鋼鐵企業(yè)能耗瓶頸診斷與控制研究

鋼鐵企業(yè)能耗瓶頸診斷與控制研究

萬噸鋼的總能耗是衡量能耗水平的常用指標(biāo)，是指當(dāng)年鋼鐵總能耗與鋼產(chǎn)量之比。鋼比系數(shù)是指周期性能源消耗與鋼鐵產(chǎn)量之比，用于衡量物質(zhì)流動。對鋼鐵工業(yè)的能耗是指道路工序的能耗與道路工序產(chǎn)量之比，它用于衡量能量流動。對鋼鐵工業(yè)的能耗類型、物質(zhì)流和能量流之間有關(guān)系。噸鋼的總能耗降低可能是對物質(zhì)流的貢獻(xiàn)，而能量流可能是反作用的。相反，噸鋼的總能耗也可以是由物質(zhì)流引起的，但能量流本身是由物質(zhì)流引起的。長期以來，許多能源工人無法清楚地理解物質(zhì)流和能量流對能耗的影響，尤其是不能定量分析物質(zhì)流和能量流對能耗的影響。關(guān)于這一問題,國內(nèi)學(xué)者在20世紀(jì)80年代提出的e-p分析法,從系統(tǒng)節(jié)能的角度對鋼鐵廠的能耗情況進(jìn)行分析,得出了節(jié)能必須減少鐵前工序的返料率并提高鐵后工序的成材率等結(jié)論.但是,這種方法并不能有針對性地進(jìn)行鋼鐵廠的能耗瓶頸分析,所得到的結(jié)論也具有較強(qiáng)的常理性.國外某些用于行業(yè)能耗分析的數(shù)學(xué)模型,如能量優(yōu)化模型,可以對某個地區(qū)或行業(yè)的能源消耗進(jìn)行統(tǒng)計和分析,從而找到優(yōu)化該地區(qū)或行業(yè)的能源結(jié)構(gòu)的方向和途徑,再如能量投入產(chǎn)出模型,能夠?qū)︿撹F企業(yè)總流程或某工序的能耗進(jìn)行分析;但分析結(jié)果類似于能量平衡表,不能深入分析總流程和各工序以及各工序之間的能耗關(guān)系.目前在國內(nèi)外的能耗分析研究中,能量密度分解模型應(yīng)用比較廣泛,利用該模型可將某個行業(yè)能耗的變化分解為能量使用強(qiáng)度的變化和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的變化,它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于包括紡織、食品、制造、化工等行業(yè)在內(nèi)的宏觀能耗分析.根據(jù)此模型,對一個國家或地區(qū)各行業(yè)的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可以從能源使用強(qiáng)度以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)兩個方面深入了解當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)的能耗狀況,從而找到優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、降低能耗的宏觀性政策途徑.但是,針對單個企業(yè)的以尋找能耗瓶頸為目的的能量密度分解模型尚未見報道.考慮到噸鋼綜合能耗是各工序鋼比系數(shù)(物質(zhì)流因素)與工序能耗(能量流因素)的乘積之和,本文利用能量密度分解模型中“分解”的方法,將噸鋼綜合能耗的變化分解為鋼比系數(shù)的變化和工序能耗的變化,建立了鋼鐵企業(yè)能耗瓶頸診斷模型,以尋找哪些工序的鋼比系數(shù)或工序能耗變化對噸鋼綜合能耗造成了不利影響.