鋼鐵企業(yè)區(qū)域性煤氣平衡實(shí)踐

陳曉偉，陳 偉，王榮耀，田 朝

（唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司動(dòng)力部，河北唐山 063000）

引言

隨著《國務(wù)院關(guān)于化解產(chǎn)能嚴(yán)重過剩矛盾的指導(dǎo)意見》和《國務(wù)院關(guān)于鋼鐵行業(yè)化解過剩產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)脫困發(fā)展的意見》等政策發(fā)布，河北省積極化解重點(diǎn)行業(yè)過剩產(chǎn)能，優(yōu)化鋼鐵產(chǎn)業(yè)臨港臨鐵布局，鋼鐵企業(yè)集群化、聚落化加強(qiáng)。

煤氣作為聯(lián)合鋼鐵企業(yè)重要二次能源，約占企業(yè)總能耗的35%［1］，以充分利用和減少放散為目標(biāo)的煤氣平衡管理已經(jīng)成為鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗和深度挖潛的重要手段［2］。2021年全國重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)煤氣資源利用率維持在98%左右，表明單一企業(yè)富裕煤氣的緩沖手段和能力有限，存在資源浪費(fèi)和環(huán)境污染問題［3］，因此充分發(fā)揮鋼鐵企業(yè)集群化、聚落化優(yōu)勢(shì)，打造煤氣資源共享網(wǎng)絡(luò)，探究區(qū)域化煤氣平衡技術(shù)對(duì)于鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗和深度挖潛顯得尤為重要［4］。

結(jié)合唐山鋼鐵集團(tuán)實(shí)際情況（以下簡(jiǎn)稱唐鋼），就其在唐山市樂亭經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)建立的涵蓋唐鋼新區(qū)、唐鋼中厚板和佳華焦化的高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣互通管廊，開展區(qū)域性煤氣平衡技術(shù)研究，以期在鋼鐵企業(yè)集群化、聚落化背景下，降低外購能源成本，同時(shí)減少污染排放，提高經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

1 唐鋼樂亭區(qū)域煤氣平衡現(xiàn)狀分析

1.1 設(shè)備配置情況

唐鋼新區(qū)運(yùn)行2 922 m3高爐3 座。配有煤氣柜4 座，30×104m3高爐煤氣柜1 座，15×104m3轉(zhuǎn)爐煤氣柜2 座，5×104m3焦?fàn)t煤氣柜1 座。三管式放散塔1座，單管放散能力20×104m3/h。煤氣緩沖設(shè)施為100 MW發(fā)電機(jī)組1座，78 MW發(fā)電機(jī)組2座［3］。

唐鋼中厚板運(yùn)行1780 m3高爐1座、1580 m3高爐1 座。配有煤氣柜3 座，10×104m3高爐煤氣柜1 座（故障，長(zhǎng)期停用），5×104m3和8×104m3轉(zhuǎn)爐煤氣柜各1 座，無焦?fàn)t煤氣柜。三管式放散塔2 座，單管放散能力6×104m3/h。煤氣緩沖80 MW發(fā)電機(jī)組1座，35 MW發(fā)電機(jī)組1座。

佳華焦化運(yùn)行60孔7 m頂裝焦?fàn)t2座，配有10×104m3焦?fàn)t煤氣柜1 座，單管式放散塔1 座，放散能力2×104m3/h，煤氣緩沖用戶為135MW發(fā)電機(jī)組1座。

1.2 煤氣平衡情況

從煤氣發(fā)生量數(shù)據(jù)來看，唐鋼新區(qū)、唐鋼中厚板和佳華焦化各煤氣發(fā)生量相對(duì)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 煤氣發(fā)生量狀況

唐鋼新區(qū)、唐鋼中厚板內(nèi)各用戶高爐煤氣用量計(jì)劃值和實(shí)際用量波動(dòng)范圍情況如表2所列。唐鋼新區(qū)高爐煤氣典型用戶如熱風(fēng)爐、加熱爐，用量浮動(dòng)較大，緩沖用戶如發(fā)電機(jī)組基本處于滿發(fā)狀態(tài)，后備緩沖空間不足，且發(fā)電機(jī)組緩沖煤氣峰谷用量的時(shí)間存在一定的滯后性，管網(wǎng)沖擊放散可能性高，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。唐鋼中厚板也存在用戶用量波動(dòng)幅度問題，由于其氣柜未投用，煤氣系統(tǒng)抗負(fù)荷沖擊能力差，發(fā)電機(jī)組啟機(jī)和切換頻繁。

