当可供发 电量小 于 回收设备 的发 电容量时， 回收设 备产 生 的电量 为可供 发 电量 。 我们将上述这些约束条件描述成余热余能回收模 型方程如下 ： r 0 R c E = P f ( R f C f ) o l P 0 5 M ，0 H 0 5 【 P ， P D ，H 0 5 ，0 0 5 E：J DM H0 5 【 D D 。 H 0 5 M 上述式 中， 为 C C P P理想 的高焦 比； b 一b ，为高 热值需求量， k J ； 为 C C P P实际的高焦比； V 1 一 为高炉、 焦炉、 转炉煤气的量， n l 。 ； H为可供 C C P P 使用的煤气热量， k J ； S 为 C C P P产生蒸汽的热量， k J ； s 为 C C P P产生的蒸汽量 ， k g ； P为 C C P P可能 第6 期 黄银祥 ， 等： 钢铁企业 电力系统 能源仿真模型研究 2 7 煤气的使用量 ， m ； 为 C C P P的发电容量 ， k W h ； C为焦炉煤气 的使用量 ， m ； E为 C C P P实 际发 电 量 ， k W h ； D为发电需求量 ， k W h 。 2 3 2 C H P发电模型 C HP热 电联产发 电要求相对宽松 ， 可供使用 的煤气有高炉、 焦炉、 转炉煤气， 以及动力煤等， 既 产生蒸汽也可发 电。其计算 过程为 ： 从蒸 汽接 口 计算 中压和低压蒸汽的热量 ， 并计算 C H P可能 的 发电容量 ， 当电的需求量小于可能的发 电量时 ， 发 电量为电的需求量 ； 当电的需求量大 于可能的发 电量时 ， 发 电量为可能 的发 电量。同时 ， 需要外购 电量为电的需求量减去可能的发电量。由C H P产 生的蒸 汽 和电得 出 C HP总共需要 的热 量 ， 计 算 C H P可供使用 煤气的热量。由热量 总需求 、 煤 气 可供热量 、 外 购 电量 得 出需要 外购 动力煤 的量 。 另外 ， 还要计算高炉 、 焦炉 、 转炉煤气的使用量 。我 们将上述约束以及判断条件描述为 C H P的模型方 程如下 ： B = H 6 2 7 2+b 3 叼2 2 r l 2 一 b 3 叼 2 ) b 1 r l 2 H b 2 2 + b 3 叼 2 0 【 0 H 一 H 叩 2 一 0 f D D P E = H =S +E O L ( 4) Hc 。=C 。 Hg a 。=bl V1+b 2 +b 3 r 0 D P ，=J I D P D P L = r0 H 6 2 7 2 ( 一 b 2 叼 2 ) b 3 * 1 2 b 2 2 b 2 叼 2+b 3 7 7 2 P =( 。 一S ) S =E t 2 S 2+2 3 3 上述式 中， 为 C H P产 生蒸 汽和 电所需 要 的热 量 ， k J ； ： 为 C HP的发电效率 ； C 。 为外 购动力煤 的量 ， k g ； H s 为可供 C H P使用的燃气热量 ， k J ； ， 为 外购的电量 ， k W h ； b 为动力煤的热值 ， k J m。 ； E 为 C H P实际发电量 ， k W h ； P 为 C H P可能的发电 量 ， k W h ； S 为 C HP产生蒸 汽 的热量 ， k J ； Ho 。 为 C HP发电容量 的热量 ， k J ； C 。 为 C H P发 电容量 ， k W h ； 为 C H P转炉煤气的使用量 ， m ； s 2 ， s 3 为中 压蒸汽和低压蒸汽的量 ， k g 。 3 仿真结果 我们 以年产钢 9 0 0万 t 的首钢京唐钢铁公 司 为研究对象 j ， 通过 电力能 源仿 真系统任意设置 该钢厂各种不 同生产工 况 ， 模拟不 同工况下 的生 产数据 ， 得到各种 电力系统设备发电情况 ， 以指导 实际生产 。同时通过 系统仿 真 ， 找 出提高余热 以 及煤气的利用率 、 减少外购能源的可行节能途径。 图 1为动态模拟的实际生产情况。 图 1 电力能源仿真 系统实 时数据 显示 F i g 1 Re a l t i me d a t a d i s p l a y o f p o we r s i mu l a t i o n s y s t e m 6 I l ， 一 C H 0( r ，、 L 冶 金自 动化 第3 4卷 图 2为电力能源仿真系统在几种不 同工况下 对电的需求量 以及各个发电设备发电量 的连续变 化曲线 ， l 一 4 h为正常生产 ， 58 h为热轧检修 ， 9 1 2 h为轧钢停产 ， l 31 6 h为 C D Q检修 ， 1 72 0 h为 C C P P全停 ， 2 1 2 4 h为 C H P全停的情况。 