钢铁企业能耗瓶颈诊断与控制研究

钢铁企业能耗瓶颈诊断与控制研究

万吨钢的总能耗是衡量能耗水平的常用指标，是指当年钢铁总能耗与钢产量之比。钢比系数是指周期性能源消耗与钢铁产量之比，用于衡量物质流动。对钢铁工业的能耗是指道路工序的能耗与道路工序产量之比，它用于衡量能量流动。对钢铁工业的能耗类型、物质流和能量流之间有关系。吨钢的总能耗降低可能是对物质流的贡献，而能量流可能是反作用的。相反，吨钢的总能耗也可以是由物质流引起的，但能量流本身是由物质流引起的。长期以来，许多能源工人无法清楚地理解物质流和能量流对能耗的影响，尤其是不能定量分析物质流和能量流对能耗的影响。关于这一问题,国内学者在20世纪80年代提出的e-p分析法,从系统节能的角度对钢铁厂的能耗情况进行分析,得出了节能必须减少铁前工序的返料率并提高铁后工序的成材率等结论.但是,这种方法并不能有针对性地进行钢铁厂的能耗瓶颈分析,所得到的结论也具有较强的常理性.国外某些用于行业能耗分析的数学模型,如能量优化模型,可以对某个地区或行业的能源消耗进行统计和分析,从而找到优化该地区或行业的能源结构的方向和途径,再如能量投入产出模型,能够对钢铁企业总流程或某工序的能耗进行分析;但分析结果类似于能量平衡表,不能深入分析总流程和各工序以及各工序之间的能耗关系.目前在国内外的能耗分析研究中,能量密度分解模型应用比较广泛,利用该模型可将某个行业能耗的变化分解为能量使用强度的变化和产品结构的变化,它已经广泛应用于包括纺织、食品、制造、化工等行业在内的宏观能耗分析.根据此模型,对一个国家或地区各行业的能耗数据进行分析,可以从能源使用强度以及产品结构两个方面深入了解当地产业的能耗状况,从而找到优化产品结构、降低能耗的宏观性政策途径.但是,针对单个企业的以寻找能耗瓶颈为目的的能量密度分解模型尚未见报道.考虑到吨钢综合能耗是各工序钢比系数(物质流因素)与工序能耗(能量流因素)的乘积之和,本文利用能量密度分解模型中“分解”的方法,将吨钢综合能耗的变化分解为钢比系数的变化和工序能耗的变化,建立了钢铁企业能耗瓶颈诊断模型,以寻找哪些工序的钢比系数或工序能耗变化对吨钢综合能耗造成了不利影响.通过该模型,本文形成了总流程—区域—工序的三级分解,从而在整个生产流程中找到具有能耗瓶颈的环节.1诊断和消除不良饥饿1.1能耗瓶颈诊断模型钢铁厂的生产流程包括主工序和辅助工序,本文称作总流程,这是钢铁厂的一级结构.主工序又包括炼铁、炼钢和轧钢三个区域,如果把辅助工序也看作一个区域,总流程就包括炼铁、炼钢、轧钢和辅助四个区域,这是钢铁厂的二级结构.每个区域又包括相应的工序,这是三级结构.三级结构的关系如图1所示.能耗瓶颈诊断模型正是针对三级结构逐级展开分析的.1.2集料一:第t年能耗变化模型的目的是分析不同年份的吨钢综合能耗的变化是由哪些因素引起的,而对吨钢综合能耗上涨影响最大的因素即是瓶颈因素.模型的核心在于从总流程—区域—工序三个层面上将吨钢综合能耗的变化“分解”为钢比系数的变化和工序能耗的变化.作以下假设:E为整个钢铁厂所消耗的总能耗,简称总能耗;Ei为第i道工序的总能耗,简称工序总能耗;Y为钢产量;Yi为第i道工序的产量,简称工序产量;wi为能耗权重,即工序的总能耗与总能耗之比(Ei/E);yi为钢比系数,第i道工序产量与钢产量的比值(Yi/Y);e为吨钢综合能耗(E/Y);ei为第i道工序的工序能耗(Ei/Yi).则吨钢综合能耗可以写成:e=∑i∑iEi/Y(1)式(1)可以写成:如果以第0年作为基准,将第t年与其进行比较,第0年的吨钢综合能耗即为e0,第t年的吨钢综合能耗为et,第t年和第0年吨钢综合能耗的比值可以写成Τotal=ete0(3)Total=ete0(3)Total称作综合变化,实际上也是吨钢综合能耗的变化.