通過該模型,本文形成了總流程—區(qū)域—工序的三級分解,從而在整個生產(chǎn)流程中找到具有能耗瓶頸的環(huán)節(jié).1診斷和消除不良饑餓1.1能耗瓶頸診斷模型鋼鐵廠的生產(chǎn)流程包括主工序和輔助工序,本文稱作總流程,這是鋼鐵廠的一級結(jié)構(gòu).主工序又包括煉鐵、煉鋼和軋鋼三個區(qū)域,如果把輔助工序也看作一個區(qū)域,總流程就包括煉鐵、煉鋼、軋鋼和輔助四個區(qū)域,這是鋼鐵廠的二級結(jié)構(gòu).每個區(qū)域又包括相應(yīng)的工序,這是三級結(jié)構(gòu).三級結(jié)構(gòu)的關(guān)系如圖1所示.能耗瓶頸診斷模型正是針對三級結(jié)構(gòu)逐級展開分析的.1.2集料一:第t年能耗變化模型的目的是分析不同年份的噸鋼綜合能耗的變化是由哪些因素引起的,而對噸鋼綜合能耗上漲影響最大的因素即是瓶頸因素.模型的核心在于從總流程—區(qū)域—工序三個層面上將噸鋼綜合能耗的變化“分解”為鋼比系數(shù)的變化和工序能耗的變化.作以下假設(shè):E為整個鋼鐵廠所消耗的總能耗,簡稱總能耗;Ei為第i道工序的總能耗,簡稱工序總能耗;Y為鋼產(chǎn)量;Yi為第i道工序的產(chǎn)量,簡稱工序產(chǎn)量;wi為能耗權(quán)重,即工序的總能耗與總能耗之比(Ei/E);yi為鋼比系數(shù),第i道工序產(chǎn)量與鋼產(chǎn)量的比值(Yi/Y);e為噸鋼綜合能耗(E/Y);ei為第i道工序的工序能耗(Ei/Yi).則噸鋼綜合能耗可以寫成:e=∑i∑iEi/Y(1)式(1)可以寫成:如果以第0年作為基準(zhǔn),將第t年與其進(jìn)行比較,第0年的噸鋼綜合能耗即為e0,第t年的噸鋼綜合能耗為et,第t年和第0年噸鋼綜合能耗的比值可以寫成Τotal=ete0(3)Total=ete0(3)Total稱作綜合變化,實際上也是噸鋼綜合能耗的變化.將式(2)進(jìn)行微分:d(lne)dt=d(lne)dt=∑i∑iwi[d?lnyidt+d?lneidt](4)wi[d?lnyidt+d?lneidt](4)從第0年到第T年對式(4)進(jìn)行定積分得: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)定義SE表示鋼比系數(shù)變化,IE表示工序能耗變化,則: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)則式(5)可寫為:這樣,就把能耗指標(biāo)的變化(Total)分解為鋼比系數(shù)的變化(SE)和工序能耗的變化(IE)兩項.式(6)描述了鋼比系數(shù)影響的大小,式(7)描述了工序能耗影響的大小.在計算式(6)和式(7)時需要將wi從積分符號里提出來,則必須計算一個wi的平均值ˉwiwˉˉˉi.在此采用對數(shù)平均法:ˉwi=L(wi,0,wi,Τ)=wi,Τ-wi,0ln(wi,Τ/wi,0)(9)wˉˉˉi=L(wi,0,wi,T)=wi,T?wi,0ln(wi,T/wi,0)(9)式(9)中,wi,0為第0年的wi,wi,T為第T年的wi.考慮到對鋼鐵廠所有工序的應(yīng)用,要保證能耗權(quán)重的總和為1,需要對ˉwiwˉˉˉi進(jìn)行修正,得到修正后的平均能耗權(quán)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)從而得到式(6)和式(7)的積分結(jié)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)這樣,就可以通過計算SE和IE,得到鋼比系數(shù)因素和工序能耗因素的定量變化,從而判定它們對噸鋼綜合能耗的影響大小.1.3鋼比系數(shù)變化前面所述的SE(鋼比系數(shù)變化)、IE(工序能耗變化)和Total(綜合變化)均是針對鋼鐵廠的總流程.