表2 唐鋼新區(qū)、唐鋼中厚板高爐煤氣用量狀況

唐鋼新區(qū)、唐鋼中厚板和佳華焦化內(nèi)各用戶焦?fàn)t煤氣用量計(jì)劃值和實(shí)際用量波動(dòng)范圍情況如表3所示。各用戶焦?fàn)t煤氣用量較為穩(wěn)定，唐鋼新區(qū)和唐鋼中厚板使用外購焦?fàn)t煤氣，用量缺口較大，受限嚴(yán)重。而佳華焦化由于其自身135 MW 發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)限制，焦?fàn)t煤氣最大用量5.9×104m3/h，完全使用焦?fàn)t煤氣，機(jī)組所能達(dá)到的最大負(fù)荷只有80%。因此焦?fàn)t煤氣存在較大裕量和反送燃?xì)夤締栴}。

表3 唐鋼新區(qū)、唐鋼中厚板和佳華焦化焦?fàn)t煤氣用量狀況

因此充分考慮唐鋼新區(qū)、唐鋼中厚板和佳華焦化煤氣利用現(xiàn)狀，并兼顧周邊化工企業(yè)能源需求，整合優(yōu)質(zhì)能源，科學(xué)制定煤氣供需之間的平衡和共享策略，不僅對(duì)企業(yè)發(fā)展、降低能源消耗和改善環(huán)境都具有重要意義，也是區(qū)域應(yīng)對(duì)能源緊張和環(huán)境治理的重要舉措。

2 唐鋼樂亭區(qū)域煤氣平衡措施

2.1 優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，高效益生產(chǎn)

唐鋼新區(qū)、唐鋼中厚板和佳華焦化毗鄰，均處于唐山市樂亭經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，廠區(qū)邊界管線直線距離均小于1.0 km。因設(shè)計(jì)規(guī)范的一致性，三個(gè)廠區(qū)煤氣管網(wǎng)設(shè)計(jì)壓力均為50 kPa，其中高爐煤氣管道實(shí)際運(yùn)行壓力6～15 kPa，焦?fàn)t煤氣管道實(shí)際運(yùn)行壓力6～12 kPa，聯(lián)通管道壓力阻損約0.5 kPa，廠際間煤氣運(yùn)行壓力匹配。管線相互連通后，在廠際入口近段均設(shè)置煤氣流量、壓力計(jì)量?jī)x表，其中高爐煤氣流量?jī)x表具備雙向計(jì)量功能，作為區(qū)域內(nèi)各廠煤氣資源調(diào)度和用量結(jié)算依據(jù)。建成后，唐鋼樂亭區(qū)域煤氣資源共享網(wǎng)絡(luò)如圖1 所示，依托區(qū)域內(nèi)多點(diǎn)位多用戶緩沖富裕高爐煤氣，提升高爐煤氣系統(tǒng)穩(wěn)定性。同時(shí)使用高爐煤氣置換佳華焦化的焦?fàn)t煤氣，一方面使用高爐煤氣提升佳華焦化135 MW 發(fā)電機(jī)組負(fù)荷，減少其發(fā)電機(jī)組發(fā)電和焦?fàn)t加熱所消耗的焦?fàn)t煤氣。另一方面唐鋼新區(qū)和唐鋼中厚板球團(tuán)、高爐和煉鋼等關(guān)鍵工藝使用佳華焦化的焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t煤氣零外購?fù)瑫r(shí)佳華焦化實(shí)現(xiàn)零放散和零反送。

圖1 唐鋼樂亭區(qū)域煤氣資源共享網(wǎng)絡(luò)圖

2.2 建立唐鋼樂亭區(qū)域燃?xì)庹{(diào)度中心，優(yōu)化煤氣資源配置

唐鋼新區(qū)作為樂亭區(qū)域最大的高爐煤氣裕量輸出和焦?fàn)t煤氣需求廠區(qū)，是區(qū)域內(nèi)的煤氣調(diào)度與平衡管理中關(guān)鍵，因此在唐鋼新區(qū)建立樂亭區(qū)域燃?xì)庹{(diào)度中心，對(duì)唐鋼新區(qū)、中厚板和佳華焦化行使公司級(jí)燃?xì)庹{(diào)度管理職能。區(qū)域調(diào)度原則為：各廠區(qū)應(yīng)在不影響各自主產(chǎn)線用氣的基礎(chǔ)上，利用發(fā)電機(jī)組、焦?fàn)t煤氣外售等方式實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)空缺，實(shí)現(xiàn)煤氣系統(tǒng)穩(wěn)定且高效運(yùn)行。