6 0 4 O 2 0 o 2 4 6 8 l 0 1 2 1 4 1 6 l 8 2 0 2 2 2 4 时间 图 2不 同工况下各种设备的发电量 Fi g 2 Ge n e r a t i ng c a p a c i t y o f v a rio u s t y p e s o f e q u i p me n t u n d e r t h e d i f f e r e n t c o n d i t i o n s 1 一电需求 量； 2 一c H P发电量 ； 3 -C C P P发 电量 ； 4 一c D Q 发电量 ； 5 一外购电量 ( 1 ) 当工况热轧检修和轧钢停产 时比正常时 段需要的电量多 ， 导致 C H P发电量下降 ； ( 2 ) 当提高 回收能力 ， 如 C D Q正常时 比 C D Q 检修时， 要少外购动力煤 1 6 2 8 3 6 4 t h ， 按动力煤 市场价 4 4 0 G t 计算 ， 可节约成本 1 7 2万 d ； ( 3 ) 当采取合理电调控时， 如在有 C C P P和有 C H P参与发电的情况下 ， 将极 大地 降低煤气和蒸 汽损失 ， 分别可减少外购 电 4 0 4 8 9万 k W h h和 1 9 7 3 1万 k W h h ， 分 别 可 减 少 购 买 动 力 煤 1 8 6 2 1 t h和 1 7 7 2 2 t h ， 经济效益十分可观。 4 结论 本仿真系统通过计算机程序 ， 模 拟钢铁 电力 系统运行过程 ， 对涉及到的能源介质 的产生 、 消耗 情况进行实时动态展示 ， 与实际生产数据 比较接 近。通过对钢铁生产 的不同设备故障异常事件所 进行的模拟 ， 其动态性 、 及时性是 以往静态方式所 无法达到的。 。 。 在研究钢铁企业 自身的节能措施时， 通过仿 真可以节 约开支。不需要 经过 实 际工 况下 的生 产 ， 而是直接使用本系统 即可深入 了解设备层面 上的生产数据 ， 对决策层具有实际意义。 利用本系统模拟各种故 障情况 ， 对指导各种 工况下的生产 ， 以及计算其他能源介质的替补量， 更加简单直接 ， 科 学高效。 目前 的研究还未涉及 到无用功 、 功率 因数这些 问题 ， 将来可 以对潮流计 算以及如何进行削峰填谷进行相关的研究 。 参考文献： 1 江文德钢铁企业能源动态平衡和优化调度问题研究 和系统设计 D ，杭州： 浙江大学 ， 2 0 0 6 2 李文兵 ， 纪扬 钢铁企业 能源仿真系统初探 C 2 0 0 7中国钢 铁 年会 论 文集 北 京 ： 冶 金工 业 出版 社 ， 2 0 07： 3 7 2 3 7 7 3 凌振华钢铁企业能源管理系统的研究 D 长沙： 中 南大学 ， 2 0 0 5 4 李洪福 炼钢转炉烟气余热回收利用研究 D 济南： 山东大学， 2 0 0 6 5 孙彦广 钢铁企业能量流网络信息模型及多种能源介 质动态调控 R 北京： 香山科学会议 ， 2 0 0 9 6 杨家荣 昆钢系统节能潜力研究 D 昆明： 昆明理工 大学 ， 2 0 0 6 7 袁张伟， 杜秀华 工业企业用户短期负荷预测的仿真研 究 J 计算机仿真， 2 0 0 5， 2 2 ( 9 ) ： 1 9 2 1 9 4 YUA N Z h a n g w e i ，DU Xi u h u a S h o m t e r m l o a d f o r e c a s t f o r i n d u s t r y e n t e r p r i s e S c u s t o me r J Co mp u t e r S i mu l a t i o n ， 2 0 0 5 ， 2 2 ( 9 ) ： 1 9 2 1 9 4 编辑 ： 初 秀兰 。 ll I l l 。 。 I ” I I I 。 I 。 t n i l +t l l I l - I I I 。 I I - h _ - “ I h - - “ 1 I I - I I t I _ 一- ” I - - J I 一 _ “ I 。 I - 。 I I ” n l I i “ i i h l -。 。 。 I I i l “ I I n I i I i l - h l -。 | _ I I l 一 。 h l -h b l I I h I I I I h h I I E l I I h I I I I b l I I h h 江苏伟屹电子有限公司抗振型涡街流量计荣获 2 0 1 0年 中国仪器仪表学会科学技术奖一等奖 2 0 1 0年9月6日， 由中国仪器仪表学会主办的第2 1 届多国仪器仪表学术会议暨展览会在北京国家会议中心隆重开 幕， 江苏伟屹电子有限公司抗振型涡街流量计获得该学会的最高奖科学技术奖一等奖。 江苏伟屹电子有限公司抗振型涡街流量计在此次获奖前， 通过 了由中国仪器仪表学会组织的中国工程院院士、 中国 计量科学研究院首席研究员张钟华 ， 中国计量测试学会常务理事、 中国计量测试学会专家咨询委员会第一副主任施昌彦 研究员等权威专家和用户代表组成的鉴定委员会的新产品成果鉴定 ， 鉴定结果如下： “目前国内外涡街流量计的弱点是抗 振动干扰能力差， 该产品在此方面获得重大突破， 在 1 01 1 0 H z 范围内， 两倍重力加速度的振动干扰下， 产品对介质为气 体的全向抗振动干扰能力超过国外同类产品。该产品量程比宽、 灵敏度高、 计量漏损小 ， 且具有 比国内外同类产品更小的 压损， 节能效果好， 优于国外同类产品。该产品实现了原始创新 ， 拥有多项自主知识产权， 达到国际领先水平， 且已通过计 量器具新产品的形式批 准 ， 得到用户好评 ， 市场前景广 阔。 ” ( 江苏伟屹 电子有 限公 司)