如果在計算SE時,求和計算只包括某區(qū)域的幾個工序,則計算得到的SE是該區(qū)域的鋼比系數(shù)變化;如果去掉求和符號,只針對某個工序進(jìn)行計算,則得到的SE是該工序的鋼比系數(shù).同理,IE也是如此.因此,鋼鐵廠的三級結(jié)構(gòu),都有相應(yīng)的SE、IE和Total.為了區(qū)別,總流程保持SE、IE和Total的表達(dá)方式不變,各區(qū)域用SEd、IEd和Totald表示,而各工序用SEi、IEi和Totali表示.某鋼廠總流程有四個區(qū)域,根據(jù)SE的計算公式,則有:SE=4∏d=1SEd(13)而設(shè)某個區(qū)域包括n個工序,則:SEd=n∏i=1SEi(14)可見,總流程—區(qū)域,區(qū)域—工序間的SE都滿足乘積的關(guān)系,IE和Total類同.2能源瓶頸診斷模型的應(yīng)用研究2.1能耗指標(biāo)的整理表1統(tǒng)計了某鋼廠2001年和2007年燒結(jié)工序的相關(guān)能耗數(shù)據(jù),將所有工序都按照表1中的項目要求進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)的整理,將相關(guān)數(shù)據(jù)代入模型進(jìn)行計算,即可得到SE和IE,計算出Total.根據(jù)1.3節(jié)介紹的乘積性規(guī)律,可以分別計算出總流程、區(qū)域和各工序的SE、IE和Total,并分別予以分析,尋找在各個環(huán)節(jié)存在的能耗瓶頸.2.2總流程主動調(diào)節(jié)型總流程的診斷結(jié)果為,Total=0.9576,SE=1.0258,IE=0.9335,如圖2所示.該結(jié)果表示:2007年與2001年相比,某鋼廠整體的鋼比系數(shù)增長2.58%(SE=1.0258);整體的工序能耗降低6.65%(IE=0.9335).由于工序能耗的降幅大于鋼比系數(shù)的增幅,因此綜合變化也是小于1的(Total=0.9576),總流程的Total就是噸鋼綜合能耗的變化.為了定量地衡量鋼比系數(shù)或工序能耗對綜合變化的影響大小,提出貢獻(xiàn)指數(shù)的概念.貢獻(xiàn)指數(shù)的定義是:假如D=A×B×C,即有l(wèi)nD=lnA+lnB+lnC,則定義lnA/lnD×100%為A對D的貢獻(xiàn)指數(shù),lnB/lnD×100%為B對D的貢獻(xiàn)指數(shù),lnC/lnD×100%為C對D的貢獻(xiàn)指數(shù).所有貢獻(xiàn)指數(shù)之和等于100%.A對D的貢獻(xiàn)指數(shù)用C(A→D)表示,如果A的貢獻(xiàn)指數(shù)為正值,說明A對D作正貢獻(xiàn);相反,如果A的貢獻(xiàn)指數(shù)為負(fù),說明A對D作負(fù)貢獻(xiàn).以本研究為例,2007年和2001年相比,此鋼廠總流程的工序能耗對綜合變化的貢獻(xiàn)指數(shù)C(IE→Total)=ln0.9335/ln0.9576=159%,為正貢獻(xiàn);而鋼比系數(shù)對綜合變化的貢獻(xiàn)指數(shù)C(SE→Total)=ln1.0258/ln0.9576=-59%,為負(fù)貢獻(xiàn).C(IE→Total)+C(SE→Total)=1.通過貢獻(xiàn)指數(shù),可以看出物流因素對該鋼廠的節(jié)能是不利的,如果控制好物流因素,該鋼廠的噸鋼綜合能耗將進(jìn)一步下降.