正常情況下，燃?xì)庹{(diào)度中心依據(jù)各廠生產(chǎn)計(jì)劃編制煤氣平衡方案，各廠按照平衡方案消耗區(qū)域內(nèi)富裕煤氣。非正常情況下，一是如遇到大型煤氣用戶故障和檢修（含煤氣柜），由所在廠區(qū)向區(qū)域調(diào)度中心申請(qǐng)外送，由其他廠區(qū)主產(chǎn)線和發(fā)電機(jī)組消耗，直至放散。二是如遇到大型煤氣發(fā)生戶故障，由所區(qū)域內(nèi)發(fā)電機(jī)機(jī)組按照35 MW、78 MW、80 MW、100 MW、135 MW 的先后順序減少用量緩沖主線用氣量，直至所在廠區(qū)管網(wǎng)保壓和恢復(fù)生產(chǎn)。

2.3 高效機(jī)組優(yōu)先，能源利用最大化

佳華焦化135 MW、唐鋼新區(qū)100 MW 和唐鋼中厚板80 MW 均為超高溫亞臨界發(fā)電機(jī)組，唐鋼新區(qū)78 MW 和唐鋼中厚板35 MW 均為超溫超高壓機(jī)組，能源利用效率上存在較大差別［5］，超高溫亞臨界發(fā)電機(jī)組燃耗比超溫超高壓機(jī)組低0.42 m3/kW·h（高爐煤氣煤氣熱值3135 kJ/m3），執(zhí)行“高效機(jī)組優(yōu)先、高品質(zhì)蒸汽優(yōu)先”的富裕煤氣資源利用原則，高效機(jī)組優(yōu)先高負(fù)荷運(yùn)行，保證能源利用最大化，78 MW機(jī)組和35 MW 機(jī)組保持60%左右的負(fù)荷，保證一定的主線煤氣峰谷用量的緩沖高空間。

2.4 降低高爐煤氣峰谷用量起伏

加熱爐、熱風(fēng)爐等高爐煤氣大用戶的集中使用或停用是打亂煤氣平衡的主要因素。唐鋼新區(qū)大用戶用量占總產(chǎn)氣量的波動(dòng)范圍為30%～61%，唐鋼中厚板大用戶用量占總產(chǎn)氣量的波動(dòng)范圍為40%～79%。因此，降低大用戶峰谷用量起伏對(duì)于提升整個(gè)高爐煤氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。因熱風(fēng)爐具備規(guī)律性大小燒特點(diǎn)，通過對(duì)熱風(fēng)爐的大小燒時(shí)間進(jìn)行了整體的安排，避免時(shí)間重疊，解決了因熱風(fēng)爐大燒、小燒時(shí)間重疊引起的高爐煤氣峰谷用量波動(dòng)。通過將唐鋼新區(qū)、唐鋼中厚板生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行整體安排，燃?xì)庹{(diào)度室與軋線控制室建立信息聯(lián)絡(luò)機(jī)制，科學(xué)合理安排緩沖發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行方式，計(jì)劃性工作早安排，突發(fā)性用能有預(yù)案，尋求煤氣需求和供應(yīng)狀況最佳平衡點(diǎn)，確保發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

2.5 充分利用氣柜谷吸峰吐能力

煤氣柜可對(duì)煤氣系統(tǒng)的失衡起補(bǔ)償作用，一是可以儲(chǔ)存系統(tǒng)中的過剩煤氣，二是當(dāng)系統(tǒng)中的煤氣不足時(shí)，保證生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。