将式(2)进行微分:d(lne)dt=d(lne)dt=∑i∑iwi[d?lnyidt+d?lneidt](4)wi[d?lnyidt+d?lneidt](4)从第0年到第T年对式(4)进行定积分得:ln(ete0)=ln(ete0)=∫Τ0∑i∫T0∑iwi[d?lnyidt]dt+wi[d?lnyidt]dt+∫Τ0∑i∫T0∑iwi[d?lneidt]dt(5)wi[d?lneidt]dt(5)定义SE表示钢比系数变化,IE表示工序能耗变化,则:SE=exp{SE=exp{∫Τ0∑i∫T0∑iwi[d?lnyidt]dt}(6)wi[d?lnyidt]dt}(6)ΙE=exp{IE=exp{∫Τ0∑i∫T0∑iwi[d?lneidt]dt}(7)wi[d?lneidt]dt}(7)则式(5)可写为:这样,就把能耗指标的变化(Total)分解为钢比系数的变化(SE)和工序能耗的变化(IE)两项.式(6)描述了钢比系数影响的大小,式(7)描述了工序能耗影响的大小.在计算式(6)和式(7)时需要将wi从积分符号里提出来,则必须计算一个wi的平均值ˉwiw¯¯¯i.在此采用对数平均法:ˉwi=L(wi,0,wi,Τ)=wi,Τ-wi,0ln(wi,Τ/wi,0)(9)w¯¯¯i=L(wi,0,wi,T)=wi,T−wi,0ln(wi,T/wi,0)(9)式(9)中,wi,0为第0年的wi,wi,T为第T年的wi.考虑到对钢铁厂所有工序的应用,要保证能耗权重的总和为1,需要对ˉwiw¯¯¯i进行修正,得到修正后的平均能耗权重w*i:w*i=L(wi,0,wi,Τ)∑kL(wk,0,wk,Τ)(10)L(wi,0,wi,T)∑kL(wk,0,wk,T)(10)从而得到式(6)和式(7)的积分结果:SE=exp{SE=exp{∑i∑iw*iln(yi,Τyi,0)}(11)w∗iln(yi,Tyi,0)}(11)ΙE=exp{IE=exp{∑iw*iln(ei,Τei,0)}(12)这样,就可以通过计算SE和IE,得到钢比系数因素和工序能耗因素的定量变化,从而判定它们对吨钢综合能耗的影响大小.1.3钢比系数变化前面所述的SE(钢比系数变化)、IE(工序能耗变化)和Total(综合变化)均是针对钢铁厂的总流程.如果在计算SE时,求和计算只包括某区域的几个工序,则计算得到的SE是该区域的钢比系数变化;如果去掉求和符号,只针对某个工序进行计算,则得到的SE是该工序的钢比系数.同理,IE也是如此.因此,钢铁厂的三级结构,都有相应的SE、IE和Total.为了区别,总流程保持SE、IE和Total的表达方式不变,各区域用SEd、IEd和Totald表示,而各工序用SEi、IEi和Totali表示.某钢厂总流程有四个区域,根据SE的计算公式,则有:SE=4∏d=1SEd(13)而设某个区域包括n个工序,则:SEd=n∏i=1SEi(14)可见,总流程—区域,区域—工序间的SE都满足乘积的关系,IE和Total类同.2能源瓶颈诊断模型的应用研究2.1能耗指标的整理表1统计了某钢厂2001年和2007年烧结工序的相关能耗数据,将所有工序都按照表1中的项目要求进行能耗数据的整理,将相关数据代入模型进行计算,即可得到SE和IE,计算出Total.根据1.3节介绍的乘积性规律,可以分别计算出总流程、区域和各工序的SE、IE和Total,并分别予以分析,寻找在各个环节存在的能耗瓶颈.2.2总流程主动调节型总流程的诊断结果为,Total=0.9576,SE=1.0258,IE=0.9335,如图2所示.该结果表示:2007年与2001年相比,某钢厂整体的钢比系数增长2.58%(SE=1.0258);整体的工序能耗降低6.65%(IE=0.9335).