可見,貢獻(xiàn)指數(shù)的意義在于其正負(fù)性和絕對值大小可以分別判定鋼比系數(shù)或工序能耗變化對噸鋼綜合能耗的影響方向和影響大小.2.3對總流程的貢獻(xiàn)指數(shù)為了診斷出2007年和2001年相比該鋼廠具有能耗瓶頸的區(qū)域,將總流程分解到四個區(qū)域進(jìn)行分析.各區(qū)域的診斷結(jié)果如圖2所示,貢獻(xiàn)指數(shù)如表2所示.通過圖2和表2可以看出,總流程的鋼比系數(shù)是上升的.其中軋鋼區(qū)域的鋼比系數(shù)上升幅度最大,對總流程的貢獻(xiàn)指數(shù)為57.7%;其次是煉鐵區(qū),貢獻(xiàn)指數(shù)為31.1%;煉鋼區(qū)域的貢獻(xiàn)指數(shù)很小;而輔助區(qū)域由于產(chǎn)量統(tǒng)一按鋼產(chǎn)量算,因此其鋼比系數(shù)無變化,貢獻(xiàn)指數(shù)為0.總流程的工序能耗下降幅度較大.其中輔助區(qū)域的工序能耗下降幅度最大,對總流程的貢獻(xiàn)指數(shù)為59.1%;其次是煉鐵,貢獻(xiàn)指數(shù)為39.8%;而煉鋼區(qū)域的工序能耗是上升的,對總流程工序能耗的下降做負(fù)貢獻(xiàn).總流程的綜合變化,也就是噸鋼綜合能耗是下降的,下降幅度為3.99%,是由煉鐵和輔助區(qū)域貢獻(xiàn)的:其中輔助區(qū)域的貢獻(xiàn)指數(shù)達(dá)到93.8%,貢獻(xiàn)最大;其次是煉鐵,貢獻(xiàn)指數(shù)為44.9%;而煉鋼和軋鋼都是負(fù)貢獻(xiàn).綜上診斷出制約2007年該鋼廠能耗進(jìn)一步下降的瓶頸為煉鐵區(qū)域和軋鋼區(qū)域鋼比系數(shù)的增加與煉鋼區(qū)域工序能耗的上升.2.4高爐工序和鋼比系數(shù)以煉鐵區(qū)域的三個工序(燒結(jié)、煉焦和高爐)為例進(jìn)行分析.診斷結(jié)果如圖3所示,貢獻(xiàn)指數(shù)如表3所示.通過圖3和表3可以看出,2007年和2001年相比,該鋼廠煉鐵區(qū)域鋼比系數(shù)增幅為0.79%,是由高爐工序引起的,貢獻(xiàn)指數(shù)達(dá)232.9%,而燒結(jié)和煉焦工序的鋼比系數(shù)都是降低的;煉鐵區(qū)域的工序能耗降低了2.70%,主要是煉焦工序貢獻(xiàn)的,貢獻(xiàn)指數(shù)為61.2%,其次是燒結(jié)和高爐工序.煉鐵的綜合變化是降低的,降幅為1.93%,是來自煉焦和燒結(jié)工序的貢獻(xiàn),而高爐工序作負(fù)貢獻(xiàn).由此可以得到結(jié)論:2007年和2001年相比制約該鋼廠煉鐵區(qū)域能耗下降的瓶頸為高爐工序鋼比系數(shù)的增加.通過同樣的方法,診斷出該鋼廠2007年和2001年相比其他區(qū)域的能耗瓶頸:煉鋼區(qū)為焙燒工序鋼比系數(shù)的增加和一煉鋼工序能耗的上升;軋鋼區(qū)為冷軋和熱軋工序鋼比系數(shù)的增加和熱軋工序能耗的上升;輔助區(qū)為制氧工序能耗的上升.接著針對各項瓶頸因素,制定出具有針對性的節(jié)能方案或措施.如要降低熱軋工序的工序能耗,在調(diào)查某鋼廠的具體情況后,提出了增加熱送熱裝比、降低加熱爐燃料消耗等措施方案.3對國內(nèi)某鋼企業(yè)能耗降低的總體情況進(jìn)行分析(1)能耗瓶頸診斷模型的核心是將能耗的變化分解為鋼比系數(shù)的變化和工序能耗的變化兩個方面,可以對鋼鐵廠的能耗瓶頸形成總流程—區(qū)域—工序的三級診斷,得到逐級深化的診斷結(jié)果.(2)對