唐鋼樂亭區(qū)域高爐煤氣管線連通后，高爐煤氣系統(tǒng)具備多點(diǎn)位多用戶的緩沖能力，并且具備30×104m3高爐煤氣一座，唐鋼中厚板無高爐煤氣柜問題得以解決，系統(tǒng)穩(wěn)定性得以提升。同時(shí)燃?xì)庹{(diào)度室以“高柜容、低放散壓力；低柜容、高放散壓力”為原則，將高爐煤氣柜運(yùn)行狀態(tài)與管網(wǎng)放散壓力進(jìn)行了綜合考慮，并結(jié)合近期運(yùn)行情況設(shè)定了如下的連鎖值（如圖2所示）。

圖2 唐鋼樂亭區(qū)域高爐煤氣柜容-放散壓力配置

唐鋼樂亭區(qū)域焦?fàn)t煤氣管線連通后，系統(tǒng)具備5×104m3焦?fàn)t煤氣柜1 座，10×104m3焦?fàn)t煤氣柜1座，具備充足的富裕焦?fàn)t煤氣緩沖空間，實(shí)現(xiàn)了焦?fàn)t煤氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.6 用戶壓限原則和用量波動(dòng)限制

高爐煤氣使用優(yōu)先級(jí)分為四級(jí)，依次為：熱風(fēng)爐＞燒結(jié)、球團(tuán)＞煉鋼加熱爐＞發(fā)電機(jī)組等用戶。高爐煤氣不足時(shí)，首先保證高效機(jī)組運(yùn)行，按照35 MW、78 MW、80 MW、100 MW、135 MW 的先后順序壓減區(qū)域內(nèi)四級(jí)低效發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)組降至最低負(fù)荷后升為二級(jí)用戶，四級(jí)用戶壓減完不能保證高爐煤氣供氣量時(shí)，依次壓減三級(jí)用戶、二級(jí)用戶、一級(jí)用戶。由于發(fā)電機(jī)組在高爐煤氣用量的調(diào)節(jié)上存在一定的滯后性，同時(shí)各產(chǎn)線存在突發(fā)大量用氣情況，故需對(duì)各用戶用量波動(dòng)進(jìn)行限制，故在區(qū)域內(nèi)建立計(jì)劃用氣量機(jī)制，根據(jù)各廠區(qū)生產(chǎn)計(jì)劃規(guī)定用氣量范圍，避免因緩沖用戶反應(yīng)不及時(shí)造成管網(wǎng)壓力波動(dòng)和氣柜的劇烈升降起伏。

2.7 內(nèi)利產(chǎn)出激勵(lì)

富余煤氣主要用于發(fā)電，各發(fā)電機(jī)組均具備焦?fàn)t煤氣摻燒能力，一方面用于鍋爐點(diǎn)火和穩(wěn)燃，另一方面用于增加發(fā)電量。因焦?fàn)t煤氣價(jià)值較高，使用焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)一度電的成本較使用高爐煤氣高50%左右。因此降低發(fā)電機(jī)組焦?fàn)t煤氣摻燒量，將其用于球團(tuán)、高爐、煉鋼和外供化產(chǎn)加工等高價(jià)值產(chǎn)線需求。此外，通過獎(jiǎng)勵(lì)減少放散量等經(jīng)濟(jì)手段引導(dǎo)各單位向有利于煤氣平衡方向發(fā)展。激勵(lì)各單位積極探究節(jié)能降耗措施，提高煤氣利用效率，增加各單位的內(nèi)利產(chǎn)出。

3 結(jié)論

唐鋼樂亭區(qū)域高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣管線于2021年8 月聯(lián)通，通過采用優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、集中調(diào)度、高效機(jī)組優(yōu)先、降低高爐煤氣峰谷用量起伏、充分利用氣柜谷吸峰吐能力和內(nèi)利產(chǎn)出激勵(lì)等措施，焦?fàn)t煤氣實(shí)現(xiàn)100%利用，高爐煤氣利用率提升至99.9%，區(qū)域內(nèi)煤氣系統(tǒng)更加高效益生產(chǎn)和高質(zhì)量發(fā)展。隨著鋼鐵企業(yè)進(jìn)入“微利時(shí)代”，加強(qiáng)區(qū)域合作已然成為應(yīng)對(duì)資源瓶頸和環(huán)境壓力的有效措施［6］。唐鋼樂亭區(qū)域煤氣平衡探究是在國家鋼鐵企業(yè)集群化背景下，對(duì)區(qū)域性煤氣資源利用和管理的典型事例，對(duì)鋼鐵企業(yè)進(jìn)一步挖潛降本具有重要意義。