由于工序能耗的降幅大于钢比系数的增幅,因此综合变化也是小于1的(Total=0.9576),总流程的Total就是吨钢综合能耗的变化.为了定量地衡量钢比系数或工序能耗对综合变化的影响大小,提出贡献指数的概念.贡献指数的定义是:假如D=A×B×C,即有lnD=lnA+lnB+lnC,则定义lnA/lnD×100%为A对D的贡献指数,lnB/lnD×100%为B对D的贡献指数,lnC/lnD×100%为C对D的贡献指数.所有贡献指数之和等于100%.A对D的贡献指数用C(A→D)表示,如果A的贡献指数为正值,说明A对D作正贡献;相反,如果A的贡献指数为负,说明A对D作负贡献.以本研究为例,2007年和2001年相比,此钢厂总流程的工序能耗对综合变化的贡献指数C(IE→Total)=ln0.9335/ln0.9576=159%,为正贡献;而钢比系数对综合变化的贡献指数C(SE→Total)=ln1.0258/ln0.9576=-59%,为负贡献.C(IE→Total)+C(SE→Total)=1.通过贡献指数,可以看出物流因素对该钢厂的节能是不利的,如果控制好物流因素,该钢厂的吨钢综合能耗将进一步下降.可见,贡献指数的意义在于其正负性和绝对值大小可以分别判定钢比系数或工序能耗变化对吨钢综合能耗的影响方向和影响大小.2.3对总流程的贡献指数为了诊断出2007年和2001年相比该钢厂具有能耗瓶颈的区域,将总流程分解到四个区域进行分析.各区域的诊断结果如图2所示,贡献指数如表2所示.通过图2和表2可以看出,总流程的钢比系数是上升的.其中轧钢区域的钢比系数上升幅度最大,对总流程的贡献指数为57.7%;其次是炼铁区,贡献指数为31.1%;炼钢区域的贡献指数很小;而辅助区域由于产量统一按钢产量算,因此其钢比系数无变化,贡献指数为0.总流程的工序能耗下降幅度较大.其中辅助区域的工序能耗下降幅度最大,对总流程的贡献指数为59.1%;其次是炼铁,贡献指数为39.8%;而炼钢区域的工序能耗是上升的,对总流程工序能耗的下降做负贡献.总流程的综合变化,也就是吨钢综合能耗是下降的,下降幅度为3.99%,是由炼铁和辅助区域贡献的:其中辅助区域的贡献指数达到93.8%,贡献最大;其次是炼铁,贡献指数为44.9%;而炼钢和轧钢都是负贡献.综上诊断出制约2007年该钢厂能耗进一步下降的瓶颈为炼铁区域和轧钢区域钢比系数的增加与炼钢区域工序能耗的上升.2.4高炉工序和钢比系数以炼铁区域的三个工序(烧结、炼焦和高炉)为例进行分析.诊断结果如图3所示,贡献指数如表3所示.通过图3和表3可以看出,2007年和2001年相比,该钢厂炼铁区域钢比系数增幅为0.79%,是由高炉工序引起的,贡献指数达232.9%,而烧结和炼焦工序的钢比系数都是降低的;炼铁区域的工序能耗降低了2.70%,主要是炼焦工序贡献的,贡献指数为61.2%,其次是烧结和高炉工序.炼铁的综合变化是降低的,降幅为1.93%,是来自炼焦和烧结工序的贡献,而高炉工序作负贡献.由此可以得到结论:2007年和2001年相比制约该钢厂炼铁区域能耗下降的瓶颈为高炉工序钢比系数的增加.通过同样的方法,诊断出该钢厂2007年和2001年相比其他区域的能耗瓶颈:炼钢区为焙烧工序钢比系数的增加和一炼钢工序能耗的上升;轧钢区为冷轧和热轧工序钢比系数的增加和热轧工序能耗的上升;辅助区为制氧工序能耗的上升.接着针对各项瓶颈因素,制定出具有针对性的节能方案或措施.如要降低热轧工序的工序能耗,在调查某钢厂的具体情况后,提出了增加热送热装比、降低加热炉燃料消耗等措施方案.3对国内某钢企业能耗降低的总体情况进行分析(1)能耗瓶颈诊断模型的核心是将能耗的变化分解为钢比系数的变化和工序能耗的变化两个方面,可以对钢铁厂的能耗瓶颈形成总流程—区域—工序的三级诊断,得到逐级深化的诊断结果.(2)对